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1、第 2 章 吸 收,一、吸收及其依据,1、吸收：,2、吸收依据：,分离气体混合物的传质单元操作。,各组份在液相中的溶解度不同。,二、吸收过程,吸收质（溶质）A；,惰性组分（载体）B；,吸收剂（溶剂）S；,吸收液（AS）；,尾气B,A。,三、应用,1、分离气体混合物，获得某一组分；,2、净化气体；,3、制备溶液。,四、吸收分类,1、物理吸收；,2、化学吸收；,3、单组分吸收；,4、多组分吸收；,5、等温吸收；,6、非等温吸收。,五、吸收机理,1、方向与限度取决于平衡关系,气pA,AB,液xA,S,A,pApA*时,pA*与xA呈平衡,2、与蒸馏比较,1）同为分离均相物系的气液传质操作；,2）第二
2、个物系,蒸馏：产生气相,直接得A、B。,吸收：外界引入气相,不能直接得A、B，需二次分离。,3）蒸馏：双向传质,吸收：单相传质,B、S停滞组份。,六、脱吸：,当pApA*时，进行着吸收逆过程脱吸。,2.1 气体吸收的相平衡关系,2.1.1 气体的溶解度,一、溶解度：,A、B,S,A,CA*,T、P一定，气体在液体中的饱和浓度。,表明吸收过程可能达到的极限程度。,二、温度对溶解度的影响,单组份、,组分数C3、（A、B、S）、,相数2。,相律：FC2,3223,CA*f ( t、P总、PA）,低压下,t一定,CA*f ( PA）,三、不同气体溶解度差异（同一溶剂）,举例：,NH3、SO2、O2在水
3、中的溶解度与pA*之间关系。,溶液浓度一定，易溶气体pA*,难溶气体pA*,同种溶质，T,而溶解度,结论：加压、降温对吸收有利。,2.1.2 亨利定律,一、亨利(Henry)定律,P总不高，T一定，,p*=E x (2-1),说明：1、 p*、x 、E（亨利系数，压强单位 ）,x,p*,实际浓度,平衡分压,2、适用于 t 一定，理想溶液。E为该 t 下纯溶质p;,3、用于难溶、较难溶气体（或易溶稀溶液）；,4、难溶气体，E为常数；,5、E由实验测定，查手册（P78）；,6、Ef （T），T,E,（即T,CA*,),因此,难溶E,而易溶E,二、Henry定律的其它形式,1、,说明：C为体积摩尔浓
4、度kmol/m3； H为溶解度系数kmol/kN.m； HE关系：,推导：1m3：,溶质kmol/m3,溶剂,则,H=f（T） T,H,易溶H,难溶H,2、y*=m x (2-5),说明：m 相平衡常数，无因次； mE：,与 y*=m x 比较：,m 实验值,m= f (T),T,P总,m,(x,)不利。,3、B、S摩尔量不变（基准）,代入 y*=m x ：,低浓度：,X,Y,p*=E x (2-1),y*=m x (2-5),2.1.3 吸收剂的选择,1、溶解度；,2、选择性；,3、挥发度；,4、粘性；,5、其它。,2.1.4 相平衡关系在吸收过程中的应用,1、判断传质进行的方向,传质方向为
5、：气相,液相,吸收,反之，传质方向为：液相,气相,脱收,总之，溶质传递的方向是趋于平衡的方向。,2、确定传质的推动力,3、指明传质过程进行的极限,2.2 吸收机理与吸收速率,吸收,g,l,A,扩散,分子扩散,涡流扩散,: 流体分子无规则的热运动而传递物质。（静止或滞流）,：靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质的。（湍流）,2.2.1 分子扩散与菲克（Fick）定律,一、分子扩散,1、概念,在单相内部有浓度差的条件下，分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。简称扩散。,2、举例,A,B,传递方向：,A、B各自沿着浓度降低的方向传递。,推动力：浓度差。,二、菲克（Fick ）定律,JA物质A在Z方向上
6、的扩散通量，kmol/(m2.s);,A的浓度梯度，kmol/m4;,DAB物质A在介质B中的分子扩散系数。,负号表明扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。,A、B在Z方向互为相反值：,而且，,根据 Fick 定律：,作业：P1501、2,2.2.2 气相中的稳定分子扩散,一、等分子反向扩散,pA1 pA2,pB2 pB1,两容器T、P相同。,精馏,传递速率NA：在任意固定的空间位置上，单位 时间通过单位面积的物质量Akmol/m2.s。,NA不涉及传递形式。,推导NA计算式：,1、现象,2、传递速率NA (传质速率）,NAJA,稳定过程，NA为常数。因而,也是常数，,故pAZ为直线关系。,（
7、215）,0,pA1,Z,pA2,二、一组分通过另一停滞组分的扩散,1、过程分析,JAJB （分子扩散）,总体流动：A、B两种物质并行的递补运动。,单向扩散与等分子反向扩散的区别,等分子反向扩散：NAJA,单向扩散： NAJA总体流动,2、NA计算式,N总体流动的通量，A、B总物质量m2.s；,其中，A、B的通量各为：,若扩散在气相：,积分:,0,z,pB1,pB2,解得：,故,则：,式中：,1、2两截面上物质B分压的对数平均值，kpa。,漂流因数，无因次。,说明：,与(2-16)比较,多P/PBm ,使NA,(pB ), (2-16)式适于精馏； （220）式适于吸收。,pA,PpBm,总体
8、流动0,pA,2.2.3 液相中的稳定分子扩散,2.2.4 扩散系数,一、D 物理意义,单位浓度梯度下的扩散通量。反映某组分在介质中扩散的快慢。,二、复杂之处, 至少有两种物质,有多种配合方式； 随温度变化较大； 与总压（气体）或浓度（液体）有关； 文献中数据不全，应用时常估算。,三、扩散系数D （P90 ）,2.2.5 对流传质,1、涡流扩散,凭籍流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象。,式中： D 分子扩散系数，m2s；,DE一 涡流扩散系数，m2s；,dcA/dz 一 沿z方向的浓度梯度，kmolm4；,J 扩散通量，kmol(m2s)。,DE不是物性，与湍动程度有关。,2、对流传质,气相
9、：,液相：,作业：复习所讲。,2.2.6 吸收过程的机理,1、双膜理论,(1)目的：建立传质速率方程。,(2)双膜理论,传质过程,双膜理论基本论点：,1）相界面，滞流膜层，分子扩散；,2）相界面处达于平衡；,3）流体主体为湍流，,膜层内存在,也称双阻力理论。,吸收为通过两膜层的传质。,2.2.7 吸收速率方程式,1) 吸收速率NA：单位相际传质面积上，单位时间内吸收的溶质量。,2) NA所能解决的问题：,1）一定吸收任务，所需设备尺寸；,2）核算混合气体通过指定设备所能达到的吸收程度。,3) 吸收速率方程式：,浓度差,1吸收系数,吸收速率 吸收系数推动力,4) 膜吸收速率（指单一相）,N气膜,
10、N液膜,稳定操作：N气膜N液膜,气膜吸收速率N气膜气膜吸收系数（）推动力,液膜吸收速率N液膜液膜吸收系数（）推动力,1、气膜吸收速率方程式,气相主体,相界面,一定条件下：,故令：,(1),kG气膜吸收系数，kmol/(m2.s.kpa),1kG为气膜阻力， 1kG与（p-pi)相对应。,(2)气相组成以摩尔分率表示时：,y-溶质A在气相主体中的摩尔分率；,yi-溶质A在相界面处的摩尔分率。,(3)kGky关系,P总压不高时，,p=Py 及pi=Pyi,ky= PkG (2-35),ky-气膜吸收系数 kmol/(m2.s),1ky为气膜阻力， 1ky与（y-yi)相对应。,2、液膜吸收速率方程
11、式,令,kL液膜吸收系数，kmol/(m2.s.kmol/m3)或m/s。,1kL为液膜阻力， 1kL与（ci-c)相对应。,(1),(2)液相组成以摩尔分率表示时：,(3)kLkx关系,因为,kx液膜吸收系数，kmol/(m2.s),1kx为液膜阻力， 1kx与（xi-x)相对应。,3、界面浓度,(1)界面处气液浓度符合平衡关系；,(2)稳定情况下：,液相浓度,气相分压,o,E,p,c,A,斜率,I,ci,pi,4、总吸收系数及其相应的吸收速率方程式,(3)求出界面浓度,(1）为避开界面浓度，仿效间壁传热的处理方法。,用主体浓度差表示推动力。,(2）与传热不同点：p与x不能相减，即使y与x也
12、不能相减。,(3）吸收过程的总推动力任一相主体浓度与平衡浓度差。,1)以 (p-p*) 表示总推动力的吸收速率方程式,p*与c 成平衡，,p为气相主体分压。,若系统服从亨利定律：,根据双膜理论：,气相速率方程式,改写成,两式相加，得：,令,则,说明：KG气相总吸收系数kmol/m2.s.kpa;,(p-p*)为总推动力；,1/KG为总阻力,由1/kL、1kG两部分；,易溶气体H,当kLkG时,则,KGkG,气膜控制,气膜控制(看图)：,气膜控制,液膜控制,2) 以（c*-c）表示总推动力的吸收速率方程式,c*与p成平衡，,若系统服从亨利定律：,将上两式代入,则,说明：KL液相总吸收系数kmol
13、/m2.s.kmol/m3;,(p-p*)为总推动力；也称液相总吸收速率方程式；,1/KL为总阻力,由1/kL、HkG两部分；,难溶气体H,当kLkG时,则,KLkL,液膜控制，（看图）,中等溶解度的气体吸收过程，气膜阻力与液膜阻力均不可忽略。,3) 以（Y-Y）表示总推动力的吸收速率方程式,若操作总压 P，则,p=P y,又知,故,同理,（Y与X成平衡）,简化：,令,则,说明：KY气相总吸收系数 kmol/m2.s；,(Y-Y*)为总推动力；也称气相总吸收速率方程式；,1/KY为总阻力,为两膜总阻力；,当溶质在气相中浓度很小时，,Y和Y都很小，,于是 KY KG P,4) 以（X-X）表示总
14、推动力的吸收速率方程式,（X与Y成平衡）,又知,故,同理,代入,简化：,令,则,说明：KX 液相总吸收系数 kmol/m2.s；,(X*X）为总推动力；也称液相总吸收速率方程式；,1/KX为总阻力,为两膜总阻力；,当溶质在液相中浓度很小时，,X和 X 都很小，,于是 KX KL C,5、 小结,1、两类吸收速率方程式,膜系数相对应的速率式,总系数相对应的速率式,膜吸收速率方程式,方程式,吸收系数,膜系数：kGkmol/(m2.s.kpa),推动力,kLkmol/(m2.s.kmol/m3)或m/s。,ky kmol/(m2.s),Kxkmol/(m2.s),总吸收速率方程式,总系数：KGkmo
15、l/m2.s.kpa,KLkmol/m2.s.kmol/m3;,KY kmol/m2.s,KX kmol/m2.s,2、任何系数的单位都是kmol/(m2.s.单位推动力；,3、推动力与阻力对应关系：,例：,表示总推动力时，,1kG为气膜阻力，,1/HkL为液膜阻力。,表示总推动力时，,1/kL为液膜阻力。,HkG为气膜阻力，,4、膜系数与总系数之间关系,5、吸收速率方程式适用于，稳定吸收的吸收塔内任意截面上（不是全塔）。,在整个吸收过程所涉及的浓度范围内，平衡关系为直线。,作业：P1517、8,2.3 吸收塔的计算,实现传质过程,板式塔,填料塔,：气液逐级接触；,：气液连续接触。,一、填料塔
16、,二、填料,1、拉西环,2、槽鞍填料,3、金属鲍耳环,4、塑料鲍耳环,5、金属环聚鞍,6、规整填料,三、塔内流体流动方式：,1、逆流,2、并流,四、吸收塔工艺计算内容,吸收剂用量；,塔径；塔有效段高度（填料层高度）。,2.3.1 吸收塔的物料衡算和操作线方程,1、物料衡算,V惰性气体量，kmol(B)s；,L溶剂量，kmol(S)s；,Y1、Y2溶质组分的摩尔比，kmol(A)kmol(B)；,X1、X2液相溶质组分的摩尔比，kmol(A)/kmol(S)；,注意：下标“1”为塔底，下标“2”为塔顶。,一般情况下，吸收任务规定：V、Y1；,如果已知 L、X2、溶质回收率（吸收率）,则：,因此，可求得吸收液浓度X1。,2、吸收塔的操作线方程与操作线,m-n截面与塔底端作A物料衡算：,m-n截面与塔顶端作A物料衡算：,以上两式称为逆流吸收塔的操作线方程式。,O,Y2,Y,Y1,T,B,A,Y,X,X,X2,X1,2、并流也用同
