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1、2020/8/31,第八章 吸收,2020/8/31,第1节 概述,气体吸收过程和工业应用,吸收分离操作：利用混合气体中各组分在液体中溶解度差异，使某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。,2020/8/31,2020/8/31,2020/8/31,吸收质或溶质：混合气体中的溶解组分，以A表示。 惰性气体或载体：不溶或难溶组分，以B表示。 吸收剂：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。 吸收液：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。 吸收尾气：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。 解吸或脱吸：与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离而转
2、移到气相的过程。,2020/8/31,吸收分离操作的目的： 分离混合气体以获得一定的组分，如用硫酸处理焦炉气以回收其中的氨。 除去有害组分以净化气体，如用水和碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳。 制备某种气体的溶液，如用水吸收二氧化氮制造硝酸。,2020/8/31,物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。 化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。 单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。 多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。 非等温吸收：体系
3、温度发生明显变化的吸收过程。 等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。,吸收过程的分类,本章所作的基本假定 单组分吸收,其余组分可视为一个惰性组分。 溶剂的蒸汽压很低，因此气相中不含溶剂蒸汽 。,2020/8/31,第二节 物理吸收几个基本概念,相平衡：一定条件下，气-液相中溶质正、逆扩散速率达到相等，于是就出现了平衡状态。 气体的溶解度:是在一定条件下吸收可能达到的最高限度，它与气体和溶剂的性质有关，并受温度和压力的影响。此时的溶液已被溶质所饱和，被称为饱和溶液，溶液的浓度被称为平衡浓度或饱和浓度。 相平衡时，气相和液相中溶质的组成不再变化，此时溶液上方气体溶质的分压，称为平衡分压。,202
4、0/8/31,一、热力学基础,1、亨利定律,E亨利常数，单位与压强单位一致 。 E值取决于物系的特性及温度；温度T上升，E值增大； 在同一溶剂中，E值越大的气体越难溶。,-溶质A在气相中的平衡分压;,2020/8/31,溶质A在液相中的物质的量浓度，kmol/m3. H溶解度系数 ，单位：kmol/(m3Pa)或kmol/(m3atm)。 H是温度的函数，H值随温度升高而减小。 易溶气体H值大，难溶气体H值小。 H与E的关系:,2、亨利定律的其他表示形式 1）用溶质A在溶液中的摩尔浓度和气相中的分压表示的亨利定律,液相总物质的量浓度，kmol/m3.,2020/8/31,2) 气液相中溶质的摩
5、尔分数表示的亨利定律,-溶质在液相中的摩尔分数 -与溶液平衡的气相中的溶质的摩尔分数 m相平衡常数 ，是温度和压强的函数。 m值越大，表明气体的溶解度越小。,2020/8/31,m与E的关系：,由分压定律知 ：,由亨利定律：,即：,2020/8/31,3）用摩尔比Y和X分别表示气液两相组成的亨利定律 a) 摩尔比定义：,由,2020/8/31,当溶液浓度很低时，X0， 上式简化为：,亨利定律的几种表达形式也可改写为：,2020/8/31,相平衡关系在吸收过程中的应用,Y,X,o,Y*=mX,P,Y,X,Y*,X*,释放 溶质,吸收溶质,气、液相浓度(Y,X)在平衡线上方(P点)： 相对于液相浓
6、度 X 而言，气相浓度为过饱和(YY*)，溶质由气相向液相转移。 相对于气相浓度 Y 而言，液相浓度欠饱和(XX*)，故液相有吸收溶质的能力。,结论：若系统气、液相浓度(Y,X)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。,1、判断过程进行方向,2020/8/31,Y,X,o,Y*=mX,Q,Y,X,Y*,X*,吸收溶质,释放溶质,相对于气相浓度 Y 而言，液相浓度过饱和(X* X)，故液相有释放溶质的能力。,相对于液相浓度 X 而言，气相浓度为欠饱和(Y* Y)，溶质由液相向气相转移。,气、液相浓度(Y,X)在平衡线下方(P点)：,结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方
7、，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。,2020/8/31,2、计算过程推动力,推动力可用一相的实际组成与其对应的平衡组成之差来表示。实际组成偏离平衡组成的程度愈大，过程的推动力愈大，其传质速率愈大，吸收/解吸过程愈容易进行。,传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。,(X*-X)：以液相摩尔分数差表示的传质推动力。,对吸收过程： (Y-Y*)：以气相摩尔分数差表示的传质推动力；,2020/8/31,当气液相的组成均用摩尔分数表示时，吸收的推动力可表示为：,以气相组成差表示的吸收推动力；,以液相组成差表示的吸收推动力。,3、确定过程的极限,所谓过程的极限是指两相充分接触后，各相组成变
8、化的最大可能性。,2020/8/31,3、传质过程的限度,对吸收而言： 若保持液相浓度 X 不变，气相浓度 Y 最低只能降到与之相平衡的浓度 Y*，即 Ymin=Y*； 若保持气相浓度 Y 不变，则液相浓度 X 最高也只能升高到与气相浓度 Y 相平衡的浓度 X*，即 Xmax=X*。,2020/8/31,二、物理吸收的动力学基础双膜理论,（一）双膜理论 相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上没有传质阻力，气液两相处于平衡状态。 界面两侧分别存在着两层虚拟停滞膜，气膜和液膜。气相一侧叫气膜，液相一侧叫液膜 ，这两层膜均很薄，膜内的流体是层流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质。 膜外的气液相
9、主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层膜内。,2020/8/31,pA,2020/8/31,（二）气相与液相的传质速率方程,吸收速率：,单位面积,单位时间内吸收的溶质A的摩尔数， 用NA表示，单位通常用kmol/m2.s。,吸收传质速率方程：,吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式,吸收速率=传质系数推动力,1、气膜吸收速率方程式,2020/8/31,令, 气膜吸收速率方程式,气膜吸收系数， kmol/(m2.s.kPa)。,也可写成：,2020/8/31,当气相的组成以摩尔分率表示时,当气相组成以摩尔比浓度表示时,2020/8/31,2、液膜吸
10、收速率方程式,令,或,液膜吸收速率方程,2020/8/31,当液相的组成以摩尔分率表示时,当液相组成以摩尔比浓度表示时,2020/8/31,(三)、总传质速率方程式 1、以气相组成表示总推动力的吸收速率方程式 a）以p为推动力的吸收速率方程,与液相主体浓度c成平衡的气相分压，Pa。,b）以y为推动力的吸收速率方程,以y为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s)。,2020/8/31,2、以液相组成表示总推动力的吸收速率方程式,a）以c为推动力的吸收速率方程,以c为推动力的液相总吸收系数，m/s,b）以x为推动力的吸收速率方程,以x为推动力的液相总吸收系数，kmol/(m2.s),2020
11、/8/31,3、用摩尔比浓度为总推动力的吸收速率方程式 适用条件：溶质浓度很低时,据分压定律,2020/8/31,代入,令,2020/8/31,4、各种吸收系数之间的关系 1）总系数与分系数的关系,2020/8/31,由亨利定律：,2020/8/31,即总阻力=气膜阻力+液膜阻力,同理,2020/8/31,在溶质浓度很低时,2020/8/31,当溶质在气相中的浓度很低时,b）液相总传质系数间的关系,c）气相总吸收系数与液相总吸收系数的关系,2）总系数间的关系 a）气相总吸收系数间的关系,2020/8/31,3）各种分系数间的关系,5、传质速率方程的分析,1）溶解度很大时的易溶气体,气膜控制,2020/8/31,2）溶解度很小时的难溶气体,当H很小时，,液膜控制,3）对于溶解度适中的气体吸收过程 气膜阻力和液膜阻力均不可忽略，要提高过程速率，必须兼顾气液两端阻力的降低。,2020/8/31,小结 ：,吸收速率方程,与膜系数相对应的吸收速率式,与总系数对应的速率式,用一相主体与界面的浓度差表示推动力,用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力,2020/8/31,2020/8/31,注意： 吸收系数的单位：kmol/(m2.s.单位推动力) 吸收系数与吸收推动力的正确搭配 阻力的表达形式与推动力的表达形式的对应 吸收速率方程的适用条件 各种吸收系数间的关系 气膜控制与液膜控制的条件,
