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1、1,第八章 吸收,2,第一节 概述 一、 吸收操作及其在化工生产中的应用 吸收操作：用适当的液体吸收剂处理气体混合物，以除去一种或多种组分的操作。 分离的依据：混合气中各组分在液体溶剂中溶解度的不同。 分离的对象：气体混合物。 操作性质：气液相间的传质过程。（单向）,3,吸收质（溶质）可溶组分（A） 惰性气（载体）不被吸收的组分（B） 吸收剂（溶剂）吸收操作中所用的液体（S） 吸收液吸收操作中所得到的溶液（A+S） 尾气吸收操作中所排出的气体（B+S）,4,（1）气体吸收 选择一定的溶剂（外界 引入第二相）造成两相，处理气体 混合物。,（2）液体蒸馏 对于液体混合物加热， 使混合物内部造成两相
2、，利用不同 组分挥发性的差异，使得液体混合 物得以分离。,5,（3）固体干燥 对含一定湿分的固体提 供一定的热量，使溶剂汽化，利用 湿分压差，使湿分从固体表面或内 部转移到气相，从而将含湿分的固 体物料得以净化。,6,8.1.2.相组成表示法,1质量分率与摩尔分率,质量分率：在混合物中某组分的质量占 混合物总质量的分率。,摩尔分率：在混合物中某组分的摩尔数 占混合物总摩尔数的分率。,7,气相：,液相：,质量分率与摩尔分率的关系：,8,2质量比与摩尔比,质量比：混合物中某组分A的质量与惰性 组分B（不参加传质的组分）的 质量之比。,摩尔比：混合物中某组分的摩尔数与惰 性组分摩尔数之比。,9,气相
3、：,液相：,质量分率与质量比的关系：,摩尔分率与摩尔比的关系：,10,3质量浓度与摩尔浓度,质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。,摩尔浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。,11,质量浓度与质量分率的关系：,摩尔浓度与摩尔分率的关系：,c混合物在液相中的总摩尔浓度，kmol/m3； 混合物液相的密度，kg/m3。,12,4气体总压与理想气体中组分的分压,总压与某组分的分压之间的关系:,摩尔比与分压之间的关系:,摩尔浓度与分压之间的关系:,13,5.1.3.气体吸收过程,1 .气体吸收的目的,2.吸收的依据,混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。,14,3吸收过程及设备,15,吸收质 惰性组
4、分,溶剂,吸收液,吸收尾气,16,4吸收流程,17,5吸收分类,6吸收剂的选择要求,（1）溶解度大；,18,8.2. 气液相平衡 8.2.1.气液相平衡关系 8.2.2.相平衡关系在吸收过程中的应用,19,8.2.1. 气液相平衡关系,1溶解度曲线,平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与 混合气体充分接触，气相中的溶质向 溶剂中转移，长期充分接 触后，液相 中溶质组分的浓度不再增加，此时， 气液两相达到平衡。,饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。,20,平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。,平衡状态的因素,FC2=32+2=3,当压力不太高、温度一定时,p*A =f1（ x ） y*=f2（
5、x） p*A =f3（ cA ）,21,60,50,40,30,22,23,24,讨论：,（2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收 。,（1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收 。,25,（3）相同的总压及摩尔分率， cO2 cCO2 cSO2 cNH3,氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体,2亨利定律,（1）亨利定律内容 总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。,26,讨论：,1）E的影响因素：溶质、溶剂、T 物系一定，,2）E大的，溶解度小，难溶气
6、体 E小的，溶解度大，易溶气体,3）E的来源：实验测得；查手册,27,1）,（2）亨利定律其它形式,H与E的关系：,28,H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体 2）P对H影响小，,2）,m相平衡常数，无因次。,29,m与E的关系 ：,m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体 2）,30,3）,【例5-1】某系统温度为10，总压101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？,=101.30.21=21.27kPa,查得10时，氧气在水中的亨利系数E为 3.31106kPa。,31,3.5710-4kmol/m3,W=3.5710-4321000=11.42g
7、/m3,32,8.2.2. 相平衡关系在吸收过程中的应用,1判断过程进行的方向,y y*或x* x或,A由气相向液相传质，吸收过程,平衡状态,A由液相向气相传质，解吸过程,吸收过程：,33,2指明过程进行的极限,过程极限：相平衡。,34,1）逆流吸收，塔高无限，,2）逆流吸收，塔高无限，,3确定过程的推动力,1)吸收过程推动力的表达式,y - y*或x* -x或,35,2）在xy图上,36,【例5-2】在总压101.3kPa，温度30的条件下, SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问： （1）SO2的传质方向； （2）其它条件不变，温度降到0时SO2的传
8、质方向； （3）其它条件不变，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。,37,8.3.分子扩散与单相传质 8.3.1. 分子扩散 8.3.2. 单相分子扩散 8.3.3. 单相对流传质 8.3.4. 界面上的浓度,38,8.3. 分子扩散与单相传质,吸收过程：,（1）A由气相主体到相界面，气相内传递； （2）A在相界面上溶解，溶解过程； （3）A自相界面到液相主体，液相内传递。,单相内传递方式：分子扩散；对流扩散 。,1分子扩散,8.3.1. 分子扩散,39,分子扩散现象：,40,分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存 在浓度差
9、，则因分子无规则的热运动使 该组分由浓度较高处传递至浓度较低处， 这种现象称为分子扩散。,扩散通量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 面积扩散的物质量。,41,5.3.2. 单相分子扩散,分子扩散两种形式：等分子反向扩散，单向扩散。,1等分子反向扩散,(1)等分子反向扩散,42,等分子反向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率 大小相等，方向相反。,（2）等分子反向扩散讨论,43,1）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。,2）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。,3）单向扩散体现在吸收过程中。,44,8.3.3. 单相对流传质,1涡流扩散,涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部 存在浓度梯度，流体
10、质点便会靠 质点的无规则运动，相互碰撞和 混合，组分从高浓度向低浓度方 向传递，这种现象称为涡流扩散,45,2有效膜模型,（1）单相内对流传质过程,46,1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分 子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的 变化较陡。,2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散， 溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水 平线。,3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的 变化逐渐平缓。,47,kL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相 对流传质分系数，kmol/（m2skmol/m3）；,以液相组成摩尔分率表示推动力的液相 对流传质分系数，kmol/（m2s）；,各液相传质分系数之间的关
11、系：,注意： 对流传质系数=f (操作条件、流动状态、物性）,48,8.3.4. 界面上的浓度,定态传质,=f（cAi）,、cAi,1一般情况,2平衡关系满足亨利定律,、cAi,49,3图解,I（pAi，cAi）,50,8.4. 对流传质 8.4.1. 两相对流传质模型 8.4.2. 总传质速率方程 8.4.3. 传质阻力与传质速率的控制,51,8.4.1. 两相对流传质模型,相际对流传质三大模型：双膜模型 溶质渗透模型 表面更新模型,1双膜模型,52,2双膜模型的基本论点（假设）,（1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存 在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩 散方式通过气膜和液膜
12、。,（2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力。,（3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以 涡流扩散的形式传质。,双膜模型也称为双膜阻力模型,53,8.4.2. 总传质速率方程,1吸收过程的总传质速率方程,（1）用气相组成表示吸收推动力,以气相分压差表示推动力的气相总传质 系数，kmol/（m2skPa）；,以气相摩尔分率差表示推动力的气相 总传质系数，kmol/（m2s）；,54,（2）用液相组成表示吸收推动力,以液相浓度差表示推动力的液相总传 质系数，kmol/m2skmol/m3）；,以液相摩尔分率差表示推动力的液相 总传质系数，kmol/（m2s）；,（3）总传质系数与单相传质分系数之间
13、的关系,系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线,55,根据双膜理论,56,同理：,用类似的方法得到,57,（4）总传质系数之间的关系,58,8.4.3. 传质阻力与传质速率的控制,1传质阻力,相间传质总阻力 = 液相(膜)阻力 +气相(膜)阻力,注意:传质系数、传质阻力 与推动力一一对应。,59,2传质速率的控制步骤,（1）气膜控制,气膜控制：传质阻力主要集中在气相，此吸收过程 为气相阻力控制（气膜控制）。,H 较大易溶气体,气膜控制的特点：,60,提高传质速率的措施：提高气体流速； 加强气相湍流程度。,（2）液膜控制,液膜控制：传质阻力主要集中在液相，此吸收过程 为液相阻力控制（液膜控制
14、）,液膜控制的特点：,H较小难溶气体,61,提高传质速率的措施：提高液体流速； 加强液相湍流程度。,同理：,气膜控制：,液膜控制：,m小易溶气体,m大难溶气体,62,【例5-4】110kPa下操作的氨吸收塔，某截面上，含氨0.03摩尔分率的气体与氨浓度为1kmol/m3的氨水接触，已知气相传质系数kG=510-9kmol/(m2sPa)，液相传质系数kL=1.510-4m/s，氨水的平衡关系可用亨利定律表示，H=7.310-4kmol/(m3Pa)，试计算： 1）气液界面上的两相组成； 2）以分压差和摩尔浓度差 表示的总推动力、总传质系数、传质速率； 3）以摩尔分率差表示总推动力的气相总传质系
15、数； 4）气膜与液膜阻力的相对大小。,63,8.5. 吸收塔的计算 8.5.1. 物料衡算与操作线方程 8.5.2. 吸收剂用量的确定 8.5.3. 填料层高度的计算 8.5.4. 吸收塔的计算 8.5.5. 塔板数的计算,64,操作型：核算； 操作条件与吸收结果的关系。,计算依据：物料恒算 相平衡 吸收速率方程,吸收塔的计算内容：,设计型：流向、流程、吸收剂用量、 吸收剂浓度、塔高、塔径,65,5.5.1. 物料衡算与操作线方程,66,1物料衡算,定态，假设S不挥发，B不溶于S,全塔范围内，对A作物料衡算 ：,GBYb+LsXa=GBYa+LSXb,GB（YbYa）=LS（XbXa）,67,
16、Xb=XaGB（YbYa）/LS,2操作线方程式及操作线,（1）逆流吸收,GBY+LSXa=GBYa+LSX,Ya=Yb（1）,A被吸收的百分率，称为回收率或吸收率。,68,同理：,逆流吸收操作线具有如下特点：,69,3）操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系 统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。,2）操作线通过塔顶（稀端） A （Xa，Ya）及塔底 （浓端） B （Xb， Yb）;,1）定态，LS、GB、Yb、Xa恒定，操作线在XY 坐标上为一直线，斜率为LS/GB 。 LS/GB为吸收 操作的液气比；,70,5）平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线 离平衡线愈远吸收的推动力愈大；,4）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平 衡线OE下方。,71,（2）并流吸收,GBY+LSX=GBYa+ LSXa,72,逆流与并流的比较：,
