第七章节吸收幻灯片

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1、1,第二章 吸收 （Gas Absorption）,2,利用气体混合物中各组分(component)在液体溶剂中溶解度(solubility)的差异来分离气体混合物的操作。,第一节 概述,一、工业生产中的吸收过程,.什么是吸收？,吸收(absorption)的依据,3,气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。,溶质A 惰性组分B 吸收剂 S,吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。 惰性气体(inert gas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。,4,吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。 吸收液(st

2、rong liquor)：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(dilute gas)：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。,吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如上所示。,5,2.气体吸 收的目的,原料气 的净化,有用组分的回收,主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳等。,某些产品的制取,废气的 治理,例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。,如用95%的硫酸吸收SO3气体制取98%硫酸，用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸等。,选择适当的工艺和溶剂吸收工业废气中的， ，汞蒸

3、气等,6,3. 吸收的分类,物理吸收 化学吸收,等温吸收 非等温吸收,单组分吸收 多组分吸收,低浓度吸收 高浓度吸收,本章以分析单组分的等温物理吸收为重点，以便掌握最基本的原理。,7,二、吸收的流程和溶剂,1、吸收设备塔设备,吸收质 惰性组分,溶剂,吸收尾气,吸收液,8,.吸收流程,9,（）气液流向,10,（）多塔吸收,(b)与(a)相比，由于每一塔中都要喷淋新再生的溶液，故气体能得到完全的吸收，但溶液的平均浓度较低，溶液的循环量较大，对再生的要求较高。,11,（）加压吸收,溶质气体分压 和溶解度增大,有利于吸收,但专为吸收加压耗能大,12,（）脱吸,吸收剂的选择要求,（1）溶解度大；,（2）

4、选择性高；,（3）再生容易；,（4）挥发性小；,（5）粘度低；,（6）化学稳定性高；,（7）腐蚀性低；,（8）无毒、无害、价廉等。,蒸馏与吸收操作对比,蒸馏改变状态参数产生第二相，吸收从外界引入另一相形成两相系统； 蒸馏直接获得轻、重组分，吸收混合液经脱吸才能得到较纯组分； 蒸馏中气相中重组分向液相传递，液相中轻组分向气相传递，是双相传递；吸收中溶质分子由气相向液相单相传递，惰性组分及溶剂组分处于“停滞”状态。,13,14,第二节 气体吸收的相平衡,. 溶解度,一、气液相平衡,在一定温度下,使某一定量气体与一定量液体溶剂在密闭容器中接触,溶质向溶剂中转移。经过足够长的时间,气、液相浓度不再改变

5、,宏观上传质过程停止,达成平衡。微观上是气体进出液体的分子数相等,故称相际动平衡,简称相平衡。 达到平衡时,气相中溶质的压力称当时条件下的平衡分压pA,而液相中所含溶质气体的浓度即为当时条件下的气体在液体中的溶解度。,15,气体在液体中的溶解度表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。,气液达到相平衡时，液相中的溶质浓度称为溶解度，用cA*表示。,根据相律可知， 相平衡时自由度数：,组分数为，溶质、惰性气体、溶剂,相数为，气、液,16,溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。,17,18,在相同条件下，NH3 在水中的溶解度较 SO2 大得多。 用水作吸收剂时

6、，称 NH3 为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2 在 30 和溶质的分压为 40kPa 的条件下，1kg 水中溶解的质量仅为 0.014g)。,由溶解度曲线可得：加压和降温对吸收操作有利。,二、 亨利定律（Henrys law）,19,当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。,式中： pi* 溶质在气相中的平衡分压，kPa； xi 溶质在液相中的摩尔分数； E 亨利系数，kPa。, 亨利定律,E 的单位与气相分压的压强单位一致。,20,讨论：,1）E的影响因素：溶质、溶剂、T 物系一定，,2）

7、E大的，溶解度小，难溶气体 E小的，溶解度大，易溶气体,3）E的来源：实验测得；查手册,21,当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有,yi* 与组成为 xi 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数； ci 溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3； m 相平衡常数； H 溶解度系数；kmol/(m3kPa)；,22,三个比例系数之间的关系：,式中 cm 为溶液的总浓度（kmol/m3）。 对于稀溶液，因溶质的浓度很小，因此 cm = / Ms ，其中 为溶液的密度，Ms 为溶剂的摩尔质量。,亨利定律各系数间的关系推导,23,m与E的关系 ：,H与E

8、的关系：,亨利定律各系数间的关系,24,稀溶液,25,H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体 2）P对H影响小，,m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体 2）,26,在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比 Y（ 或 X ）表示组成。,以摩尔比表示组成的相平衡关系,X 溶质在液相中的摩尔比浓度； Y* 与X 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。 当 m 趋近 1 或当 X 很小时,27,亨利定律小结,稀溶液适用,对于一定的物系，亨利常数E、溶解度系数H、相平衡常数m的大小都能反映溶质在溶剂中的溶解度大小。,难溶气体的E、m值较大，H值较小 易溶气体的E、m值较小， H值较大,28,1判断过

9、程进行的方向,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：,y y*或x* x或,三、相平衡关系在吸收过程中的应用,29,2指明过程进行的极限,过程极限：相平衡。,3确定过程的推动力,吸收过程推动力的表达式,y - y*或x* -x或,吸收液的组成,吸收尾气的组成,30,某气液体系，气相是空气与SO2的混合物， SO2的浓度0.03，溶剂是水，液相中SO2的浓度是x14.1310-。p1.2atm，t=10。问：过程是吸收还是解吸过程？过程推动力为多少？以y与x表示（10，24.2atm),解：已知：y1=0.03, x1=4.1310-4, p=1.2at

10、m,由于,故过程为吸收,吸收推动力：,吸收推动力：,小结 吸收过程是气、液相间的单方向传质问题；相间接触方式有逐级接触式及微分接触式；一个完整的工业吸收过程包括包括吸收与脱吸两部分。 相平衡关系对传质过程的分析与描述有重要作用。Henry定律所描述的是稀溶液(不管理想还是非理想溶液)中溶质的蒸汽压与其浓度成正比，当物系为理想溶液时，Henry定律与Raoult定律一致。,31,依据气、液相平衡原理可以判断吸收过程的方向，指出吸收过程进行的极限(它限制了吸收设备内气、液出口处的极限浓度)及计算吸收过程的推动力。但是，相平衡关系并末说明吸收过程进行的快慢。 吸收剂是吸收过程成败的关键，其选择的主要

11、原则是溶解度高、选择性好、易于再生。,32,见83 例22,33,已知: mi求: xi , Xi 已知:Pi求:Yi,34,判断吸收过程进行方向,y*=0.94x x=0.05 y=0.1 y*=0.940.05=0.047 x 吸收 x=0.1 y=0.05 y*=0.10.94=0.094 y 解吸 x*=0.05/0.94=0.053 x 解吸,35,第三节 吸收过程的传质速率,溶质由气相向液相转移的相际传质过程，分为三个步骤：,气相主体,液相主体,相界面,溶解,气相扩散,液相扩散,(1) 溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)；(2) 溶质在界面上溶解(通过界面的传质)；

12、(3) 溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。,一、分子扩散与菲克定律,36,1、分子扩散：,一相内部有浓度差异的条件下，由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。,2菲克定律,1）扩散通量 ：,单位面积上单位时间内扩散传递的物质量 ， 单位：kmol/(m2.s) 。,37,2）菲克定律(ficks law),试分析与傅立叶定律以及牛顿粘性定律的区别及联系。,物质A的分子扩散通量与该位置上A的浓度梯度成正比，比例系数称为物质A在介质B中的扩散系数。,38,3）分子扩散系数间的关系,对于双组分物系：,39,根据菲克定律：,在双组分混合物中，组分A在组分B中的扩散系数等于组分B在组分

13、A中的扩散系数。,二、气相中的稳定分子扩散,40,1等摩尔反向扩散,当通过连通管内任一截面处两个组分的扩散速率大小相等时，此扩散称为等摩尔相互扩散。 例如精馏过程,在有限时间内为稳态分子扩散。A与B向相反方向扩散的分子数相等，为等摩尔反向扩散。,41,传递速率 在任一固定的空间位置上，单位时间通过单位面积的A物质量，称为A的传递速率，以NA表示。物质A 的传质速率等于A的分子扩散通量。,分离变量并进行积分，积分限为：,42,传质速率为：,2、一组分通过另一停滞组分的扩散,43,例如吸收,总体流动：对吸收过程，气相主体中的组分A扩散到界面，然后通过界面进入液相，而组分B由界面向气相主体反向扩散，

14、但由于相界面不能提供组分B，造成在界面左侧附近总压降低，使气相主体与界面产生一小压差，促使A、B混合气体由气相主体向界面处流动，此流动称为总体流动。,过程分析 稳态等分子反向扩散 总体流动,44,传递速率 设总体流动通量为N，其中物质A的通量为：,45,因总体流动而产生的传递速率（总体流动能量）为：,组分A，B因分子扩散和总体流动总和作用所产生的传质速率为NA，即：,组分B不能通过气液界面，故,46,稳态时，总体流动通量等于组分A的传质通量,47,在z=0，cA=cA1；z=z，cA=cA2的边界条件下积分,对于气体：,初、终截面处cB的对数平均值,48,即,分离变量后积分,49,漂流因数，无

15、因次。反映总体流动对传质速率的影响。,因PpBm，所以漂流因数,50,漂流因子的大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，溶质的浓度愈大，其影响愈大。其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。,当混合物中溶质A的浓度较低时，即cA,pA很小时：,总体流动可以忽略不计,1等摩尔反向扩散-适合于描述理想的精馏过程中的传质速率关系。,51,2、一组分通过另一停滞组分的扩散- 适合于描述吸收与脱吸等过程中的传质速率关系。,52,三、分子扩散系数,分子扩散系数：单位浓度梯度下的扩散通量，单位为m2/s。即：,扩散系数反映了某组分在一定介质（气相或液相）中的扩散能力，是物质特性常数之一。其值随物系种

16、类、温度、浓度或总压的不同而变化。,扩散系数 是物性参数 气相：种类、温度、压强有关 液相：种类、温度、浓度有关 一些常用物质的扩散系数 表22，物质在空气中的扩散系数 表23，物质在水中的扩散系数 扩散系数的来源 实验测定 物理化学手册，化学工程手册等查阅 经验或半经验公式估算,53,54,1、物质在气体中的扩散系数 气体A在气体B中（或B在A中）的扩散系数，可按马克斯韦尔吉利兰（Maxwell-Gilliland）公式进行估算,2、物质在液体中的扩散系数,物质在液体中的散系数与组分的性质、温度、粘度以及浓度有关。 对于很稀的非电解溶液，物质在液体中的扩散系数,55,【例】有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端