《化工单元操作第二版课件教学课件 ppt 作者 张宏丽 刘兵 闫志谦 等编第八章 吸收》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工单元操作第二版课件教学课件 ppt 作者 张宏丽 刘兵 闫志谦 等编第八章 吸收（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章 吸收,第一节 吸收的主要任务,一、吸收操作及其在化工生产中的应用,分离的对象：气体混合物。,吸收是分离气体混合物的单元操作。,吸收操作：,用适当的液体吸收剂处理气体混合物，利用混合气中各组分在液体溶剂,中溶解度的不同而分离气体混合物,分离的依据：混合气中各组分在液体溶剂中溶解度的不同。,操作性质：气液相间的传质过程。（单向）,吸收尾气,溶剂,吸收液,混合气,吸收质（溶质）可溶组分（A）；,吸收剂（溶剂）吸收操作中所用的液体（S）；,惰性气（载体）不被吸收的组分（B）；,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） 。,吸收操作在化工生产中主要用于：,1
2、原料气的净化。,2回收混合气体中的有用组分。,3制备气体的溶液作为产品。,4环境保护，综合利用。,吸收过程的分类：, 按有无化学反应：物理吸收和化学吸收, 按被吸收组分的多少：单组分吸收和多组分吸收, 按吸收过程温度变化：等温吸收和非等温吸收, 按操作压力：常压吸收和加压吸收,解吸（脱吸）：从溶液中分离以被吸收的气体溶质的操作。,二、吸收剂的选择,实践证明，吸收的好坏与吸收剂用量关系很大，而吸收剂用量又随吸收剂的种类而变。,可见，选择吸收剂是吸收操作的重要环节。选择吸收剂时，通常从以下几个方面考虑：,1溶解度,2选择性,3挥发度,4腐蚀性,5黏性,6化学稳定性，无毒性等,第二节 吸收过程的相平
3、衡关系,一、吸收中常用的相组成表示法,吸收过程特点：,吸收前后气相及液相总量发生改变，,但惰性气体及吸收剂的总量在吸收前后不变。,因此，在吸收计算中，相组成以比质量分数或比摩尔分数表示较为方便。,（1）比质量分数,1比质量分数与比摩尔分数,混合物中某两个组分的质量之比称为比质量分数，用符号,表示。,即：,kgA/kgB,（2）比摩尔分数 混合物中某两个组分的摩尔数之比称为比摩尔分数，用符号,（或,）,表示。即：,如果混合物是双组分气体混合物时，上式则用与的关系表示为：,kmolA/kmolB,kmolA/kmolB,（3）比质量分数与比摩尔分数的换算关系,式中,、,分别为混合物中,、,组分的千
4、摩尔质量，kg/kmol 。,在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时，通常以在操作中不转移到另一相的组分作为,组分。在吸收中， 组分是指吸收剂或惰性气， 组分是指吸收质。,2质量浓度与物质的量浓度,质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对于,组分,有,式中,混合物中,组分的质量浓度，/m3；,混合物的总体积，m3。,物质的量浓度是单位体积混合物内所含物质的量（用千摩尔数表示）。对于气体混合物，,在压强不太高、温度不太低的情况下，可视为理想气体，则,组分，有,=,式中,混合物中,组分的物质的量浓度，kmol/m3。,二、气液相平衡关系,吸收的相平衡关系，是指气液两相达到平衡时，被吸收的组分（
5、吸收质）在两相中的浓,度关系，即吸收质在吸收剂中的平衡溶解度。,1气体在液体中的溶解度,图8-1气体溶解度曲线,平衡状态：在一定压力和温度下，当吸收和解吸速率相等时，气液两相达到平衡。,相平衡关系：吸收过程中气液两相达到平衡时，吸收质在气相和液相中的浓度关系,平衡时溶质在气相中的分压称为平衡分压，用符号,表示；,溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度；,它们之间的关系称为相平衡关系。,从图中可见：,在相同的温度和分压条件下，,不同的溶质在同一个溶剂中的溶解度不同，,溶解度很大的气体称为易溶气体，溶解度很小的气体称为难溶气体；,同一个物系，在相同温度下，分压越高，则溶解度越大；而分压一定，
6、温度越低，,则溶解度越大。这表明较高的分压和较低的温度有利于吸收操作。,所以，加压和降温对吸收操作有利。反之，升温和减压则有利于解吸。,对于同样浓度的溶液，易溶气体在溶液上方的气相平衡分压小，,难溶气体在溶液上方的平衡分压大。,2亨利定律,（1）亨利定律 在一定温度下，对于稀溶液，在气体总压不高（500kpa）的情况下，,吸收质在液相中的浓度与其在气相中的平衡分压成正比：,式中,溶质,在气相中的平衡分压，kPa；,溶质,在溶液中的摩尔分数；,亨利系数，其单位与压力单位一致。,亨利系数的数值可由实验测得，表8-1列出了某些气体水溶液的亨利系数值。,表8-1某些气体水溶液的亨利系数,值（E10-6
7、/kPa）,由表8-1中的数值可知：不同的物系在同一个温度下的亨利系数不同；,所以亨利系数值愈大，气体愈难溶。,在同一溶剂中，难溶气体的,值很大，而易溶气体的,值很小。,当物系一定时，亨利系数随温度升高而增大，温度愈高，溶解度愈小。,（2）亨利定律的其他表达形式,用量浓度表示 若将亨利定律表示成溶质在液相中的量浓度,与其在气相中的分压,之间的关系，则可写成如下形式，即：,式中,溶解度系数，kmol/(m3Pa)。由实验测定，其值随温度的升高而减小。,值的大小反映气体溶解的难易程度，对于易溶气体，,值很大；对于难溶气体，,值,很小。,溶解度系数,与亨利系数,的关系如下：,式中,溶剂的密度，kg/
8、m3；,溶剂的千摩尔质量，kg/kmol。,用摩尔分数表示 如果气相中吸收质浓度用摩尔分数 表示,式中,称为相平衡常数，它与亨利系数,之间的关系为,。由上式可以看出，,值越大，表明该气体的溶解度越小。,用比摩尔分数表示 如果气液两相组成均以比摩尔分数表示时，,整理，得,当溶液很稀时，,必然很小，上式分母中,一项可忽略不计，,因此上式可简化为,（3）吸收平衡线 表明吸收过程中气、液相平衡关系的图线称吸收平衡线。在吸收操,作中，通常用,图来表示。,图8-2吸收平衡线,（4）相平衡在吸收过程中的应用,判断吸收能否进行。由于溶解平衡是吸收进行的极限，所以，在一定温度下，吸收若,能进行，则气相中溶质的实
9、际组成,，即,必须大于与液相中溶质含量成平衡时的组成,。若出现,时，则过程反向进行，为解吸操作。, 确定吸收推动力。,显然，,是吸收进行的必要条件，,而差值,则是吸收过程的推动力，差值越大，吸收速率越大。,三、吸收机理,1传质的基本方式,吸收过程是溶质从气相转移到液相的质量传递过程。由于溶质从气相转移到液相是通过,扩散进行的，因此传质过程也称为扩散过程。扩散的基本方式有两种：分子扩散及涡流扩散，,而实际传质操作中多为对流扩散。,（1）分子扩散 物质以分子运动的方式通过静止流体的转移，或物质通过层流流体，且,传质方向与流体的流动方向相垂直的转移，导致物质从高浓度处向低浓度处传递，这种传质,方式称
10、为分子扩散。分子扩散只是由于分子热运动的结果，扩散的推动力是浓度差，扩散速,率主要决定于扩散物质和静止流体的温度及某些物理性质。,（2）涡流扩散 在湍流主体中，凭借流体质点的湍动和漩涡进行物质传递的现象，称为,涡流扩散。若将一勺砂糖放入杯水之中，用勺搅动，则将甜的更快更均，那便是涡流扩散的,效果了。涡流扩散速率比分子扩散速率大得多，涡流扩散速率主要决定于流体的流动形态。,（3）对流扩散 对流扩散亦称对流传质，对流传质包括湍流主体的涡流扩散和层流内,层的分子扩散。,2双膜理论,双膜理论的模型如图8-3所示，双膜理论的基本要点如下：,图8-3双膜理论的假想模型示意图,（1）相互接触的气、液两流体间
11、存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的有效层,流膜层。吸收质以分子扩散方式通过此二膜层。,（2）在相界面处，气、液两相达于平衡。,（3）在膜层以外的气、液两相中心区，由于流体充分湍动，吸收质的浓度是均匀的，即,两相中心区内浓度梯度为零，全部浓度变化集中在两个有效膜层内。,双膜理论把复杂的相际传质过程大为简化。对于具有固定相界面的系统及速度不高的,两流体间的传质，双膜理论与实际情况是相当符合的。根据这一理论的基本概念所确定的相,际传质速率关系，至今仍是传质设备设计的主要依据，这一理论对于生产实际具有重要的指,导意义。,四、吸收速率方程,吸收速率即指单位传质面积上单位时间内吸收的溶质量。,表明
12、吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式即为吸收速率方程式。,吸收速率=过程推动力/过程阻力=吸收系数过程推动力,吸收速率用符号,表示，其单位为kmol/(s) 。,由于吸收的推动力可以用各种不同形式的浓度差来表示，所以，吸收速率方程也有多,种形式。,1.气膜吸收速率方程式,吸收质从气相主体通过气膜传递到相界面时的吸收速率方程可表示为：,或,式中,、,气相主体和相界面处吸收质的比摩尔分数；,气膜吸收系数，kmol/(m2s)。,气膜吸收系数的倒数,即表示吸收质通过气膜的传递阻力，这个阻力的表达形式,是与气膜推动力（,）相对应的。,2.液膜吸收速率方程式,吸收质从相界面处通过液膜传递进入液相主体的吸
13、收速率方程可表示为：,或,式中,、,液相主体和相界面处液相中吸收质的比摩尔分数；,液膜吸收系数，kmol/(m2s)。,液膜吸收系数的倒数,即表示吸收质通过液膜的传递阻力，这个阻力的表达形式是,与液膜推动力（,）相对应的。,3吸收总系数及其相应的吸收速率方程式,为了避开难于测定的界面浓度，可以仿效传热中类似问题的处理方法。研究传热速率时，,可以避开壁面温度而以冷、热两流体温度之差来表示传热的总推动力。对于吸收过,程，同样可以采用两相主体浓度的某种差值来表示总推动力而写出吸收速率方程式。,吸收速率=,总推动力/总阻力= 两相主体浓度差/两膜阻力之和,因此，吸收过程的总推动力应该用任何一相主体浓度
14、与其平衡浓度的差值来表示。,（1）以（,）表示总推动力的吸收速率方程式,或,式中,气相吸收总系数，kmol/(m2s)。,上式即为以（,）为总推动力的吸收速率方程式。气相吸收总系数的倒数,为两膜的总阻力，此阻力由气膜阻力 与液膜阻力 组成。即：,对溶解度大的易溶气体，相平衡常数,很小。在,和,值数量级相近的情况下,必然有,，,相应很小，可以忽略，则式（8-15）可简化为：,或,此时表明易溶气体的液膜阻力很小，吸收的总阻力集中在气膜内。这种情况下气膜阻力,控制着整个吸收过程速率，故称为“气膜控制” 。,（2）以（,）表示总推动力的吸收速率方程式,或,式中,液相吸收总系数，kmol/(m2s)。,
15、上式即为以（,）为总推动力的吸收速率方程式。液相吸收总系数的,倒数,为两膜的总阻力，此阻力由气膜阻力,与液膜阻力,组成。即：,对溶解度小的难溶气体，,值很大，在,和,值数量级相近的情况下，必然有,，,很小，,也可以忽略，则上式可简化为：,或,此时表明难溶气体的总阻力集中在液膜内，这种情况下液膜阻力控制整个吸收过程速,率，故称为“液膜控制”。,对于溶解度适中的气体吸收过程，气膜阻力与液膜阻力均不可忽略。要提高过程速率，,必须兼顾气、液两膜阻力的降低。,正确判别吸收过程属于气膜控制或液膜控制，将给吸收过程的计算和设备的选型带,来方便。,由于推动力所涉及的范围不同及浓度的表示方法不同，吸收速率呈现了
16、上述多种形态。,所以，各式中吸收系数与推动力的正确搭配及单位的一致性应特别予以注意。,第三节 吸收过程的计算,一、吸收塔的物料衡算和操作线方程,全塔物料衡算,在单组分气体吸收过程中，吸收质在气液两相中的浓度沿着吸收塔高不断的变化，,导致气液两相的总量也随塔高而变化。由于通过吸收塔的惰性气量和吸收剂量可认为不变，,因而在进行吸收物料衡算时气、液两相组成用比摩尔分数表示就十分方便。,图8-4为稳定操作状态下、单组分吸收逆流接触的填料吸收塔。图中符号如下：,通过吸收塔的惰性气体量，kmol/s；,通过吸收塔的吸收剂量，kmol/s；,、,进塔、出塔气体中溶质,的比摩尔分数,、,出塔、进塔溶液中溶质,的比摩尔分数。,（注意：本章中塔底截面一律以下标“1”代表，,塔顶截面
