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1、第八章 吸 收 第八章 吸收第一节 吸收的基本概念第二节 物理吸收第三节 化学吸收第四节 吸收设备的主要工艺计算本章主要内容第一节 吸收的基本概念一、吸收的定义与应用二、吸收的类型本节的主要内容混合气体分离最常用的操作方法之一。依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中物理溶解度（或化学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操作过程。本质上是混合气体组分从气相到液相的相间传质过程。一、吸收的定义与应用第一节 吸收的基本概念名词名词溶解度溶解度(差异差异)溶质溶质A惰性组分惰性组分B溶剂溶剂S惰性组分流量惰性组分流量L、V吸收率吸收率EA=1Ye/Y0摩尔比摩尔比X、Y,吸吸收收塔塔V,Y0,B+AV
2、, Ye, BL, X0, SL, Xe,S+A混合气混合气吸收液吸收液高浓端低浓端净化气净化气吸收剂吸收剂 净化原料气及精制气体产品：比如用水（或碳酸钾水溶液）脱除合成氨原料气中的CO2等。 制取液体产品或半成品：比如水吸收NO2制取硝酸；水吸收HCl制取盐酸等。 分离获得混合气体中的有用组分：比如用洗油从焦炉煤气中回收粗苯等。 吸收在化工领域中的应用第一节 吸收的基本概念净化有害气体：用吸收法净化的气态污染物主要有：SO2，H2S, HF和NOx等。回收有用物质：如用吸收法净化石油炼制尾气中的硫化氢的同时，还可以回收有用的元素硫。其他应用：曝气充氧吸收在环境领域中的应用第一节 吸收的基本概
3、念(1)按溶质和吸收剂之间发生的反应：物理吸收化学吸收 (2)按混合气体中被吸收组分数目：单组分吸收多组分吸收(3)按体系温度是否变化：如果液相温度明显升高非等温吸收如果液相温度基本保持不变等温吸收 单组分等温物理吸收是最简单和最基础的。二、吸收的类型第一节 吸收的基本概念一、物理吸收的热力学基础二、物理吸收的动力学基础本节的主要内容第二节 物理吸收 1、过程发生的方向； 2、所能达到的极限； 3、推动力。溶质在气液两相间的平衡关系是研究吸收热力学的基础。 一、物理吸收的热力学基础第二节 物理吸收 （一）气液平衡和亨利定律1.气液平衡 液体气体溶质A溶解速度溶质挥发速度相际动态平衡相际动态平衡
4、平衡分压, pA*摩尔分数, yA摩尔比，YA.饱和浓度物质的量浓度，cA摩尔分数，xA摩尔比，XA如果温度和总压一定，溶质在液体中的溶解度只取决于溶质在气相中的组成。气-液相平衡关系又称溶解度曲线第二节 物理吸收 2.亨利（Henry）定律在稀溶液条件下，温度一定，总压不大时，气体溶质的平衡分压和溶解度成正比： p*A 溶质在气相中的平衡分压，Pa； xA 溶质在液相中的摩尔分数；E 亨利系数，Pa。 亨利系数取决于物系的特性和体系的温度。气体在各种条件下的亨利系数通常可以在手册中查到。 气体在溶剂中的溶解度随着温度的升高是降低的，因此，亨利系数是增大的。亨利系数越大，说明气体越难以溶解于溶
5、剂。第二节 物理吸收 （8.2.1）见附录16典型气体在水中的亨利系数 25时 E (kPa)CO 5.88 106 CO2 1.66 105 H2S 0.552 105 SO2 0.413 104 上述气态物质被水溶解的难易程度？第二节 物理吸收 如果溶质的溶解度用物质的量浓度表示，则亨利定律可写为： p*A 溶质在气相中的平衡分压，Pa ；cA 溶质A在液相中的物质的量浓度，kmol/m3 ；H 溶解度系数，kmol/(m3.Pa) 。注意：亨利定律的不同表示方式和系数的单位、换算方法。如果溶质在气液两相中的组成均以摩尔分数表示： m 相平衡常数第二节 物理吸收 （8.2.2）（8.2.3
6、）Henrys Law (亨利定律)pA*=ExA E: 亨利系数pA*= cA/H H: 溶解度系数yA*=mxA m : 相平衡常数亨利定律的前提: 稀溶液(或难溶气体), 一定T范围, 总压不大E, H, m之间的相互转换E,H,m的影响因素式中式中 c cA A液相中吸收质物质的量浓度，液相中吸收质物质的量浓度， H溶解度系数，溶解度系数，y*y*与与x x相平衡的吸收质在气相中的摩尔分数；相平衡的吸收质在气相中的摩尔分数； m m相平衡常数，无因次。相平衡常数，无因次。 在单组分物理吸收过程中，惰性气体和溶剂物质的量是不变的，因此以它们为基准，用摩尔比表示平衡关系： 当溶液浓度很低时
7、，XA很小，上式可近似写为： 第二节 物理吸收 （8.2.8）（8.2.9）用气液平衡关系分析吸收过程判断过程进行的方向计算推动力的大小确定过程进行的极限第二节 物理吸收 若物质在一相中若物质在一相中(A(A相相) )实际浓度大于其在另一相实际浓度大于其在另一相(B(B相相) )实际浓度所要求的平衡浓度，则物质将由实际浓度所要求的平衡浓度，则物质将由A A相向相向B B相传递；相传递； P PA A P PA A* * 相间传质过程的方向和极限的判断：相间传质过程的方向和极限的判断： 若物质在若物质在A A相实际浓度等于相实际浓度等于B B相实际浓度所要求的相实际浓度所要求的平衡浓度，则无传质
8、过程发生体系处于平衡状态平衡浓度，则无传质过程发生体系处于平衡状态。 P PA A P PA A* * 物质在物质在A A相实际浓度小于其在相实际浓度小于其在B B相实际浓度所要求相实际浓度所要求的平衡浓度，则传质过程向相反方向进行，即从的平衡浓度，则传质过程向相反方向进行，即从B B相相向向A A相传递；相传递； P PA A P PA A* *XYA点B点(?)平衡线1、判断过程进行的方向、判断过程进行的方向Y1X1X1*X2Y2Y2*操作点平衡点2.计算传质的推动力实际组成与平衡组成之间的差距推动力有不同的表示方法：气相液相（摩尔分数） （气体分压、物质的浓度）第二节 物理吸收 （8.2
9、.10）（8.2.11）（8.2.12）（8.2.13）XYA点B点(?)平衡线判断过程进行的方向判断过程进行的方向Y1X1X1*X2Y2Y2*操作点平衡点Y3.确定传质过程的极限溶质在气液两相间的传质过程不是无限制地进行，传质过程的极限状态就是平衡状态。在治理气态污染物时，希望通过吸收操作使出塔气体中的污染物浓度尽可能地低。可以通过增加塔高，减少处理气体的量，增加吸收剂的量来实现。第二节 物理吸收 但是出塔气体的最低浓度（y2）只能达到与入塔吸收剂浓度（x2）相平衡的浓度：尾气y2吸收剂x2混合气y1吸收液x1第二节 物理吸收 （8.2.12）（一）吸收过程机理 溶质由气相主体传递至两相界面
10、，即气相内的传递；溶质在两相界面由气相溶解于液相，即相际传递；溶质由界面传递至液相主体，即液相内的传递。双膜理论描述气液两相间的传质过程二、物理吸收的动力学基础第二节 物理吸收 吸收过程是一种典型的由气相向液相的传质过程，一般可分解为三个基本步骤： a.a.气、液两相间有一个稳定的相气、液两相间有一个稳定的相界面，其两侧分别存在界面，其两侧分别存在稳定的气膜稳定的气膜和液膜和液膜；膜内流体呈滞流状态，；膜内流体呈滞流状态，膜膜外的流体呈湍流状态；外的流体呈湍流状态； b.b.相界面上气液两相相界面上气液两相处于处于平衡平衡，即相界面上没有传质阻力即相界面上没有传质阻力；p pi i= =c c
11、i i* */H/H c. c.吸收质在两个吸收质在两个膜内以分子扩散膜内以分子扩散形式通过形式通过。湍流主体中浓度分布均湍流主体中浓度分布均匀，匀，不存在浓度梯度和传质阻力，不存在浓度梯度和传质阻力，故故吸收的阻力全部集中在气、液两吸收的阻力全部集中在气、液两个膜内。个膜内。 研究者先后提出了许多描述它的物理模型，刘易斯研究者先后提出了许多描述它的物理模型，刘易斯(Lewis W K)(Lewis W K)和惠特曼和惠特曼(Whitman W G)(Whitman W G)提出的双膜理论。双膜理论的要点为：提出的双膜理论。双膜理论的要点为：第二节 物理吸收 cAi=HpAi亨利定律气相对流传
12、质的速率方程： 液相对流传质的速率方程： kG以气相分压差为推动力气膜传质系数，kmol/(m2 s Pa) kL以液相浓度差为推动力的液膜传质系数，m/s 双膜模型假设溶质以稳态分子扩散方式通过气膜和液膜，因此，气相和液相的对流传质速率相等。 以上两式中均用到了相界面处溶质的浓度，很难直接准确测定，因此一般希望能够直接用气液两相主体浓度来计算传质速率。 第二节 物理吸收 （8.2.16）（8.2.17）以气体分压为推动力的总传质速率方程：pA*与液相主体浓度cA平衡的气体分压，Pa；KG气相总传质系数, kmol/(m2sPa) 。稳态时经变换：第二节 物理吸收 （8.2.20）（8.2.2
13、1）（三）总传质速率方程 传质速率与传质推动力成正比，与传质阻力成反比。 增加溶质的气相分压或者减少液相浓度，都可以增加传质推动力，从而增加传质速率。 总传质速率方程表示了什么？第二节 物理吸收 说明说明: 下标与组成表示方式的对应下标与组成表示方式的对应气相气相: G下标对应推动力下标对应推动力 p Y 下标对应推动力下标对应推动力 Y y 下标对应推动力下标对应推动力 y液相液相: L 下标对应推动力下标对应推动力 c X 下标对应推动力下标对应推动力 X x 下标对应推动力下标对应推动力 x 包括气膜阻力和液膜阻力两部分： 在通常的吸收操作条件下，kG和kL的数值大致相当，而不同溶质的亨
14、利系数值却相差很大。 （以气相分压差为推动力时）（四）传质阻力分析第二节 物理吸收 （8.2.29）1、如果气膜、液膜传质阻力相当：两者都不可忽略，总传质速率由双膜阻力联合控制，比如，用水吸收SO2就属于这种情况。 2 2、气膜控制、气膜控制当当k kG G与与k kL L数数量量级级相相当当时时，对对于于H H 值值较较大大的的易易溶溶气气体体，即即传传质质阻阻力力主主要集中在气相，要集中在气相， 此吸收过程由气相阻力控制（此吸收过程由气相阻力控制（气膜控制）。气膜控制）。3 3、液膜控制、液膜控制对对于于H H 值值较较小小的的难难溶溶气气体体，当当k kG G与与k kL L数数量量级级
15、相相当当时时, ,即即传传质质阻阻力力主主要要集中在液相，集中在液相， 此吸收过程由液相阻力控制（此吸收过程由液相阻力控制（液膜控制）。液膜控制）。例：水吸收例：水吸收NH3,HCl;浓硫酸吸收水蒸气浓硫酸吸收水蒸气例：例：水吸收O2、CO2溶质A被吸收剂吸收后，继续与吸收剂或者其中的活性组分B发生化学反应。气液相际传质和液相内的化学反应同时进行。一、化学吸收的特点第三节 化学吸收三、化学吸收的传质速率传质模型基础：双膜模型气相侧：溶质传质速率方程与物理吸收过程相同 气液两相界面处：溶质在气液两相中的组成仍然符合平衡关系，可用亨利定律表示。 第三节 化学吸收（8.3.18）液相侧：扩散传质过程
16、和化学反应过程的共同作用化学反应界面处液相溶质物理态溶解浓度减小相界面处的传质推动力增加液相侧停滞膜当量厚度降低 传质阻力减少 传质系数增加 也可以说液相的传质速率增大，从而增大了总传质过程的速率。 化学反应对液相传质速率的影响可以用增大传质推动力或增大传质系数两种方法来表示。第三节 化学吸收对于液膜控制的吸收过程，采用化学吸收过程可以消除液相传质阻力，大大提高传质速率。第三节 化学吸收习题11、请指出下列过程是吸收还是解吸过程，推动力是多少，并在x-y图上表示。（1）含SO2 0.001（摩尔分数）的水溶液与含SO2 0.03（摩尔分数）的混合气接触，总压为101.3kPa，T=35。（2）
17、气液组成同总压同（1）， T=15；（3）气液组成及温度同（1），总压达300kPa(1)已知：x=0.001，y=0.03，P=101.3kPa，T=35查表，SO2的E=0.567104kPam=E/P=0.567104/101.3=56根据相平衡关系，得y*=mx=560.001=0.056由于y*y，所以将发生解吸过程.传质推动力为y=0.056-0.03=0.026(2)已知：x=0.001，y=0.03，P=101.3kPa，T=15查表，SO2的E=0.294104kPam=E/P=0.294104/101.3=29根据相平衡关系，得y*=mx=290.001=0.029由于y*
18、y，所以将发生吸收过程.传质推动力为y=0.03-0.029=0.001(3)已知：x=0.001，y=0.03，P=300kPa，T=35查表，SO2的E=0.567104kPam=E/P=0.567104/300=18.9根据相平衡关系，得y*=mx=18.90.001=0.0189由于y*m,气液可能在塔顶呈平衡;操作线斜率比平衡线斜率小时，即L/Vm，气液可能在塔底呈平衡;第四节 吸收设备的主要工艺计算 吸收剂用量对气体极限残余浓度的影响 用纯水逆流吸收气体混合物中的SO2(其余组分可视为惰性组分)，混合物中SO2的初始含量为5%(体积分数)，在操作条件下相平衡关系y=5x，试分别计算
19、L/V为4和6时气体的极限出口含量.已知：x2=0，y1=0.05，相平衡关系y=5x求：L/V为4和6时y2第四节 吸收设备的主要工艺计算 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.010.020.030.040.05abx2=0，y1=0.05y1x2L/V=4m=5y2？解:当L/V=4m=5，操作线ab与平衡线交于塔顶(a点)，由相平衡关系可计算气体极限出口的含量为：y2,min= y2*=mx2=00 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.010.020.030.040.05abx2=0，y1=0.05从以上计算结果可知，当L/Vm
20、时，气体的极限含量只取决于吸收剂的初始含量，而与吸收剂的用量无关. y2,min=mx2第四节 吸收设备的主要工艺计算 例题8. 2 逆流与并流操作最小吸收剂用量 在总压为3.039105Pa(绝压)，温度为20下用纯水吸收混合气体中的SO2，SO2的初始含量为0.05(摩尔分数)，要求在处理后的气体中SO2含量不超过1%(体积分数).已知在常压下20 时的平衡关系为y=13.9x，试求逆流与并流操作时最小L/V各为多少? 求:逆流与并流操作时(L/V)min(对于低浓度气体的吸收，可近似的用摩尔分率y、x 代替摩尔比、)解: P= 1.013105Pa，T= 20时的平衡关系为y=13.9x
21、 则P= 3.039105Pa，T= 20时的相平衡常数(m=E/p)第四节 吸收设备的主要工艺计算 1.逆流操作时，气体出口与吸收剂入口皆位于塔顶，逆流操作时，气体出口与吸收剂入口皆位于塔顶，操作线的一个端点操作线的一个端点b (x2,y2)，操作线在塔底与平衡线操作线在塔底与平衡线交于点交于点a (y1/m,y1)y2x2y1x1逆流0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.010.020.030.040.05y1=0.05, （x2=0，y2=0.01）y1y2baab2.并流操作时，气体入口与吸收剂入口皆位于塔顶，并流操作时，气体入口与吸收剂入口皆位于塔顶，操
22、作线的一个端点操作线的一个端点c (x2,y1)，操作线在塔底与平衡操作线在塔底与平衡线交于点线交于点d (y2/m,y2)y1x2y2x1并流0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.010.020.030.040.05y1y2dcc(x2=0,y1=0.05) y2=0.01cd例题8. 2逆流与并流操作最小吸收剂用量从本例计算结果可以看出，在同一吸收塔内，当操作条件完全相同时，逆流操作可得到更好的分离效果，其原因是逆流操作具有更大的平均传质推动力。因此，从传质速率角度看，逆流操作优于并流操作。第四节 吸收设备的主要工艺计算 四、填料层高度的基本计算涉及吸收过程的
23、物料衡算、传质速率方程和相平衡关系。（一）填料层高度的计算式 第四节 吸收设备的主要工艺计算 气相总传质单元数 总传质单元高度，m 填料层高度可用下面的通式计算填料层高度可用下面的通式计算: :塔高计算式塔高计算式传质单元高度传质单元高度传质单元数传质单元数H=HH=HOGOGN NOG OG H=HH=HOLOLN NOL OL H=HH=HG GN NG G H=HH=HL LN NL L H=传质单元高度传质单元高度传质单元数传质单元数第四节 吸收设备的主要工艺计算 （1 1）传传质质单单元元数数 、 、 、 计计算算式式中中的的分分子子为为气气相相或或液液相相组组成成变变化化，即即分分
24、离离效效果果（分分离离要要求求）；分分母母为为吸吸收收过过程程的的推推动动力力。若若吸吸收收要要求求愈愈高高，或或吸吸收收的的推推动动力力愈愈小小，传传质质单单元元数数就就愈愈大大。所所以以传传质质单单元元数数反反映映了了吸吸收收过过程程的的难难易易程程度度。当当吸吸收收要要求一定时，欲减少传质单元数，则应设法增大吸收推动力。求一定时，欲减少传质单元数，则应设法增大吸收推动力。（2）KYa或或KXa越大，传质单元高度越小，吸收速率越大，传质单元高度越小，吸收速率越大，所需填料层高度越小。越大，所需填料层高度越小。第四节 吸收设备的主要工艺计算 传质单元：是指通过一定高度的填料层传质，使一相的组
25、成的变化恰好等于其中的平均推动力。传质单元数：只决定于传质前后气液相的组成和相平衡关系，与设备的情况无关，其值大小反映了吸收过程的难易程度。传质单元高度：是完成一个传质单元分离任务所需要的填料层高度，主要决定于设备情况、物系特性及操作条件等，其值大小反映了填料层传质动力学性能的优劣。 第四节 吸收设备的主要工艺计算 （二）传质单元数NOG的计算可采用的方法有可采用的方法有: :对数平均推动力法对数平均推动力法解吸因数法解吸因数法图解法、图解法、数值积分法等。数值积分法等。 第四节 吸收设备的主要工艺计算 Y=YY=Y1 1时，时，Y=YY=Y1 1 Y Y1 1*Y YY Y2 2时，时，Y=Y2 Y2* 1 1、对数平均推动力法求传质单元数、对数平均推动力法求传质单元数mYYYD-=21YYOGYYdYN-=*12适用条件适用条件: 平衡线为直线平衡线为直线*22*1121ln)()(ln*22*1121YYYYYYmYYYYYYY-DD-=D-D=D称为填料层上、下两端面的对数平均传质推动力称为填料层上、下两端面的对数平均传质推动力同理可得同理可得当当(Y1/Y2)2或或(X1/X2)m,气液可能在塔顶呈平衡;（x2,y2)3、操作线斜率比平衡线斜率小时，即L/Vm，气液可能在塔底呈平衡; （x1,y1)
