任务二：工艺参数的确定

《化工产品分离精制与控制》课程组项目二吸收技术化工产品分离精制与控制《化工产品分离精制与控制》课程组任务二：工艺参数的确定吸收传质机理吸收过程的相平衡关系气体吸收速率方程《化工产品分离精制与控制》课程组摩尔比AAAABnnXnnnAAAABnnYnnn摩尔比与摩尔分数的关系1AAAxXx1AAAXxX吸收操作中气液相的量会改变，如何变化？《化工产品分离精制与控制》课程组气体吸收是物质自气相到液相的转移，这是一种传质过程。如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，随着时间的进行会发生什么变化？吸收过程的相平衡关系一、气液相平衡传质速率逐渐减慢到0在一定温度和压力下，令某气体混合物（A＋B）与液体S接触。溶质便向液相转移，直至液相中溶质达到饱和浓度为止，这种状态称为相际动态平衡，简称相平衡或平衡。液体S气体（A＋B）A溶解A逸出《化工产品分离精制与控制》课程组气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压；液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度，也就是气体在液体中的溶解度，习惯上以单位或体积的液体中所含溶质的质量或物质的量来表示。ρA、cA溶解度是一定条件下吸收过程可以达到的极限程度。在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应关系，溶质组分在两相中的组成符合相平衡关系，组成关系用曲线表示——溶解度曲线。一、气液相平衡吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组Ax平衡分压液相组成ApAx曲线溶解度曲线～Ap一、气液相平衡达平衡状态时)(AAxfp平衡方程Ax气相分压饱和浓度（溶解度）Ap吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组溶解度曲线：由实验测定的溶解度绘制的曲线，溶解度与物系种类、温度、压力有关。溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100120pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC120溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]250200020406080100pSO2/kPa1501005012050oC40oC30oC20oC10oC0oC氨在水中的溶解度二氧化硫在水中的溶解度一、气液相平衡吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组在相同条件下，不同气体溶解度有很大差别。溶解度很小的气体称为难溶气体，溶解度很大的气体称为易溶气体，介于之间的为溶解度适中的气体。一、气液相平衡氧气在水中的溶解度吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组温度的影响加压和降温对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度的升高而减小。对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。分压的影响注意减压和升温有利于吸收操作有利于解吸操作溶解度的影响因素吸收过程的相平衡关系一、气液相平衡溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100120pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC《化工产品分离精制与控制》课程组当总压不高（不超过0.5MPa）时，一定温度下稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即气液两相的浓度成正比，这种关系称为亨利定律。1.p～x关系pEx（二）亨利定律E的单位与气相分压的压强单位一致亨利系数的值随物系的特性及温度而异；在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小；物系一定，E值一般随温度的上升而增大。吸收过程的相平衡关系溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的摩尔分数成正比。《化工产品分离精制与控制》课程组若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔浓度c表示，亨利定律为H—溶解度系数，kmol/(m3·kPa)溶解度系数溶解度～2.p～c关系*cpH易溶气体注意难溶气体H大H小（二）亨利定律吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔分数y、x表示，亨利定律为m—相平衡常数溶解度相平衡常数～3.y～x关系*ymx易溶气体注意难溶气体m小m大（二）亨利定律吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组1XxX1YyY*1*1YXmYX由得整理得对于低组成吸收11mX简化得*YmX*11mXYmX4.Y～X关系（二）亨利定律吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组亨利定律既可以用来根据液相组成计算与之平衡的气相组成，也可用来根据气相组成计算与之平衡的液相组成。因此，亨利定律可改写为：cHp*pxE*yxm*YXm（二）亨利定律吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组推导可得亨利定律表达式各系数间的关系如下：mScHEEMEmp总E～H关系E～m关系H～m关系各系数的换算关系mMpHS1mcSM吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组作业1在总压101.3KPa及20℃下，液相中氨的浓度为0.582kmol*m-3时，气相中氨的平衡分压为800Pa，若此组成符合相平衡关系，试求其H，E，m值。《化工产品分离精制与控制》课程组1.判断传质进行的方向传质方向由气相到液相进行吸收过程传质方向由液相到气相进行解吸过程*yy*xx*yy*xx吸收过程的相平衡关系二、相平衡关系在吸收过程中的应用《化工产品分离精制与控制》课程组相对于气相浓度y而言，液相浓度欠饱和(xx*)，故液相有吸收溶质A的能力。相对于液相浓度x而言，气相浓度为过饱和(yy*)，溶质A由气相向液相转移。气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：yxoy*=f(x)Pyxy*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。x*释放溶质吸收溶质吸收平衡线1.判断传质进行的方向吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和(xx*)，故液相有释放溶质A的能力。相对于液相浓度x而言气相浓度为欠饱和(yy*)，溶质A由液相向气相转移。气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸。yxoy*=f(x)Qyxy*x*释放溶质吸收溶质1.判断传质进行的方向吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组相对于气相浓度而言液相浓度为平衡浓度(x=x*)，故液相不释放或吸收溶质A。相对于液相浓度x而言气相浓度为平衡浓度(y=y*)，溶质A不发生转移。气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)：yxoy*=f(x)Ryxy*若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。x*1.判断传质进行的方向吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组以气相表示的传质推动力以液相表示的传质推动力*yyy*xxx吸收推动力示意图*x*y*yyyxxx*y*=mx传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。未达平衡的两相接触会发生相间传质，离平衡浓度越远，传质推动力越大。方法：用气相或液相浓度偏离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力。2.确定传质的推动力四、相平衡关系在吸收中的应用吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组对吸收而言：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*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*3.指明传质进行的极限——平衡四、相平衡关系在吸收中的应用传质极限限制了吸收液的最高组成及吸收尾气的最低组成。吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组yxoy*=f(x)Qyxy*x*对解吸而言：若保持液相浓度x不变，气相浓度y最高只能升到与之相平衡的浓度y*，即ymax=y*；若保持气相浓度y不变，则液相浓度x最高也只能降到与气相浓度y相平衡的浓度x*，即xmin=x*。3.指明传质进行的极限四、相平衡关系在吸收中的应用吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组对于逆流吸收塔液相出口最大组成气相出口最低组成X2X1Y1Y22minY1maxX*22YmX*11YXm3.指明传质进行的极限四、相平衡关系在吸收中的应用吸收过程的相平衡关系《化工产品分离精制与控制》课程组【例题2】在总压为101.3kPa，温度为30℃的条件下，某含SO2为0.105（摩尔分数，下同）的混合空气与含SO2为0.002的水溶液接触，试判断SO2的传递方向。已知操作条件下气、液相平衡关系为y*＝46.5x。例题解：从气相分析：y*＝46.5x从液相分析：*46.5yx《化工产品分离精制与控制》课程组在总压为1200kPa，温度为303K的条件下，含CO2为5%（体积分数）的气体与含CO2为1.0g/L的水溶液相遇，问：会发生吸收还是脱吸？以分压差表示的推动力有多大？若要改变其传质方向可以采取哪些措施？作业2《化工产品分离精制与控制》课程组【例题3】在一吸收塔内，用含苯为0.45%（摩尔分数，下同）的再生循环洗油逆流吸收煤气中的苯。进塔煤气中含苯2.5%，要求出塔煤气中含苯不超过0.1%，已知气、液相平衡方程为y*＝0.065x。试计算：（1）塔顶处的推动力△y2和△x2；（2）塔顶排出煤气中苯的含量最低可降到多少；（3）塔底排出洗油中苯的含量最高可达到多少。例题解：（1）△y2＝y2－y2*＝y2－mx2△x2＝x2*－x2＝y2/m－x2（2）（3）*2min22yymx*11max1yxxm《化工产品分离精制与控制》课程组思考题1.温度和压力对吸收过程的平衡关系有何影响？2.亨利定律为何具有不同的表达形式？3.亨利定律的适用条件是什么？4.相平衡关系在吸收过程中有何作用？课堂练习《化工产品分离精制与控制》课程组课堂复习——相平衡关系•1.什么是平衡分压和溶解度？•2.简述亨利定律的内容和适用范围？•3.E、H、m的含义以及跟溶解度的关系？•4.温度和压力对吸收操作有何影响？•5.如果液相组成x不变，yy*，吸收还是解吸？如果y不变，xx*，吸收还是解吸？•6.x、yX、Y分别代表什么含义？《化工产品分离精制与控制》课程组二、吸收操作的现场工艺流程《化工产品分离精制与控制》课程组任务二：吸收操作的理论基础吸收传质机理吸收过程的相平衡关系气体吸收速率方程《化工产品分离精制与控制》课程组吸收传质机理（1）流体中的分子扩散，简称扩散•分子扩散是物质在一相内部有浓度差异的条件下，由流体分子的无规则热运动而引起的物质传递现象。这种扩散发生在静止流体或层流流体中相邻流体层间的传质。分子扩散在气相、液相和固相中均能发生。（2）涡流扩散•凭藉流体质点的湍动和漩涡来传递物质的现象，称为涡流扩散。（3）对流扩散•实际上，在湍流流体中，由分子运动而产生的分子扩散是与涡流扩散同时发挥着传递作用，这种扩散称为对流扩散，它与传热过程中的对流传热相类似。1.传质的基本方式《化工产品分离精制与控制》课程组吸收传质机理描述分子扩散过程的基本定律—费克第一定律。dzdcDAABANkmol/(m2·s)费克定律DAB—组分A在组分B中的扩散系数，m2/sNA—组分A的扩散通量（扩散速率）1.传质的基本方式与热传导类似，与浓度梯度成正比《化工产品分离精制与控制》课程组吸收传质机理1.传质的基本方式分子扩散通常，扩散系数与系统的温度、压力、总浓度以及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关，只是温度及压力的函数。其值一般在m2/s范围内。54101~101液体中溶质的扩散系数不仅与物系的种类、温度有关，而且随溶质的浓度而变。液体中的扩散系数，其值一般在m2/s范围内。109101~101《化工产品分离精制与控制》课程组吸收传质机理1.传质的基本方式涡流扩散