化工原理吸收(已修改1)

第七章吸收第一节概述第二节气液相平衡第三节传质动力学第四节传质机理与传质方程第五节吸收过程计算第六节填料塔第一节概述一、吸收过程的基本应用二、吸收过程的基本原理三、吸收过程的分类四、吸收过程的基本流程五、吸收剂的选择原则六、精馏和吸收的比较第一节概述一、吸收过程的基本应用2.应用：●产品制备：如硫酸、盐酸、福尔马林的制备●回收有用物质：尾气中NH3、CO2等的回收；●净化气体：原料气净化；排放尾气净化；气体产品的精制。1.吸收:是将气体混合物中的各个组分予以分离的单元操作。3.典型的工业吸收过程:洗油吸收煤气中的粗苯吸收工艺过程吸收过程——苯吸收塔解吸过程——苯解吸塔贫油吸收塔含苯煤气解吸塔过热蒸汽冷凝器粗苯水冷却器换热器补充新鲜洗油富油脱苯煤气采用吸收剂再生的连续吸收流程二、吸收过程的基本原理4.几个名词吸收剂：吸收过程中所用的溶剂；溶质：混合气体中能显著被吸收剂吸收的组分；惰性组分：不能被吸收剂吸收的组分；富液：含有较高溶质浓度的吸收剂；贫液：从富液中将溶质分离出来后得到的吸收剂。1.依据：气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度的差异。2.吸收过程：（1）溶质从气相主体传递到相界面；（2）在相界面上溶质溶解到液相表面；（3）溶质从相界面传递到液相主体。吸收过程解吸过程气相主体液相主体吸收及解析传质方向3.实质：吸收过程—溶质由气相到液相的质量传递过程；解吸过程—溶质由液相到气相的质量传递过程。三、吸收过程的分类1.物理吸收与化学吸收（依有无化学反应）；2.单组分吸收与多组分吸收（依吸收组分数）；3.等温吸收与非等温吸收（依温度是否变化）；4.低浓度气体吸收与高浓度气体吸收。四、吸收过程的基本流程1.一步吸收流程和两步吸收流程(选用吸收剂的数目)一步吸收流程：仅用一种吸收剂两步吸收流程：使用两种吸收剂贫液富液混合气体净化气一步吸收流程两步吸收流程吸收剂1吸收剂2混合气去解吸塔去解吸塔净化气吸收塔1吸收塔22.单塔流程和多塔流程(所用的塔设备数)3.逆流吸收流程和并流吸收流程(塔内气液流向)逆流和并流吸收过程逆流贫液富液混合气体净化气并流贫液富液混合气体净化气4.部分溶剂循环流程贫液富液混合气体净化气部分溶剂循环流程去解吸5.两段吸收两段解吸流程:五、吸收剂的选择原则◇对溶质的溶解度要大；◇对溶质有较高的选择性；◇不易挥发；◇较低的粘度，不易起泡；◇解吸性能好，便于再生；◇良好的化学稳定性、热稳定性、无毒、无易燃易爆等；◇廉价、易得。六、精馏和吸收的比较△相同点分离均相混合物的气液传质过程△不同点引入另一相的方法操作结构传质机理第二节气液相平衡一、气液相平衡二、相平衡的表示方法三、相平衡关系的应用单组份的物理吸收平衡自由度：F=C-φ+2=3-2+2=3。在温度、总压一定时，F=1，有：Pe－溶质在气相中的分压——平衡分压。ce－溶质在液相中的饱和浓度——平衡溶解度。一、气液相平衡)(epfc液相气相二、相平衡关系的表示方法1.溶解度（相平衡）曲线：▲分压对溶解度的影响：p*增加，x增加（T一定）；▲温度对溶解度的影响：T增加，x下降（P*一定）；▲总压对溶解度的影响：在组份分压不变时，若P变化不大（P小于0.5MPa时），总压P的变化不影响p*、x之间的关系。ap*=f（x）(T、P恒定)说明：气相中氨的平衡分压p*/133.32Pa6008000.0440020060℃50℃40℃30℃液相中氨的摩尔分数x0.120.080.16氨在水中的溶解度by*~x曲线注意：P对x-y图有影响，因为对于一定的y，P变化将导致p*的变化，p*是影响溶解度的直接原因。2.气液相平衡方程（享利定律）在总压不高时（P小于0.51MPa），溶质在稀溶液中的溶解曲线通过原点，且为直线,可表示为：Exp*E—享利常数，kPaa若液相为理想溶液，则在全部浓度范围内，上式均成立。此时，亨利定律与拉乌尔定律一致,E=P0。b不同气体：E大，难溶；E小，易溶。c同种气体：x,E,t说明：(1)享利定律的其他表示法浓度的表示方法不同，享利定律的形式不同。XmY*eX为比摩尔分率Hcp*[c为kmol（溶质）/m3溶液]溶解度系数mxy*x为摩尔分率相平衡常数y1yYx1xX(2)E、H、m、m*之间的关系◆E，H之间的关系：HCHxxCHxcEHcExoo对于稀溶液：sssmmoCMMCHcEscs溶剂摩尔浓度，kmol溶剂/m3溶液。◆E,m之间的关系:mxExyp**)(eepyEm若气相为理想气体：ppy**PEm◆m，m*之间的关系：xxmyyee11*xymme11*xXyYee，对于稀溶液：则：m=m*三、气液平衡关系的应用1.判断过程进行的方向eyyieippexx或为吸收过程eyyieippexx或为解吸过程组成为y、x的气液相相接触，传质方向为：2.确定传质过程的推动力组成为y、x的气液相相接触，传质推动力可表示为：xxxyyyeecccpppee或3.判断过程进行的极限平衡为过程的极限状态22min2mxyye净化气体为目的：制取液相产品为目的：myxxe11max1例7-1：在常压及20℃下，测得氨在水中的平衡数据为：浓度为0.5gNH3/100gH2O的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数H，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3）解：由亨利定律表达式知：xpE*18/10017/5.017/5.0x00527.0∴亨利系数为xpE*00527.0400Pa41059.7又mxy*，而Ppy**51001.140000395.0∴相平衡常数00527.000395.0m75.0Hcp*10001005.017/5.0c3/293.0mkmol∴溶解度系数为：400293.0HPamkmol34/1033.7或由各系数间的关系求出其它系数ssEMH181059.710004Pamkmol34/1032.7PEm341033.1011059.7749.0第三节传质分离动力学一、传质的基本方式二、组分运动速度及传质通量三、分子扩散四、涡流扩散五、对流传质吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤：•溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；•溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程；•溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。第三节传质分离动力学质量传递：在具有浓度差的混合物中，一个或几个组分从一处转移到另一处的过程。工程上，简称为传质过程。气相主体→相界面→液相主体单向传质—界面溶解—单向传质一、传质的基本方式单相内的传质：（1）分子扩散:一相内部有浓度差异分子随机热运动的宏观结果。固体、静止的流体和作层流流动的流体内部单独存在。（2）涡流扩散：质点的湍动和旋涡的扰动引起。湍流流动的流体内（分子扩散的影响可忽略）。对流传质：流体与固体壁面之间或流体与相界面之间的质量传递。分子热运动二、组分运动速度及传质通量1.流体中组分的速度a）组分的绝对速度uii组分通过空间某一静止平面的速度。b）物系的平均速度u0cNuu-混合体系的平均速度，m/s；c0-混合物的表观物质的量浓度，kmol/m3；N-单位面积上混合物系的摩尔流量，kmol/(m2s)。由于：iiiiucNNN,所以：niiiuccu101c）组分的扩散速度uki扩散是由于自身的浓度差引起的质量传递。uuuikiuki移动平面静止平面uiu组分运动速度分析通过空间某一静止平面的传质通量：)(uucucJiikiii2.组分的传质通量混合物系中某组分在单位时间内通过空间某一平面单位面积上的质量或物质的量。)(uucucNkiiiii扩散通量Ji：通过以平均速度移动的平面的传质通量。在工程上，以组分通过空间某固定平面计算传质通量。ucJuucNiikiii)(又因为：NccNyucyucyuciiiiiiii)/(00所以：0ccNJNiii0ccNi总体流动造成的质量通量。移动平面静止平面NiN(ci/c0)Ji组分传质通量表达三、分子扩散分子随机热运动引起的质量传质过程，只要有组分的浓度差存在，就存在分子扩散，当过程进行到组分的浓度差消失时，宏观的传质通量为零，但微观的分子热运动仍在进行，只是组分的扩散和反向扩散的速率相当，系统处于动态平衡状态。分子扩散通量可用费克定律描述。1.费克定律dzdcDJAABA表明：分子扩散速率正比于浓度梯度，方向沿浓度降低的方向。即：dzdcDucJAABkAAA122.双组分等分子反向扩散系统内各处总浓度相等，温度恒定不变。发生分子扩散过程。CA1CA2CB1CB2CA1CA2、CB2CB1dzdcDJNBBABB同理：dzdcDJNAABAA）（积分得：21AAABAcczDN）（积分得：21BBBABcczDN对于气相：RTPCAARTPCBBczz1z2JAJBOc0cA1cB2cA2cB1等分子反向扩散21AAABAppzRTDN21BBBABppzRTDN对于该系统：0BANNNBABAJJNN所以有：常数又：BAccdzdcdzdcBA故有：DDDBAAB所以：3.单向扩散A可溶于液相B完全不溶于液相液相不挥发AJBJ0AccN0BccN{AN}气相主体液相主体相界面N单向扩散示意图总体流动：在压力差的作用下，单相主体向界面移动称为总体流动，总体流动造成A，B向同一方向移动。组分A在z轴方向上总的传质通量为：00ccNdzdcDccNJNAAAAA00ccNdzdcDNBBB组分B在z轴方向上总的传质通量为：0ccNdzdcDBB0ccNJBBAJBJ0AccN0BccN{AN}N单向扩散示意图NdzdcDdzdcDcccNdzdcDdzdcDccNdzdcDccNdzdcDNNNBABABABBAABA000)()(于是：0dzdcDdzdcDBA所以：BAJJ表明：对于有总体流动的稳态分子扩散过程，两组分的分子扩散通量仍然是数值相等而方向相反。AJBJ0AccN0BccN{AN}N单向扩散示意图对于单向稳态分子扩散，由于NB=0，所以N=NA，0ccNdzdcDNAAAAdzdccccDNAAA00整理得：121221012010200lnlnlnBBBBAABBAAAccccccczDccczDccccczDN令1212lnBBBBBmccccc则有：)(210AABmAcczcDcN对于气相物系：)(21AABmAppppzRTDN其中1212lnBBBBBmppppp其中和称为漂流因子，其值大于1BmpPBm0CC意义：漂流因子反映了总体流动对传质速率的影响，其值愈大总体流动作用越强。当A很低时，，，则漂流因子1，总体流动的影响消失。BmppBmcc04.分子扩散系数物质传递性质的度量参数，表达组分扩散难易程度。物理意义：单位浓度梯度下的扩散通量。影响因素：系统的温度、压力和物系的组成。数据来源：一般由实验确定、半经验公式计算。smVVPMMTDBABA/11103.42231312/1237②液体中的分子扩散系数（10-9~10-10m2/s）6.02112)(104.7ABBABVTMD稀溶液中的扩散系数：小分子溶质在非电解质四、涡流扩散涡流扩散通量表示方法，借助于费克定律。dzdcDJAeA*De—涡流扩散系数，不仅和物性有关，而且与流动状况有关。双组分气体混合物