浙大化工原理第九章-气体吸收-第二次课.

《化工原理》任课教师：周勇Dr.ZhouYongPrinciplesofChemicalEngineering第九章气体吸收GasAbsorption概述（Introduction）吸收操作的依据气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异吸收操作的分类吸收操作须解决的问题吸收剂的选择吸收操作的经济性气液两相的接触方式Exp*亨利定律（Henry’slaw）吸收过程的气液相平衡关系mxy*cHp1*（1）P5atm，E(H）与压力无关；P↑，m↓，溶解度↑。（2）t↑，E↑，H↑，m↑，溶解度↓。传质过程的方向吸收。吸收过程的气液相平衡关系*yy*xx解吸。*yy*xx系统处于平衡状态。*yy*xx传质过程的推动力*yyyxxx吸收：解吸：yyy*xxx吸收传质理论与传质速率方程气相主体液相主体相界面溶解气相传质液相传质吸收过程的速率问题一般而言，界面上发生的溶解过程很易进行，其阻力极小。因此，通常认为界面上气、液两相的溶质浓度满足相平衡关系，即认为界面上总保持着两相平衡。于是，过程总速率由气液两相内的传质速率所决定。相际传质的步骤：（1）溶质由气相主体扩散至相界面，即气相内传质；（2）溶质在界面上溶解，即通过界面的传质；（3）溶质由相界面的扩散至液相主体，即液相内传质。吸收传质理论与传质速率方程相内传质相内传质的机理（1）分子扩散：由分子的微观运动而产生的物质传递。（2）对流传质：流体宏观运动引起的物质传递。这里指流动流体与相界面之间的传质。分子传质对于双组分混合物（A+B），如不考虑主体流动的影响，则由浓度梯度所引起的扩散通量可表示为JA：组分A的摩尔扩散通量kmol/m2·s；dcA/dz：组分A在扩散方向的浓度梯度。zcDJAABAdd吸收传质理论与传质速率方程对流传质速率igAppkN气相与界面的传质速率液相与界面的传质速率cckNicA气相液相NAppicciNAkg—推动力为分压差的气相传质系数，kmol/(sm2kPa)；kc—推动力为摩尔浓度差的液相传质系数，m/s；吸收传质理论与传质速率方程kg—推动力为分压差的气相传质系数，kmol/(sm2kPa)；ky—推动力为摩尔分数差的气相传质系数，kmol/(sm2)；kY—推动力为比摩尔分数差的气相传质系数，kmol/(sm2)；p、y、Y—溶质A在气相主体的分压(kPa)、摩尔分数和比摩尔分数；pi、yi、Yi—溶质A在界面气相侧的分压(kPa)、摩尔分数和比摩尔分数。igAppkNiyAyykNiYAYYkN气相传质速率方程常用的表达形式有三种对y值较小的低浓度吸收：)()()(iyigigAyykyyPkppkNgyPkk)1)(1(iyYYYkkYykkgYPkk注意：气相传质系数虽然单位不同，数值也不同，但可根据组成表示法的相互关系进行换算。例：根据p=Py，有吸收传质理论与传质速率方程吸收传质理论与传质速率方程giigAkppppkN1气相传质推动力气相传质阻力yiiyAkyyyykN1YiiYAkYYYYkN1液相传质速率方程常用的表达形式也有三种kc—推动力为摩尔浓度差的液相传质系数，m/s；kx—推动力为摩尔分数差的液相传质系数，kmol/(sm2)；kX—推动力为比摩尔分数差的液相传质系数，kmol/(sm2)；c、x、X—溶质A在液相主体的摩尔浓度、摩尔分数和比摩尔分数；ci、xi、Xi—溶质A在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分数和比摩尔分数。)(cckNicA)(xxkNixA)(XXkNiXA吸收传质理论与传质速率方程三个液相传质系数的倒数也分别为传质推动力以不同组成表示法表达时的液相传质阻力。吸收传质理论与传质速率方程ciicAkcccckN1)(xiixAkxxxxkN1)(XiiXAkXXXXkN1)(液相传质阻力同样，根据各种表示法的相互关系可推得式中cm为液相的总摩尔浓度。cmxkck)1)(1(ixXXXkkxXkkcmXkck液相浓度很低时：吸收传质理论与传质速率方程对流传质系数DSc,duRe,DkdSh)Sc(Re,fShiyAyykN气相液相xxkNixA相际传质速率方程吸收传质理论与传质速率方程界面iimxy对稳定的吸收过程，气液两相内传质速率应相等，xiyiAkxxkyyN11xiyiAkmmxxkyyN1相平衡关系为直线xyiiAkmkmxxyyN1xyAkmkyyN1mxyiimxy气相主体液相主体相界面yixixyxyAkmkyyN1*xyykmkK11*yyKNyAKy是以(y-y*)为推动力的总传质系数，单位kmol/(m2s)，其倒数1/Ky为气、液两相传质总阻力。以气相为基准的总传质速率方程吸收传质理论与传质速率方程xyykmkK11总阻力气相阻力液相阻力xiyiAkxxkyyN11xiyiAkxxmkmyyN11/xyiiAkmkxxmyyN11/xyAkmkxxN11xmyiixmyxyxkmkK111xxKNxA以液相为基准的总传质速率方程Kx是以(x*-x)为推动力的总传质系数，单位为kmol/(m2s)。吸收传质理论与传质速率方程xyxkmkK111xyykmkK11xyKmK吸收传质理论与传质速率方程相平衡关系为曲线设平衡曲线段PQ与QR的割线的斜率分别为mL和mGL*iii*iLmyyxx,xxyymi*Gii*iGxxmyy,xxyym由图可得：yxoy*=f(x)斜率=-kx/kyyxy*x*xiyiAPQRmLmG吸收传质理论与传质速率方程气相液相同理，以液相为基准的总传质速率方程为yiiyAk1yy)yy(kNxLiLixixAkmyymyyk)xx(kNxLyykmkK11yGxxkmkK111平衡线为曲线时，总传质阻力仍等于气、液相内传质阻力之和，所不同的是气、液两相传质阻力的换算系数不再是相平衡常数m，而是与平衡曲线段有关的mL或mG。以气相为基准的总传质速率方程yyKNyAxxKN*xA吸收传质理论与传质速率方程)(iyAyykNyxiikkxxyy上两式联立求解就可求得当气、液相主体摩尔分数为y、x时所对应的界面处气、液相摩尔分数yi、xi。ieixfy界面浓度与传质阻力吸收传质理论与传质速率方程解析法：界面浓度)(xxkNixAieixfy作图法：yxoy*=f(x)斜率=-kx/kyyxy*x*xiyiA气相液相相界面yixiyi=fe(xi)yxieixfyxxkkyyiyxiyi、xi为直线与平衡线的交点坐标，直线上A点坐标为与之对应的气、液主体流的摩尔分数y、x。吸收传质理论与传质速率方程此时的传质阻力集中于气相，称为气相阻力控制。条件：（1）kykx或kx/ky1。（2）m很小（溶解度很大）；易溶气体。V，Ky。总传质阻力等于气相阻力和液相阻力之和。xyykmkK11吸收过程的阻力分析xyxkmkK111时当xykmk1yyyykKkK或11气相阻力控制吸收传质理论与传质速率方程这时，气相传质推动力接近于总推动力xxiyxoy*=f(x)yxy*x*xiyi界面浓度接近与液相主体浓度yyyyi吸收传质理论与传质速率方程气相液相相界面yixiyx液相阻力控制时当xykmk11xyxykKkK或11此时的传质阻力集中于液相，称为液相阻力控制。条件：（1）kykx或kx/ky1。（2）m很大（溶解度很小），难溶气体。L，Kx。吸收传质理论与传质速率方程这时，液相传质推动力接近于总推动力yyiyxoy*=f(x)yxy*x*xiyi界面浓度接近与气相主体浓度xxxxi吸收传质理论与传质速率方程气相液相相界面yixiyx分析气、液两相中传质阻力所占的比例，对于强化传质过程，提高传质速率有重要的指导意义。例如，以气相阻力为主的吸收操作，增加气体流速，可减薄界面处气膜层的厚度，从而降低气相传质阻力，有效地提高吸收速率；而增加液体流速吸速率则不会有明显改变。易溶气体溶解度很大，平衡线的斜率m小，其吸收过程通常为气相阻力控制，例如用水吸收NH3、HCl等。难溶气体溶解度很小，平衡线的斜率m大，其吸收过程多为液相阻力控制，例如用水吸收CO2、O2等。吸收传质理论与传质速率方程在总压为101.3kPa、温度为303K下用水吸收混合气体中的氨,操作条件下的气液平衡关系为y=1.20x。已知气相传质分系数ky=5.3110-4kmol/m2s，液相传质分系数kx=5.3310-3kmol/m2s，并在塔的某一截面上测得氨的气相浓度y为0.05，液相浓度x为0.012（均为摩尔分数）。试求该截面上的传质速率及气液界面上两相的浓度。[例题]解：总传质系数smkmolkmkKxyy2434/1074.41033.52.11031.511110144.0012.02.1mxy[例题]传质速率smkmolyyKNyNH254/1069.10144.005.01074.43界面浓度xxkyykixiyiimxy0182.01mkkxkkyyyxyxi0152.0myxii注意，界面气相浓度（yi=0.0182）与气相主体浓度（y=0.05）相差较大；而界面液相浓度（xi=0.0152）与液相主体浓度（x=0.012）比较接近。[例题]气相传质阻力占总阻力的比例%3.891074.411031.511144yyKk液相传质阻力占总阻力的比例%7.101074.411033.52.1143yxKkm作业第56页：9.4