化工基础第五章吸收

第五章吸收吸收操作——利用组成混合气体各组分在溶剂中溶解度不同，来分离气体混合物的操作，称为吸收操作。在吸收过程中，吸收所用的溶剂称为吸收剂；被吸收剂吸收溶解的组分称为吸收质；不被吸收的组分称为惰性组分或载体；吸收了溶质后的溶液则称为吸收液。§1化工生产中的吸收操作1-1吸收操作的类型吸收的工业应用（1）分离混合气体。是最主要的应用。（2）气体净化。例如某厂放空气体中含有有毒有害气体A，不符合环境保护的排放标准，则选用合适溶剂将有害气体吸收，使该厂放空气体达到排放标准。（3）制备液体产品。例如用水吸收氯化氢气体制备盐酸，用93%硫酸吸收SO3制备硫酸等等。采用吸收剂再生的连续吸收装置吸收操作是在吸收设备中进行的。吸收可分为物理吸收和化学吸收物理吸收所能达到的最大程度取决于在吸收条件下气体在液体中的平衡溶解度，吸收速率则主要取决于组分从气相转移到液相的扩散速度。化学吸收，吸收的速率除与扩散速率有关外，有时还与化学反应的速率有关，而吸收的极限同时取决于气液相的平衡关系和其化学反应的平衡关系。多组分吸收单组分吸收非等温吸收等温吸收化学吸收物理吸收1-1吸收分类重点是低浓度气体混合物的单组分等温物理吸收。吸收过程的气、液接触方式1-2吸收操作吸收操作流程通常的吸收过程都采用逆流操作，即液体从上到下，气体从塔底通入，这样可以保证全塔的平均推动力最大，与传热时两流体以逆流流动的平均温度差最大的原理相同。吸收操作效率高的条件：1．选择合适的吸收剂；2．提供适宜的传质设备；3．吸收剂的再生。1-3吸收剂的选择1．溶解度对溶质组分有较大的溶解度；2．选择性对溶质组分有良好的选择性，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微；3．挥发性应不易挥发；4．黏性黏度要低；5．其它无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易得，并具有化学稳定性等要求。AA+BS（气体）（液体）气液达到相平衡时，液相中的溶质浓度称为溶解度。根据相律可知，自由度数2cF3223AApPTfC,,在几个大气压以内、温度一定条件下，AApfC或AACgp溶解度即在温度T，总压P和气、液相组成共四个变量中，有三个自变量，另一个是它们的函数：§2气液相平衡关系气液平衡时，溶质在单位液体体积或质量中的溶解度称为平衡溶解度，而溶质在气相中的分压则称为平衡分压或饱和分压。在平衡状态下，溶质组分在两相中的浓度服从相平衡关系。物质量比的定义为：液相：气相：惰性组分物质的量组分物质的量AYA吸收剂的量组分物质的量AXA式中：YA，XA——平衡状态时，溶质A在气相、液相中的物质的量的比；yA，xA——平衡状态时溶质A在气相中、液相中的摩尔分数；p*A——溶质A在气相中的平衡分压；cA——平衡状态下溶质A在液相中的物质的量浓度。物质的量比与摩尔数之间的关系：AAAAAAxxXyyY11若固定温度、压力不变，测得某动平衡下，溶液上方氨的分压为p1，此时溶于水的氨的浓度为x1；再改变浓度为x2，测得上方氨分压为p2；……依次类推，改变氨的浓度为xn，测得溶液上方氨的分压为pn，如图所示。将这n个点，标绘在图上，即得在一定温度、压力下的溶解度曲线。2-1溶解度曲线1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1pA，atmO2CO2pA=723CApA=25.5CASO2NH3pA=0.36CApA=0.0136CA0123456789101110nCA，kmol/m3O2n=3，CO2n=2，SO2n=1，NH3n=0几种气体在20℃水中的溶解度曲线或)(AACgp难溶体系易溶体系溶解度适中体系)(AApfC说明：(1)不同气体的溶解度差异很大AAExP亨利定律亨利系数，Pa(2)对于稀溶液，有E取决于物系的特性及物系的温度，通常由实验测定。可从有关手册中查得。E越大，表明溶解度越小，越难溶。E随温度变化而变化，一般地，T，E。2-2亨利定律对于非理想溶液，在低浓度下，服从亨利定律。由图看出，OD是平衡曲线，但在x=0～0.10的这一段，可以写成亨利定律的表达式。p*A为溶质A在气相中的平衡分压；E称为亨利系数；xA为溶质在溶液中所占的摩尔分率。亨利定律还可写成：比例系数H愈大，表明同样分压下的溶解度愈大。H可称为溶解度系数，cA为单位体积溶液中溶质A的物质的量浓度［mol·m-3］。HcpAA*AAExp*亨利定律最常用的是下列形式：m为相平衡常数（亦称亨利常数），量纲为1。m是温度与压强的函数，易溶气体m值小；难溶气体m值大。AAmxy*CCHCpAAAEx亨利系数，PaAAAxPEPpyAmx相平衡常数，无因次亨利定律的其他形式：E越大，表明溶解度越小，E随温度变化而变化，T，E。m越大，表明溶解度越小，m随温度变化而变化，T，m，P，m。亨利系数之间的关系pEmMHExymPamkmolpcHPaxpEAAAAAA/*3**：单位若以比摩尔分数表示吸收质在气、液两相的浓度，则：惰性气体吸收质气相中吸收剂的量气相中吸收质的量吸收剂吸收质液相中吸收剂的量液相中吸收质的量kmol/kmolkmol/kmolYXAAAAAAAAAAAAYYyyyYXXxxxX1111或或AyAmx代入：AAAXmmXY)(*11得：对于稀溶液，有：AYAmX例1总压为101.325kPa、温度为20℃时，1000kg水中溶解15kgNH3，此时溶液上方气相中NH3的平衡分压为2.266kPa。试求此时之溶解度系数H、亨利系数E、相平衡常数m。例2在20℃及101.325kPa下CO2与空气的混合物缓慢地沿Na2CO3溶液液面流过，空气不溶于Na2CO3溶液。CO2透过厚1mm的静止空气层扩散到Na2CO3溶液中。气体中CO2的摩尔分数为0.2。在Na2CO3溶液面上，CO2被迅速吸收，故相界面上CO2的浓度极小，可忽略不计。CO2在空气中20℃时的扩散系数D为0.18cm2/s。问CO2的扩散速率是多少？2-3相平衡与吸收过程的关系1.用相平衡判断过程进行的方向吸收过程：如A1点，在平衡线的上方，yAyA*，溶质应从气相到液相。解吸过程：如A2点，在平衡线的下方，yA*yA，溶质应从液相到气相。2．用相平衡确定过程进行的极限在一定的温度与压力的条件下，当气、液传质达到平衡时，净传质速率为零。在逆流操作时，含溶质为yA，1的混合气体从塔底送出，组成为XA，2的吸收剂自塔顶淋下。塔很高，吸收剂用量很少，吸收液最终浓度XA，1也不会无限增大，其极值只与气相浓度yA，1呈平衡的液相浓度xA，1*。3．计算过程推动力，分析过程进行的难易*AAAyyyAAAxxx*在图中，在截面M-N中，推动力以气相浓度差表示为：液相推动力差表示为：偏离平衡浓度越远，推动力越大。Ay*Ay),(AAyxMAAmxy*AAx*AxyxBO例3、当总压为1.013×105Pa、温度为293K时，氧在水中的溶解度可用下式表示：式中：pA*为氧的平衡分压，Pa；xA为氧在溶液中的摩尔分数。试求在此状态下，空气与水充分接触后，每立方米水中溶有多少克氧？AAxp9*1001.4§3吸收速率方程吸收过程中吸收速率是指单位时间内、在单位相际传质面积上被吸收的溶质量。吸收速率可以表示为：传质推动力吸收系数传质阻力传质推动力吸收速度3-1分吸收速率方程分子扩散——流体内某一组分存在浓度差时，则由于分子运动使组分从浓度高处传递至浓度低处，这种现象称为分子扩散。费克定律——单位时间通过单位面积物质的扩散量与浓度梯度成正比。以液相传质分系数表示的吸收速率方程传质阻力传质推动力LAiAAiAmBLMLAkCCCCClCDN1)(,,,)(11,,,iAAGiAAmBGAppkpppRTlDpN以气膜传质分系数表示的吸收速度方程：3-2总吸收速率方程1．两相间有物质传递时，相界面两侧各有一层极薄的静止膜，传递阻力都集中在这里。II1I1,,LAiAAiLALGiAAiAGAGkCCCCkNkppppkN2．物质通过双膜的传递过程为稳态过程，没有物质的积累。即，总阻力=气膜阻力+液膜阻力ALAGNN3.假定气—液界面处无传质阻力，且界面处的气—液组成达于平衡。一、总吸收速率方程根据双膜理论及单相传质速率方程，溶质穿过气膜和液膜的吸收速率方程分别为：在稳态时'AANN根据亨利定律有HcpHcpAAiAiA/,/*,,)(,iAAGAppkN（1）)(,'AiALAcckN（2）代入（2）式得：)(*,'AiALAppHkN（3）（3）式同（1）式联立，得：)(111*AALGAppHkkN则)(*AAGAppKN上式就是以气相分压差表示推动力的总传质速率方程。同理可得到以浓度差表示吸收推动力的总传质速率方程：)(*AALAccKN令LGGHkkK111（4）式中LGLkkHK11（5）对比（4）（5）可知：LGHKK当气膜阻力远大于液膜阻力，即：LGHkk11当液膜阻力远大于气膜阻力，即：则相际传质受气膜阻力控制，此时：GGkK当气液两膜的传质阻力具有相近的数量级时，由双膜阻力联合控制。GLkHk1则相际传质受液膜阻力控制，此时：LLkK二、相界面组成当气液两相的组成不符合亨利定律时，平衡曲线为一曲线，此时由于H不能确定，所以计算传质速率时，只能求出界面组成（ci，pi）。iAp,EAp*Ap),(AApcM)(*AAcfpR),(,,iAiApcAciAc,*AcGLkkk/pc界面组成的确定O)(,iAAGAppkN)(,AiALAcckN根据双膜理论，溶质穿过气膜和液膜时的吸收速率方程分别为：两式相除)()(1,,AiALiAAGAAcckppkNN即：AiAiAAGLccppkk,,该式为一直线，斜率为－kL/kG，并通过M(cA,pA)和R(cA,i,pA,i)，并和平衡曲线交于R点。对流传质的推动力：p＝pA－pA,ic＝cA,i－cA相际传质的总推动力：p＝pA－pA*c＝cA*－cA三、用摩尔比差表示推动力的吸收传质速率方程溶质穿过气膜和液膜时的吸收速率方程分别为：)(,iAAYAYYkN气膜)(,AiAXAXXkN液膜总体吸收传质速率方程：)(*AAYAYYKN气膜)(*AAXAXXKN液膜其中：)1)(1(,iAAGYYYpkk)1)(1(,iAAMLXXXckk)1)(1(*AAGYYYpKK)1)(1(*AAMLXXXcKK吸收传质系数表示：当吸收推动力为相应的一个单位分压差或浓度差或摩尔比差时，单位时间通过单位面积，在气相中或在液相中由气相传递到液相中的扩散物质量。例4含氨极少的空气于101.33kPa，20℃被水吸收。已知气膜传质系数kG=3.15×10-6kmol/（m2·s·kPa），液膜传质系数kL=1.81×10-4kmol/（m2·s·kmol/m3），溶解度系数H=1.5kmol/（m3·kPa）。气液平衡关系服从亨利定律。求：气相总传质系数KG、KY；液相总传质系数KL、KX。第四节吸收塔的设计及计算一、概述工业生产中，吸收操作多采用塔式设备，气液两相在塔内逐级接触的板式塔，也可采用气液两相在塔内连续接触的填料塔。塔收吸塔吸解2Y1Y2X1X2X1X'1Y'2Y吸收流程图塔内气液两相的流动方式原则上可为逆流，也可为并流，通常采用逆流。吸收剂（组成X2）从塔顶加入，自上而下流动，与从下而上流动的混合气体接触，吸收了溶质的吸收液（组成X1）从塔底排出；混合气体（组成Y1）自塔底送入，自下而上流动，其中溶质大部分被吸收，尾气（组成Y2）从塔顶