2013-05-16-吸收.

第2章吸收掌握气体吸收的基本概念和气体吸收过程的基本计算方法。本章重点及难点内容:2.两相间的传质及吸收传质速率方程1.吸收传质的气液相平衡及亨利定律3.扩散传质及理论基础4.吸收塔的有关计算任务:吸收——利用混合气体中各组分在溶剂中溶解度不同而将其分离的方法。1.概念吸收塔混合气(A+B)吸收液(A+S)吸收剂(S)吸收尾气(A+B)吸收液——溶质A和溶剂S组成的溶液。（S+A），又称富液尾气——经吸收操作后排出的气体（大量B+少量A）惰性组分—气体中不能被吸收剂S溶解的组分（B）吸收剂——溶剂（S），其中不含溶质或溶质浓度较低，又称贫液溶质——气体中被溶解的组分（A）吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。(solute)(inertgas)0概述（Introduction）(absorbent)(dilutegas)(strongliquor)2.吸收操作目的(工业应用)(1)制取产品:用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，用水吸收氯化氢制盐酸等。(2)分离混合气体:吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。这是最主要的应用。一类是原料气的净化:如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气等。(3)气体净化:如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯，还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来①按过程的物理化学反应发生化学反应、化学吸收：纯物理溶解无化学作用与物理吸收：SASA,②按混合气体中组分溶解能力几个组分同时溶解—多组分吸收其他组分均不溶解组分外除—单组分吸收,A3.吸收操作分类④按气体中被吸收组分浓度高浓度吸收低浓度吸收③按吸收过程温度变化非等温吸收等温吸收本章重点讨论：单组分低浓度等温物理吸收。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等体系温度发生明显变化的吸收过程体系温度变化不显著的吸收过程填料塔板式塔4．吸收设备和流程(1)吸收设备-----塔设备溶剂b级式接触a微分接触图9-2填料塔和板式塔气体溶剂气体(2)吸收流程——吸收-解吸流程工业上从合成氨原料混合气体中回收CO2吸收与解吸(脱吸)互为逆过程相界面pApAicAicA净传质量＝0相平衡溶质A溶质A▲属动态平衡。▲达到相平衡时，一般两相浓度不相等。§2.1气体吸收的相平衡关系§2.1.1平衡溶解度一.相平衡或平衡:例如: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。相平衡与热平衡不同之处：平衡分压或饱和分压:平衡状态下气相中溶质的分压。溶解度(或平衡溶解度):平衡状态下液相中溶质浓度。氨在水中的溶解度40050易溶二氧化硫在水中的溶解度5068中等溶解度氧在水中的溶解度500.002难溶二、温度和压力对溶解度的影响温度的影响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。压力的影响注意减压和升温有利于吸收操作有利于解吸操作当总压不高（≤5×105Pa）时，一定温度下，稀溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度之间成线性关系。§2.1.2亨利定律（Henry’slaw）ApExpA*——溶质在气相中的平衡分压，kPa；x——溶质在液相中的摩尔分数；E——亨利系数，kPa.式中：在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小。注意：2.E值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度1.E其值随物系的特性及温度而异物系一定，E值一般随温度的上升而增大。一.亨利定律：y*——与溶质组成为x的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；cA——溶质在单位体积溶液中的摩尔浓度，kmol/m3；m——相平衡常数，或称分配系数，量纲为1；H——溶解度系数；kmol/(m3kPa)；*ymx*AAcpH当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度换算可得其它形式的亨利定律，常用的形式有：二.亨利定律的其它形式相平衡常数，无因次溶解度系数，kmol/(m3kPa)式中:x——溶质在液相中的摩尔分数。四.亨利常数E、H、m之间的关系p81/82三.温度和压力对气体溶解度（E,H,m）的影响ρsVMsc对于大多数气体:mHEt,,mHEP,,即：气体溶解度随温度的升高而减小,随压力的增加而增大。SSMEH1E、H之间的关系PEm总E、m之间的关系液相：除用c、x外，还有X比摩尔浓度ⅱ)对于气相：由于惰性组分不被吸收（B），故可以B作为气相中的比较基准。.11AmolyynYBmolyyn总总气相中溶质数气相中惰性组分数同理，对于液相：溶剂S的摩尔流量不变。`1`1molxxnXmolxxn总总液相中溶质数液相中溶剂数五.气液浓度的表示法ⅰ)气相：除用p、y外，还有Y1YyY1XxX六.用Y、X表示的亨利定律根据*mxy及*11mXYmX特别地，当X较小时*mXY于是亨利定律可写成以下几种形式：*AExp*AAcpH以摩尔比表示组成的相平衡关系1YyY1XxX*mXY*mxy(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。(1)溶解度:对溶质组分有较大的溶解度，则传质推动力越大，吸收速率越快，且吸收剂的耗用量越少。(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，否则不能实现有效的分离。(3)挥发性:应不易挥发,即挥发度要小，以减少吸收剂的损失量。(4)粘性:操作温度下的粘度要低，其在塔内的流动阻力越小，扩散系数越大，这有助于传质速率的提高。吸收剂性能的优劣往往是决定吸收效果的关键。§2.1.3吸收剂的选择§2.1.4相平衡关系在吸收过程中的应用相对于气相浓度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。一、传质过程的方向气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：yxoy*=f(x)Pyxy*结论：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，即吸收过程。x*释放溶质吸收溶质相对于气相浓度y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,实际气相浓度为欠饱和(yy*)，溶质A由液相向气相转移。传质过程的方向气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)：yxoy*=f(x)Qyxy*结论：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，即解吸过程。x*释放溶质吸收溶质相对于气相浓度y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。传质过程的方向气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)：yxoy*=f(x)Ryxy*结论：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*二、传质过程的限度对吸收而言：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*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*。传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。(x*-x)：以液相摩尔分数差表示的传质推动力。对吸收过程：(y-y*)：以气相摩尔分数差表示的传质推动力；三、传质过程的推动力未达平衡的两相接触会发生相际间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）由上讨论知:1.气体吸收是物质自气相到液相的转移，这是一种传质过程。2.混合气体中某一组分能否进入溶液里，既取决于该组分的分压，也取决于溶液里该组分的平衡蒸汽分压。3.根据两相的平衡关系可以判断传质过程的方向与极限,两相的浓度距离平衡愈远，则传质的推动力愈大，传质速率也愈大。所以吸收操作的分析，应该从气液两相的平衡关系与传质速率着手，本章各节即如此展开讨论。•平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法解决，后者属于传质的机理问题。以下内容是结合吸收操作来说明传质的基本原理，并导出传质的速率关系，作为分析吸收操作与计算吸收设备的依据。气相主体液相主体相界面溶解气相扩散液相扩散(1)溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)；(2)溶质在界面上溶解(通过界面的传质)；(3)溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。§2.2传质机理及传质速率吸收过程的气-液二相间的传质过程1.传质步骤一般认为界面溶解过程阻力很小，吸收过程的阻力主要来自气相和液相中的传质阻力。2.传质阻力:§2流体内部溶质组分存在浓差，分子因微观布朗运动而引起的（组分浓度趋于均匀）质量传递现象。涡流扩散：因流体微团（远大于分子尺度）的宏观运动引起的质量传递现象。由于涡流扩散效应要比分子扩散效应显著得多，因此传质的控制步骤（阻力）基本上集中在分子扩散方面。3.传质的机理：（在同一相中－气相或液相）①分子扩散:②对流传质:包括分子扩散和涡流扩散一般说来:（本章后部分将详细讨论）§2.2.1分子扩散与Fick定律分子扩散又称为分子传质，简称为扩散，它是由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象。1.充入温度及压力相同，而浓度不同的A、B两种气体2.当隔板抽出后，由于气体分子的无规则热运动，左室中的A、B分子会窜入右室，同时，右室中的A、B分子亦会窜入左室3.其净结果必然是物质A自左向右传递，而物质B自右向左传递，即两种物质各自沿其浓度降低的方向传递。一.分子扩散dzdcDJAABA物质A扩散通量，kmol/m2s表示扩散方向与浓度梯度方向相反A在B中的分子扩散系数m2/s相界面pGpici传质方向物质A在介质B中扩散时，空间任一点处物质A的扩散通量JA与该位置上A物质的浓度梯度成正比。二.Fick(费克)定律:描述分子扩散的通量或速率的基本定律扩散通量JA:单位面积上，单位时间扩散传递的物质量(kmol/m2·s)Fick(费克)定律的描述:§2.2.2气相中的稳态分子扩散②设:pA1pA2（θ=0时）则由pA1+pB1=ppA2+pB2=p可得pB2pB11.等分子反向扩散:①总压为p，温度为T且分别相等并一定；条件:③导管容积忽略不计（即忽略导管内的扩散影响）④容器中A、B分别充分混和①稳定的等分子反向扩散JA=－JB传质速率NA:在任一固定的空间位置上,单位时间通过单位面积上物质A的传递量。DAB=DBA=DZdcdDJNAAA又:TRpcAA01ZZZ21AApp2AApp即dZpdRTDNAA故:（kmol/s·m2）于是:②定义:1212AAAAADDppNccRTZZ1Z2ZZ2.单向扩散(组分A在另一静止组分B中的扩散)与主体(总体)流动特点:只允许A分子透过，而不允许B分子通过。①单向膜（选择性透过膜）甲乙A甲B甲A乙B乙A甲单向膜1211,ABpp22,ABpp由于PA1PA2，故A分子的流动方向是:A1→A2在膜甲侧:A不断向乙侧透过，使瞬间甲侧膜附近出现