第五章-吸收

第五章吸收作业题：123456891416171819第一节概述吸收（absorption）操作就是利用气体混合物中各组分在液体中的溶解度不同来分离气体混合物的。利用物系中各组分间某种物理性质不同，使其中的某个或某些组分从一相转移到另一相，以达到分离的目的，物质在相间的转移过程称为物质的传递过程。分离依据：各组分溶解度不同。溶质：混合气中能溶解的组分。一、吸收操作的应用1、制作液体产品。2、回收混合气中有用组分。3、除去工艺气体中有害组分，以净化气体。4、除去工业放空尾气中的有害组分。载体（惰性气体）：混合气中不溶解的组分。吸收剂：溶剂。二、吸收设备气体吸收剂填料吸收液尾气填料塔板式塔壳体塔板溢流堰浸液盘降液管1、物理吸收与化学吸收；2、单组分吸收与多组分吸收；3、非等温吸收与等温吸收。1、吸收剂对溶质应具有较大的溶解度。2、吸收剂应对溶质具有良好的选择性。3、混合气中溶质的浓度不同，应选用不同的吸收剂。三、吸收过程的分类四、吸收剂的选择4、吸收剂的挥发度较小，以减少在吸收过程中的挥发损失。5、若吸收液不是产品，则其中的吸收剂应容易解吸（desorption）而再生。6、吸收剂的黏度要小。7、吸收剂应具有化学稳定性好、不易燃、无腐蚀性、无毒、易得、价廉等特点。五吸收流程A+B加热器冷却器吸收塔解吸塔冷却器水水蒸汽吸收与解吸流程粗笨BSA+SSA+WS气液逆流串联多塔吸收流程气体S气体气体串联,液体并联1、摩尔分率：气相y，液相x2、摩尔比（物质的量比）：气相Y，液相XY=nA/nB=y/（1-y）X=x/（1-x）y=Y/（1+Y）x=X/（1+X）3、体积摩尔浓度（物质的量的浓度）cA单位体积溶液中溶质的摩尔数。六、本章组成的表示方法相平衡—温度与压强恒定时，瞬间进入液相的溶质的分子数与从液相逸出的溶质的分子数相等。动态平衡，平衡是一个过程，有条件的；平衡分压—平衡状态下气相中溶质的分压；平衡溶解度—平衡状态下液相中溶质的浓度。第二节气液相平衡一、平衡溶解度（一）平衡分压和溶解度的关系PA↑，溶解度↑；T↓，溶解度↑氨在水中的溶解度欲得到一定浓度的溶液，易溶气体所需的分压低，难溶气体所需的分压高。（二）不同气体在同一吸收剂中的溶解度氨在水中的溶解度二氧化硫在水中的溶解度氧在水中的溶解度PA不变，溶解度不变。结论：加压和降温可以提高气体的溶解度，对吸收操作有利；反之，升温和减压对脱吸操作有利。（三）总压对溶解度的影响二、亨利定律1、亨利定律在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的摩尔分数成正比P*A=Ex（一）亨利定律（1）对于一定气体和溶剂，Ｔ↑，E↑，溶解度↓；（2）在同一溶剂中，难溶气体的E大；（3）对于非理想溶液，浓度很小时，E可视为常数；（4）对于同一种溶剂，不同气体E值恒定的液相浓度（ｘ）的范围不同。（5）难溶系统中，溶质分压不超过105Pa。温度一定时，E为常数，超过105Pa时，E值是分压和温度的函数；（6）亨利定律和拉乌尔定律的对比。2、亨利系数E对于理想溶液，P不变，T不变，在整个浓度范围内都符合亨利定律，则E=P*A；对于非理想溶液：E≠P*A1、p*A=cA/HcA—液相中溶质的浓度，kmol溶质/m3溶液H—溶解度系数，kmol溶质/（kPa·m3）溶液H↑，液相平衡浓度↑，溶解度↑；T↑，H↓。（二）亨利定律的表达形式2、y*=mxy*—溶质在气相中的平衡摩尔分数；m—相平衡常数。y*一定时，m↓，x↑；m↓，溶解性↑；T↑，m↑。Y*=mXY*—与X相平衡时气相中的溶质的摩尔比。X很小，右端分母1，则3、Y*与Xy*=Y*/(1+Y*),x=X/(1+X)Y*/(1+Y*)=mX/(1+X)Y*=mX/[1+(1-m)X]1、m与E的关系（三）亨利定律各系数间的关系pA*=Exx=pA*/Ey*=mx=mpA*/Ey*=pA*/pmpA*/E=pA*/pm=E/pE↑,m↑;T↑,m↑;p↑,m↓.2、H和E的关系密度(㎏/m3)溶液ρ,溶剂ρs；摩尔体积浓度（kmol/m3）溶剂c,溶质cA；c=ρ/M≈ρs/MspA*=ExpA*=cA/HEx=cA/HcA=cx≈ρsx/MsH≈ρs/EMs}}3、E、H及m三者的关系E=mp≈ρs/HMsT↑,E↑,H↓[例5-1]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1.2kPa。试求此时的亨利系数E，溶解度系数H，相平衡常数m。解:NH3的摩尔质量（kg／kmol）：17x＝nA/n＝nA/（nA＋nB）＝0.01563(摩尔分数)=15/1715/17+1000/18E=p*/x=1.2/0.01563=76.8kPa溶剂水的密度ρs=1000kg/m3，摩尔质量Ms=18kg/kmol，计算溶解度系数:H≈ρs/EMs=1000/(76.8×18)=0.723kmol/(m3·kPa)计算平衡常数:m=E/p=76.8/101.325=0.758三、气液相平衡在吸收中的应用(一)溶质的传质方向与传质推动力界面yy*=mxxy＞y*时推动力(y-y*)吸收x*＞x时推动力(x*-x)y＜y*时推动力(y*-y)解吸x*＜x时推动力(x-x*)平衡曲线平衡曲线yy*oxx*x*-xy-y*yy*xx*x-x*y*-yy1y2minx2x1maxx1max=x1*=y1/m(二)吸收塔的吸收液及尾气的极限浓度y2min=y2*=mx2例5-2在温度为20℃、总压0.1MPa下，含有CO20.1（摩尔分数）的空气与含有CO20.00002（摩尔分数）的水溶液接触，试判断CO2的传质方向，并计算传质推动力。如果水溶液中CO2的组成为0.0002（摩尔分数），试判断CO2的传质方向，并计算传质推动力。解：温度20℃，从表5-1查得CO2水溶液的亨利系数E=144MPa。总压p=0.1MPa，相平衡常数m=E/p=144/0.1=1440用气相组成判断CO2的传质方向：y*=mx=1440×0.00002=0.0288因y＞y*，CO2从气相向液相传递传质推动力y–y*=0.1–0.0288=0.0712用液相组成判断CO2的传质方向：x*=y/m=0.1/1440=0.0000694因x*＞x，CO2从气相向液相传递传质推动力x*–x=0.0000694–0.00002=0.0000494（1）已知y=0.1，x=0.00002用气相组成判断CO2的传质方向：y*=mx=1440×0.0002=0.288因y＜y*，CO2从液相向气相传递传质推动力y*–y=0.288–0.1=0.188用液相组成判断CO2的传质方向：x*=y/m=0.1/1440=0.0000694因x*＜x，CO2从液相向气相传递传质推动力x–x*=0.0002–0.0000694=0.0001306（2）已知y=0.1，x=0.0002第三节吸收过程的传质速率界面扩散扩散溶解1、当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两边分别存在着呈层流流动的稳定膜层。溶质以分子扩散的方式连续通过这两个膜层；2、在相界面上气液两相互成平衡;3、在膜层以外的主体内，没有浓度梯度存在。一、两相间传质的双膜理论（一）双膜理论基本论点ZGZL液相主体气相主体气膜扩散方向相界面液膜PAGLCAPiCi双膜理论示意图传质速率—单位时间单位相际传质面积传递的物质的量。表达方式：传质速率=传质系数×推动力二、传质速率方程1、气相传质速率方程NA=kG（pA-pi）NA=kY（Y-Yi）kG·kY—气相传质系数，kmol/（m2s），kmol/（m2skpa）2、液相传质速率方程NA=kL（ci-cA）NA=kX（Xi-X）kL·kX—液相传质系数，kmol/（m2s），kmol/（m2skpa）3、气-液两相界面的溶质组成NA=kX（Xi-X）NA=kY（Y-Yi）}Y-YiX-Xi=-kXkYI（界面）OYYiXXi界面组成确定kXkY斜率=-三、总传质速率方程1、以气相组成表示的吸收速率方程Yi=mXiY*=mX}Yi-Y*=m（Xi-X）Xi-X=NA/kX}Yi-Y*=mNA/kXY-Yi=NA/kY}NA=KY（Y-Y*）推动力=Y-Y*NA=KG（p-p*）推动力=p-p*Yi-Y*=NA（1/kY+m/kX）2、以液相组成表示的吸收速率方程NA=Kc（c*-c）推动力=c*-cNA=KX（X*-X）推动力=X*-XKc·Kx—液相总传质系数，kmol/（m2s），kmol/（m2skpa）KX=cKLKG·KY—气相总传质系数，kmol/（m2s），kmol/（m2skpa）KY=pKG四、传质速率方程式的各种表示形式NA=kG(PA-Pi)=kL(ci-cA)=KG(PA-PA*)=KL(cA*-cA)NA=ky(y-yi)=kx(xi-x)=Ky(y-y*)=Kx(x*-x)NA=kY(Y-Yi)=kX(Xi-X)=KY(Y-Y*)=KX(X*-X)ky=pkGkx=ckLKy=pKGKx=cKL第四节吸收塔计算气体吸收剂吸收液尾气填料塔板式塔壳体塔板溢流堰浸液盘降液管吸收塔的计算内容有：1、吸收剂用量2、塔径3、塔的有效度高度（填料层高）一、物料衡算与操作线方程组成：用摩尔比Y，X。假定:（1）低浓度物理吸收，K为常数;（2）B完全不溶解，溶剂不挥发，G，L不变;（3）逆流。依据：物料衡算，平衡关系，速率关系（一）物料衡算G,Y1L,X2进塔的溶质物质的量＝出塔的物质的量Y1G+LX2=Y2G+LX1G(Y1-Y2)=L(X1-X2)物料衡算式:L/G=(Y1-Y2)/(X1-X2)L/G:液气比G,Y2L,X1mnL,X1G,Y2（二）吸收塔的操作线方程与操作线1、塔内的任意截面和塔顶的物料衡算GY+LX2=LX+GY2GY=LX+GY2-LX2Y=LX/G+(Y2-LX2/G)G,Y1L,X2G,YL,X2、塔内任意截面与塔釜的物料衡算GY1+LX=LX1+GYGY=LX+GY1-LX1Y=LX/G+(Y1-LX1/G)mnL,X1G,Y2G,Y1L,X2G,YL,XY=LX/G+(Y1-LX1/G)操作线斜率:L/G液气比通过(X1，Y1)—浓端，(X2，Y2)—稀端.Y=LX/G+(Y2-LX2/G)全塔物料衡算式:L/G=(Y1-Y2)/(X1-X2)Y2-LX2/G=(Y1-LX1/G)YXBATY1Y2X1X2浓端稀端T-B连线—操作线B（X1，X2）T（X2，Y2）线上任意一点A（X，Y）几点说明：1、B点代表塔底的状态(X1，Y1)，T点塔顶状态(X2，Y2)，线上任意一点A（X，Y），代表塔内任意截面上的气液组成。2、A与平衡线之间的垂直距离为塔内某截面上用气相组成的推动力。3、操作线一部分在相平衡线的上方，即为吸收过程，在下方解吸过程。4、操作线与L,G,X1，Y1，X2，Y2有关,与平衡关系操作温度，塔结构因素无关。L改变，唯一改变的是X1。操作线B点沿Y1B向左移，斜率加大，即X1变小，吸收剂选定，操作线不变。5、操作线与气液并流与逆流流动有关。二、吸收剂的用量与最小液-气比（一）已知量与待求量已知量：G，Y1，X2，分离要求。待求量：L。（二）分离要求的表示形式η=被吸收的溶质量进塔气体的溶质量G（Y1-Y2）GY1==1-Y2/Y11、回收率2、除去气体中有害物质时，一般规定尾气中残留有害物质的组成Y2。相当于给出了Y2。1、液气比Y=LX/G+(Y2-LX2/G)Y=LX/G+(Y1-LX1/G)TB操作线的斜率（L/G)称为液气比（三）最小液-气比Y2X2Y12、吸收剂的用量TB′BB′B*Y2X2Y1X1X1′X1*X1′L↑,X2↓,(Y-Y*)↑Y=LX/G+(Y2-LX2/G)3、最小液气比的求法B*BY1Y2TX1X2OX1*（L/G）min=Y1-Y2/(X*1-X2)（a）B’BY1Y2TX1X2OX1’（L/G）min=Y1-Y2