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第八章气体吸收8.1概述8.1.1气体吸收在化工中的应用①制取化工产品;②分离气体混合物;③从气体中回收有用组分;④气体净化;⑤生化过程。吸收原理:利用气体中各组分在液体中溶解度的差异而使气体中不同组分分离的单元操作。概念:吸收质或溶质:混合气体中能够溶解于液体的组分;惰性组分:不能溶解混合气组分;吸收剂:吸收操作所用的溶剂;吸收液:溶有溶质的溶液;吸收尾气:排出的气体。吸收操作在化工中的应用:④根据吸收组分浓度的高低分为:低浓度、高浓度吸收。8.1.1吸收过程分类吸收过程分类:主要讨论:低浓度、单组分、等温、物理吸收。①根据溶质与吸收剂之间是否发生化学反应分为:物理、化学吸收;②根据混合物中被吸收的组分数分为:单组分、多组分吸收;③根据过程热效应的大小,温度是否变化分为:等温、非等温吸收;脱吸(解吸):吸收的逆过程。相际动平衡:当气体混合物与S相接触时,将发生A向液相的转移,使得溶液中A浓度CA增加,增加的极限是溶质达到饱和。此时瞬间进入液相的溶质分子数和从液相中逸出的溶质分子数相等,在宏观上如同静止一样,该状态称为相际动平衡。8.2吸收过程相平衡基础8.2.1气-液相平衡关系一、相际动平衡(相平衡)A:溶质;S:溶剂;B:惰性气体。2CF3223FAAPPTfC,,*PA*:设气相中的溶质分压(平衡分压或饱和分压);CA*:液相中的溶质浓度(平衡浓度或饱和浓度)。对单组分物理吸收,C=3(溶质A、溶剂S和惰性组分B),Φ=2,则:总变量数:温度T、总压P和气相组成PA*或液相组成CA*,共4个,3个自变量确定下来后,另一个即为它们的函数:二、自由度和自变量数根据相律:式中:F为自由度,C为组分数,Φ为相数。自由度为3,即自变量有3个。AAPfC*AACgP*由于吸收过程为等温、低浓度性质,故T、P一定,上式变为:也可表示成:根据溶解度的高低可将气体分为:难溶气体:如O2、CO2;易溶气体:如NH3;溶解度适中气体:如SO2。问题:函数“f”或“g”的具体形式?气-液平衡关系一般需通过实验方法对具体物系进行测定。对稀溶液,在低压(通常指总压小于0.5MPa)和一定温度下,气、液相达到平衡状态时,可溶气体在气相中的平衡分压与该溶质在液相中的浓度成正比例关系,即为亨利定律。AAExP*式中:PA*为溶质在气相中的平衡分压,Pa;xA为溶质在液相中的摩尔分数;E为亨利系数,Pa。8.2.2亨利定律一、亨利定律①其数值大小由物系特性和温度决定;②当物系(溶质、溶剂)一定时,其值随温度的上升而增大;③由实验测定。数学表达式为:E的含义:如溶质在液相中的浓度用物质的量浓度CA表示,则亨利定律:HCPAA*式中:CA为单位体积溶液中的溶质的物质量,kmol/m3;H称为溶解度系数,kmol/m3.Pa。二、不同表达形式由于气、液两相组分浓度可有不同的表示方法,因而亨利定律也有不同的形式。1、溶解度系数HH也是温度的函数,而和PA、CA无关。对于一定的吸收系统,其值随温度的升高而减小。若溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分数x及y表示(对单组分吸收,一般可略去代表溶质的下标A),亨利定律如下:mxy*式中:y*为与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分数;m为相平衡常数,无因次。2、相平衡常数m在直角坐标上标绘的y-x线,称为平衡线。m不仅和温度有关,而且还和压强有关。HCEPEmXXmYY111Y1XXYmE、H和m之间显然符合如下关系:,式中:P为系统总压,Pa;C为溶液的总物质的量浓度,kmol(A+S)/m3。显然,X-Y之间并不是直线关系。只有当A在气相、液相中的含量很少时,即,时,上式才转化为:3、E、H和m之间的关系若溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔比X及Y表示时,若物系满足亨利定律,则X-Y之间的关系:例:在总压101.3kPa及温度20℃下,液相中氨的摩尔浓度为0.582kmol/m3,气相中氨的平衡分压为800Pa。若在此浓度范围内的相平衡关系符合亨利定律,求其H、E、m。HCPAA*3582.0mkmolCAPaPA800kPamkmolPCHAA.7275.08.0582.03*AAxPE*01048.002.1817582.01000582.0582.0SAAACCCxkPaE33.7601048.08.0xym310897.73.1018.0PPyA761.0m,故:求E求m解:求H8.3吸收过程模型及传质速率方程8.3.1双膜模型一、吸收过程吸收过程物理模型:图(b)中y、x分别表示气相、液相主体浓度;yi、xi分别表示在相界面处气、液两相的浓度。①由对流传质,A由气相主体通过膜向相界面的扩散;②在相界面处A溶解;③由对流传质,A由界面通过液膜向液相主体扩散。以气、液相界面为准,A在相际间的传质过程由以下三步串联而成:iGGAPPkNiyiGGAyykPPPPPkNyGkPk由膜传质理论,气相传质速率可表示为:式中:PG、Pi分别表示气相主体及相界面处的溶质分压;kG为以分压差表示的推动力的传质分系数。式中:ky为以气相中摩尔分数表示的推动力的传质分系数,显然二、气相传质变化上式:LiLACCkNxxkCCCCCkNixLiLAxLkCk和气相传质过程类似,液相传质速率可表示为:式中:Ci、CL分别表示相界面处和液相主体的溶质量浓度;kL为以量浓度差表示的推动力的液相传质分系数。式中:C为液相中总物质的量浓度;kx为以气相中摩尔分数表示的传质分系数,显然三、液相传质变化上式:界面处的气、液两相组成之间的关系:iixfy四、界面处的两相关系一般认为:溶质穿过相界面的传质阻力很小,可以忽略不计,即所需的传质推动力为零。也就是:在相界面处,气、液两相达到了平衡。气、液两相间的传质阻力分别集中在相界面两侧的气膜和液膜内,在相界面处两相之间达到了平衡。总结:吸收过程双膜理论:说明:相界面处的气、液相组成yi、xi或Pi、Ci很难测定!但由于溶质在气膜和液膜中的传质是串联进行的,同时结合在界面处的平衡关系,通过相应的数学处理可以将yi、xi从速率方程中消去。一、总传质速率方程在数学上我们知道,曲线可以通过一系列的折线来逼近,而每一段折线表示的是在一定范围内因变量和自变量之间成直线关系。8.3.2传质速率方程说明:图中E为相平衡曲线,不是直线。y所对应的液相中的平衡浓度x*,x所对应的气相中的平衡浓度y*,在x至x*或y*至y的小范围内,可以认为相平衡方程为直线,直线的斜率为m(注意:这里的m不是相平衡常数,只有在该范围内符合亨利定律时,m才是相平衡常数),由图知:xxyyxxyyxxyymiiii****a点的位置:看图,图中a点坐标为(x,y),表示吸收塔中,某一截面处液相和气相主体中的浓度,对于吸收过程,由于yyi,xix,则a点必在平衡线的上方。xiyiAkxxkyyN11xiyiAkmxxmkyyN1xyiikmkxxmyy1xyiikmkxxmyy1xykmkyy1**yyKNyAxyykmkK11由传质速率方程:将最右边式子的分子、分母同时乘以m,同时根据数学上的比例定理,得:===将上式记为:式中:上式称为以气相摩尔分数差(y-y*)为总传质推动力的总传质速率方程;Ky称为以气相摩尔分数差(y-y*)为总传质推动力的总传质系数。1、总传质系数KyxiyiAkxxkyyN11xiyiAkxxmkyymN111xyiikmkxxyym111xyiikmkxxyym111xykmkxx11*和Ky相似:中间式子的分子、分母同时除以m,则:===2、总传质系数KxxxKNxA*xyxkmkK111xyKmK将上式记为:式中:上式称为以液相摩尔分数差(x*-x)为总传质推动力的总传质速率方程;Kx称为以液相摩尔分数差(x*-x)为总传质推动力的总传质系数。说明:气、液相组成的浓度表示方法多种多样,即当推动力采取不同的表示方法时,传质系数的表达形式也将不同,传质速率的不同表示方法汇总见表8-1。显然:iixfyiiixiyxfyxxkyyk当m随浓度变化时,用分传质速率方程式进行计算往往更加方便,这时就必须要知道相界面处的溶质浓度xi、yi。xi、yi不能依靠实验获得,故只能依赖理论推导而获得,获得的方法有两种:一是计算方法,二是作图法。两相主体溶质浓度(x,y),通过对下列方程联立求解即可获得相界面处的溶质浓度(xi,yi)。二、界面浓度的求取如果已知组分相平衡关系,即1、计算获得已知,则特定的气液xxkyykNixiyAyxxkkyiyxi如下图所示,已知吸收塔某截面a上气液两相主体溶质浓度(x,y),根据:则:由上式可知:通过a点,以-kx/ky为斜率作直线,和平衡线y=f(x)的交点,即是所要求的相界面的溶质浓度(xi,yi)。2、作图法求解yAKyyN1*xyykmkK11,三、传质阻力分析若以气相摩尔分率差为推动力,则:传质通量=气相(液相)传质推动力/气相(液相)传质阻力分子表示推动力,分母1/Ky表示总的传质阻力。传质阻力分析的内容就是:要了解气相或液相分传质阻力在总传质阻力中所占的比例大小,进而提出改进的方法以利于吸收过程的进行。分析:该值由两项组成:一为1/ky,表示气相分传质阻力;二为m/kx,表示液相分传质阻力,该阻力又和平衡常数m关系密切。xykmk1yykK111、气膜阻力控制,即:表明此时的传质阻力集中在气膜,此时称为气膜阻力控制。两种极限情况:如果:为满足mkkxy,必须要同时满足:m很小,kx大。作图如下:xykk1yxkkiyyyy*从图(a)可以看出,气相阻力控制的条件如下:或①,在图上显示的就是直线ab很陡;②平衡线斜率m很小,即相平衡曲线OE平坦,溶质在吸收剂中的溶解度很大。因为速率等于推动力/阻力,阻力越大,则推动力也将越大;阻力越小,则推动力也越小。可见在气相阻力控制时:xykmk11xxkK11如果:,即:2、液膜阻力控制表明此时的传质阻力集中在液膜,此时称为液膜阻力控制。作图见(b):为满足yxmkk,必须要同时满足m很大,ky很大。xykk1yxkkxxxxi*从图(b)可以看出,液相阻力控制的条件如下:或①。在图上显示的就是直线ab较平坦;从推动力角度看,在液膜阻力控制时:②平衡线斜率m很大,即相平衡曲线OE很陡,溶质在吸收剂中的溶解度很小。3、实例从上阻力控制步骤的分析中可以看到:气-液平衡对过程的控制步骤影响较大。①一般易溶气体,如NH3、HCl等气体,平衡线斜率m较小,吸收过程通常呈现气相阻力控制;②难溶气体,如CO2、O2等,由于其溶解度小,平衡线斜率m大,吸收过程多呈现液相阻力控制7.0Gky7.0Lkx实际吸收过程的阻力通常多是气相和液相各占一定的比例,且受气、液两相流动状态影响甚大。通常:,或者,当实验中发现:吸收过程的总传质系数主要受气相或液相流率的影响,则该吸收过程必是气相阻力控制或者是液相阻力控制。4、改变阻力大小的方法因此改变气、液相的流率可以有效的改变阻力的大小。例:利用吸收分离某双组分气体均相混合物,操作总压为310kPa,气、液相分传质系数分别为ky=3.77×10-3kmol/(m2.s.⊿y),kx=3.06×10-4kmol/(m2.s.⊿x),气、液相的平衡关系符合亨利定律PA*=1.067×104xkPa。求:①总传质系数Ky和Kx;②对该过程作传质阻力分析。xyykmkK11xPA4*10067.1xPPPA4*10067.1xy42.344
本文标题:化工原理-3-第八章-气体吸收
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