第8章 化工原理气体吸收

第8章气体吸收⑴吸收的目的①分离混合气体以获得一定的组分。②除去有害组分以净化或精制气体。③制备某种气体的溶液。④工业废气的治理。⑵吸收的依据气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同.8.1概述8.1概述密闭容器水（溶剂）氨气(浓度高)＋空气(惰性气体)(溶质，被吸收组分)氨气（浓度低）＋空气总压溶质（A）分压与溶液中A的浓度成平衡的气相分压pApep吸收，解吸，平衡，——吸收总推动力亦可用其他浓度差表示动力eAppeAppeAppeApp图8-18.1概述吸收与解吸流程含苯煤气脱苯煤气洗油苯水过热蒸汽加热器冷却器两类吸收设备8.1概述③溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。除了制取溶液产品只需单独吸收外，一般都要进行解吸操作，使溶剂再生循环使用。总之，一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和解吸两个组成部分。⑸溶剂的选择吸收操作的成功与否在很大程度上决定于溶剂的性质，特别是溶剂与气体混合物之间的相平衡关系。根据物理化学中有关相平衡的知识可知，评价溶剂优劣的主要依据应包括以下几点：8.1概述吸收分类（1）物理吸收和化学吸收（2）单组分吸收和多组分吸收（3）等温吸收和非等温吸收（4）高浓度吸收和低浓度吸收吸收剂的选择要求—经济、合理（1）溶解度大；（2）选择性高；（3）再生容易；（4）挥发性小；（5）粘度低（6）化学稳定性高；（7）腐蚀性低；（8）无毒、无害、价廉等。8.2气液相平衡1．溶解度曲线平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡。饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。平衡状态的因素F＝C－＋2=3－2+2=3当压力不太高、温度一定时p*A=f1（x）y*=f2（x）p*A=f3（cA）8.2.1平衡溶解度8.2.1平衡溶解度8.2.1平衡溶解度⑵亨利定律总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。气液组成用不同的单位表示时，亨利定律有以下3种形式：ExpeAAExp*HCpeAAHpC*HCpAA*mxyemxy*8.2.1平衡溶解度上述3种形式的亨利定律，最常见的是最后一种形式，式中称为相平衡常数，无因次。但题目有时不是已知，而是给定亨利常数(或)，必须知道它们相互间的换算关系。为溶液的总摩尔浓度，mxxpEyxpEppeepEmHCCCEExpMeMHCEMCMMMMC溶液平均密度溶液平均分子量8.2.1平衡溶解度注意：解题指南用表示。解题指南H与本书H互为倒数，故.对稀水溶液，Kmol/m3，此数据应记住，考试时不给。，小，溶解度大，对水吸收有利，↓，↑，↓。例8-1①平衡数据a换算成；②～曲线与总压有关。MCCHCE5.5502.181000MC),(ptmmtpmxyx8.2.2相平衡吸收过程的关系⑴判别过程的方向①或吸收（吸收）②或解吸（解吸）⑵指明过程的极限yeyxexApepyeyxexApep2x2xexx111yeyy221y1x2y塔高，吸收剂用量，即使塔无限高，吸收剂用量很少，也不会无限增大，1x1xmyxxe11max,1反之，当塔高，吸收剂用量，，即使塔高无限高，吸收剂用量很大，也不会无限减小，2y2y22max,2mxyye图8-58.2.2相平衡吸收过程的关系⑶计算过程的推动力推动力或注意推动力)(eyy)(xxe)!(xy8.3扩散和单相传质吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步骤：①溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；②溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程③溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。传质阻力传质推动力传质速率8.3扩散和单相传质无论是气相还是液相，物质传递的机理包括以下两种。⑴分子扩散。是分子微观运动的宏观统计结果。混合物中存在温度梯度、压强梯度及浓度梯度都会产生分子扩散，发生在静止或层流流体里的扩散就是分子扩散。⑵对流传质。是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为对流传质。发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是对流传质。以下仅讨论定态条件下双组分物系的分子扩散和对流传质。8.3.1双组分混合物中的分子扩散⑴费克定律温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。JA——组分A扩散速率（扩散通量），kmol/（m2·s）；——组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。ddCDJAABAddCA负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行。RTpcAA理想气体：zcddAzpRTdd1A=zpRTDJddAABA8.3.1双组分混合物中的分子扩散对双组分混合物，总浓度＝常数BAMCCCddddBACCBAJJdd)dd(ABABABBACDCDJJDDDBAAB8.3.1双组分混合物中的分子扩散⑵分子扩散与主体流动分子扩散两种形式：等分子反向扩散，单向扩散。1．等分子反向扩散及速率方程(1)等分子反向扩散TPpA2pB2TPpA1pB112等分子反向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。zpRTDJddAABAzpRTDJddBBAB总压一定BpppAzpddA=zpddBJA=－JBDAB=DBA=D（2）等分子反向扩散传质速率方程传质速率：任一固定的空间位置上，单位时间内通过单位面积的物质量，记作N,kmol/(m2·s)。气相：NA=zpRTDJddAA)(A2A1AppRTzDN液相：NA=zcDJddAABA)(A2A1AcczDN（3）讨论1）21AAAppN2）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。ppB1pA1pA2pB2扩散距离z0zp3）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。2．单向扩散及速率方程（1）总体流动：因溶质Ａ扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流动。（2）总体流动的特点：1）因分子本身扩散引起的宏观流动。2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率。12JAJBNMcA/cNMcB/c总体流动NMNAccNNAMMAccNNBMMBccNJNAMAA（3）单向扩散传质速率方程ccNJNBMBBccNJBMB0ccNJBMBccNJBMAMBAMAMBMANcccNccNccNNMANNccNzcDNAAAAddzcccDcNddAAA——微分式在气相扩散RTpcAARTpczpppRTDpNdd)(AAA21)-(ddAA0AAAppzpppRTDpzNA1A2AlnppppRTzDpNB1B2AlnppRTzDpN——积分式B2A2B1A1ppppp)(lnlnB1B2B1B2A2A1B1B2B1B2B1B2ppppppRTzDpppppppRTzDpNAB1B2B1B2Bmlnppppp)(A2A1BmAppRTzpDpN——积分式液相：)(A2A1SmAcczcDcN——积分式S1S2S1S2Smlnccccc（4）讨论1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系Bmpp2）Smcc、——漂流因数，无因次漂流因数意义：其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。1Bmpp1Smcc漂流因数的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。3）单向扩散体现在吸收过程中。扩散系数扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；D，m2/s8.3.2扩散系数D的影响因素：A、B、T、P、浓度D的来源：查手册；半经验公式；测定DpDTpTDpTfD)(75.1，（1）气相中的D范围：10-5～10-4m2/s经验公式（2）液相中的D范围：10-10～10-9m2/sDDTTDTfD)(，8.3.3.对流传质8.3.3对流传质1．涡流扩散涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部存在浓度梯度，流体质点便会靠质点的无规则运动，相互碰撞和混合，组分从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。zcDJeeddA,AeJ,A——涡流扩散速率，kmol/(m2·s)；eD——涡流扩散系数，m2/s。注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关。总扩散通量：zc)D(DJeddAA8.3.3对流传质8.3.4三传（质量、动量、热量传递）类比三传之间彼此有些类似的规律可进行类比研究（自学）。8.3.5对流传质理论（1）有效膜理论（惠特曼Whitman，1923年）①物理模型惠特曼对复杂的对流传质过程作如下简述：a、气液相界面两侧各存在一层静止的或作层流流动的气膜和液膜，其厚度分别为和，气相或液相主体内由于流体高度团动混合均匀故不存在浓度差，所有浓度差集中于有效气膜和液膜内，故气相和液相的传质阻力也全部集中于该两层有效膜内；b、静止或层流有效膜中的传质是定态的分子扩散。GLGL8.3.5对流传质理论②数学模型气膜GGAAAGBmGBm1()()iiDDpNpppyyRTpRTy式中：BmBmm(1)pyypGGGGGBmGBmGm11(1)DDDpkRTpRTyRTyyGkpk8.3.5对流传质理论液膜LMLAAAMLBmLBm1()()iiDcDNcccxxcx式中BmBmmM(1)cxxcLMLLLLBmLBmm11(1)LDcDDkcxxxMLkck8.3.5对流传质理论（2）溶质渗透理论（希格比Higbie，1935年）希格比认为液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完全的混合，使液体的浓度均匀化，在时间内，液相中发生的不再是定态的扩散过程，而是非定态的扩散过程。根据上述假设经数学描述得到：000.5L02DkD与试验结果较吻合，但难以测定。08.3.5对流传质理论（3）表面更新理论（丹克沃茨Danckwerts,1951年）丹克沃茨认为液体在流动过程中表面不断更新，即不断地有液体从主体转为界面而暴露于气相中，这种界面不断更新传质过程大大强化。定义S为表面更新频率，经过数学描述并求解得到：0.5LkDSD与试验结果较吻合，但S难求。综上所述，溶质渗透理论和表面更新理论比有效膜理论更接近实际情况，但或S难以测定，将它们用于传质过程的设计仍有一段距离，故目前用于传质设备设计主要还是有效膜理论。08.4相际传质（1）双膜模型①在相互接触的气液两相间存在着稳定的相界面，界面两侧分别存在着一个很薄的有效层流气膜和液膜，被吸收的溶质组分只能分子扩散的方式通过这两层膜，气相和液相的浓度变化（即推动力）及阻力均分别几种在这两层膜中，故气相与界相Ayy()1/iiyyNkyyk＝气相传质推动力/气相传质阻力界面与液相Axx()1/iixxNkxxk＝液相传质推动力/液相传质阻力8.4相际传质②相界面上不存在传质阻力，所需传质推动力等零，即在界面上气、液两相浓度成平衡，。()iiyfx对稀溶液：（通过原点的直线）iiymx或在计算范围内平衡线近似为直线：iiymxa（图8-19）8.4相际传质（2）相际传质速率方程A1/1/iiyxyyxxNkk消去界面浓度，上式最右端分子分母均乘以m，并将串联过程的推动力加和以及阻力加即得：Ayx1iiyyxxmN