化工基础课件武汉大学第5章共65页PPT资料

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。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：Y*A，XA——平衡状态时，溶质A在气相、液相中的物质的量的比；y*A，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5-4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是物性，通常由实验测定。可从有关手册中查得。E越大，表明溶解度越大，越易溶。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/*3**AAAAAAxymPamkmolpcHPaxpE：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：AYAmX2-3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。§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)(,,,iAAmBGApppRTlDpN,,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+液膜阻力当浓度很稀时，KX=cM+KLKX——以物质的量比差表示的总推动力的液相传质系数。当kG＞＞Kl，为气膜控制当kG＜＜Kl，为液膜控制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。填料与分离的物系性质有关。某溶剂对某溶质的溶解度越大，越易吸收，填料高度会越小。这与分子间的力有关，即物系的相平衡关系。与传质相界面的面积有关。单位体积填料提供的有效传质面积越大，达到相同分离要求的填料高度会越小。此即与填料的形状有关。衡量填料形状的因素，可用传质速率与传质系数表达。若物系相同，填料形状亦相同，但处理的原料气量（V）和原料气的进出口组成（y1和y2）不同，所以填料又与V，L，y1，y2，x1有关，此即与物料衡算有关。下面将分相平衡关系、传质速率、物料衡算等三个方面来展开吸收过程。4-1吸收塔的物料衡算和操作线方程对吸收塔作物料衡算。从塔顶画衡算范围得：进塔=出塔1,,2,,2,,1,,ACnABnACnABnXqYqXqYq2,2,1,,,1,)(AAACnBnAXYYqqX上述两式均可看作吸收塔的物料衡算方程，或称为吸收塔操作线方程。操作线方程式与操作线在逆流操作线内任取一平面，M-N，从该面到顶部作物料衡算：ACnABnACnABnXqYqXqYq,2,,2,,,)(2,,,2,,,ABnCnAABnCnAXqqYXqqY)(1,,,1,,,ABnCnAABnCnAXqqYXqqY同理，也可以从底部到所选平面做物料衡算；上述两个方程都称为吸收操作线方程。其斜率为塔内的气、液比，表明单位惰性气体处理量mol与所选用吸收剂的量mol。该直线通过A，B两点。平衡线为YA*=f（XA）关于操作线：操作线的端点B表示塔底气、液组成（XA,1，YA,1），相对与全塔，它是最高点，称为浓端；A点表示塔顶气液组成（XA,2，YA,2），是气、液组成最低点，称为稀端。操作线上任何一点表示对应的气、液两相组成；如M点，它的YA-YA*表示气相推动力，XA*-XA表示液相推动力。操作线与平衡线相距越远，传质推动力越大。吸收操作线只与气、液两相的流量和组成有关，而与系统的平衡关系、操作温度、压强等因素无关。吸收操作位于平衡线的上方，解吸线位于平衡线的下方。4-2吸收剂用量的确定，最小液气比在一般的吸收计算中，是给定的。对于式当qn，C下降，亦下降，表示塔底出口浓度上升。2,1,.,,,AAABnXYYq2,1,2,1,,,AAAABnCnXXYYqqBnCnqq,,min,,BnCnqq不能再下降时的极限值，此时的液气比称为最小液气比。BnCnqq,,2,*,2,1,min.,AAAABnCnXXYYqq4-3吸收塔塔径的计算塔径的大小是由生产能力与气体的空塔气速所决定的；uqDVT44-4填料层高度基本计算式对截面积为S，高为dH的微元填料层作物料衡算得:达到平衡时，气体中溶质的减少量等于液体中溶质的增加量；并等于被吸收的溶质量。ACnABnAndXqdYqdq,,,对上式进行积分可得：III上式为计算填料的基本方程式。α为单位体积填料内有效接触面积。因其不易求解，常将之与KX及KY的乘积进行计算，称为总体积吸收系数1,2,*,AAYYAAAYBnYYdYSKqH1,2,*,AAXXAAAXCnXXdXSKqH传质单元高度与传质单元数1,2,*,AAYYAAAYBnYYdYSKqH其中的单位是M称为传质单元高度，用表示HoG。HOG=SaKqYBn,mmmmsmkmolskmol232121OGHSaKqYBn,OGH=填料层高度=传质单元高度×传质单元数=1,2,*AAYYAAAYYdYOGNOGOGNHH传质单元数的计算1.对数平均推动力法当平衡线为直线时，因操作线也是直线，操作线与平衡线在任何一截面上的垂直距离与YA显线性关系，于是。bAAmXY**AAAYYY)()(21212121AAAAAAAAAAAAYdYYYYdYYYYYdYYd或常数2.1,2,1,,,2,1,2,1,2,1,2.1,*lnln1,2,AAAAmAmAAAAAAAAAYYAAAOGYYYYYYYYYYYYYYYYdYNAA为过程的气相平均推动力，等于吸收塔两端以气相组成差表示的对数平均值。mAY,2．数学分析法其实质是一种解析积分法，当平衡线过原点时，逆流吸收塔的操作方程为：)(2,,,2,AACnBnAAYYqqXX2,2,,,2,,,2,2,,,1,,,,,2,2,,,,,2,,,2,*1)(1ln11)()1()]([2,12,2,2,1,12,AACnBnACnBnAACnBn