环境工程原理第8章--吸收应用版

1,第8章吸收,2,内容提要：,本章主要介绍吸收过程的传质机理和填料吸收塔的计算。传质机理包括气液相平衡、吸收机理和吸收速率。其中重点介绍亨利定律、费克定律、双膜理论的基本论点，导出几种不同形式的吸收速率方程式，以及吸收系数与推动力的对应关系。对于强化吸收过程的途径只作一般论述。对于填料吸收塔的计算主要介绍吸收剂用量和填料层高度的计算。即：,3,教学基本要求：,1、掌握气液相平衡基本原理、吸收推动力、吸收操作线方程和吸收速率方程式。,2、熟悉双膜理论的基本论点以及适宜吸收剂用量和填料层高度计算的基本方法。,3、了解强化吸收操作的主要途径和填料吸收塔的基本构造及主要性能。,4,8.1吸收的基本概念,吸收：利用气体在液体中溶解度的差异分离气体混合物的操作叫作气体的吸收。,8.1.1气体吸收在生产中的应用,1、制取产品,2、分离气体混合物,5,3、从气体中回收有用组分,4、净化气体,5、作为环境保护和职业保健的重要手段,6、在生化工程中的应用,6,8.1.2吸收和解吸过程,解吸操作-通常是采用惰性解吸气体与吸收液接触，利用吸收液中溶质与溶剂的挥发度不同，而将溶质从吸收液中提取出来的操作，因此又称为气提。,实质上，解吸就是吸收的逆过程：,7,吸收操作适合在压力高、温度低的条件下进行；而解吸操作适合在压力低、温度高的条件下进行。,8,8.1.3吸收过程分类,1、按照吸收过程中吸收质（A）和吸收剂(S)之间的相互作用不同分类：,物理吸收：是指吸收质和吸收剂之间不发生显著的化学反应的吸收过程，可以认为是单纯的溶解过程。,特点：,易解吸,物理吸收是一个物理化学过程,物理吸收是可逆的、热效应较小。,9,影响条件：,压强加压有利于吸收，减压则有利于解吸。,温度降低温度可以增大吸收质的溶解度，得到浓度较高的溶液，有利于吸收；,化学吸收：是指吸收质和吸收剂之间发生显著化学反应的过程。,特点：,吸收速率取决于整个过程中最慢的一步.,吸收的限度不仅取决于吸收条件下的气液相平衡，还取决于化学平衡关系。,常伴有较大的热效应。,当吸收反应不可逆时，解吸就不能发生。,10,2、按被吸收组分数分类：,3、按吸收过程有无温度变化分类：,4、按溶质组成高低分类：,本章主要讨论：低组成单组分等温物理吸收过程。,11,8.1.4吸收剂的选择,吸收剂的选择是吸收操作的关键，需要根据具体情况来选用，一般应考虑下列原则：,1、吸收剂应具有良好的选择性；,2、吸收剂的蒸气压应尽量低；,3、尽可能选用无毒、难燃、腐蚀性小的吸收剂；,4、化学性质稳定、粘度低；,5、易得、价廉且易再生；,6、不污染环境。,12,8.1.5吸收操作的条件,1、采用连续操作，以有利于稳定生产和调节控制操作条件；,2、气液间逆流吸收，这样有利于吸收完全并获得较大的吸收推动力；,3、由于传递速率与传质接触面积成正比，因此，应尽量增大气液间的有效接触面积，但不应造成对气体或液体过大的流动阻力；,4、增大相际的湍动程度以降低传质的阻力。,13,8.2气液相平衡,8.2.1吸收过程的相平衡和气体的溶解度,14,相际动态平衡，简称相平衡,吸收过程进行的方向和限度取决于吸收质在气液两相间的平衡关系:,当气相中吸收质的分压大于平衡分压（即）时，吸收过程将继续进行下去，直至，即达到相平衡状态为止;,当气相中吸收质的分压小于平衡分压（即）时，则液相中的吸收质将向气相扩散，即发生解吸，直至，即到达相平衡状态为止。,15,吸收过程的推动力:,相平衡时()是吸收过程的极限.,影响相平衡的因素:,在P、T一定的条件下，气、液相平衡时，气相的组成是液相组成的单值函数，,在一个单组分吸收体系中:,组分数C=3（溶质A，惰性气体B，吸收剂S）,相数P=2(气相、液相),根据相律：其自由度F=C-P+2=3-2+2=3,16,8.2.2亨利定律,1、亨利定律,对于稀溶液或难溶气体，在一定温度和总压下不大（低于506.5kPa）的情况下，溶质在液相中的溶解度（浓度平衡浓度）与其在气相中的平衡分压成正比。,数学表达式:,溶质A在气相中的平衡分压Pa或kPa,溶质A在平衡溶液中的摩尔分数,E亨利系数Pa或kPa,17,E的物理意义：,难溶气体，由于平衡分压大，E值较大,易溶气体，由于平衡分压小，E值较小,E值随温度的升高而增大。,18,2、亨利定律的浓度表达式,-溶质A在溶液中的体积摩尔浓度,H-溶解度系数,溶解度系数H的物理意义：,溶解度系数H表示吸收质在气相中的分压为1Pa（或1kPa）时溶液的平衡浓度。,易溶气体:,平衡分压很小，故H值很大;,难溶气体:,平衡分压很大，故H值很小。,19,亨利系数E与溶解度系数H的关系：,由和得：,假设在某系统中溶质A在溶液中的浓度为，,溶液的密度为，溶剂的密度为,溶质和溶剂的摩尔质量分别为和，,以溶液为基准，则溶液中含溶质A的物质的量为:,含吸收剂S的物质的量为:,20,则由摩尔分数的定义知:,整理得：,代入式得,即：,E-H关系式,21,对于稀溶液而言（），很小,则：,3、亨利定律的摩尔分数表达式：,相平衡系数,与液相组成相平衡的气相中吸收质的摩尔分数,22,相平衡系数m的物理意义：,通过m值可以判断气体组分A溶解度的大小,当一定时，m值愈大，则E值越大，越大，即气体组分A的溶解度愈小；,m值愈小，则E值越小，越小，即气体组分A的溶解度愈大。,4、亨利定律的摩尔比表示式,通常以表示气相中吸收质A的摩尔比，它是指每摩尔惰性分组B中所带有的吸收质A的物质的量。,23,以表示液相中吸收质A的摩尔比，它是指每摩尔纯溶剂溶解的吸收质A的物质的量,24,摩尔比与摩尔分数的关系,气相：,或,液相：,或,将上式代入亨利定律相平衡表达式得：,整理得：,-亨利定律的摩尔比表达式,25,对于稀溶液而言：,很小，则亦很小。,亨利定律为：,即气体平衡为直线关系，其斜率为m。,注意:,1、亨利定律仅适用于低压下、稀溶液中气、液相之间的平衡关系。当压力较高（总压大于506.5kPa）、溶液浓度较大或伴有化学反应时，此定律一般不再适用。,2、亨利定律的各种表达式所描述的是互成平衡的气、液两相组成间的关系，因此也可写成：,26,亨利定律的四种表达式以及各系数之间的关系,稀溶液中,各种亨利系数间的换算,为吸收质A在气相中的平衡分压,为吸收质A在气相中的平衡摩尔分数,m为相平衡系数,为吸收质A在惰性组分中的平衡摩尔比,为吸收质A在吸收剂中的摩尔比,为吸收质A在液相中的体积摩尔浓度,为吸收质A在液相中的摩尔分数,27,8.2.3相平衡关系在吸收过程中的应用,1、利用相平衡关系判断过程的方向,28,例题1,在101.3kPa,20下，稀氨水的气液相平衡关系为,若有含氨0.094（摩尔分数，下同）的混合气和组成为,的氨水接触，试确定过程的方向。,解：,与的液相平衡的气相组成为,所以，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。,29,2、计算过程中的推动力,Vy2Lx2,MM/,Vy1Lx1,y,Oxx*x,y*,y,是以气相组成差表示的吸收推动力，,是以液相组成差表示的吸收推动力,M(x,y),30,3、确定传递过程的极限,平衡是吸收过程的极限状态。,塔底吸收液中吸收质浓度的最大极限值为与塔底入口处气相组成呈平衡的液相组成,塔顶尾气中吸收质的浓度的最小值为与塔顶入口处吸收剂中的溶质A的组成呈平衡的气相组成,31,例题2,在总压1000kPa,温度25下，含0.06（摩尔分数）的-空气混合气与含为0.1g/L的水溶液逆流接触，试问：（1）、将发生吸收还是解吸？(2)、以气压差表示的吸收推动力为多少？（3）、尾气中的含量最低可能降到多少？,已知：25时，溶解在水中的亨利系数为,水的相对密度及平均分子量为,解：,（1）判断过程方向：,气相中的分压,以1吸收剂为基准，因为吸收剂中浓度很低，则吸收剂中的摩尔分数为:,32,对应于气相的平衡分压：,显然，,所以将发生由气相进入液相的吸收过程。,(2)、推动力：,33,(3)、对于逆流吸收操作，当液气比大至一定程度（在此，),且塔高无穷高时，则出塔气体中的含量最低可降到与入口处水溶液呈平衡的气相分压（6.8kPa），所以：向空气排放的尾气中的最低含量为：,34,8.2.4物理吸收的动力学基础,一、吸收过程机理,气体吸收是吸收质借助于扩散作用从气相转移到液相的传质过程。这一传质过程可分为三个基本步骤：如图,35,第一步：溶质由气相主体（该处浓度为）传递到两相界面（该处气相浓度为），属气相内传递。,第二步：溶质在界面处由气相溶于液相（该处浓度为），属相际间传递。,第三步：溶质由界面传递到液相主体（该处液相浓度为）属液相内传递。,所以，在吸收操作中，吸收质既在单相中扩散，又在相际间扩散。其中，溶质在两相界面处的相际间传递是平衡问题；而溶质在气相或液相内的传递是单相中的扩散问题。,36,单向扩散,分子扩散,等分子反向扩散,对流扩散,37,二、双膜理论,双膜理论认为：,当气体与液体相互接触时，即使流体的主体中已呈湍流，但在气液相际两侧仍分别存有稳定的气体滞流层（气膜）和液体滞流层（液膜）。吸收过程是吸收质分子从气相主体运动到气膜面，再以分子扩散的方式通过气膜到达气液两相界面，在界面上吸收质溶入液相，再从液相界面以分子扩散方式通过液膜进入液相主体。,38,双膜理论示意图,39,1、双膜理论的基础论点,（1）、相互接触的气、液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的停滞气膜和停滞液膜，吸收质以分子扩散方式通过气膜和液膜。,（2）、在相界面处，气液两相一经接触就达到平衡，即即界面上无传质阻力。,（3）界面上吸收质的溶解能较快地进行，吸收质在两相界面上处于平衡状态，即液相界面的溶液是气相界面吸收质分压下的饱和溶液；气相界面吸收质的分压等于液相界面溶液吸收质的平衡分压。但在两相主体中，吸收质相互之间并不存在特定的依赖关系。,（4）在膜层以外，气液两相主体中，流体都充分湍动，组成均一，浓度梯度几乎为零。溶质在每一相内的传质阻力都集中于虚拟的停滞膜内。即吸收过程的全部阻力集中在这两层滞流膜内。,40,2、吸收传质速率方程,41,令,则：,以分压差（）表示吸收推动力的总传质速率方程,以气相分压差（）表示吸收推动力的总传质系数,与液相主体浓度相平衡的气相中吸收质的平衡分压（）,42,令：,则：,以液相浓度差（）表示推动力的总传质速率方程,43,以液相浓度差（）表示吸收推动力的总传质系数（m/s）,与气相主体中吸收质分压相平衡的液相中吸收质的平衡浓度。,44,对于易溶气体：,由于其溶解度系数H值很大，液膜阻力很小，可忽略，,或,即：吸收过程的总阻力主要集中在气膜上，称为气膜控制。,说明:,气膜控制时，液相界面浓度，气膜推动力(吸收总推动力),45,（2）溶解系数H很大时，平衡线（）斜率很小（如图）此时较小的气相分压（或浓度）能与较大的液相浓度相平衡。,（3）气膜控制时，要提高总传质系数，应加大气相湍动程度。,46,对于难溶气体：,溶解度系数H很小，则很小，可忽略，,即吸收过程的总阻力主要集中在液膜上，称为液膜控制。,所以，对于难溶气体，若要提高总传质系数，应增大液相的湍动程度。,对于中等溶解度的气体吸收，气、液膜的传质阻力相差不大，两者均不可忽略。此时，总传质速率由气膜和液膜联合控制。,47,讨论：总传质速率方程与气、液平衡曲线的关系,（1）总传质速率方程的分析,OE为符合亨利定律的气、液相平衡线,为吸收设备某一界面处的气液相组成，,与吸收质在气相主体中的分压成平衡的液相组成位于B点，为，（）。,与吸收质在液相主体中的浓度成平衡的气相分压（）在A点。,48,-以气相分压差表示的吸收过程的总推动力,-以液相浓度差表示的吸收过程的总推动力,实际操作状态与平衡状态偏离越大，则M点离平衡线越远，传质推动力（或）就越大。,当M点落在平衡线OE下方时，则表示或，过程将变为解吸过程。,49,（2）相界面的组成,当气、液两相的组成不符合亨利定律时，平衡线为一曲线。,此时由于H不能确定，,只能通过求出界面组成（,）后，利用气相传质速率方程：,及液相传质速率方程：,得：,50,或,（钝角的正切值为负）,即：,所以，通过图解法可求出界面组成,对流传质的推动力为：,气膜推动力：,液膜推动力：,相际传质的总推动力为：,51,（3）吸收速率方程的各种表示形式,则以分压表示的吸收传质总速率方程为：,令,则,-以气相摩尔比差表示推动力的总吸收速率方程,52,吸收质A在气相中的摩尔比,与液相主体中吸收质摩尔比成平衡的气相吸收质摩尔比,-吸收质跨过气、液两膜的总阻力,53,令,得:,-以液相摩尔比差表示推动力的总速率方程,-吸收过程的总阻力。,54,-以气膜摩尔比差()为通过气膜推动力的气相吸收速率方程,-以气膜摩尔比差为推动力的气膜吸收分系数，简称气膜吸收系数。,-以液膜摩尔比差为通过液膜推动力的液相吸收速率方程,55,-以液膜摩尔比差为吸收推动力的液膜吸收分系数,简称气膜吸收系数,在稳态吸收过程中，吸收传质速率方程有以下几种形式：,56,推导示例,令,则,各传质系数之间的关系为：,57,浓度低时，,58,对于气液平衡关系服从亨利定律的系统，传质总阻力与双膜传质阻力的关系为：,总阻力气膜阻力液膜阻力,气膜控制时,易溶气体,液膜控制时,难溶气体,气膜控制时,易溶气体,液膜控制时,难溶气体,59,气膜控制时,易溶气体,液膜控制时,难溶气体,-气膜传质系数,-液膜传质系数,-气相总传质系数,液相总传质系数,60,例3,在总压为100kPa、温度为30时，用清水吸收混合气体中的氨，气相传质系数=3.8410-6kmol/（m2skPa），液相传质系数=1.8310-4m/s，假设此操作条件下的平衡关系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05，其气相平衡分压为6.7kPa。求当塔内某截面上气、液组成分别为y=0.05，x=0.01时（1）以、表示的传质总推动力及相应的传质速率、总传质系数；（2）分析该过程的控制因素。,解：,（1）根据亨利定律,相平衡常数,61,溶解度常数,=1000.05-1340.01=3.66kPa,kmol/（m2skPa）,=3.9410-63.66=1.4410-5kmol/（m2s）,62,=0.41461000.050.56=1.513kmol/m3,kmol/m3,63,=9.510-61.513=1.43810-5kmol/（m2s）,（2）与表示的传质总推动力相应的传质阻力为253797（m2skPa）/kmol；,其中气相阻力为,m2skPa/kmol,液相阻力,m2skPa/kmol,液相阻力占总阻力的百分数为,故该传质过程为液膜控制过程。,64,8.2.5强化吸收过程的途径,1、提高吸收总系数（）,2、增大气液两相接触面积A,（1）、增大气体在液体中的分散程度，使之以小气泡的形式分散于液体中。,（2）、增大液体在气体中的分散程度，使之成为液体薄膜或细小液滴（或雾）分散于气体中。,3、增大吸收推动力（）,65,8.3吸收塔的设计及计算,66,8.3.1吸收塔的物料衡算及操作线方程,单位时间内通过吸收塔的惰性组分摩尔流量（）,单位时间内通过吸收塔的吸收剂摩尔流量（）,分别为塔底、塔顶和塔内任一截面上气相中吸收质的摩尔比。,67,分别为塔底、塔顶和塔内任一截面上液相中吸收剂的摩尔比。,假设在1-1截面上，气、液两相组成为Y和X，在相距距离的2-2截面上，气、液两相组成为（）和（）。,在稳态操作中,整理得：,在此截面和塔顶之间积分得：,即,68,在此截面和塔底之间积分得,即,由,得,全塔物料衡算式为：,即：,吸收操作线方程,或：,69,讨论：,(1)、吸收操作线方程是由物料衡算得到的关系式，它仅由液气比（）及塔一端气液相浓度决定的，而与气液相平衡关系、吸收速率、操作温度，压力、塔型等均无关。,70,（2）、此操作线方程是指逆流吸收操作而言的，若为并流吸收，同样可由物料衡算得到并流吸收操作线方程。,（3）（吸收），代表了E点所在截面处以气相浓度差表示的总吸收推动力；,(吸收)代表E点所在截面处以液相浓度差表示的总吸收推动力。,（4）、最小液气比,在吸收操作中，每摩尔惰性气体所用吸收剂的物质的量称为吸收的液气比（L/V),71,-最小液气比,在此条件下，完成给定的分离任务需无穷大的传质面积，即要求塔高为无穷大。,72,73,8.3.2的计算,、相平衡关系服从亨利定律时：,当吸收率为纯溶剂时，,溶质的吸收率（或回收率）,74,则，当时，,、平衡线是曲线的情况,当平衡线为下凹曲线时，,75,先求得的水平线与平衡线OE的交点C，继而求得，然后代入，求得最小液气比。,当平衡线为上凸曲线时，如图：,过A点作平衡线OE的切线AC交平衡线于T点,显然，在切点T处，,则吸收液的最高浓度是切线AC和水平线的交点C所对应的浓度，然后代入，即可求得。,76,8.3.3塔径的确定,例4用清水吸收丙酮，吸收塔的操作压强为101.32kPa，温度为293K。进吸收塔的气体中丙酮含量为0.026（摩尔分数），要求吸收率为80。在操作条件下，丙酮在两相间的平衡关系为：Y=1.18X（摩尔比）。求最小液气比。如果要求吸收率为90，则最小液气比又为多少？,解：,（1）吸收率为80%时的最小液气比,进塔气中丙酮的摩尔比为,77,出塔气中丙酮的组成为,由题意知：m=1.18,则：,（2）求吸收率为90%时的最小液气比,可见，在其他条件相同时，吸收率不同，最小液气比也不同；吸收率越高，最小液气比越大。,78,例5,某逆流吸收塔，用纯溶剂吸收混合气中的易溶组分，设备高为无穷大，入塔气体浓度，平衡关系为Y=2X。试问：,（1）若液气比为2.5时，求吸收率为多少？,（2）若液气比为1.5时，求吸收率为多少？,解：,（1）、因为操作线与平衡线的斜率比,所以，操作线只能在塔顶（下端）与平衡线相交，又因为塔高为无穷大，出塔气体总能与吸收剂达到平衡，,此时，由于则所以吸收率为：,79,（2）、因为操作线与平衡线的斜率比,所以，操作线只能在塔底（上端）与平衡线相交，又因为塔高为无穷大，出塔吸收液总能与入塔气体达到平衡，出塔液浓度为最大，对应的液气比为最小液气比。,所以，,80,8.4吸收塔填料层高度的计算,8.4.1、计算填料层高度的基本方程式,在填料层中取一微元高度,在此微元填料塔层中对吸收质进行物料衡算得：,81,则：,高度为的微元填料层中，单位时间内吸收质由气相转入液相的量,82,在此微元填料层中，气相和液相吸收速率方程分别为：,微元填料层内的传质面积（）,在稳定操作条件下，由以上三式可得:,83,若填料塔的填料层高度为Hm，空塔截面积为,则在高度为的微元填料层中，,微元体积为：,若以a代表每填料的有效气液传质面积（）,则气液两相流经段，单位时间内，通过接触面积从气相向液相传递的溶质A的量为：,代入以上二式中得：,84,同理也可得：,对上式中各项从塔顶（）到塔底（）积分得：,计算填料层高度的基本方程,85,气相总体积传质系数，,液相总体积传质系数，,气相体积传质系数,液相体积传质系数,86,8.4.2、传质单元数和传质单元高度,假设在此单元内浓度变化不大，其平均推动力可看作常数，,则在此单元内气相浓度变化的积分数值为：,当1时，,传质单元：,气体通过某单元填料层而发生的浓度变化等于该单元内气相平均推动力时，则此单元称为一个传质单元。,传质单元高度：,完成一个传质单元的分离任务所需要的填料层高度称为传质单元高度。,87,就整个填料层而言，,项就代表了气相传质单元数，用表示，它是一个无因次数群。,项代表了气相传质单元高度，用表示。,类似的计算公式还有：,气相传质单质高度,气相传质单元数,88,液相传质单元高度,液相传质单元数,气相总传质单元高度,气相总传质单元数,液相总传质单元高度,液相总传质单元数,89,说明：,（1）、由吸收工艺条件决定；则主要反映设备的特性。,（2）、传质单元数,因此传质单元数的大小反映了传质的难易程度，,当时，,（3）传质单元高度,可以把视为传质阻力,越小，则表示传质阻力越小，所需填料层高度就越小。,90,（4）各传质单元高度之间的关系,当气液平衡线的斜率为m时，,-吸收因数,91,8.4.3、传质单元数的求法,1、图解积分法（数值积分法）,适用于平衡线不是直线（即不符合亨利定律）的情况。,92,2、解析法（对数平均推动力法）,适用于气液平衡关系符合亨利定律()的情况,由于气液平衡关系为一直线，操作线也为直线，所以塔内任一截面上的推动力与气相浓度Y也成直线关系，,93,由该直线的斜率可得：,其中：,94,则：,-气相总传质单元数计算公式,气相对数平均推动力,95,液相总传质单元数的计算公式为：,液相对数平均推动力:,其中：,当或时，,96,3、吸收因数法,适用于气液平衡关系符合亨利定律的情况,在塔内任一截面（X,Y）与塔顶之间进行物料衡算,由得：,97,98,令：,-吸收因子（数）,则：,吸收因子S的几何意义：,操作线斜率与平衡线斜率m之比。,S愈大，操作线、平衡线相距越远，吸收推动力越大，愈易吸收。,-解析因子,99,液相总传质单元数的计算式：,例6、设计一用水吸收丙酮的填料吸收塔，塔截面积为，进塔混合气的流量为70mol/h,其中丙酮的组成为0.02，用清水吸收，要求吸收率为90，吸收塔的操作压强为101.3kPa,温度为293K。在此条件下，丙酮在两相间的平衡关系为：Y=1.18X。取液气比为最小液气比的1.4倍，气相总体积传质系数为，求所需填料层高度？,100,解：,出塔气组成：,由得,101,因为平衡线为直线，可以用对数平均推动力法求传质单元数,所以，填料层高度为：,也可以用吸收因素法求传质单元数：,102,则：,填料层高度为：,103,8.4.4、传质单元高度的计算,浓度低时，,104,8.4.5、吸收塔的操作型计算,操作线方程、气、液平衡关系式（对于稀溶液，用亨利定律表达式）和传质速率方程（=传质系数传质推动力），以及它们联立求得的填料层高度计算式：,例题：p297例题8.4.1,105,8.5化学吸收,化学吸收-是气相中的溶质A被吸收剂吸收后，与吸收剂或其中的活性组分B发生化学反应的过程，属于气液相际传质和液相内的化学反应同时进行的传质过程。,采用吸收法处理气态污染物时，通常采用化学吸收。,湿式脱硫：石灰/石灰石洗涤烟气脱硫干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：SO2被雾化的Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收水、酸、碱吸收净化含NOx废气（硝酸生产过程）水、碱液吸收净化含氟废气（磷酸生产中）,106,化学吸收的特点：,（1）溶质A被吸收剂吸收后，继续与吸收剂或者其中的活性组分B发生化学反应。,（2）气液相际传质和液相内的化学反应同时进行。,如果反应速率很快，活性组分B的扩散速率也比较快：溶质A达到相界面后，立即被反应消耗，相界面上液相中的溶质A的浓度就很低。,如果反应速率比较慢，或者活性组分B的扩散速率慢：溶质A可能扩散到液相主体之后仍有大部分未能反应。,107,溶质A的化学吸收速率的影响因素：,溶质的扩散速率,活性组分的扩散速率、化学反应速率,反应产物扩散速率,1、化学吸收过程可以加快溶质的传质速率。,溶质的气相分压只与溶液中呈物理溶解态的溶质平衡，已经反应的溶质不再影响气液平衡关系。所以，溶质的气相分压一定时，化学吸收可以使溶剂吸收更多的溶质。,2、化学吸收过程可以增加吸收剂的吸收容量。,溶质在液相扩散中途即发生反应而消耗，减小了扩散的有效膜厚度，使液相的传质阻力减小，增加了传质推动力，使传质速率加快。,108,8.5.2化学吸收的平衡关系,化学吸收涉及的过程：溶质在气液两相之间的相平衡溶质在液相中的化学反应平衡,109,假设溶质A仅与一种活性组分反应（单一组分），反应关系式为：,化学反应平衡常数：,A液相中未反应的、以物理溶解态存在的溶质浓度（即：与气相中溶质分压相对应的溶质浓度）。,此浓度可表示为：,（8.3.1）,（8.3.2）,110,再根据亨利定律，就可以得到化学吸收溶质气液两相的平衡关系：,所以，H一定时，pA*低于仅有物理吸收时溶质在气相中的平衡分压。因此溶剂的吸收率是大于物理吸收的。,（8.3.3）,由于A低于液相中溶质A的总浓度。,111,1.溶质与吸收剂反应：如用水吸收氨。,假设溶质在溶剂中的总浓度为cA，,化学反应平衡关系可表示为：,进而可得,（8.3.4）,（8.3.5）,（8.3.6）,112,将此浓度代入亨利定律，可得溶质的气液相平衡关系：,在稀溶液条件下：溶剂量大，B=常数；反应条件一定时，K=常数上述气液相平衡在形式上仍然符合亨利定律。溶解度系数增加了(1+KB)倍，即：化学反应强化了吸收传质。,（8.3.7）,113,如果吸收过程还涉及到其他的反应，那么整个吸收过程的溶质平衡关系就会更为复杂。比如，反应产物发生离解反应：,则相应的离解反应平衡关系为：,（8.3.8）,（8.3.9）,114,则溶质A在液相中的总浓度为,而,（8.3.10）,115,可解得：,相平衡关系式：,此时，pA*与cA不再是亨利定律的正比关系。,（8.3.13）,116,2.溶质与溶剂中的活性组分B反应：,B代表溶剂中与溶质反应的活性组分。,设活性组分B的初始浓度为，反应平衡时的转化率为R,化学平衡关系可写为:,（8.3.14）,117,溶剂中未反应溶质A的浓度为,由亨利定律，可以得到溶质的气液相平衡关系：,由上式可以求得：,所以参加反应的溶质浓度为：,（8.3.15）,（8.3.17）,（8.3.16）,118,化学吸收过程特点,所以，化学吸收过程中，溶质的气-液相平衡和化学反应平衡是交织在一起的，其连接点就是在液相中未反应的溶质浓度。,119,120,121,8.5.3化学吸收的传质速率,传质模型基础：双膜模型气相侧：溶质传质速率方程与物理吸收过程相同,气液两相界面处：溶质在气液两相中的组成仍然符合平衡关系，可用亨利定律表示。,（8.3.18）,122,液相侧：扩散传质过程和化学反应过程的共同作用,化学反应,化学反应增加了液相一侧的传质推动力或者传质系数，使得液相的传质速率增大，从而增大了总传质过程的速率。,化学反应对液相传质速率的影响可以用增大传质推动力或增大传质系数两种方法来表示。,123,不存在化学反应时，物理吸收的液相传质速率为：,如果认为传质系数不变，传质推动力增加，则：,相应地，总传质系数也不变，但液相传质推动力增加，以液相浓度差为推动力的总传质速率方程可表示为：,增加的传质推动力部分，其实质是由于化学反应减少的液相溶质浓度。,（8.3.20）,（8.3.19）,（8.3.21）,124,如果传质推动力不变，传质系数增加，则液相传质速率方程可表示为:,同样，总传质系数也会相应增加：,增强因子,所以总传质速率方程为：,（8.3.23）,（8.3.22）,（8.3.24）,125,如何求增强因子？,化学反应分：瞬时、快速、慢速、一级、二级、n级可逆、不可逆,126,相界面,pA,pAi=0,cMi,cM,气相主体,液相主体,cBi,cB,如果液相中活性组分B：浓度足够大，扩散速率足够快溶质A：在相界面处与B完全反应在液膜内没有扩散化学吸收就完全等同于气膜阻力控制的物理吸收,极端情况：反应面发生在界面上：,127,活性组分B的浓度较大，扩散速率也较快，化学反应发生在液膜中，此时的传质过程和反应过程就会相对复杂。,相界面,pA,pAi,cM,气相主体,液相主体,cAi,cB,G,L1,L2,反应面：取决于A、B传质速率的相对大小,反应面发生在液膜：,128,129,对于液膜控制的吸收过程，采用化学吸收过程可以消除液相传质阻力，大大提高传质速率。但对于气膜控制的吸收过程，化学吸收是否有作用？,130,小结,一、吸收与解吸,吸收：,利用气体在液体中溶解度的差异分离气体混合物的操作叫作气体的吸收。,解吸操作：,是采用惰性解吸气体与吸收液接触，利用吸收液中溶质与溶剂的挥发度不同，而将溶质从吸收液中提取出来的操作，因此又称为气提。,131,解吸是吸收的逆过程：,即：溶质的传递方向为：,二、吸收操作中的相平衡关系-亨利定律,1、定义：,对于稀溶液或难溶气体，在一定温度和总压下不大（低于506.5kPa）的情况下，溶质在液相中的溶解度（浓度平衡浓度）与其在气相中的平衡分压成正比。,数学表达式:,132,2、表达式：,定义式：,浓度式：,摩尔分数式：,摩尔比式：,H-溶解度系数,E亨利系数Pa或kPa,相平衡系数,关系：,133,（2）、吸收过程推动力,以气相推动力表示：,以液相推动力表示：,（3）、吸收操作过程的极限,134,三、吸收操作的传质机理-双膜理论,1、双膜理论要点,135,（1）、相互接触的气、液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的停滞气膜和停滞液膜，吸收质以分子扩散方式通过气膜和液膜。,（2）、在相界面处，气液两相一经接触就达到平衡，即即界面上无传质阻力。,（3）界面上吸收质的溶解能较快地进行，吸收质在两相界面上处于平衡状态，即液相界面的溶液是气相界面吸收质分压下的饱和溶液；气相界面吸收质的分压等于液相界面溶液吸收质的平衡分压。但在两相主体中，吸收质相互之间并不存在特定的依赖关系。,（4）在膜层以外，气液两相主体中，流体都充分湍动，组成均一，浓度梯度几乎为零。溶质在每一相内的传质阻力都集中于虚拟的停滞膜内。即吸收过程的全部阻力集中在这两层滞流膜内。,136,2、分子扩散定律-费克定律,在单相物系内，当某物质在介质中发生分子扩散时，其分子扩散速率与扩散面积成正比，与浓度梯度成正比，物质的传递方向为沿浓度降低的方向，这称为费克（Fick）定律。,数学表达式为:,（1）、等分子逆流扩散,137,（2）、单向扩散,138,四、吸收传质速率方程,139,主要传质系数的换算关系：,总阻力气膜阻力液膜阻力,气膜控制时,易溶气体,液膜控制时,难溶气体,气膜控制时,易溶气体,液膜控制时,难溶气体,气膜控制时,易溶气体,液膜控制时,难溶气体,140,五、吸收塔的计算,1、吸收塔的物料衡算式-操作线方程,最小液气比：,液气比：,溶质的吸收率（或回收率）,141,2、吸收塔填料层高度的计算,142,（1）、传质单元数,传质单元：,气体通过某单元填料层而发生的浓度变化等于该单元内气相平均推动力时，则此单元称为一个传质单元。,-反映了传质的难易程度,传质单元数的计算方法：,图解积分法（数值积分法）-适用于平衡线不是直线的情况,先作出平衡线和操作线，在之间选取若干个Y值，找出对应的各个值，计算值，作图，求曲面积分值：,143,、解析法（对数平均推动力法）,适用于气液平衡关系符合亨利定律()的情况,144,、吸收因素法,适用于气液平衡关系符合亨利定律的情况,-吸收因子（数）,145,(2)、传质单元高度（、）,传质单元高度：,完成一个传质单元的分离任务所需要的填料层高度称为传质单元高度。,146,习题课,1、吸收是利用气体在液体中的差异分离气体混合物的操作，它是吸收质分子由相到相的单向扩散过程。,2、当吸收质在吸收剂中的溶解度很小时，吸收速率主要受_膜一方的吸收阻力控制，称为_，此时液相吸收总系数KL。,3、某吸收操作中，已知原料混合气中吸收质A的浓度为0.3（摩尔分率，下同），以清水为吸收剂从塔顶向下喷淋，气液相平衡关系为：y=3x，则塔底吸收液的最大浓度为。塔顶尾气中吸收质的最低浓度为。,4、在气体流量、气体进出口组成和液相进出口组成不变时，若减少吸收剂用量，则传质推动力将，吸收操作线将平衡线，设备费用将。,溶解度,气,液,液,液膜控制,kL,0.1,0,减小,靠近,增加,147,5、等分子逆流扩散通量方程为。,6、下述说法中错误的是().A.溶解度系数H值很大，为易溶气体；B.享利系数E值很大，为难溶气体；C.亨利系数E值很大，为易溶气体；D.平衡常数m值很大，为难溶气体。,7、吸收操作中，温度不变，压力增大，可使相平衡常数（），传质推动力（）。A.增大；B.不变；C.减小。,8、101.325KPa压力下，在某填料塔中，从塔底送入吸收质组成为0.2（摩尔分率，下同）的混合气，以含吸收质浓度为0.02的吸收剂从塔顶向下喷淋，已知平衡关系为y=2x，则尾气中吸收质的最低浓度为（）A、0.02B、0.04C、0.06D、0.01,C,C,A,B,148,9、在化工生产中，要提高吸收的效果，可以设法提高吸收总传质系数，必须采取（）A.降低气膜和液膜厚度B.提高气膜和液膜厚度C.减少流体流动速度,10、吸收过程的方向和限度取决于吸收质在气液两相中的平衡关系，若要进行吸收操作，则应控制（）。AB.C,11、根据双膜理论，当被吸收组分在液相中溶解度很小时，以液相浓度表示的总传质系数（）。A大于液相传质分系数B近似等于液相传质分系数C小于气相传质分系数D近似等于气相传质分系数,A,A,B,149,12、在101.325Kpa、20下，稀氨水的气液相平衡关系为y*=0.94x，若有含氨0.08（摩尔分率，下同）的混合气体与组成为x=0.05的氨水接触时，将发生（）A、吸收过程B、解吸过程C、氨由液相转入气相D、氨不发生转移,13、根据双膜理论，当被吸收组分在液相中溶解度很小时，以液相浓度表示的总传质系数近似等于气相传质分系数。（）,14、一般来说，两组份的等分子反向扩散体现在精馏单元操作中，而A组份通过B组份的单相扩散体现在吸收操作中。（）,A,150,15、某低浓度气体吸收过程，已知相平衡常数m=1，气膜和液膜体积吸收系数分别为kya=210-4kmol/m3.s,kxa=0.4kmol/m3.s,则该吸收过程为液膜控制；该气体为易溶气体。（）,16、组分A通过另一停滞组分B进行扩散，若总压为，扩散两端组分A的分压分别为23.2和6.5。实验测得其扩散通量为0.2355mol/(m2.s)。若在相同的操作条件和组分浓度下，组分A和B进行等分子扩散，试求其扩散通量.,解：pA1=23.2KPapA2=6.5KPapB1=PpA1=101.5-23.278.3KPapB2=101.5-6.595Kpa,151,17、在一逆流吸收塔中，用清水吸收混合气体中的CO2，气相流量为300m3/h（标准状况），进塔气体中含CO26.0%（体积），要求条件下的平衡关系，操作液气比为最小液气比的1.6倍。试求：吸收剂用量和出塔液体组成；写出操作线方程；气相总传质单元数。,解：x2=0，y1=0.06，y2=0.06(10.9)=0.006m=1200,152,L=22380.48kmol/hV(y1y2)=L(x1x2)=Lx1,（2）,（3）,153,增大,18、亨利系数E值的大小反映了气体吸收质被吸收的难易程度，其E值愈大，则该气体被吸收。,19、吸收剂用量增加，操作线斜率，吸收推动力。（增大，减小，不变）,20、某炉气含SO28.1（体积），在一条件下,测得与其成平衡的溶液浓度为0.003（摩尔分率），则其相平衡常数值为。,21、某逆流吸收塔，用纯溶剂吸收混合气中易溶组分，设备高为无穷大，入塔Y1=8（体积），平衡关系Y=2X。试问:.若液气比（摩尔比，下同）为2.5时，吸收率=.若液气比为1.5时，吸收率=,22、亨利系数E值愈大，表示该气体的溶解度愈大。（）,愈难,增大,27,100,75,154,