化工原理第五章吸收传质理论之一超详细讲解

第五章吸收（传质理论之一）1概述一、传质：物质从一相转移到另一相的过程。如：吸收、蒸馏、萃取、结晶、吸附、蒸发、干燥、冷冻、升华、凝华等。,二、吸收：用某种液体(吸收剂S)处理气体混合物，使其中某个目标组分(吸收质A)得到分离的过程，不能被吸收的组分统称为惰性组分B。吸收解吸互为逆过程。,三、吸收的应用：制取产品，净化气体，回收有用组分。四、吸收分类：,利用混合气体中各组分溶解度的差异分离气体,物理吸收:,特点：弱结合、游离、可逆、易解吸速率：gl扩散速率极限：达gl相平衡,化学吸收：AS发生化学反应而分离气体,特点：强结合，不可逆速率：反应或扩散速率极限：化学平衡,(本章只讨论物理吸收),五、吸收流程：在连续操作的立式吸收塔中，气，液逆流接触进行传质。,3要分离和回收A：则采用吸收解吸联合流程。,1要使气相中A被吸收完全-净化气体：则采用单程(单塔或多塔)吸收。2希望液相A的浓度高-制取产品：则采用液相循环吸收。,吸收解吸联合流程,喷淋塔：气相连续液膜塔(填料塔)：气相连续鼓泡塔：液相连续,4吸收塔,（1）喷淋塔,（2）填料塔,（3）鼓泡塔,六、吸收剂的选取原则：,高选择性、低蒸气压、低粘度、低价格、无毒无污染。,七、要解决的问题：1.吸收极限相平衡理论2.吸收速率双膜理论。3.填料塔吸收面积的计算。4.强化吸收的途径。八、常见的吸收体系溶解度,易溶：NH3,SO3,NO2,HClH2O中等：SO2,Cl2,H2SH2O难溶：O2,H2,CO,CO2H2O,2吸收相平衡当物理吸收达到两相平衡A(g)A(l)时，溶质A在气液两相中的浓度不变，且服从亨利定律关系。,NA(gl)=NA(lg)(NAmolA/molS),亨利定律：在温度一定、总压不太高(5atm)时,大多数中等或难溶体系吸收平衡时的液相浓度与其气相分压成正比。,气液两相浓度有多种表示法，亨利定律有多种形式。,1、以pAxA表示的亨利定律pA*=ExA或xA*=pA/E即xA*pApA*A的气相平衡分压(与浓度为xA的液相平衡)，xA液相A的摩尔分数(实际浓度)。xA*A的液相平衡浓度(与分压为pA的气相平衡)，pA气相A的分压(实际浓度)。E亨利系数Pa或atm,E,xA*,即吸收体系的亨利系数越大,气体越难溶。附表九可查E值。,2、以pACA表示的亨利定律p*A=CA/H或C*A=HpA即C*ApACA液相A的物质的量浓度(实际浓度)kmol/m3（CA=nA/V）.C*A液相A的平衡浓度(与分压为pA的气相平衡),H溶解度系数kmol/(m3*Pa)orkmol/(m3*atm),H,CA*,即吸收体系的溶解度系数越大，气体越易溶。对一定的吸收体系(质A，剂S确定)，E和H为常数，都反映A在S中的溶解度大小。EH关系？先找CAxA关系：,即E1/H，E，H，气体在该吸收剂中越难溶。,xACA关系：,-,3、以yAxA表示的亨利定律A的气相摩尔分数yA=pA/p总=nA/n总y*A=p*A/P=(ExA)/P=mxA或x*A=yA/m即x*AyAm=E/P相平衡系数(无因次)，E,m,气体越难溶。,例5-1解：空气-水体系，已知p空气=P总和E，求液相平衡浓度(以x*A和cm3/100g水溶液表示)x*A=pA/E=101325/6.73*109=1.51*10-5(mol空气/mol水)即水中空气含量0.00151mol空气/100molH2O即100mol(1800g)水中含空气0.00151mol0.0015*22.4*103cm3=33.6cm3(标态)故水中空气含量33.6cm3/1800g=1.86(标态)cm3/100g水,例5-2解：SO2-水体系,20时溶液的浓度为2.5%(质量百分比),求气相SO2的平衡分压,查附表九知：E=0.36107Pa，将质量百分比xA。,p*A=ExA=0.36*107*0.00716=25.78kPa,例5-3：含NH320%(yA1)的NH3-空气混合气体100m3,用水恒温吸收至混合体中含氨5%(yA2),求NH3被吸收的体积。解：由于吸收前后混合气体总体积变化，以吸收前混合气体总体积100m3为基准计算：VNH3吸收=VNH3前-VNH3后吸收前：VNH3前=V总前*20%(yA1)=100*20%=20m3吸收后：VNH3后=V总后(无法求得)*5%(yA2)而:VB=V空气=100-20=80m3(吸收前后VB不变),VNH3后=VB*(VNH3后/VB),若能求出每份惰性组分空气含NH3的分数VNH3残/V空气，则吸收后残存的VNH3残可求。而VNH3后/V空气=(VNH3残/V后总)/(V空气/V后总)=yA2/yB2=yA2/(1-yA2)=5%/(1-5%)=5/95(份NH3/份空气)VNH3后=5/95*80=4.2m3VNH3吸收=20-4.2=15.8m3,上例中利用惰性气体量在吸收前后不变的特点，求出吸收后惰性气体中吸收质A的含量分率，再乘以惰气的量(vB-m3B,ornB-molB)，即可求吸收后气体中残存A的量，进而求A被吸收的量。,惰性气体B中吸收质A的含量分率：,吸收前1：nA1/nB=(nA1/n总1)/(nB/n总1)=yA1/yB1=YA1=yA1/(1-yA1)吸收后2：nA2/nB=(nA2/n总2)/(nB/n总2)=yA2/yB2=YA2=yA2/(1-yA2)由此提示我们：要求A被吸收的量，要用到A在惰性气体B中A的含量分率yA/yB，令为YA。定义：YA摩尔比/比摩尔分数(率),上例用比摩尔分率计算：VNH3VB(YA1-YA2)吸收前：YA1=yA1/yB2=yA1/(1-yA1)=0.2/0.8=0.25吸收后：YA2=yA2/yB2=yA2/(1-yA2)=0.05/0.95=0.053被吸收NH3的体积：VNH380*(0.25-0.053)=15.8m3,YA:每mol惰气中所含A的mol数。起始时-YA1,终了时-YA2,4、以YAXA比摩尔分率表示的亨利定律,XA：每mol吸收剂中所含A的mol数。吸收从XA1XA2,即:,或:,YA*=mXA,XA*=YA/m,由y*A=mxA得：,注意：1吸收达平衡时：YA*=mXA或XA*=YA/m，但两方程的意义不同，YA*与YA不同。2yA=nA/nTYA=yA/yB=nA/nBxA=nA/nTXA=xA/xS=nA/nS3溶解度mAg(A)/100g(S)xA、CA、XA与mA的关系：xA=nA/nT=(mA/MA)/(mA/MA+100/MS)XA=nA/nS=(mA/MA)/(100/MS)CA=nA/VT=T（溶液）mA/(100+mA)/MAkmol/m3,4长期放置的吸收体系是平衡体系，在平衡体系中引入气体或溶液,平衡将被破坏,可能再吸收(pAp*A或xAx*A)。,例5-4已知总压P=101.325kPa及PAmA(mAg(A)/1000g(S)的关系，求YAXA关系：解：先转变成yAxA关系：yA=nA/n总=pA/pxA=nA/n总=(mA/MA)/(mA/MA+1000/MS)再转化成YAXA关系：YA=yA/(1-yA)XA=xA/(1-xA)亦可直接求：YA=pA/pB=pA/(pT-pA)XA=nA/nS=(mA/MA)/(1000/MS),作业：P1857,练习：P1856,5-3吸收速率吸收速率决定吸收达到平衡的时间，决定吸收操作的生产强度，是吸收设备选型和设备设计的重要依据。,二、扩散1、分子扩散：物质以分子热运动方式穿过静止或滞流流体的传递过程特点：传递速率慢。2、对流扩散：物质以相对运动方式穿过湍流流体的传递过程特点：传递速率快。,一、吸收速率定义：NA=dnA/d对于稳定吸收过程：NA=nA/mol(A)/s吸收过程是物质的相转移过程，通过扩散方式进行。,三、费克分子扩散定律如图:,单位时间内穿过面积为A，厚度为的扩散层的吸收质A的物质的量,D扩散系数m2/s,分子扩散模型,四、吸收机理双膜理论,实际吸收过程一般在喷淋塔、填料塔、鼓泡塔中进行。无论采用那种吸收塔，吸收过程都存在气液相界面，类比间壁传热提出了双膜理论以导出吸收速率。如图：,1气液两相主体因湍流使A以对流扩散方式传递，传递速率快,浓度一致，忽略湍流主体中对流扩散的阻力。2相界面两侧存在滞流的气膜和液膜，双膜中A以分子扩散方式传递，传递速率慢，浓度下降很快，整个传质过程的阻力全部集中在双膜中。,3到达相界面的A能无阻力地瞬时溶于液相，且界面上气液两相达平衡,即：pi=ci/H。,双膜理论要点：,将对流给热视为壁附近滞流层的热传导过程付立叶定律,将吸收视为A穿过相界面附近滞流双膜的分子扩散过程费克定律,传热过程,吸收过程,理论实质,1-高温流体传热膜(分)系数2-低温流体传热膜(分)系数,kg-气膜吸收分系数kl-液膜吸收分系数,五、费克分子扩散定律的应用当A分子通过分子热运动的碰撞而传递时，其传递速率：,g,l气膜、液膜厚度,由于在膜层中有部分对流传质,真正的分子扩散距离g,l。对气膜：用pB/pT对g加以较正：,=kgA(p-pi),T,T,kg-气膜吸收分系数,对液膜：用CS/(CA+CS)=CS/CT对l加以较正：,=klA(Ci-C),所以，可用界面附近气膜中的扩散速率：NA=kgA(p-pi)或液膜中的扩散速率：NA=klA(Ci-C)计算吸收速率。,kl-液膜吸收分系数,作业：P18512、13,kg、ky分别以分压pA、气相摩尔分率yA表示的气膜吸收分系数。,2液膜吸收分速率方程,kl、kx分别以物质的量浓度cA、摩尔分数xA表示的液膜吸收分系数。,六、吸收速率方程1气膜吸收分速率方程,或表示为:,或表示为：,ky=kgpT,3气相吸收总速率方程pi、Ci、yi、xi难求,设法消去,p-pi气相主体与界面上A的分压差。ci-c界面上与液相主体中A的浓度差。,吸收过程中，气相浓度，用某处的实际分压与该气相能下降到的最低值之差表示推动力，而气相所能降到的最低分压是与该气相相接触的液相达平衡的平衡分压pA*。,NA=kgA(p-pi)=klA(ci-c)=klAH(pi-p),H,H,H,H,p*是与液相主体浓度C平衡的分压,KG,Ky,KY-以分压,摩尔分率yA,比摩尔分率YA表示推动力的气相吸收总系数。,1/KG=1/kg+1/klH,T,T,T,T,T,4液相吸收总速率方程,KL,Kx,KX以c,x,X表示推动力的液相吸总系数。,H,H,H,H,H,注意：以不同浓度表示推动力，其数值和单位各不相同，但NA总是相同的，单位molA/s，通过K、k(吸收总系数和分系数)来调节NA的数值和单位。,七、强化传质吸收的途径和措施吸收速率NA=KA,即：总阻力=气膜阻力+液膜阻力,1/KG=1/kg+1/klH,1/KL=H/kg+1/kl,KG/KL=H,H,H,H,1、提高K值,H,对难溶体系：H小，m大，则：1/KL1/kl，1/Kx1/kx即：总阻力液膜阻力液膜控制应选用鼓泡塔吸收，以搅拌液体，使液膜阻力。又k1/，故加大气液两相的相对速度，Re，k，亦可提高K值。,对易溶体系：H大，m小，则：1/KG1/kg，1/Ky1/ky即：总阻力气膜阻力气膜控制应选用填料塔或喷淋塔吸收，以搅拌气体，使气膜阻力。,1/KG=1/kg+1/klH,3增大气液接触面积A、增大气液两相的分散度。、开发和采用比表面积（m2/m3）大的填料。,2增大吸收推动力采用逆流吸收。若=y-y*or:=Y-Y*y和Y恒定，可减小y*、Y*y*=mx,Y*=mX，增大吸收剂用量，则x和X，y*和Y*都，。又m=E/P=S/PHMSP;使用MS大的吸收剂，可使m,；T，H，m，。,P169,规整填料：,要求完成一定吸收任务所需传质面积A，要用NA=KA，先求：NA、K、(Y-Y*)X。一、填料塔的物料衡算式操作线方程如图：GmolB/s情性气体的摩尔流量（工艺条件所确定）,LmolS/s吸收剂的摩尔流量(人为确定)在稳定吸收过程中：对全塔进行物料衡算得：NA=G(Y1-Y2)=L(X1-X2).(1)可求NA式中：G,Y1,Y2,X2，均为定值，只X1和L变。从塔顶至任一截面M-M作物料衡算得：,54填料吸收塔的计算,上式是一条直线方程,在YX相图上为一直线,两端点为(X1,Y1),(X2,Y2)。斜率L/G液气比。由于(X1,Y1),(X2,Y2)分别是塔底和塔顶的气液相实际组成，所以，直线上任意一点的坐标都表示塔中某一截面上实际的气液组成操作线方程。,二、L/GX1关系将吸收体系的相平衡线与操作线，绘在同一XY相图上,平衡线：,操作线：,(过(X1,Y1)，(X2,Y2)两点),气相推动力Y-Y*塔顶Y2-Y2*;塔底Y1-Y1*,X,Y,X1,液相推动力X*-X塔顶X2*-X2塔底X1*-X1,实际上仅由L决定：L,L/G,图,X1;L,L/G,图中,，X1。,即：吸收推动力大小取决于操作线偏离平衡线的程度，由操作线斜率L/G确定。,是操作线到平衡线的纵向距离，从Y2Y1。,是平衡线到操作线的横向距离，从X2X1。,对操作线方程变形有：,式中G,Y1,Y2,X2,均由工艺条件确定,只有X1L变。,2、L，L/G，图中线Y1、X1都，但X1,1、L,L/G,图中线Y1，X1都，但X1。,三、吸收剂用量L的确定,即：X1和由L而定，如何确定L？,当X1=X1*时：L=LM最小吸收剂用量，LM/G最小液气比(图中线)。,3、L再，L/G再，操作线与平衡线相交(切)，则X1到X1*(=Y1/m),达最大值;而L下降到(Lmin=)LM。4、L再,则:不到塔底,气液已达平衡X1=X1*,塔下部无用。即：,即：,而X1*=Y1/m，Y1、Y2、X2、G、m已知，所以LM或LM/G可求。,实际吸收剂用量,四、液相出口浓度X1的计算,知L可求X1。,求X1和L步骤小结：,据：,或：,1求,2求X1*：X1*=Y1/m而m=E/P=CT/PH=S/MSPH或：据Y1到平衡线上查得X1*(只有气液平衡数据)。,若qv混合气体体积流量m3/h，则：,T,T,T,T,3求最小液气比LM/G：,4求实际液气比L/G：L/G=(1.22.0)LM/G求吸收剂用量：L=L/G*G=(1.22.0)LM/G*G,5求X1：据,可求X1。,若不需求LmolS/s，可据,P161例5-5、例5-6,下式求X1。,作业：P18618(Y*=26.7X),五、吸收推动力的计算,由前面的讨论知：NA=KYA(Y-Y*)=KXA(X*-X)塔底处气液两相推动力：Y1=Y1-Y1*和X1=X1*-X1塔顶处气液两相推动力：Y2=Y2-Y2*和X2=X2*-X2,类似于求tm=(Tt)m，先找d(T-t)dA关系，找d(Y-Y*)dA，然后积分。,(Y1-Y1*)(Y2-Y2*)(X1*-X1)(X2*-X2)故须取平均值，对服从亨利定律的吸收体系：以(Y-Y*)为例求：(Y-Y*)m=Ym,X1,Y2,X2,Y1,如图：在吸收塔中取一微元高度dH，dH内填料的表面积dA,在dH内作物料衡算：衡算方向：塔顶塔底(浓度),底,底,顶,上式积分得：,对应,代入上式得：,注意：1表示塔底的脚标，2表示塔顶的脚标。计算Ym时，Y1,Y2,m,X2,Y2*易求,关键在于求Y1*，要求Y1*X1L/GLM/GX1*Y1。计算Xm时,X1*=Y1/m,X2*=Y2/m,X2=x2/1-x2易求，关键在于求X1，求法同上。,或直接用公式求：,1以气相浓度表示的计算式：,又A=H填料*A0*A0填料塔横截面积，填料的有效比表面积，可近似用代替，填料的比表面积。,气相传质单元高度,气相传质单元高度，是气相吸收质的浓度变化量刚好等于过程平均推动力Ym时所需传质区域对应的填料层高度,是使浓度变化Y1-Y=Ym所需H填料,六、填料层高度的计算式：,2液相表示计算式,液相传质单元高度,气相传质单元数是经全塔吸收后气相浓度的变化量相当于过程平均推动力的倍数。,例1、某吸收塔在常压下用清水吸收焦炉气中的氨。焦炉气在标准状态下含氨10g/m3，焦炉气的处理量为5000m3/h(标态)，吸收率不低于99%。水用量为最小用量的1.5倍。混合气体303K时进入吸收塔，在此条件下的平衡关系为：Y*=1.2X，试计算气相传质单元数nG。(塔径为1.4m,气相吸收总系数KY=220kmol/(m3*h)，并求填料层高度H填料。,解：X2=0，=0.99，L=1.5LM，Y*=1.2X,y1=10/17/1000/22.4=22.4/1700=0.01318,G=5000*(1-0.01318)/22.4=220.3kmol/h,Y1=y1/(1-y1)=0.01318/(1-0.01318)=0.013356,Y2=Y1(1-)=0.0001336,nG=Y1-Y2/Ym=(0.01336-0.0001336)/0.001256=0.01322/0.001256=10.53(个),X1*=Y1/m=0.013356/1.2=0.010984(L=1.5LM/G*G=?),X1=X1*/1.5=0.010984/1.5=0.007323,Y1*=mX1=1.20.007323=0.008787Y2*=mX2=0,Y1=0.013356-0.008787=0.004569Y2=0.0001336-0=0.0001336Y1/Y2=34.2,Ym=Y1-Y2/ln(Y1/Y2)=(0.004569-0.0001336)/ln34.2=0.004435/3.5322=0.001256,hG=G/KYA0=220.3/220*0.785*1.42=0.6508mH填料=hG*nG=0.6508*10.53=6.85m,3、不服从亨利定律的体系填料层高度计算前面用过dNA=GdY=LdX=Ld(Y*/m),对不服从亨利定律的体系,则无法寻得d(Y-Y*)dNA关系,但仍有：,步骤：根据题给平衡数据换算为XY数据，在XY坐标图上作出平衡线（红色线）。求出Y1,Y2,X2,在平衡线上据X2查得Y2*,据Y1查得X1*LM/GL/GX1，据(X1,Y1),(X2,Y2)作出操作线（绿色线）。,以Y对1/(Y-Y*)作图得一曲线，曲线下方Y1Y2之间的面积即为nG。,在Y1Y2之间取一组Y值，对每一个Y值，在操作线上查得对应的X值，据X到平衡线上查得对应的Y*，计算Y-Y*,并求得1/（Y-Y*）数据,列表：,同理，对液相有：,液相传质单元数,同理：在X1X2之间取一组X值,据X到操作线查得Y,再据Y值到平衡线查得X*值，计算X*-X值和1/（X*-X）值，列表，作图可求：,例2：在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦炉气中的苯，已知焦炉气进气流量为1000m3/h（常压25吸收），其中含苯3%，要求=95%，洗油中原来含苯0.005%吸收条件下Y*=0.113X,L=1.2LM。求每小时耗洗油多少？nG,解:Y1=y1/1-y1=0.03/1-0.03=0.03093Y2=Y1(1-)=0.001546x2=0.00005X2=0.005/0.995x2Y2*=0.113X20,X1*=Y1/0.113=0.0309/0.113=0.2734LM/G=Y1-Y2/X1*-X2=0.1074,G=1000*(1-y1)*273/298/22.4=39.67kmol/h,L=1.2LM=1.2(LM/G)*G=1.2*0.1074*39.67=5.113kmol/h,X1=(X1*-X2)/1.2+X2=0.2277,Y1*=0.113X1=0.02573,Ym=(Y1-Y2)/ln(Y1/Y2)=0.00310,习题21:含乙炔y1=0.20的乙炔-空气混合气体在25和101.3k