第2章 气体吸收1-2学时

1、第二章 气体吸收2-1 概述 吸收基本概念 名词术语 more2-2 溶解度理论 Henrry 定律 more2-3 气液传质机理 more Fick定律 双膜理论 吸收速率方程式2-4 吸收塔计算 more 吸收塔物料衡算操作线方程 填料层高度的计算 传质单元数 传质单元高度 理论板数的计算2-5 吸收系数 吸收系数的测定 more2-6 脱吸及其它条件下的吸收 more 习题思考题 本章主要内容 通过本章学习，应掌握吸收的基本概念和吸收过程的平衡关系与速率关系；掌握低组成气体吸收的计算方法；了解吸收系数的获取途径和解吸过程的概念与计算方法；掌握填料塔的结构、填料的类型、填料塔的流体力学性能

2、与操作特性。学习目的与要求第二章 气体吸收2-0 概述2-0 概述一、气体吸收的原理原料气AB吸收剂S尾气B(含微量A)溶液S+A吸收塔 形成两相体系的方法引入一液相（吸收剂） 分离物系：气体混合物 传质原理：各组分在吸收剂中溶解度不同。 将气体混合物与适当的液体 (吸收剂S) 充分接触，气体中的若干组分溶解于吸收剂中，形成溶液。利用气体混合物中不同组分在溶剂中的溶解度差异实现分离。二、气体吸收的流程吸收过程吸收过程：溶质溶解于吸收剂中逆流操作解吸过程：溶质从溶液中释放出并流操作气体吸收过程在吸收塔中进行。吸收解吸混合气体混合气体 (AB) 溶剂溶剂(S)尾气尾气(B少少A)溶溶 液液(AS)

3、图图2-1 2-1 吸收操作流程吸收操作流程 填料层填料层三、吸收操作过程的几个名词术语原料气AB吸收剂S尾气B(含微量A)溶液S+A吸收塔溶质：能够溶解于溶剂的组分,以A表示。惰性组分（载体）：不被溶解的组分,以B表示.吸收操作所用的溶剂,以S表示吸收操作得到的液体,A+S吸收塔排出的气体,B+A(少)四、气体吸收的分类气体吸收按被吸收组分数目单组分吸收按吸收有无化反应按溶质组成的高低 低组成吸收多组分吸收物理吸收化学吸收高组成吸收气体吸收过程的分类方法四、气体吸收的分类气体吸收按气液接触方式 常规吸收按吸收的温度变化 膜基吸收等温吸收非等温吸收本章讨论重点单组分、低组成的常规等温物理吸收过

4、程。五、气体吸收的工业应用净化或精制气体合成氨工艺中合成气中的净化脱碳。碳酸饮料中冲入CO2。 回收混合气体中所需的组分 啤酒生产过程中CO2副产品的回收及综合利用。工业废气的治理 示例：废气中含有SO2、H2S等有害气的脱除。 制取某种气体的液态产品互相联系，密不可分的。脱吸操作(解吸) ：吸收操作的逆过程 吸收与蒸馏的区别蒸馏吸收 1) 相平衡理论 2) 传质的方式 3) 引入第二相的方法 4) 得到产品的纯度 挥发度双向内部产生高溶解度单向外部引入混合物混合气体混合气体 (AB) 吸收剂吸收剂(S)尾气尾气(B少少A)溶溶 液液(AS)图图2-1 2-1 吸收操作流程吸收操作流程 填料层

5、填料层六、吸收与蒸馏的区别2.1 气体吸收的相平衡理论2.1.1 气体的溶解度 溶解度与溶解度曲线； 气体溶解度影响因素； 溶解度差异。2.1.2 亨利定律 四种表达形式2.1.3 吸收剂的选择2.1.1 气体的溶解度一、溶解度和溶解度曲线液体 S气体（AB）A 溶解 A 逸出)x( fpAAAx 平衡方程达平衡状态时气相分压液相组成Ap 在一定温度和压力下，令某气体混合物（AB）与液体 S 接触。Ap曲线Ax 溶解度曲线溶解度：气体在液体中的饱和组成二、溶解度的应用 1) 预计一定条件下吸收操作，其溶液可达到的极限浓度溶质A的饱和浓度； 2) 判断过程进行的方向 ； p p* 吸收； p*

6、p 脱吸 ；液体 S气体（AB）A 溶解 A 逸出A在溶液上方的分压p。成正比速率大小与 *pp 3) 判断过程进行的速率大小， 吸收操作推动力，差值越大，速率越大。三、 气体溶解度的影响因素 组分A、B、S 确定后, （相数） 2；C （组分数） 3 物系的自由度 F C + 23即 x*= f ( P, T, y )温度的影响 对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度的升高而减小。 对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。压力的影响 加压和降温，有利于吸收操作；减压和升温，有利于解吸操作。 1)在P，T，溶剂S相同时, 不同溶质的溶解度差异很大； 图2-2, 2-3,

7、 2-4 给出NH3, SO2, O2三种溶质在水中的溶解度, 通过比较可以看出： x*NH3 x*SO2 x*O2 四、溶解度的差异 500 1000 图图2-2 氨气在水中的溶解度氨气在水中的溶解度10 20 40 60 80100 120kPa 020304050.2) 相同的溶质A对于相同的溶剂S，在分压pA相同时，温度越低，溶解度越高；3) 相同的溶质A对于相同的溶剂S，在相同温度下, 分压 pA 越大，溶解度越高。 100 250图2-3 SO2 在水中的溶解度 20 40 60 80100 120kPa 200 150 0 5010020304050. 0.05 0.10图2-4

8、 O2 在水中的溶解度 20 40 60 80100 120kPa 00 10 20 30 40 50.2.1.22.1.2 亨利定律 系统总压 P 500 kPa ，温度恒定时，稀溶液 上方的气体溶质平衡分压 p* 与液相中溶质浓度 x 之间的关系。 p* = f (x) 根据液相浓度的表达方式不同，Henrry 定律有四种形式。 xi: 摩尔分数 ci: 体积摩尔浓度 yi xi: 气液两相均以摩尔分数表示 Yi Xi: 气液两相均以摩尔比表示一、亨利定律的表达式 若溶质在气、液相中的组成分别以分压pi、摩尔分数xi表示，亨利定律为1. pi - xi关系 EpxExpiiii或溶质在气相

9、中的平衡分压，kPa亨利系数，kPa。由物系特性及温度决定，溶质易溶，E越小；溶质难溶，E 值大。溶质在液相中的摩尔分率对于理想溶液, 亨利定律与拉乌尔定律一致 ，因而有 E E = p= p0 0A A 但是，在吸收操作中，物系多为非理想溶液，只有当液相中溶质浓度很低时，E E 才可看作常数。 0tE当 pA 100kPa 时， E = f ( t ) ，且当 pA 100kPa 时， E = f ( t , pA ) 亨利系数 E 通常由实验测定, 表2-1 (P82)列出了若干气体水溶液的 E 值.一、亨利定律的表达式 1. pi - xi关系 亨利系数E2. pi - ci 关系2)-

10、(2 HpcHcpiii*i或式中 c 溶液的体积摩尔浓度，kmol/m 3 ； H 溶解度系数，kmol/kJ； H 值大，溶质易溶； H 值小，溶质难溶 。 p* 溶质在气相中的平衡分压，kPa. 一、亨利定律的表达式 若溶质在气、液相中的组成分别以分压pi*、摩尔浓度 ci 表示，亨利定律为溶解度系数 H 也是温度的函数，且0tH3. yi - xi 关系 一、亨利定律的表达式 yi* 与x i成平衡关系的气相中的溶质浓度，摩尔分率； m 分配系数，又称为相平衡系数，无因次。气体溶解度越大，m越小。易溶气体的m值小，而难溶气体的m值大。5)-(2 my xmxyi*ii*i或一、亨利定律

11、的表达式 4. Y-X 关系 吸收过程中液相组成A+S：溶剂 S 的 mol 流率不变 (基准)气相组成A+B：惰性气体B 的 mol 流率不变 (基准)ii*i*iiiXXmYYmxy11 得由 9)-(2 )(11 iiiXmmXY整理，得为此，采用摩尔比X 和Y 分别表示液相和气相的组成。8)-(2 1 1 7)-(2 1 1 iiiiiiiiiiiiYYyyyYXXxxxX气相摩尔比液相摩尔比一、亨利定律的表达式 4. Y-X 关系 9)-(2 )(11 iiiXmmXY注意 将式(2-9)与公式 (1-13) 作同形比较； 曲线：m1时，曲线上凹； m1时，曲线下凹。 当溶液浓度很低

12、时，式(2-9)的分母趋近于1，于是该式可简化为：10)-(2 mYXmXY或一、亨利定律的表达式 1)-(2 EpxExpiiii或2)-(2 HpcHcpiii*i或5)-(2 my xmxyi*ii*i或10)-(2 mYXmXY或1. 亨利系数 E 与溶解度系数 H 之间的关系 4)-(2 3)-(2 SASAAAASASAAASASASAAAAAHM)MM(cEHcc)MM(cEMExp)MM(cMcM/ )Mc(ccx比较可得，溶液的密度)4-(2 )42( aEMHHMEcSS或可简化为值很小，式对于稀溶液，以1m3溶液为基准，溶质A cA kmol/m3二、各系数的换算关系 若

13、系统总压 P 500 kPa , 则气体可视为理想气体, Ppyi*i 于是，i*iiiPmxPypEx E = m P )6-(2 6)-(2 amPHMEmPHM)MM( cESSAS对于稀溶液，2. 亨利系数E与分配系数m之间的关系3. 亨利系数E、溶解度系数H及分配系数m三者间的关系二、各系数的换算关系 系统总压 P例2-1：含有30%（体积分数）CO2的某种混合气与水接触，系统温度为30 oC，总压为101.33 kPa。试求液相中CO2的平衡浓度ci*（kmol/m3）。Hpcii道尔顿分压定律kPa 4303033101.Pypii？关键 SEMH由表2-1：30 oC CO2水

14、溶液的 E = 1.88 105 kPa.亨利系数 E 通常由实验测定, 表2-1 (P82)列出了若干气体水溶液的 E值.CO2难溶于水，因此溶液密度近似于水的密度 = 1000 kg/m3。溶剂水的分子量 = 28 kg/kmol35kmol/m 10988.EMpHpcsiii2-1-3 2-1-3 吸收剂的选择吸收剂选择的原则v溶解度v选择性v挥发度v黏度v其它吸收剂对溶质组分的溶解度要大。吸收剂应对溶质组分有较大溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微。吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小。吸收剂在操作温度下的黏度要低。无毒、无腐蚀、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定

15、。 相对于气相浓度 y 而言，液相浓度欠饱和(xy*)，溶质 A 由气相向液相转移。一、判断传质进行的方向 气、液相浓度(y, x)在平衡线上方(P点)：yxoy*=f(x)Pyxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。x*释放溶质吸收溶质2-1-4 2-1-4 相平衡关系在吸收过程中的应用 设某瞬时，气相中溶质的实际组成为y，溶液中溶质的实际组成为x。相对于气相浓度而言实际 液 相 浓 度 过 饱 和(xx*)，故液相有释放溶质 A 的能力。相对于液相浓度 x 而言气 相 浓 度 为 欠 饱 和(yy*)，溶质 A 由液相向气相转移。气

16、、液相浓度(y, x)在平衡线下方(Q点)：yxoy*=f(x)Qyxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。x*释放溶质吸收溶质一、判断传质进行的方向 相对于气相浓度而言液相 浓 度 为 平 衡 浓 度(x=x*)，故液相不释放或吸收溶质 A。相对于液相浓度 x 而言气相浓度为平衡浓度(y=y*)，溶质 A 不发生转移。气、液相浓度(y, x)处于平衡线上(R点)：yxoy*=f(x)Ryxy*结论：若系统气、液相浓度(y, x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。x*一、判断传质进行的方向 传质推

17、动力的表示方法可以不同，但效果一样。 (x*-x)：以液相摩尔分数差表示的传质推动力。 对吸收过程：(y-y*)：以气相摩尔分数差表示的传质推动力；二、确定传质的推动力 未达平衡的两相接触会发生相际间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。 方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）三、指明传质过程的限度 对吸收而言： 若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最低只能降到与之相平衡的浓度 y*，即 ymin=y*； 若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度 x 最高也只能升高到与气

18、相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmax=x*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*yxoy*=f(x)Qyxy*x*对解吸而言： 若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最高只能升到与之 相 平 衡 的 浓 度 y*， 即 ymax=y*； 若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度 x 最高也只能降到与气相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmin=x*。三、指明传质过程的限度 练 习 题 目 对低浓度的气液平衡系统，当总压降低时，亨利系数E将（ ），相平衡常数m将（ ），溶解度系数H将（ ）。 亨利系数表达式p* = Ex，若某气体在水中的亨利系数E值很小，说明该气体为（ ）气体。 对接近常

19、压的低浓度溶质的气液平衡系统，当温度和压力不变，而液相总浓度增加时其溶解度系数H将 ；当系统温度增加时，其亨利系数E将 ；而当系统中压强增加时，其相平衡常数m将 。思考题作业题: 1、31.温度和压力对吸收过程的平衡关系有何影响？2.亨利定律为何具有不同的表达形式 ？3.亨利定律的适用条件是什么 ？4.相平衡关系在吸收过程中有何作用？练 习 题 目2-2 传质机理与吸收效率本节主要内容 2-2-1 分子扩散与菲克定律 more 2-2-2 气相中的稳态分子扩散 more 2-2-3 液相中的稳态分子扩散 more 2-2-4 扩散系数 more 2-2-5 对流传质 more 2-2-6 吸收过程的机理 more 2-2-7 吸收速率方程式 more主线主线：分子扩散 对流传质 双膜理论 吸收速率2-2-1 2-2-1 分子扩散与菲克定律相内传质 扩散过程扩散过程 分子扩散：静止或层流流体中的扩散 涡流扩散：湍流流体中的扩散吸收传质过程：溶质A 的传递分为三个步骤：气相内部传质：溶质由气相主体传递到两相界面液相内部传质：溶质自界面被传递至液相主体溶质在相界面上的溶解，由气相转