化工基础 5 吸收.pptx

1、第五章 吸 收,第一节 概 述 第二节 吸收的相平衡 第三节 吸收速率 第四节 填料吸收塔的计算 第五节 填料塔,2,在浓度差推动力作用下，物质从一处向另一处的转移过程。 相内传质 相际传质,本课程的传质学习中一般考虑双组分：A、B 以吸收为例：,气相,A：可溶气体、溶质气体（solute gas)氨气,B：惰性气体、难溶气体（inert gas) 空气,浓度常用的表示方法及其换算,思考1：双组分均相物系（A、B）的摩尔分数之和等于多少？质量分数之和呢？,思考2：xA与wA的关系？,思考3：双组分均相物系中，x与X的关系？w与的 关系？,思考4：xA与cA的关系？wA与A的关系？,思考5：cA

2、与A的关系？,思考6：对理想气体，c与 p的关系？y与p？与p？,2020/7/9,第五章 吸 收,8,第一节 概 述,3) 吸收剂：收吸收质的液体。,一、吸收的一些相关概念：,1) 吸收：也叫气体吸收，是利用适当的液体来处理气体混 合物，使其中一种或多种组分由气相转入液相的 操作。,2) 吸收质：混合气体中被吸收的气体组分。,混合气体由吸收质和惰性气体组成；,如用水来吸收混合气体中的CO2： CO2为吸收质，水为吸收剂。,2020/7/9,第五章 吸 收,9,二、吸收的应用：,1) 制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。,2) 分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以 达到

3、分离目的。,98.1%的硫酸吸收SO3制98.5%的浓硫酸；,水吸收甲醛制福尔马林溶液；,用氨水吸收CO2制碳酸氢氨等；,从焦炉气或城市煤气中分离苯；,从石油催化裂解气中分离丁二烯等；,2020/7/9,第五章 吸 收,10,3) 气体净化,4）作为环境保护和职业保健的重要手段,原料气的净化：如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；,尾气处理：如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2等。,用氨水来吸收制硫酸的尾气中SO2NH4HSO3,工艺气的净化：如硫酸生产中HF、As2O3、SO3的水 洗脱除等；,2020/7/9,第五章 吸 收,11,物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应， 可视为单

4、纯的气体溶解于液相的过程。,化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。,三、吸收的类型,用水吸收二氧化碳 用水吸收乙醇或丙醇蒸汽 用吸收油吸收芳烃等,用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳 用稀氨水吸收硫酸生产尾气中的SO2等,两类吸收特性的比较：,2020/7/9,第五章 吸 收,12,单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸 收，其余组分因溶解度很小其吸收 量可忽略不计。,多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。,解吸：与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离 而转移到气相的过程。,2020/7/9,第五章 吸 收,13,吸收剂应有良好的选择性,2) 吸收剂的蒸汽压应尽量低。,3)尽量选用无毒、

5、难燃、腐蚀性较小的吸收剂。,4)吸收剂粘度要低。,5)化学稳定性好，在吸收条件下不发生化学反应。,四、吸收剂的选择,对气体中要吸收的组分有大的溶解度 对其余组分的溶解度要小。,6)易得、廉价、易再生或再次使用，并不污染环境。,2020/7/9,第五章 吸 收,14,五、吸收的操作条件,工业上，吸收一般在吸收塔中进行，如图所示。,吸收是气液间的传递过程，为提高其传递速率和吸收率，应注意 以下方面：,.采用连续操作。,.气液间一般采用逆流操作。,.尽量增大气液间的有效界面。,.增大相际的湍动程度降低传质阻力。,2020/7/9,第五章 吸 收,15,第二节 吸收的相平衡,气液的相平衡关系是指当时条

6、件下吸收质在溶液中的溶解度，决定了吸收的极限。,一、亨利定律,1、气液的相平衡关系,溶解平衡是动态的,平衡分压p*：处于相互平衡的气液两相中溶质在气相 中的分压。,平衡浓度x*：处于相互平衡的气液两相中溶质在液相 中的浓度。,2020/7/9,第五章 吸 收,16,2、以摩尔分数x表示：,当总压不太高时，一定温度下的稀溶液中溶质的溶解度与其在气相中的分压成正比。,式中： p* 溶质在气相中的平衡分压，kPa x 溶质在液相中的摩尔分数 E 亨利系数，kPa。,亨利系数的值随物系的特性及温度而异； 物系一定，E 值一般随温度的上升而增大； E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度； 同一溶

7、剂中，难溶气体E 值很大，易溶气体E 值很小；,2020/7/9,第五章 吸 收,17,3、以物质的量浓度c表示:,式中:H为溶解度系数，其值随温度升高而降低。,因为,则,H 的单位：kmolm-3Pa-1,当溶液很稀时：,2020/7/9,第五章 吸 收,18,4、用摩尔分数表示：,P 为气相的总压。,y 为与组成为x 的液相相互平衡的气相中溶质 的摩尔分数；,m =E/P,相平衡系数，无量纲；,m 也是亨利系数的另一种形式。,2020/7/9,第五章 吸 收,19,例题,2020/7/9,第五章 吸 收,20,由上式可得：,5、用摩尔比表示的相平衡关系,在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准

8、不变的比摩尔分数 Y（ 或 X ）表示组成。,对于稀溶液，X的值较小，则有：,2020/7/9,第五章 吸 收,21,例 含氨为体积分率氨 =0.20的氨-空气混合气100m3，用水吸收至混合气中含氨为氨 =0.05。设吸收过程中有中间冷却使前后温度不变，试求氨被吸收的体积数，并用摩尔比的计算作对比。,解：吸收前 氨 10020%=20m3 空气 10080%=80m3,吸收后空气比例降为95%，且氨只占5%，氨的体积为,若以摩尔比计算，则y1=0.20，y2=0.05,吸收的氨为：,吸收的氨为：20-4.21=15.79 m3,2020/7/9,第五章 吸 收,22,以分压及摩尔分数x表示：

9、,以物质的量浓度c表示:,用摩尔分数表示：,用摩尔比表示:,2020/7/9,第五章 吸 收,23,二、气体在液体中的溶解度,1、溶解度很小,难溶气体，E很大，109,如：O2、H2、N2、CO等,2、溶解度中等,可溶气体，E较大，107,如：CO2、SO2 、Cl2、H2S等,3、溶解度很大,易溶气体，E较小，103,如：HCl、NH3等,传质的两种方式,分子扩散,对流传质（给质过程）,-发生在静止流体、层流流动的流体中， 靠分子运动进行的。定量规律：菲克定律,-发生在湍流流动的流体中， 靠流体微团的脉动进行的。,一菲克定律 在一定的T、P及CM下，均相混合物的分子扩散通量(单位时间通过单位

10、面积的物质量）为,对照： 牛顿粘性定律：,傅立叶定律：,A,A,A,A,A,A,A,A,B,B,B,B,B,B,B,B,质量中心面,组分A的扩散量JA,z,组分B的扩散量JB,z,菲克定律的其它表达形式：,A,A,A,A,A,A,A,A,B,B,B,B,B,B,B,B,质量中心面,组分A的扩散量JA,z,组分B的扩散量JB,z,27/36,说明： （1）JA,z、 JB,z是相对扩散通量 （绝对扩散通量用NA,z表示）,组分A移走后，出现空位，其他分子（可能是A也可能是B）将会补位，若A、B分子量不等，那么质量中心会局部发生漂移。JA,z、 JB,z是为了使JA,z JB,z0而定义的，即JA

11、,z、 JB,z是相对于一个移动的扩散面而定义的扩散通量。,组分A的扩散量JA,z,组分B的扩散量JB,z,A,A,A,A,A,A,A,A,B,B,B,B,B,B,B,B,质量中心面,（2）JA,z JB,z,由JA,z JB,z0可证得。,28/36,组分A的扩散量JA,z,组分B的扩散量JB,z,A,A,A,A,A,A,A,A,B,B,B,B,B,B,B,B,质量中心面,说明：,（3）对二元体系，扩散系数的下标可去掉。即,对气体体系有：DA,B DB,A对液体体系有：DA,B DB,A,注意：D不绝对是物性常数 对气体 D = f ( 一对组分，T，P），D是物性常数； 对液体 D = f

12、 ( 一对组分，T，C），D不是物性常数； 对稀溶液： D f ( 一对组分，T），D可近似视为物性常数,30/36,扩散系数的经验估算式：,对于二元气体扩散系数的估算，通常用较简单的由福勒（Fuller）等提出的公式：,（低压，室温）,对于很稀的非电解质溶液（溶质A+溶剂B），其扩散系数常用Wilke-Chang公式估算：,固体中的扩散系数需靠实验确定。,NA = - NB,二、两种基本的传质过程,1、等摩尔反向传质（扩散）,总体流动,整个相沿着扩散方向宏观的定向运动,等摩尔反向传质没有总体流动，传质由分子扩散引起。,总摩尔浓度CM为定值：,NA 、NB ： A、B组分的传质通量,kmol/

13、 m2.s,质量中心面,稳定的分子扩散：,稳定传质为常数,物料、体系定， D确定,2、通过停滞的B组分层的传质（单相扩散）,特点：有总体流动,总体流动通量Nb: kmol/m2.s,A组分的总体流动通量NAb: NAb = xANb,B组分的总体流动通量NBb: NBb = xBNb, A组分的传质通量 NA = JA + NAb = JA + xANb B组分的传质通量 NB = JB + NBb = JB + xBNb,由于 Cm 一定， JA = -JB 仍然存在， 则 NA + NB = JA + JB + xANb + xBNb = Nb 又 NB = 0 JB = -NBb ; N

14、A=Nb NA = JA + xANb = JA + xANA,物理意义：总体流动的存在，加强了分子扩散的效 果，使A组分的传质通量增大。,Cm / CBm （或：Pm/PBm ）漂流因子 代表了由于总体流动 存在，其传质通量比分子扩散通量增加的倍数。也是通过停滞的B组分层的传质通量与等摩尔反向传质通量的比值。Cm / CBm 1。,2020/7/9,第五章 吸 收,37,第三节 吸收速率,式中：N单位时间单位面积传递的吸收质的量（通量） 吸收过程的推动力。 K过程的传质系数。,吸收操作的推动力是偏离平衡的浓度差或分压差，吸收速率可写成：,2020/7/9,第五章 吸 收,38,一、 双膜理论

15、,1、吸收过程中吸收质的传递,气相主体 通过气相边界层 气液界面气相侧 气液界面液相侧 通过液相边界层 液相主体,2020/7/9,第五章 吸 收,39,2、双膜理论的基本观点：,(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄(等效厚度分别为1 和2)的流体膜层。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。,(2)相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。,(3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。,2020/7/9,第五章 吸 收,40,3、双膜理论评价,该理论提出的双阻力概念，认为传质阻力集中在

16、相接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了广泛承认，是传质过程及设备设计的依据。 按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式的结果相差较大； 由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度1和2以及界面上浓度 pi 和 ci 都难以确定； 对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此双膜理论假设的界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层等都难以成立；因此出现了如“对流扩散”、“界面动力状态”等其它一些吸收传质理论。,2020/7/9,第五章 吸 收,41,三、 吸收速率方程,1、分吸收速率方程,(

17、1)、气膜分吸收速率方程,kg为气膜吸收分系数，单位：molPa-1m-2s-1,kg中难测，kg值来源：测定值或按经验公 式、特征数关系式计算。,2020/7/9,第五章 吸 收,42,(2)、液膜分吸收速率方程,kl为液膜吸收分系数，单位：ms-1,kl中难测，kl值来源：测定值或按经验公式、 特征数关系式计算。,c0为溶液总浓度， cs为吸收剂浓度，单位：molm-3,2020/7/9,第五章 吸 收,43,(3)、吸收推动力间的关系,c、ci、c*、c0、cs,p、pi、p*、P0、pB,2020/7/9,第五章 吸 收,44,2、总吸收速率方程,(1)、气相总吸收速率方程,由液相分吸

18、收速率方程：,将亨利定律c=Hp*代入：,整理得：,两式相加：,2020/7/9,第五章 吸 收,45,这就是气相总吸收速率方程。,KG为气相总吸收系数，单位：kmolPa-1m2s-1。,当气体为易溶气体时，H很大，KGkg，吸收为 气膜控制。,2020/7/9,第五章 吸 收,46,(2)、液相总吸收速率方程,由气相分吸收速率方程：,将亨利定律p=c*/H代入：,整理得：,两式相加：,2020/7/9,第五章 吸 收,47,KL为液相总吸收系数，单位：ms-1。,当气体为难溶气体时，H很小，KL kl，吸收为 液膜控制。,2020/7/9,第五章 吸 收,48,(3)、总吸收速率方程的推动

19、力,气相推动力：p-p*,液相推动力：c*-c,(4)、两个总吸收总系数的关系,2020/7/9,第五章 吸 收,49,3、用比摩尔分率表示的总吸收速率方程,(1)、用Y表示的气相总吸收速率方程,KY为以Y表示的气相总吸系数，单位：molm-2s-1,KY=,当气相中的吸收质较少时，Y、Y*都很小，KYKGP,若再是易溶气体，KYKGPkgP(气膜控制),2020/7/9,第五章 吸 收,50,(2)、用X表示的液相总吸收速率方程,KX为以X表示的液相总吸系数，单位：molm-2s-1,对于难溶气体的稀溶液，KXKLc0klc0(液膜控制),KX=,2020/7/9,第五章 吸 收,51,总吸

20、收速率方程,分吸收速率方程,2020/7/9,第五章 吸 收,52,2020/7/9,第五章 吸 收,53,2020/7/9,第五章 吸 收,54,作业：P185起,3，5，7，8,2020/7/9,第五章 吸 收,55,第五节 填料塔,一、填料,1、对填料的要求,(1)、比表面要大，大,(2)、空隙率要大，大,(3)、价廉易得；,(4)、轻质高强；,(5)、耐腐蚀，化学性能稳定；,2、填料的材质,钢、不锈钢、陶瓷、塑料、木材、焦炭、石英沙；,2020/7/9,第五章 吸 收,56,3、填料的类型,实体填料,丝网填料,拉西环 鲍尔环 环 十字环 米字环 阶梯环 鞍形填料 波纹填料,鞍形网 形网 三角线圈,填料,弧鞍环 矩鞍环,填料的填装方式分为整砌和乱堆两类。,2020/7/9,第五章 吸 收,57,2020/7/9,第五章 吸 收,58,2020/7/9,第五章 吸 收,59,金属丝网填料,三角螺旋填料,环填料,2020/7/9,第五章 吸 收,60,2020/7/9,第五章 吸 收,61,1、塔壳体 2、液体分布器 3、填料压板 4、填料 5、液体再布器 6、填料支承板,二、填料塔的结构,2020/7/9,第五章 吸 收,62,1、填料支承板,2020/7/9,第五章 吸 收,63,