化学工程基础第五章吸收

1、第五章 吸收,5.1 化工生产中的吸收操作,吸收过程作为一种重要的分离手段被广泛应用于化工、医药、冶金等生产过程，其应用目的有一下几种： （1）分离混合气体以获得一定的组分或产物； （2）除去有害组分以净化或精制气体； （3）制备某种气体的溶液； （4）工业废气的治理。,5.1.1 吸收操作的类型,1 物理吸收和化学吸收 2单组分吸收与多组分吸收 3 等温吸收与非等温吸收 4 低浓度吸收与高浓度吸收,1 物理吸收与化学吸收,物理吸收：在吸收过程中溶质与溶剂不发生显著的化学反应，称为物理吸收， 化学吸收：如果吸收过程中，溶质与溶剂发生显著化学反应，则此吸收操作称为化学吸收。,2 单组分吸收与多组

2、分吸收,单组分吸收： 在吸收过程中，若混合气体中只有一个组分被吸收，其余组分可认为不溶于吸收剂，则称为单组份吸收。 多组分吸收：如果混合气体中两个或多个组分进入液相，则称为多组分吸收。,3 等温吸收与非等温吸收,等温吸收：气体溶于液体中时常伴随热效应，若热效应很小，或被吸收的组分在气相中浓度很低，而吸收剂用量很大，液相的温度变化不显著，则可认为是等温吸收。 非等温吸收：若吸收过程中发生化学反应，其反应热很大，液相的温度明显变化，则吸收过程为非等温吸收过程。,4 低浓度吸收与高浓度吸收,高浓度吸收：通常根据生产经验，规定当混合气中溶质组分A的摩尔分数大于0.1，且被吸收的数量多时，吸收过程称为高

3、浓度吸收； 低浓度吸收：如果溶质在气液两相中的摩尔分数均小于0.1时，吸收过程称为低浓度吸收。,低浓度吸收的特点： （1）气液两相流经吸收塔的流量为常数。 （2）低浓度吸收可视为等温吸收。,5.1.2 气体吸收过程,一 相关概念 1 吸收过程 2 吸收操作的依据 3 溶质 4 惰性组分 5 吸收剂 6 吸收液 7 吸收尾气,二 吸收操作流程,以书上图5-2 煤气的脱苯为例.,三 吸收剂的选用,1 溶解度 2 选择性 3 溶解度对操作条件的敏感性 4 挥发度 5 粘性 6 化学稳定性 7 腐蚀性 8 其它,5.2 气液平衡关系,5.2.1 混合物组成的表示方法 1 质量分数与摩尔分数 2 质量比

4、与摩尔比 3 质量浓度与摩尔浓度 4 气体的总压与理想气体混合物中的组分的分压,气体的总压与理想气体混合物中的组分的分压,总压与某组分的分压之间的关系为 pA=p*yA 摩尔分数、体积分数和压力分数的关系为： 摩尔分数体积分数压力分数,5.2.2 溶解度曲线,平衡状态 饱和浓度 平衡分压 相平衡关系 溶解度曲线,易溶气体 难容气体 溶解度适中的气体,5.2.3 亨利定律,1 亨利定律的文字描述 当总压不高时，在一定的温度下，稀溶液上面气相的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分数成正比，其比例系数为亨利定律。 2 数学表达式 pA*Ex 3 影响因素,5.2.4 亨利定律的其它表达形式,1 用分压和浓

5、度来表示 pA*cA/H H的物理意义： 在一定的温度下，当溶质A在气相中的平衡分压为1Pa时，该组分在液相中的平衡浓度。,H与E的关系 E/HM 2 用溶质在气相和液相中的摩尔分数来表示 yA*=mxA mE/p,3 用物质的量比来表示,例题1,某系统温度为10摄氏度，总压为101.3千帕，试求在此条件下，空气与水充分接触后，每立方米水中能溶解多少克氧气？,解：空气按理想气体处理，由道尔顿分压定律可知，氧气在气相中的分压为： pA*=py101.3kPa0.2121.27kPa 氧气为难溶气体，故氧气在水中的组成x很低，气液相平衡关系服从亨利定律，由表51查的10摄氏度时，氧气在水中的亨利系

6、数为3.31106kPa。,因为H=/EM cAHpA 所以cA pA/EM3.5710-4kmol/m3 每立方米水中的溶解氧为： 3.5710-432100011.42g/m3。,5.2.2 相平衡关系在吸收过程中的应用,1 判断过程进行的方向,发生吸收过程的充分必要条件是 yy*或xx* 反之，溶质自液相转移至气相，即发生解吸过程。,2 指明过程进行的极限,3 确定过程的推动力,在吸收操作中，通常以实际操作浓度与平衡浓度的差距来表示吸收过程的推动力。,例5-2,5.3 吸收速率方程,5.3.1 分吸收速率方程 一 以气膜传质分系数表示的吸收速率方程,气相对流传质速率方程也可以用摩尔分数和

7、物质的量比表示：因pA=pyA,故,又因 代入得到 通分后约去YAYi即得,几种气膜传质系数之间的关系,二 以液膜传质分系数表示的吸收速率方程,以摩尔分数和物质的量比表示,5.3.2气液两相界面的溶质组成,对于定常态传质过程，NA为定值。因此,5.3.3 总吸收速率方程,1 用气相组成表示吸收推动力（气相总吸收速率方程） 1.1 以分压（pApA*）表示 1.2 以摩尔分数（yy*）表示 1.3 以物质的量比（ YAYA* ）表示,以分压（pApA*）表示,由 得到,以摩尔分数（yy*）表示,以物质的量比表示,2 用液相组成表示吸收推动力（液相总吸收速率方程） 2.1 以（cA*-cA）表示

8、2.2 以（xA*-xA）表示 2.3 以（XA*-XA）表示,以（cA*-cA）表示,以（xA*-xA）表示和以（XA*-XA）表示,3 吸收过程中的控制步骤 1 气膜控制 2 液膜控制,4 总传质系数间的关系,例5-3,5-4 吸收塔的计算,计算内容： （1）吸收塔的设计型计算 吸收剂的用量、吸收液的浓度、塔高和塔径 （4）吸收塔的操作型计算 A 在物系、塔设备一定的情况下，对指定的生产任务，核算塔设备是否合用； B 操作条件发生变化，吸收结果将怎样变化等问题。,设计型和操作型计算的依据 A 气液平衡关系 B 物料衡算 C 吸收速率方程,5.4.1 物料衡算和操作线方程,1 全塔物料衡算,

9、2 吸收操作线方程与操作线,操作关系：表示塔内任一截面上气相组成Y与液相组成X之间的关系。 逆流吸收操作线方程：,逆流吸收操作线方程的特点,5.4.2 最小液气比与吸收剂的用量,1 最小液气比 2 确定操作条件液气比的分析,3 吸收剂用量的确定,4 最小气液比的计算 （1）图解法,（2）解析法,（3）如果平衡线上出现了如下图所示的形状，则过P点作平衡线的切线，与水平线YY1相交于B,则可按下式计算最小液气比：,例题5-4,5.4.3 吸收塔径的计算,吸收塔径的计算可以仿照圆形管路直径的计算公式,注意,(1)在吸收过程中溶质不断进入液相,故实际混合气量因溶质的吸收塔高变化,混合气在进塔时气量最大

10、,在离塔时气量最小.计算时气量通常取全塔中气量最大值,即以进塔气量为计算塔径的依据. (2)计算塔径的关键是确定适宜的空塔气速,通常先确定液泛气速,然后考虑一个小于1的安全系数,计算出空塔气速.液泛气速的大小由吸收塔内气液比、气液两相物性及填料特性登决定，详细计算过程见后面的章节。 （3）按上式计算出的塔径，还应根据国家压力容器公称直径的标准进行调整。,5.4.4 吸收塔填料层高度的计算,填料塔高度的计算常用传质单元数法，它又称为传质速率模型法，该法依据传质速率、物料衡算和相平衡关系来计算填料层高度。,1 塔高计算基本关系式,上两式为低浓度气体在填料塔内定态吸收时填料层高度的基本计算关系式,总体积吸收系数,a 值与填料的类型、形状、尺寸、填充情况有关，还随物性、流动状况而变化。其值不易直接测定，通常将它与传质系数的乘积作为一个物理量，称为总体积吸收系数。如 KYa为气相总体积吸收系数。单位为mol/(m3.s)。 物理意义： 在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质量。,注意：在低浓度吸收的情况下，总体积吸收系数在全塔范围内为常数，可取平均值。,2 传质单元数和传质单元高度,1）气相传质单元高度定义：,填料层高度