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第五章 吸收,吸收操作利用组成混合气体各组分在溶剂中溶解度不同，来分离气体混合物的操作，称为吸收操作。 在吸收过程中，吸收所用的溶剂称为吸收剂；被吸收剂吸收溶解的组分称为吸收质；不被吸收的组分称为惰性组分或载体；吸收了溶质后的溶液则称为吸收液。,1 化工生产中的吸收操作,1-1 吸收操作的类型,吸收的工业应用 （1）分离混合气体。是最主要的应用。 （2）气体净化。例如某厂放空气体中含有有毒有害气体A，不符合环境保护的排放标准，则选用合适溶剂将有害气体吸收，使该厂放空气体达到排放标准。 （3）制备液体产品。例如用水吸收氯化氢气体制备盐酸，用93%硫酸吸收SO3制备硫酸等等。,1-1 吸收分类,重点是低浓度气体混合物的单组分等温物理吸收。,吸收过程的气、液接触方式,1-2 吸收操作,吸收操作流程,通常的吸收过程都采用逆流操作，即液体从上到下，气体从塔底通入，这样可以保证全塔的平均推动力最大，与传热时两流体以逆流流动的平均温度差最大的原理相同。 吸收操作效率高的条件： 1选择合适的吸收剂； 2提供适宜的传质设备； 3吸收剂的再生。,1-3 吸收剂的选择,1溶解度对溶质组分有较大的溶解度； 2选择性对溶质组分有良好的选择性，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微； 3挥发性 应不易挥发； 4黏性 黏度要低； 5其它 无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易得，并具有化学稳定性等要求。,溶解度,即在温度T，总压P和气、液相组成共四个 变量中，有三个自变量，另一个是它们的函数：,2 气液相平衡关系,气液平衡时，溶质在单位液体体积或质量中的溶解度称为平衡溶解度，而溶质在气相中的分压则称为平衡分压或饱和分压。在平衡状态下，溶质组分在两相中的浓度服从相平衡关系。,物质量比的定义为： 液相： 气相：,式中：Y*A，XA平衡状态时，溶质A在气相、液相 中的物质的量的比； y*A，xA平衡状态时溶质A在气相中、液相 中的摩尔分数； p*A溶质A在气相中的平衡分压； cA平衡状态下溶质A在液相中的物质的量 浓度。,物质的量比与摩尔数之间的关系：,若固定温度、压力不变，测得某动平衡下，溶液上方氨的分压为p1，此时溶于水的氨的浓度为x1；再改变浓度为x2，测得上方氨分压为p2；依次类推，改变氨的浓度为xn，测得溶液上方氨的分压为pn，如图5-4所示。将这n个点，标绘在图上，即得在一定温度、压力下的溶解度曲线。,2-1 溶解度曲线,说明：,(1) 不同气体的溶解度差异很大,(2) 对于稀溶液，有,E是物性，通常由实验测定。可从有关手册中查得。 E越大，表明溶解度越大，越易溶。 E随温度变化而变化，一般地，T，E。,2-2 亨利定律,对于非理想溶液，在低浓度下，服从亨利定律。 由图看出，OD是平衡曲线，但在x=00.10的这一段，可以写成亨利定律的表达式。,p*A为溶质A在气相中的平衡分压；E称为亨利系数；xA为溶质在溶液中所占的摩尔分率。 亨利定律还可写成： 比例系数H愈大，表明同样分压下的溶解度愈大。H可称为溶解度系数，cA为单位体积溶液中溶质A的物质的量浓度molm-3。,亨利定律最常用的是下列形式：m为相平衡常数（亦称亨利常数），量纲为1。m是温度与压强的函数，易溶气体m值小；难溶气体m值大。,亨利定律的其他形式：,E越大，表明溶解度越小， E随温度变化而变化， T，E。,m越大，表明溶解度越小， m随温度变化而变化， T，m，P，m。,亨利系数之间的关系,若以比摩尔分数表示吸收质在气、液两相的浓度，则：,代入：,得：,对于稀溶液，有：,2-3 相平衡与吸收过程的关系 1.用相平衡判断过程进行的方向,吸收过程：如A1点，在平衡线的上方， yAyA*，溶质应从气相到液相。 解吸过程：如A2点，在平衡线的下方，yA*yA，溶质应从液相到气相。,2用相平衡确定过程进行的极限 在一定的温度与压力的条件下，当气、液传质达到平衡时，净传质速率为零。在逆流操作时，含溶质为yA，1的混合气体从塔底送出，组成为Xa，2的吸收剂自塔顶淋下。塔很高，吸收剂用量很少，吸收液最终浓度XA，1也不会无限增大，其极值只与气相浓度yA，1呈平衡的液相浓度xA，1* 。,3计算过程推动力，分析过程进行的难易,在图中，在截面M-N中，推动力以气相浓度差表示为： 液相推动力差表示为： 偏离平衡浓度越远，推动力越大。,3 吸收速率方程,吸收过程中吸收速率是指单位时间内、在单位相际传质面积上被吸收的溶质量。 吸收速率可以表示为：,3-1 分吸收速率方程,分子扩散流体内某一组分存在浓度差时，则由于分子运动使组分从浓度高处传递至浓度低处，这种现象称为分子扩散。 费克定律单位时间通过单位面积物质的扩散量与浓度梯度成正比。,以液相传质分系数表示的吸收速率方程,以气膜传质分系数表示的吸收速度方程：,3-2 总吸收速率方程,1两相间有物质传递时，相界面两侧各有一层极薄的静止膜，传递阻力都集中在这里。,2物质通过双膜的传递过程为稳态过程，没有物质的积累。即， 总阻力=气膜阻力+液膜阻力 当浓度很稀时， KX=cM+KL KX以物质的量比差表示的总推动力的液相传质系数。 当kGKl，为气膜控制 当kGKl，为液膜控制,3. 假定气液界面处无传质阻力，且界面处的气液组成达于平衡。,填料与分离的物系性质有关。某溶剂对某溶质的溶解度越大，越易吸收，填料高度会越小。这与分子间的力有关，即物系的相平衡关系。 与传质相界面的面积有关。单位体积填料提供的有效传质面积越大，达到相同分离要求的填料高度会越小。此即与填料的形状有关。衡量填料形状的因素，可用传质速率与传质系数表达。 若物系相同，填料形状亦相同，但处理的原料气量（V）和原料气的进出口组成（y1和y2）不同，所以填料又与V，L，y1，y2，x1有关，此即与物料衡算有关。下面将分相平衡关系、传质速率、物料衡算等三个方面来展开吸收过程。,4-1吸收塔的物料衡算和操作线方程,对吸收塔作物料衡算。从塔顶画衡算范围得：进塔=出塔,上述两式均可看作吸收塔的物料衡算方程，或称为吸收塔操作线方程。,操作线方程式与操作线,在逆流操作线内任取一平面，M-N，从该面到顶部作物料衡算：,同理，也可以从底部到所选平面做物料衡算；,上述两个方程都称为吸收操作线方程。,其斜率为塔内的气、液比，表明单位惰性气体处理量mol与所选用吸收剂的量mol。该直线通过A，B两点。平衡线为YA*=f（XA）,关于操作线： 操作线的端点B表示塔底气、液组成（XA,1，YA,1），相对与全塔，它是最高点，称为浓端；A点表示塔顶气液组成（XA,2，YA,2），是气、液组成最低点，称为稀端。 操作线上任何一点表示对应的气、液两相组成； 如M点，它的YA-YA*表示气相推动力，XA*-XA表示液相推动力。操作线与平衡线相距越远，传质推动力越大。 吸收操作线只与气、液两相的流量和组成有关，而与系统的平衡关系、操作温度、压强等因素无关。 吸收操作位于平衡线的上方，解吸线位于平衡线的下方。,4-2 吸收剂用量的确定，最小液气比,在一般的吸收计算中， 是给定的。对于式 当qn，C下降， 亦下降，表示塔底出口浓度上升。,不能再下降时的极限值， 此时的液气比称为最小液气比。,4-3 吸收塔塔径的计算,塔径的大小是由生产能力与气体的空塔气速所决定的；,4-4 填料层高度基本计算式,对截面积为S，高为dH的微元填料层作物料衡算得 : 达到平衡时，气体中溶质的减少量等于液体中溶质的增加量； 并等于被吸收的溶质量。,对上式进行积分可得： I II上式为计算填料的基本方程式。为单位体积填料内有效接触面积。因其不易求解，常将之与KX及KY的乘积进行计算，称为总体积吸收系数,传质单元高度与传质单元数,其中 的单位是M 称为传质单元高度，用表示HoG。 H OG =,= 填料层高度 = 传质单元高度 传质单元数,=,传质单元数的计算,1. 对数平均推动力法 当平衡线为直线时， 因操作线也是直线，操作线与平衡线在任何一截面上的垂直距离 与YA显线性关系，于是。,为过程的气相平均推动力，等于吸收塔两端以气相组成差表示的对数平均值。,2数学分析法,其实质是一种解析积分法，当平衡线过原点时，逆流吸收塔的操作方程为：,式中： 为解吸因数， 它对确定吸收塔的尺寸具有重要意义，一般它都小于1，在0.7-0.8之间。,同理得： 式中： 为吸收因数，吸收因数值愈大，愈有利于吸收过程 的进行。,3. 图解积分法,当平衡线为曲线时，一般用下列二式求算填料层高度H： 传质单元数 和 只能用图解积分法求解。,图形积分的步骤： 绘出平衡线与操作线 由操作线和平衡线求出若干点与YA对应的YA-YA*，计算对应的1/YA-YA* 以YA为横座标，1/YA-YA*为纵座标作图，求出曲线下的面积，就是NOG。,吸收与解吸,为溶解、吸收,为解吸、脱吸,吸收示意图 如图所示，塔任一截面，气体A的浓度（y）大于该截面上与气液体浓度达成平衡的y*，即吸收塔，吸收塔操作线在平衡线上方。,解吸示意图 如图所示，塔任一截面，气体中A的浓度（y）小于该截面上与液体浓度达成平衡的y*，即解吸塔，解吸塔操作线在平衡线下方。,吸收设备和流程,吸收流程,(3) 吸收剂在吸收塔内再循环流程,(4) 吸收-解吸流程,
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