化工原理第五章吸收(传质理论之一)超详细讲解9696.pptx
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1、 第五章第五章 吸收(传质理论之一)吸收(传质理论之一)1 概述概述 一、一、传质:传质:物质从一相转移到另一相的过程。物质从一相转移到另一相的过程。如:如:吸收吸收、蒸馏蒸馏、萃取、结晶、吸附、蒸发、萃取、结晶、吸附、蒸发、干燥、冷冻、升华、凝华等。干燥、冷冻、升华、凝华等。二、吸收:二、吸收:用某种液体用某种液体(吸收剂吸收剂S)处理气体处理气体混合物,使其中某个目标组分混合物,使其中某个目标组分(吸收质吸收质A)得得到分离的过程,不能被吸收的组分统称为到分离的过程,不能被吸收的组分统称为惰性惰性组分组分B。吸收吸收 解吸解吸 互为逆过程。互为逆过程。三、吸收的应用:三、吸收的应用:制取产
2、品,净化气体,回收有用组分。制取产品,净化气体,回收有用组分。四、吸收分类:四、吸收分类:利用混合气体中各组分利用混合气体中各组分溶解度的差异溶解度的差异分离气体分离气体物理吸收物理吸收:特点:弱结合、游离、特点:弱结合、游离、可逆、易解吸可逆、易解吸 速率:速率:g l扩散速率扩散速率 极限:达极限:达g l相平衡相平衡化学吸收:化学吸收:AS发生化学反应而分离气体发生化学反应而分离气体特点:强结合,不可逆特点:强结合,不可逆 速率:反应或扩散速率速率:反应或扩散速率 极限:化学平衡极限:化学平衡(本章只讨论物理吸收本章只讨论物理吸收)五、吸收流程:五、吸收流程:在连续操作的立式吸收塔中,气
3、在连续操作的立式吸收塔中,气,液,液逆流接逆流接触触进行传质。进行传质。3 要分离和要分离和回收回收A:则采用:则采用吸收吸收解吸解吸 联合流程。联合流程。1 要使气相中要使气相中A被吸收完被吸收完全全-净化气体净化气体:则采用:则采用单程单程(单塔或多塔单塔或多塔)吸吸收收。2 希望液相希望液相A的浓度高的浓度高-制取产品制取产品:则采用液:则采用液相相循环吸收循环吸收。吸收吸收 解吸解吸 联合流程联合流程喷淋塔:喷淋塔:气相连续气相连续 液膜塔液膜塔(填料塔填料塔):气相连续:气相连续鼓泡塔:鼓泡塔:液相连续液相连续4 吸收塔吸收塔(1)喷淋塔)喷淋塔(2)填料塔)填料塔(3)鼓泡塔)鼓泡
4、塔六、吸收剂的选取原则:六、吸收剂的选取原则:高选择性、高选择性、低蒸气压、低蒸气压、低粘度、低粘度、低价格、低价格、无毒无污染。无毒无污染。七、要解决的问题: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八、常见的吸收体系溶解度易溶:易溶:NH3,SO3,NO2,HClH2O中等:中等:SO2,Cl2,H2S H2O 难溶:难溶:O2,H2,CO,CO2 H2O 2 吸收相平衡吸收相平衡 当物理吸收达到两相平衡当物理吸收达到两相平衡A(g)A(l)时,溶质时,溶质A在气液两相中的浓度不
5、变,且服从在气液两相中的浓度不变,且服从亨利定律亨利定律关系。关系。NA(gl)=NA(lg)(NAmolA/molS)亨利定律:亨利定律:在温度一定、总压不太高在温度一定、总压不太高(5 atm)时时,大多数中等或难溶体系大多数中等或难溶体系吸收平衡时的液相浓度吸收平衡时的液相浓度与与其气相分压成正比气相分压成正比。气液两相浓度有多种表示法,气液两相浓度有多种表示法,亨利定律有多种形式。亨利定律有多种形式。1、以以pA xA表示的亨利定律表示的亨利定律 pA*=E xA 或或 xA*=pA/E 即即 xA*pA pA*A的的气相平衡分压气相平衡分压(与浓度为与浓度为xA的液相平衡的液相平衡)
6、,xA液相液相A的摩尔分数的摩尔分数 (实际浓度实际浓度)。xA*A的的液相平衡浓度液相平衡浓度(与分压为与分压为pA的气相平衡的气相平衡),pA气相气相A的分压的分压 (实际浓度实际浓度)。E亨利系数亨利系数Pa或或atm,E,xA*,即吸收体系的即吸收体系的亨利系数亨利系数越大越大,气体越难溶气体越难溶。附表九可查。附表九可查E值。值。2、以以pA CA表示的亨利定律表示的亨利定律 p*A=CA/H 或或 C*A=H pA 即即 C*A pA CA液相液相A的物质的量浓度的物质的量浓度(实际浓度实际浓度)kmol/m3(CA=nA/V).C*A液相液相A的平衡浓度的平衡浓度(与分压为与分压
7、为pA的气相平衡的气相平衡)H溶解度系数溶解度系数kmol/(m3*Pa)or kmol/(m3*atm),H,CA*,即即吸收体系的吸收体系的溶解度系数越大,气体越易溶溶解度系数越大,气体越易溶。对一定的吸收体系对一定的吸收体系(质质A,剂,剂S确定确定),E和和H为常数,都反映为常数,都反映A在在S中的溶解度大小。中的溶解度大小。EH关系?先找关系?先找CAxA关系:关系:即即E1/H,E,H,气体在该吸收剂中越难溶。,气体在该吸收剂中越难溶。xACA关系:关系:-3、以以yA xA表示的亨利定律表示的亨利定律A的气相摩尔分数的气相摩尔分数 yA=pA/p总总=nA/n总总 y*A=p*A
8、/P=(ExA)/P=mxA 或或 x*A=yA/m 即即 x*AyA m=E/P相平衡系数相平衡系数(无因次无因次),E,m,气体越难溶气体越难溶。例例5-1解:空气解:空气-水体系,已知水体系,已知p空气空气=P总总和和E,求液相平衡浓度,求液相平衡浓度(以以x*A 和和cm3/100g水溶液表示水溶液表示)x*A=pA/E=101325/6.73*109=1.51*10-5(mol空气空气/mol水水)即水中空气含量即水中空气含量0.00151 mol空气空气/100 mol H2O即即100mol(1800g)水中含空气水中含空气0.00151mol 0.0015*22.4*103cm
9、3=33.6 cm3(标态标态)故水中空气含量故水中空气含量33.6 cm3/1800g=1.86(标态标态)cm3/100g水水例例5-2解:解:SO2-水体系水体系,20时溶液的浓度为时溶液的浓度为2.5%(质量百分比质量百分比),求气相求气相SO2的的平衡分压平衡分压,查附表九知:查附表九知:E=0.36107 Pa,将将质量百分比质量百分比xA。p*A=ExA=0.36*107*0.00716=25.78 kPa 例例5-3:含含NH320%(yA1)的的NH3-空气混合气体空气混合气体100m3,用水恒温吸收至混合体中含氨用水恒温吸收至混合体中含氨5%(yA2),求求NH3被吸收被吸
10、收的体积。的体积。解:由于吸收前后混合气体总体积变化,以吸收前混解: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合气体总体积100m3为基准计算:为基准计算:VNH3吸收吸收=VNH3前前-VNH3后后吸收前:吸收前:VNH3前前=V总前总前*20%(yA1)=100*20%=20 m3 吸收后:吸收后:VNH3后后=V总后总后(无法求得无法求得)*5%(yA2)而而:VB=V空气空气=100-20=80 m3(吸收前后吸收前后VB不变不变)VNH3后后=VB*(VNH3后后/VB)若能求出若能求出每份惰性组分空气含每份惰性组分空气含NH3的分数的分数VNH3残残/V空气空气,则则吸
11、收后残存的吸收后残存的VNH3残残可求可求。而而 VNH3后后/V空气空气=(VNH3残残/V后总后总)/(V空气空气/V后总后总)=yA2/yB2 =yA2/(1-yA2)=5%/(1-5%)=5/95(份份NH3/份空气份空气)VNH3后后=5/95*80=4.2 m3 VNH3吸收吸收=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,求出吸收后吸收后惰性气体中吸收质惰性气体中吸收质A的含量分率的含量分率,再乘以惰气的量,再乘以惰气的量(vB-m3B,or nB-molB),即可求吸收后气体中残存,即可求吸收后气体中残存A
12、的量,的量,进而求进而求A被吸收的量。被吸收的量。惰性气体惰性气体B中吸收质中吸收质A的含量分率:的含量分率:吸收前吸收前1:nA1/nB=(nA1/n总总1)/(nB/n总总1)=yA1/yB1=YA1 =yA1/(1-yA1)吸收后吸收后2:nA2/nB=(nA2/n总总2)/(nB/n总总2)=yA2/yB2=YA2 =yA2/(1-yA2)由此提示我们:由此提示我们:要求要求A被吸收的量,要用到被吸收的量,要用到A在惰性气体在惰性气体B中中A的含量分率的含量分率yA/yB,令为令为YA。定义:定义:YA 摩尔比摩尔比/比摩尔分数比摩尔分数(率率)上例用比摩尔分率计算:上例用比摩尔分率计
13、算:VNH3VB(YA1-YA2)吸收前:吸收前:YA1=yA1/yB2=yA1/(1-yA1)=0.2/0.8=0.25 吸收后:吸收后:YA2=yA2/yB2=yA2/(1-yA2)=0.05/0.95=0.053 被吸收被吸收NH3的体积:的体积:VNH380*(0.25-0.053)=15.8 m3 YA:每每mol惰气中所含惰气中所含A的的mol数。起始时数。起始时-YA1,终了时终了时-YA24、以以YAXA比摩尔分率表示的亨利定律比摩尔分率表示的亨利定律XA:每:每mol吸收剂中所含吸收剂中所含A的的mol数。吸收从数。吸收从XA1XA2即:或:YA*=mXAXA*=YA/m 由
14、由y*A=mxA得:得:注意:注意:1 吸收达平衡时:吸收达平衡时:YA*=mXA或或 XA*=YA/m,但两方程的意,但两方程的意 义不同,义不同,YA*与与YA不同。不同。2 yA=nA/nT YA=yA/yB=nA/nB xA=nA/nT XA=xA/xS=nA/nS 3 溶解度溶解度 mAg(A)/100g(S)xA、CA、XA与与mA的关系: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)(溶液)mA/(100+mA)/MA kmol/m3 4 长期放置的吸收体系是平衡体系,在平衡体系
15、中引入气长期放置的吸收体系是平衡体系,在平衡体系中引入气 体或溶液体或溶液,平衡将被破坏平衡将被破坏,可能再吸收可能再吸收(pAp*A或或xAx*A),也可能解吸也可能解吸(pAx*A)。例例5-4 已知总压已知总压P=101.325 kPa及及 PAmA(mAg(A)/1000g(S)的的关系,求关系,求YAXA关系:关系:解:先转变成解:先转变成 yAxA关系:关系:yA=nA/n总总=pA/p xA=nA/n总总=(mA/MA)/(mA/MA+1000/MS)再转化成再转化成YAXA关系:关系:YA=yA/(1-yA)XA=xA/(1-xA)亦可直接求:亦可直接求:YA=pA/pB=pA
16、/(pT-pA)XA=nA/nS=(mA/MA)/(1000/MS)作业:作业:P185 7练习:练习:P185 65-3 吸收速率吸收速率 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。生产强度,是吸收设备选型和设备设计的重要依据。二、扩散二、扩散1、分子扩散:物质以、分子扩散:物质以分子热运动方式分子热运动方式穿过穿过静止或滞流流静止或滞流流体体的传递过程的传递过程特点:传递速率慢。特点:传递速率慢。2、对流扩散:物质以、对流扩散:物质以相对运动方式相对运动方式穿过穿过湍流流体湍流流体的传递的传递过
17、程过程特点:传递速率快。特点:传递速率快。一、吸收速率定义:一、吸收速率定义:NA=dnA/d 对于对于稳定吸收稳定吸收过程:过程:NA=nA/mol(A)/s 吸收过程是物质的相转移过程,通过吸收过程是物质的相转移过程,通过扩散扩散方式进行。方式进行。三、费克分子扩散定律三、费克分子扩散定律 如图如图:单位时间内穿过面积为单位时间内穿过面积为A,厚度为,厚度为的扩散层的吸收质的扩散层的吸收质A的物质的量的物质的量D扩散系数扩散系数 m2/s 分子扩散模型分子扩散模型四、吸收机理四、吸收机理双膜理论双膜理论实际吸收过程一般在喷淋塔、填料塔、鼓泡塔中进实际吸收过程一般在喷淋塔、填料塔、鼓泡塔中进
18、行。无论采用那种吸收塔,吸收过程都存在气行。无论采用那种吸收塔,吸收过程都存在气液相界液相界面,面,类比间壁传热类比间壁传热提出了提出了双膜理论双膜理论以导出吸收速率。以导出吸收速率。如图:如图:1 气液气液两相主体两相主体因湍流使因湍流使A以对流扩散方式传递以对流扩散方式传递,传递,传递速率快速率快,浓度一致,浓度一致,忽略忽略湍流主体中对流扩散的湍流主体中对流扩散的阻力阻力。2 相相界面两侧存在滞流的气膜和液膜,双膜中界面两侧存在滞流的气膜和液膜,双膜中A以分子以分子扩散方式传递扩散方式传递,传递速率慢,浓度下降很快,整个传,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。质
19、过程的阻力全部集中在双膜中。3 到达到达相界面相界面的的A能能无阻无阻力力地瞬时溶于液相,且地瞬时溶于液相,且界界面上气液两相达平衡面上气液两相达平衡,即:即:pi=ci/H。双膜理论要点:双膜理论要点:将对流给热将对流给热视为视为壁附壁附近滞流层的近滞流层的热传导过热传导过程程付立叶定律付立叶定律将吸收将吸收视为视为A穿过相界面附穿过相界面附近滞流双膜的近滞流双膜的分子扩散过分子扩散过程程费克定律费克定律传热过程传热过程吸收过程吸收过程理论理论实质实质1-高温流体传热膜高温流体传热膜(分分)系数系数2-低温流体传热膜低温流体传热膜(分分)系数系数kg-气膜吸收分系数气膜吸收分系数kl-液膜吸
20、收分系数液膜吸收分系数五、费克分子扩散定律的应用五、费克分子扩散定律的应用当当A分子通过分子热运动的碰撞而传递时,其传递速率: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、液膜厚度气膜、液膜厚度,由于在膜层中有部分对流传质由于在膜层中有部分对流传质,真正的真正的分子扩散距离分子扩散距离g,l。对气膜:用对气膜:用pB/pT对对g加以较正:加以较正:=kgA(p-pi)TTkg-气膜吸收分系数气膜吸收分系数对液膜:用对液膜:用CS/(CA+CS)=CS/CT 对对l 加以较正:加以较正:=klA(Ci-C)所以,可用界面附近气膜中的扩散速率:所以,可用界面附近气膜中的扩散速率:NA
21、=kgA(p-pi)或液膜中的扩散速率:或液膜中的扩散速率:NA=klA(Ci-C)计算吸收速率。计算吸收速率。kl-液膜吸收分系数液膜吸收分系数作业:作业:P185 12、13 kg、ky分别以分压分别以分压pA、气相摩尔分率、气相摩尔分率 yA 表示的表示的气膜吸收分系气膜吸收分系数数。2 液膜液膜吸收吸收分速率方程分速率方程 kl、kx分别以物质的量浓度分别以物质的量浓度cA、摩尔分数、摩尔分数xA表示的表示的液膜吸收分液膜吸收分系数系数。六、吸收速率方程六、吸收速率方程1 气膜气膜吸收吸收分速率方程分速率方程或表示为或表示为:或表示为:或表示为:ky=kgpT3 气相气相吸收吸收总速率
22、方程总速率方程pi、Ci、yi、xi 难求难求,设设法消去法消去p-pi 气相主体与界面上气相主体与界面上A的分压差。的分压差。ci-c 界面上与液相主体中界面上与液相主体中A的浓度差。的浓度差。吸收过程中,气相浓度吸收过程中,气相浓度,用某处的实际分压与该气相能下,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)HHHHp*是与液相主体浓度是与液相主体浓度C平衡
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