廣東工業(yè)大學(xué)-吸收.ppt

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1、第二章吸收,一、定義1.吸收：利用氣體在液體中溶解度的差異來(lái)分離氣體混合物的傳質(zhì)過(guò)程。(1)形成溶液溶劑或吸收劑S：吸收所用液體(2)溶質(zhì)或吸收質(zhì)A：能溶解的氣體組分(3)惰性氣體或載體B：不能溶解的氣體組分2.解吸：使溶質(zhì)從溶液中逸出的傳質(zhì)過(guò)程，該過(guò)程既可使溶劑再生，又可使溶質(zhì)回收。二、分類物理吸收，H2O吸收CO2√化學(xué)吸收，NaOH溶液吸收CO2單組分吸收，H2O吸收乙醇√多組分吸收，液態(tài)烴吸收氣態(tài)烴等溫吸收，H2O吸收丙酮√非等溫吸收，H2O吸收SO3低濃度吸收高濃度吸收三、用途1．回收混合氣體中的有用物質(zhì)，用硫酸吸收焦?fàn)t氣中的氨。2．除去有害成分以凈化氣體，用銅氨液吸收合成氣中的CO

2、。3．制取液體產(chǎn)品，用H2O吸收SO3制取H2SO4。,形成溶液,四、吸收與精餾的區(qū)別1．精餾在混合物系內(nèi)部產(chǎn)生兩相，而吸收則是從混合物系外界引入另一相。2．精餾可直接獲得較純的組分，而吸收不能直接獲得較純的組分。3．精餾中進(jìn)行雙向傳質(zhì)，而吸收中進(jìn)行單向傳質(zhì)。,第一節(jié)氣—液相平衡2-1-1氣體的溶解度一、定義1．溶解度：氣液兩相達(dá)到相平衡時(shí)，溶質(zhì)在液相中的濃度，記為CA、x、X。2．平衡分壓：氣液兩相達(dá)到相平衡時(shí)，溶質(zhì)在氣相中的分壓，記為p*、y*、Y*。二、溶解度的特性由相律得所以物系的自由度為3。當(dāng)總壓不太高時(shí)，可忽略總壓對(duì)溶解度的影響，所以溶解度曲線：表示該函數(shù)的曲線。（圖2-2、圖2-

3、3、圖2-4）溶解度特性：T↑，CA↓p*↑，CA↑所以：低溫高壓有利吸收高溫低壓有利解吸,2-1-2亨利定律,一、亨利定律：在一定的溫度和壓力（不太高）下，稀溶液中溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓與其在液相中的溶解度成正比，即：式中p*—溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kN/m2；x——溶質(zhì)在液相中的摩爾分率；E——亨利系數(shù)，kN/m2；或式中CA——溶質(zhì)在液相中的摩爾濃度，kmol/m3；H——溶解度系數(shù)，kmol/(m?kN)；或式中y*——溶質(zhì)在氣相中的平衡摩爾分率；m——相平衡常數(shù)。二、摩爾比1．定義：,,,2、摩爾比表示的亨利定律由得代入得所以所以()當(dāng)x?0.05時(shí)，X?0.053所以三、亨利定律

4、各系數(shù)間的關(guān)系1.m和E的關(guān)系由得又由分壓定律得所以,2.H和E的關(guān)系設(shè)MA——溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；MS——溶劑的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；?L——溶液的密度，kg/m3；mA——溶質(zhì)在液相中的質(zhì)量濃度，kg/m3；mS——溶劑在液相中的質(zhì)量濃度，kg/m3；CS——溶劑的摩爾濃度，kmol/m3。則所以代入得又得對(duì)稀溶液，所以,2-1-3吸收劑的選擇,溶解度大選擇性好蒸汽壓低，揮發(fā)損失小穩(wěn)定性好，不易變質(zhì)易于再生粘度低，功耗小無(wú)毒、無(wú)腐蝕、不易燃、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、價(jià)廉易得,第二節(jié)傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率2-2-1分子擴(kuò)散與菲克定律,,一、分子擴(kuò)散：由流體分子的微觀運(yùn)動(dòng)傳遞質(zhì)量的過(guò)程。二

5、、菲克定律：在雙組分混合流體中的任何一點(diǎn)，某組分沿任一方向的分子擴(kuò)散通量（單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積擴(kuò)散的質(zhì)量）與該組分在該方向上的濃度梯度成正比，即式中JA——組分A的分子擴(kuò)散通量，kmol/(m2?s)；CA——組分A的摩爾濃度，kmol/m3；z——擴(kuò)散方向上的距離，m；——組分A在擴(kuò)散方向z上的濃度梯度，kmol/m4；DAB——組分A在組分B中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。,,一、分子擴(kuò)散系數(shù)的特性如圖所設(shè)，當(dāng)抽掉隔板后，氣體A就會(huì)向右擴(kuò)散，氣體B就會(huì)向左擴(kuò)散。由菲克定律，得設(shè)壓力不太高，則在容器中的任何一點(diǎn)，由得而微分上式，得同樣由C=Constant，得在任何一點(diǎn)的任何方向上，有所以

6、上述結(jié)論也適用于液體。,,,,,2-2-2氣相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散,二、等分子反向擴(kuò)散如圖所設(shè)，且設(shè)如圖實(shí)驗(yàn)裝置中的兩個(gè)容器為無(wú)限大，則抽掉隔板并經(jīng)過(guò)一個(gè)不穩(wěn)定擴(kuò)散后，有(1)由于1、2截面上的不隨時(shí)間而變，所以在聯(lián)通管中的分子擴(kuò)散是穩(wěn)定的。(2)由于聯(lián)通管中任何一點(diǎn)C=Constant，所以在聯(lián)通管中任何一點(diǎn)的任何方向上有，即聯(lián)通管中的分子擴(kuò)散是等分子反向擴(kuò)散。定義：傳質(zhì)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積傳遞的質(zhì)量，由于在聯(lián)通管中除濃度差引起的分子擴(kuò)散外，沒(méi)有其他原因引起質(zhì)量的傳遞，所以聯(lián)通管中的傳質(zhì)速率就等于分子擴(kuò)散通量，即由,得微分上式，得所以定積分上式，得所以所以又由得所以pA與z成線性關(guān)系

7、，且pA隨z減小。顯然，上述結(jié)論完全適用于組分B。三、一組分通過(guò)另一停滯組份的擴(kuò)散將上述實(shí)驗(yàn)裝置中右邊容器改盛溶劑。設(shè)氣液相界面只允許A分子通過(guò)，且溶劑不揮發(fā)。則抽掉隔板并經(jīng)過(guò)一個(gè)不穩(wěn)定擴(kuò)散后，由于1,i截面上的pA,pB不隨時(shí)間而變，所以聯(lián)通管中的傳質(zhì)是穩(wěn)定的。,定義：總體流動(dòng)通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積由于流體的總體流動(dòng)沿流體的流動(dòng)方向傳遞的A和B的總質(zhì)量，N，kmol/(m2?s)。由于在聯(lián)通管中除了濃度差引起的分子擴(kuò)散外，流體的總體流動(dòng)也引起質(zhì)量的傳遞，所以聯(lián)通管中的傳質(zhì)速率就等于分子擴(kuò)散通量與總體流動(dòng)引起的傳質(zhì)速率之和，即由氣液相界面不允許B分子通過(guò)，得。所以由得所以所以（分子擴(kuò)

8、散也是等分子反向擴(kuò)散）且所以,將代入上式得定積分上式，得所以由得所以令——對(duì)數(shù)平均分壓所以由，得,對(duì)比知反映總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)的作用。又由，知對(duì)傳質(zhì)的作用就象順?biāo)兄?，水流加大了船的速度一樣。所以稱為漂流因數(shù)。又由得所以pA與z成非線性關(guān)系，且隨pA的減小，也減小，所以pA隨z向下彎曲。由，知pB隨z向上彎曲。,2-2-3液相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散,將上述實(shí)驗(yàn)裝置中的氣液界面移至1截面，則仿效氣相中的一組分通過(guò)另一靜止組分的分子擴(kuò)散，得由于對(duì)液體的分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律遠(yuǎn)不及對(duì)氣體研究得充分，因此，只能仿效氣相中的分子擴(kuò)散速率方程寫出液相中的相應(yīng)方程。,2-2-4擴(kuò)散系數(shù),一、氣相擴(kuò)散系數(shù)，（低壓下）由上式，得二

9、、液相擴(kuò)散系數(shù)（非電解質(zhì)稀溶液）,2-2-5對(duì)流傳質(zhì),一、渦流擴(kuò)散(對(duì)流)：由流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀運(yùn)動(dòng)傳遞質(zhì)量的過(guò)程。二、對(duì)流傳質(zhì)：湍流流體中分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散兩種傳質(zhì)作用之和，即式中。三、傳質(zhì)方式和濃度分布1．層流分子擴(kuò)散線性層流底層分子擴(kuò)散近似線性2．湍流過(guò)渡流區(qū)分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散非線性湍流主體區(qū)渦流擴(kuò)散為主近似水平線四、有效膜：層流底層濃度分布線延線一湍流主體區(qū)濃度分布線延線交點(diǎn)與相界面的距離，zG，zL，m。五、對(duì)流傳質(zhì)速率方程1．氣膜傳質(zhì)速率方程設(shè)有效膜的流體按層流流動(dòng)，則有效膜內(nèi)的傳質(zhì)方式為一組分通過(guò)另一停滯組份的擴(kuò)散，所以2．液膜傳質(zhì)速率方程同理可得,2-2-6吸收過(guò)程的機(jī)理,一雙膜理

10、論1．氣液兩相間存在穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一層有效膜，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的傳質(zhì)方式由氣相主體進(jìn)入液相主體。2．在相界面處，氣液兩相達(dá)到平衡。3．在氣液兩相主體中，溶質(zhì)濃度均勻。二、溶質(zhì)滲透理論液面由無(wú)數(shù)微元流體組成，液面上的每個(gè)微元都在與氣相接觸某一相同時(shí)間后進(jìn)入液相主體。三、表面更新理論液面由無(wú)數(shù)微元流體組成，但液面上每個(gè)微元與氣相接觸的時(shí)間不同，服從某個(gè)分布函數(shù)，各種年齡的微元被置換下去的機(jī)率相等（與年齡無(wú)關(guān)），而與該年齡的微元數(shù)成正比。雖然溶質(zhì)滲透理論和表面更新理論比雙膜理論更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但還不能用于設(shè)計(jì)計(jì)算，所以吸收設(shè)備的設(shè)計(jì)仍以雙膜理論為基礎(chǔ)。,2-2-7吸收速率方程式,一、分吸收

11、速率方程（牛頓冷卻定律）2．氣膜分吸收速率方程令——?dú)饽し謧髻|(zhì)（吸收）系數(shù)，kmol/(m2?s?kPa)。則仿效上式，得3．液膜分吸收速率方程令——液膜分傳質(zhì)（吸收）系數(shù)，kmol/(m2?s?kmol/m3)。則仿效上式，得由得所以用作圖法可求出界面濃度,三、總吸收速率方程（總傳熱方程）仿效分吸收速率方程，得——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)（吸收）系數(shù)，kmol/(m2?s?kPa)或kmol/(m2?s)?！合嗫倐髻|(zhì)（吸收）系數(shù)，kmol/(m2?s?kmol/m3)或kmol/(m2?s)四、總系數(shù)與分系數(shù)及其之間的關(guān)系由得相加,由得所以所以對(duì)比得同理可得由知總阻力等于氣膜阻力和液膜阻力之和。當(dāng)溶質(zhì)

12、溶解度很大，即H很大時(shí)，，傳質(zhì)阻力主要在氣膜，稱為氣膜控制傳質(zhì)過(guò)程。當(dāng)溶質(zhì)溶解度很小，即H很小時(shí)，，傳質(zhì)阻力主要在液膜，稱為液膜控制傳質(zhì)過(guò)程。又,相比上兩式，得同理可得又由對(duì)比得同理可得，，,第三節(jié)吸收塔的計(jì)算2-3-1物料衡算與操作線方程,一、物料衡算設(shè)V——惰性氣體的摩爾流量，kmol/s；L——溶劑的摩爾流量，kmol/s。其他如圖所設(shè)，對(duì)全塔進(jìn)行溶質(zhì)的物料衡算，則所以或定義：回收率：溶質(zhì)被吸收的百分率，即所以（3）若已知?jiǎng)t可由式（3）求，然后由式（1）求。,二、吸收操作線方程如圖所設(shè)，對(duì)圖中虛線范圍進(jìn)行溶質(zhì)的物料衡算，則所以——吸收操作線方程或由式（2），得——吸收操作線方程顯然，吸收

13、操作線為一直線。,2-3-2吸收劑用量的決定,一、吸收劑用量對(duì)操作線的影響由知所以存在適宜的吸收劑用量或適宜的液氣比，理論上應(yīng)以設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)之和為最小來(lái)確定適宜液氣比，而實(shí)際上是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取操作液氣比為最小液氣比的某個(gè)倍數(shù)。,二、最小液氣比由圖解得若則或所以操作液氣比,2-3-3塔徑的計(jì)算,由得式中D——塔徑，m；Vs——混合氣體的體積流量，m3/s；u——空塔氣速，即以空塔截面積計(jì)算的混合氣體的流速，m/s。,2-3-4填料層高度的計(jì)算,一、基本計(jì)算式如圖所設(shè)，對(duì)微元填料層進(jìn)行溶質(zhì)的物料衡算，則所以設(shè)微元填料層內(nèi)的氣液接觸面積為dA，則式中a——單位體積填料所具有的氣液接觸面積，m2/m3

14、；?——塔的橫截面積，m2。由z處的總吸收速率方程得所以對(duì)低濃度穩(wěn)定吸收，為常數(shù)，可視為常數(shù)。所以,二、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)令——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元高度，m；——液相總傳質(zhì)單元高度，m；——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元數(shù)；——液相總傳質(zhì)單元數(shù)。則當(dāng)時(shí)，，即由定積分中值定理得所以,所以傳質(zhì)單元高度是溶質(zhì)濃度的改變與該層填料內(nèi)的平均推動(dòng)力相等時(shí)的填料高度。同理可得——?dú)庀喾謧髻|(zhì)單元高度，m；——液相分傳質(zhì)單元高度，m；——?dú)庀喾謧髻|(zhì)單元數(shù)——液相分傳質(zhì)單元數(shù)由得同理三、傳質(zhì)單元數(shù)的求法1．對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法設(shè)則,由得，所以令則所以成線性關(guān)系，其斜率也為所以所以令——對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力,則同理1．脫吸因數(shù)法由吸收操作線

15、方程得代入得所以,在上式對(duì)數(shù)項(xiàng)中的分子中加入，并整理，得令——脫吸因數(shù)得所以若以S為參數(shù)，則可以用平面圖表示該函數(shù)關(guān)系（圖2-19），從而方便計(jì)算。同理或式中——吸收因數(shù),3、數(shù)值積分法或圖解積分法當(dāng)平衡線為曲線時(shí)，令則數(shù)值積分法有矩形法、梯形法和拋物線法（辛普森法）。4、梯級(jí)圖解法當(dāng)平衡線為直線或彎曲程度不大時(shí)，可用梯級(jí)圖解法求總傳質(zhì)單元數(shù)。步驟如下：（1）建立平面直角坐標(biāo)系XOY。（2）畫(huà)出平衡線OE和操作線TB。（3）將操作線和平衡線之間垂直線中點(diǎn)聯(lián)線NM。（4）從點(diǎn)T出發(fā)，作水平線交NM于點(diǎn)F，延長(zhǎng)TF至點(diǎn)F’，使FF’=TF，過(guò)點(diǎn)F’作垂直線交于TB于點(diǎn)A。再?gòu)狞c(diǎn)A類推作梯級(jí)，直至達(dá)

16、到或超過(guò)點(diǎn)B。5）每個(gè)梯級(jí)代表一個(gè)氣相總傳質(zhì)單元。由得而F’A代表塔頂一段填料內(nèi)氣相濃度的變化（YA-YT）又，（彎曲程度不大）即HH*代表該段填料內(nèi)氣相總推動(dòng)力的算術(shù)平均值（Y-Y*）m所以梯級(jí)TF’A代表一個(gè)氣相總傳質(zhì)單元。將操作線和平衡線之間的水平線中點(diǎn)聯(lián)線，用類似的方法可以求出液相總傳質(zhì)單元數(shù)。,2-3-5理論板層數(shù)的計(jì)算（自學(xué)）,第四節(jié)吸收系數(shù),傳質(zhì)（吸收）系數(shù)是進(jìn)行吸收塔設(shè)計(jì)型和操作型計(jì)算的基礎(chǔ)。獲取傳質(zhì)（吸收）系數(shù)的途徑,,,2-4-1吸收系數(shù)的測(cè)定,一、總系數(shù)由得式中——?dú)庀囿w積總傳質(zhì)（吸收）系數(shù)，kmol/(m3?s)；——吸收負(fù)荷，kmol(A)/s；——填料體積，m3二、

17、膜（分）系數(shù)（以測(cè)為例）由得所以又所以先測(cè)，后求，再求（后面解釋）而氧氣微溶于水，即,2-4-2吸收系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式,一、用水吸收氨式中——?dú)饽んw積分傳質(zhì)（吸收）系數(shù)，kmol/(m3?h?kPa)；G——?dú)庀嗫账|(zhì)量速度，kg/(m2?h)；W——液相空塔質(zhì)量速度，kg/(m2?h)。條件：?12.5mm陶瓷環(huán)形填料。二、常壓下用水吸收二氧化碳式中——液膜體積分傳質(zhì)（吸收）系數(shù)，kmol/(m3?h?kmol/m3)；U——噴淋密度，m3/(m2?h)。條件?10~32mm的陶瓷環(huán)；U=3~20m3/(m2?h)；G=130~580kg/(m2?h)；T=21~27?C。,三、用水吸收二氧化硫

18、式中?為常數(shù)，見(jiàn)表2-6中（P133）；條件：G=320~4150kg/(m2?h)；W=4400~58500kg/(m2?h)；?25mm的環(huán)形填料。,2-4-3吸收系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,一、傳質(zhì)過(guò)程中常用的幾個(gè)準(zhǔn)數(shù)1．施伍德（Sherwood）準(zhǔn)數(shù)（）——?dú)庀嗍┪榈聹?zhǔn)數(shù)；()——液相施伍德準(zhǔn)數(shù)。()2．施密特（Schmidt）準(zhǔn)數(shù)（）——?dú)庀嗍┟芴販?zhǔn)數(shù)；——液相施密特準(zhǔn)數(shù)；3．雷諾準(zhǔn)數(shù)——?dú)庀嗬字Z準(zhǔn)數(shù)；而——填料層中氣體通道的當(dāng)量直徑，m；,所以式中u0——?dú)怏w通過(guò)填料層中通道的實(shí)際流速，m/s；?——空隙率，m3/m3；G——?dú)怏w的空塔質(zhì)量流速，kg/(m2?s)；?——比表面積，即單位體積

19、填料層內(nèi)的填料表面積，m2/m3；u——空塔氣速，m/s。同理——液相雷諾準(zhǔn)數(shù)；式中W——液體的空塔質(zhì)量流速，kg/(m2?s)。4.伽利略（Gallilio）準(zhǔn)數(shù)二、計(jì)算氣膜吸收系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式或,三、計(jì)算液膜吸收系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式四、氣相及液相傳質(zhì)單元高度的計(jì)算式（經(jīng)驗(yàn)公式）——?dú)庀喾謧髻|(zhì)單元高度——見(jiàn)表2-7(P127)——?dú)庀喾謧髻|(zhì)單元高度——見(jiàn)表2-8(P128)由得所以又,第五節(jié)脫吸及其它條件下的吸收2-5-1脫吸,一、方法惰性氣體——適用于溶劑的再生水蒸汽———適用于溶質(zhì)的回收和溶劑的再生二、計(jì)算1．操作線方程（同吸收）,或（同吸收）2.最小氣液比3.填料層高度，，式中——吸收因數(shù),