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分離氣體混合物的傳質(zhì)過程。(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)過程，該過程既可使溶劑再生，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)，用硫酸吸收焦爐氣中的氨。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．精餾中進行雙向傳質(zhì)，而吸收中進行單向傳質(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：氣液兩相達到相平衡時，溶質(zhì)在液相中的濃度，記為CA、x、X。2．平衡分壓：氣液兩相達到相平衡時，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。當總壓不太高時，可忽略總壓對溶解度的影響，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x?0.05時，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，功耗小無毒、無腐蝕、不易燃、不發(fā)泡、冰點低、價廉易得,第二節(jié)傳質(zhì)機理與吸收速率2-2-1分子擴散與菲克定律,,一、分子擴散：由流體分子的微觀運動傳遞質(zhì)量的過程。二

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

6、上述結(jié)論也適用于液體。,,,,,2-2-2氣相中的穩(wěn)定分子擴散,二、等分子反向擴散如圖所設(shè)，且設(shè)如圖實驗裝置中的兩個容器為無限大，則抽掉隔板并經(jīng)過一個不穩(wěn)定擴散后，有(1)由于1、2截面上的不隨時間而變，所以在聯(lián)通管中的分子擴散是穩(wěn)定的。(2)由于聯(lián)通管中任何一點C=Constant，所以在聯(lián)通管中任何一點的任何方向上有，即聯(lián)通管中的分子擴散是等分子反向擴散。定義：傳質(zhì)速率：單位時間內(nèi)垂直通過單位面積傳遞的質(zhì)量，由于在聯(lián)通管中除濃度差引起的分子擴散外，沒有其他原因引起質(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、一組分通過另一停滯組份的擴散將上述實驗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，且溶劑不揮發(fā)。則抽掉隔板并經(jīng)過一個不穩(wěn)定擴散后，由于1,i截面上的pA,pB不隨時間而變，所以聯(lián)通管中的傳質(zhì)是穩(wěn)定的。,定義：總體流動通量：單位時間內(nèi)垂直通過單位面積由于流體的總體流動沿流體的流動方向傳遞的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散外，流體的總體流動也引起質(zhì)量的傳遞，所以聯(lián)通管中的傳質(zhì)速率就等于分子擴散通量與總體流動引起的傳質(zhì)速率之和，即由氣液相界面不允許B分子通過，得。所以由得所以所以（分子擴

8、散也是等分子反向擴散）且所以,將代入上式得定積分上式，得所以由得所以令——對數(shù)平均分壓所以由，得,對比知反映總體流動對傳質(zhì)的作用。又由，知對傳質(zhì)的作用就象順水行舟，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)定分子擴散,將上述實驗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另一靜止組分的分子擴散，得由于對液體的分子運動規(guī)律遠不及對氣體研究得充分，因此，只能仿效氣相中的分子擴散速率方程寫出液相中的相應(yīng)方程。,2-2-4擴散系數(shù),一、氣相擴散系數(shù)，（低壓下）由上式，得二

9、、液相擴散系數(shù)（非電解質(zhì)稀溶液）,2-2-5對流傳質(zhì),一、渦流擴散(對流)：由流體質(zhì)點的宏觀運動傳遞質(zhì)量的過程。二、對流傳質(zhì)：湍流流體中分子擴散和渦流擴散兩種傳質(zhì)作用之和，即式中。三、傳質(zhì)方式和濃度分布1．層流分子擴散線性層流底層分子擴散近似線性2．湍流過渡流區(qū)分子擴散和渦流擴散非線性湍流主體區(qū)渦流擴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與相界面的距離，zG，zL，m。五、對流傳質(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，則有效膜內(nèi)的傳質(zhì)方式為一組分通過另一停滯組份的擴散，所以2．液膜傳質(zhì)速率方程同理可得,2-2-6吸收過程的機理,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)以分子擴散的傳質(zhì)方式由氣相主體進入液相主體。2．在相界面處，氣液兩相達到平衡。3．在氣液兩相主體中，溶質(zhì)濃度均勻。二、溶質(zhì)滲透理論液面由無數(shù)微元流體組成，液面上的每個微元都在與氣相接觸某一相同時間后進入液相主體。三、表面更新理論液面由無數(shù)微元流體組成，但液面上每個微元與氣相接觸的時間不同，服從某個分布函數(shù)，各種年齡的微元被置換下去的機率相等（與年齡無關(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驗結(jié)果，但還不能用于設(shè)計計算，所以吸收設(shè)備的設(shè)計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——氣膜分傳質(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——氣相總傳質(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。當溶質(zhì)

12、溶解度很大，即H很大時，，傳質(zhì)阻力主要在氣膜，稱為氣膜控制傳質(zhì)過程。當溶質(zhì)溶解度很小，即H很小時，，傳質(zhì)阻力主要在液膜，稱為液膜控制傳質(zhì)過程。又,相比上兩式，得同理可得又由對比得同理可得，，,第三節(jié)吸收塔的計算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)，對全塔進行溶質(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）若已知則可由式（3）求，然后由式（1）求。,二、吸收操作線方程如圖所設(shè)，對圖中虛線范圍進行溶質(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)備費和操作費之和為最小來確定適宜液氣比，而實際上是根據(jù)經(jīng)驗選取操作液氣比為最小液氣比的某個倍數(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，即以空塔截面積計算的混合氣體的流速，m/s。,2-3-4填料層高度的計算,一、基本計算式如圖所設(shè)，對微元填料層進行溶質(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——氣相總傳質(zhì)單元高度，m；——液相總傳質(zhì)單元高度，m；——氣相總傳質(zhì)單元數(shù)；——液相總傳質(zhì)單元數(shù)。則當時，，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)的平均推動力相等時的填料高度。同理可得——氣相分傳質(zhì)單元高度，m；——液相分傳質(zhì)單元高度，m；——氣相分傳質(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．對數(shù)平均推動力法設(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——對數(shù)平均推動力,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,在上式對數(shù)項中的分子中加入，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平衡線為曲線時，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、梯級圖解法當平衡線為直線或彎曲程度不大時，可用梯級圖解法求總傳質(zhì)單元數(shù)。步驟如下：（1）建立平面直角坐標系XOY。（2）畫出平衡線OE和操作線TB。（3）將操作線和平衡線之間垂直線中點聯(lián)線NM。（4）從點T出發(fā)，作水平線交NM于點F，延長TF至點F’，使FF’=TF，過點F’作垂直線交于TB于點A。再從點A類推作梯級，直至達

16、到或超過點B。5）每個梯級代表一個氣相總傳質(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)氣相總推動力的算術(shù)平均值（Y-Y*）m所以梯級TF’A代表一個氣相總傳質(zhì)單元。將操作線和平衡線之間的水平線中點聯(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)的計算（自學(xué)）,第四節(jié)吸收系數(shù),傳質(zhì)（吸收）系數(shù)是進行吸收塔設(shè)計型和操作型計算的基礎(chǔ)。獲取傳質(zhì)（吸收）系數(shù)的途徑,,,2-4-1吸收系數(shù)的測定,一、總系數(shù)由得式中——氣相體積總傳質(zhì)（吸收）系數(shù)，kmol/(m3?s)；——吸收負荷，kmol(A)/s；——填料體積，m3二、

17、膜（分）系數(shù)（以測為例）由得所以又所以先測，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)驗公式,一、用水吸收氨式中——氣膜體積分傳質(zhì)（吸收）系數(shù)，kmol/(m3?h?kPa)；G——氣相空塔質(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)的準數(shù)關(guān)聯(lián)式,一、傳質(zhì)過程中常用的幾個準數(shù)1．施伍德（Sherwood）準數(shù)（）——氣相施伍德準數(shù)；()——液相施伍德準數(shù)。()2．施密特（Schmidt）準數(shù)（）——氣相施密特準數(shù)；——液相施密特準數(shù)；3．雷諾準數(shù)——氣相雷諾準數(shù)；而——填料層中氣體通道的當量直徑，m；,所以式中u0——氣體通過填料層中通道的實際流速，m/s；?——空隙率，m3/m3；G——氣體的空塔質(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——液相雷諾準數(shù)；式中W——液體的空塔質(zhì)量流速，kg/(m2?s)。4.伽利略（Gallilio）準數(shù)二、計算氣膜吸收系數(shù)的準數(shù)關(guān)聯(lián)式或,三、計算液膜吸收系數(shù)的準數(shù)關(guān)聯(lián)式四、氣相及液相傳質(zhì)單元高度的計算式（經(jīng)驗公式）——氣相分傳質(zhì)單元高度——見表2-7(P127)——氣相分傳質(zhì)單元高度——見表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),