第三章吸收

Ms
cT
对于稀溶液：x值很小 ρ c= ρ = Max + Ms(1 – x) Ms 对于很稀的水溶液： cT = ρ Ms
x
cT = = 1000 18
ρ Ms =55.5
c=55.5x
此数据要记住，考试时不给。 (2)摩尔分率与比摩尔分率间的换算： y x Y= X= y= 1-y 1-x Y 1 +Y X 1+X
m
相平衡系数系数，无单位
上述3种形式的亨利定律，最常见的是最后一种形式，相平衡常数有时不是 已知，而是给定亨利常数(或溶解度系数)，所以必须知道它们相互间的换 算关系。 P* E E E P*=Ex x x y* = = m p p p p * y=p*/p y mx
二、相组成的表示方法及其换算： 1.相组成的表示方法： m3 (气体) /m3 (溶剂) 、kmol/ m3 、 kg/ m3 、摩尔分率x、y， 在以后的计算中，我们经常要用到比摩尔分率X、Y， Y= mol(吸收质)/mol(溶剂)， y x Y= X= 1-y 1-x 2.各种浓度间的换算关系： (1)溶液中吸收质的浓度c与x间的换算关系： ρ c= = cT x Max + Ms(1 – x) ρ 溶液的密度 吸收剂的摩尔质量 溶液的总浓度，mol(吸收质+吸收剂)/ m3 (溶液) Ma 吸收质的摩尔质量 X= mol(吸收质)/mol(惰性质)
①溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解度，或者说在一定的温度 与浓度下，溶质的平衡分压要低。这样，从平衡角度来说，处理一定量 混合气体所需溶剂量较少，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低；就过 程数率而言，溶质平衡分压↓，过程推动力大，传质数率快，所需设备 尺寸小。 ②溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶剂应具备较高的选择 性。若溶剂的选择性不高，将同时吸收混合物中的其他组分，只能实现 组分间某种程度的增浓而不能实现较为完全的分离。 ③溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶 解度要大，平衡分压要小，而且随着温度升高，溶解度应迅速下降，平 衡分压应迅速上升。这样，被吸收的气体容易解吸，溶剂再生方便。
x=
(3)亨利定律的比摩尔分率形式： mX Y*= 对于稀溶液：Y*= mX 1 +(1 – m) X 浓度间的换算关系例题见书
第三节 吸收速率
在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题：过程的极限和过程的速 率。吸收过程的极限决定于吸收的相平衡常数。本节将讨论吸收的速率问 题。吸收过程涉及两相间的物质传递。两相间物质的传递机理包括三种。 一、吸收传质机理： 1.物质的扩散形式： ⑴分子扩散：由分子自身的热运动所引起的物质传递。这种传质类似于传 热中的热传导，是分子微观运动的宏观统计结果。发生在静止或层流流体 里的扩散就是分子扩散。 分子扩散遵循费克定律：扩散速率即单位即单位时间扩散传递的物质量与 传质面积和沿传质方向的浓度梯度成正比,在稳定条件下 N=· A⊿c/ 式中:N -------扩散速率,mol 2 -------扩散距离 ,m A------传质面积 ,m
化学吸收的平衡主要由当时条件下的吸收反应的化学平衡来决定。
三、吸收方法和流程：
1.吸收方法：增大气液接触面积，使吸收更快更完全地进行。
(1)喷淋吸收：把液体分散成小液滴，液体为分散相，气体为连续相； (2)鼓泡吸收：气体分散成小气泡，气体为分散相，液体为连续相；
(3)膜式吸收：液体沿着某一壁面成膜状流动，液体为分散相，气体为连续相。
第三章
第一节 第二节 第三节 第四节 概述
吸
收
吸收的相平衡 吸收速率 强化吸收的途径
第五节
第六节
典型吸收设备
填料吸收塔的计算
第一节
概 述
一、吸收及其在化工生产中的应用： 1.吸收：就是用液体来吸附、收集气体。 吸收是一种以质量传递理论为基础的单元操作，在此过程中，气体由气 相通过扩散传递进入液相，从而完成传递与转移。此类的单元操作还有 蒸馏、萃取、吸附、干燥等等。
N=
1 m + 则
1
Ky
=
1 ky
+
m kx
N=Ky A ( y - y*)-----------气相总吸收速率方程式
Ky是以气相浓度差( y - y*)表示总推动力时的吸收传质系数,简称为气相吸收传 质总系数,单位为mol· m-2· s-1 (2)液相总吸收速率方程式： N = Kx A ( x* - x ) 1 1 1 = + Kx kym kx KX是以液相浓度差(x* - x )表示总推动力时的吸收传质系数,简称为液相吸收传 质总系数,单位为mol· m-2· s-1 (3)吸收速率方程式的其它表示方法：书上69页 (4) KX与Ky的换算 ： KX =m Ky
共同特点：增大气液 接触面积，使吸收更 快更完全地进行。 2.吸收流程： (1)单程吸收 (2)循环吸收 (3)吸收与解吸结合 吸收流程的共同特点：
逆流
四、实现吸收操作所要解决的问题： 1.实现吸收操作所要解决的问题：
①选择合适的溶剂，使能选择性地溶解某个（或某些）被分离组分； ②提供适当的传质设备（多位填料塔，也有板式塔）以实现气液两相的接触，使 被分离组分得以从气相转移到液相（吸收）或气相(解吸)； 2.溶剂的选择
3.亨利定律： 吸收操作最常用于分离低浓度的气体混合物，此时液相的浓度通常比较低， 即常在稀溶液范围内。稀溶液的溶解度曲线通常近似地为一过原点的直线， 即气液两相的浓度成正比，这一关系称为亨利定律。气液组成用不同的单位 表示时，亨利定律有以下3种形式：
p* A Ex A
C* A Hp A
y* mx
④溶剂的蒸汽压要低，不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸收和再生过程 的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂质。
⑤溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质； ⑥溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触和 塔顶的气液分离。 ⑦溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。 实际上很难找到一个理想的溶剂能够满足上述所有要求，应对可供选择 得溶剂做全面的评价，以便作出经济、合理的选择。 3.吸收操作的经济性 吸收总费用＝设备(塔、换热器等)折旧费＋操作费(占比重大)
a.气液两相作相对运动时，在两相的界面两侧存在着作层流流动的稳定的气 膜和液膜。
按照这一观点，吸收过程就是这样进行的 ：
气相湍流主体 y
气膜 液膜 液相湍流主体 x
气膜边界
界面，yi，xi
液膜边界
b.在两相界面上，吸收质的溶解是瞬时完成的，且在界面上，气液两相总是 处于平衡状态，即吸收质在通过界面时并不受任何阻力的影响。 c.吸收质在气相主体和液相主体中的扩散是以涡流扩散的方式进行的，而气 膜和液膜中的则是以分子扩散的方式进行。 双膜理论的优势：极大地简化了吸收过程，为计算吸收速率奠定了基础，对 强化吸收传质过程起一个积极的推进作用。 双膜理论的局限性：只适用于流速不大的情况，否则稳定的界面和双膜均不 存在。 （2）溶质渗透理论（希格比 Higbie，1935年） 希格比认为液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完全的混合，使液体 的浓度均匀化，在某一时间内，液相中发生的不再是定态的扩散过程，而是 非定态的扩散过程。 （3）表面更新理论（丹克沃茨 Danckwerts,1951年） 丹克沃茨认为液体在流动过程中表面不断更新，即不断地有液体从主体转 为界面而暴露于气相中，这种界面不断更新传质过程大大强化，其原因在于 原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处，现通过表面更新， 深处的液体就有机会直接与气体接触以接受传质。
三、吸收速率方程：
1.传热与传质过程的比较 ：
传热过程是冷、热两液体间的热量传递，传递的是热量，传递的推动力 是两流体间的温度差，过程的极限是温度相等；吸收过程是气液两相间的物 质传递，传递的是物质，但传递的推动力不是两相的浓度差，过程的极限也 不是两相浓度相等。 2.吸收速率方程：
接触面积 推动力 对吸收：吸收速率=系数 接触面积 推动力
操作费用主要包括：
①气、液两相流经吸收设备的能量消耗； ②溶剂得挥发度损失和变质损失；
③溶剂的再生费用，即解吸操作费用(在三者中占比例最大)。
第二节
1.气体的溶解度：
吸收的相平衡
一、吸收的相平衡和气体的溶解度：
在一定的温度与总压下，使一定量的溶剂与溶质接触，溶质便由气相向液 相转移，随着溶液浓度的逐渐增高，传质速率将逐渐减慢，最后降为零， 此时气液两相达到相平衡，液相中溶质达到饱和，浓度达到一最大限度 ， 称为平衡溶解度，简称为溶解度（溶解度可以用不同的方式表示，相平衡 关系亦可用不同的方式表示。 注意：此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间进入液相 的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，在宏观上过程就象是 停止了。这种状态称为相际动平衡，简称相平衡。 当吸收达到相平衡时，则有： 吸收质的溶解度=饱和浓度=溶液的最大浓度=溶液的平衡浓度 2.溶解度的影响因素： 气体和溶剂的性质、温度、压力都会影响气体的溶解度。
2· -3 D c--------------扩散系数 ,m s-1 ⊿ 浓度差 ,mol· m
⑵涡流扩散：是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为涡流扩散。 发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是涡流扩散。 (3)对流扩散：分子扩散和涡流扩散合称为对流扩散。
将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，这就是分子扩散的结果。 若用勺搅动杯中水，则将甜得更快更均匀，那便是对流扩散的结果。 2.有关吸收机理的理论： （1）有效膜理论(双膜理论)（刘易斯Lewis、惠特曼 Whitman，1923年）
x
y P*
液相中吸收质的摩尔分率，单位：mol(吸收质)/mol(溶液)
气相中吸收质的摩尔分率，单位：mol(吸收质)/mol(混合气体) 与液相平衡的气相中吸收质的分压，单位：Pa或MPa
c
H E
液相中吸收质的浓度，即溶解度，单位：kmol/m3
常数，称为溶解度系数，单位：kmol/m3Pa 亨利系数，单位：Pa
2.基本概念：
吸收质、吸收剂、惰性质 3.吸收的应用： ①回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品； ②除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理 , 如 有害气体会使催化剂中毒，必须除去；或除去工业放空尾气中的有害 物,以免污染大气。
二、吸收操作的类型：
1.物理吸收：吸收时溶质与溶剂不发生明显的化学反应，如洗油吸收苯， 水吸收CO2、SO2等。 物理吸收一般都是可逆的，吸收所能达到的最大程度取决于吸收条件下吸 收质在液相中所能达到的平衡溶解度，吸收速率则取决于气相转移到液相 的扩散速度。 2.化学吸收：吸收时溶质与溶剂或溶液中的其它物质发生化学反应。如CO2 在水中的溶解度甚低，但若用K2CO3水溶液吸收CO2，则在液相中发生下列反 应： K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3 从而使K2CO3水溶液具有较高的吸收CO2的能力，作为化学吸收可被利用的化 学反应一般都满足以下条件： a.可逆性。若该反应不可逆，溶剂将难以再生和循环使用 b.较高的反应数率。若反应速率较慢，应研究加入适当的催化剂以加快反 应速率。 化学吸收的速率由扩散速率和化学反应速率决定。一般比物理吸收的速率大。
对传热：q=kAΔt=系数 吸收过程中吸收质穿过气膜和液膜的速率分别为： 设y 和x分别为气液相主体中吸收质的摩尔分率,yi和xi分别为界面上气液两相 中吸收质的摩尔分率,则在吸收过程中吸收质穿过气膜和液膜的速率分别是 N = ky A (y-yi) N = kx A (xi-x)
式中: N--------吸收质的吸收传质速率, mol· s-1 A--------气液接触面积,m2 kx ------液膜吸收传质分系数,mol· m-2· s-1 y-yi --------气膜中的吸收推动力,摩尔分率差; xi-x--------液膜中的吸收推动力,摩尔分率差: ky --------气膜吸收传质分系数,mol·m-2· s-1 (1)气相总吸收速率方程式： 根据双膜理论的第二条，在界面上气液两相处于平衡状态,因而符合亨利定 律： yi = m xi 另外,设与浓度为x(摩尔分率)的溶液平衡的气相中吸收质的摩尔分率为y*,则 y*=mx yi = m xi N = kx A (xi-x) N kyA = ( y - yi) N = (yi – y*) kxA/m 1