环工原理第八章吸收.

第八章 吸收
2018/8/13
第1节
概
述
气体吸收过程和工业应用
吸收分离操作： 利用混 合气体中各组分在液体 中溶解度差异，使某些 易溶组分进入液相形成 溶液，不溶或难溶组分 仍留在气相，从而实现 混合气体的分离。
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1 概
述
吸收质或溶质：混合气体中的溶解组分，以A表示。
二、物理吸收的动力学基础——双膜理论 （一）双膜理论
•相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面
上没有传质阻力，气液两相处于平衡状态。
•界面两侧分别存在着两层虚拟停滞膜，气膜和液 膜。气相一侧叫气膜，液相一侧叫液膜 ，这两层 膜均很薄，膜内的流体是层流流动，溶质以分子 扩散的方式进行传质。
•膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶
2) 气液相中溶质的摩尔分数表示的亨利定律
y mxA
* A
x A-----溶质在液相中的摩尔分数
y A-----与溶液平衡的气相中的溶质的摩尔分数
m——相平衡常数 ，是温度和压强的函数。 m值越大，表明气体的溶解度越小。
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m与E的关系： 由分压定律知 ： p
P y
*
c p H
C A——溶质A在液相中的物质的量浓度，kmol/m3.
H——溶解度系数 ，单位：kmol/(m3· Pa)或kmol/(m3· atm)。
H是温度的函数，H值随温度升高而减小。 易溶气体H值大，难溶气体H值小。 H与E的关系:
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C0 H E
C 0 ——液相总物 质的量浓度， kmol/m3.
N A K G ( p p*)
K G— 以 p 为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s.Pa)
p * —与液相主体浓度c成平衡的气相分压，Pa。
b）以△y为推动力的吸收速率方程
NA Ky( y y )
*
K y —以△y为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s)。
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述
吸收分离操作的目的： 分离 混 合气 体 以获 得一
定的组分，如用硫酸处理焦
炉气以回收其中的氨。
除去 有 害组 分 以净 化气
体，如用水和碱液脱除合成 氨原料气中的二氧化碳。 制备 某 种气 体 的溶 液 ， 如用水吸收二氧化氮制造硝
酸。
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吸收过程的分类
1 概
述
物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应， 可视为单纯的气体溶解于液相的过程。 化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧 化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。 单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余 组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。 多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。
由
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Y mx y mx 得, * 1Y 1 x
*
*
mX Y 1 (1 m ) X 当溶液浓度很低时，X≈0， 上式简化为：
*
Y mX
*
亨利定律的几种表达形式也可改写为：
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P * x , c HP E y Y * * x , X m m
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3、传质过程的限度
Y Y* Y Y*=mX Q Y* o X* X
第 2节
两组分溶液的气液平衡
Y
Y P Y*=m X
X
o
X
X*
X
对吸收而言： 若保持液相浓度 X 与之相平衡的浓度 若保持气相浓度 Y 2018/8/13 升高到与气相浓度
不变，气相浓度 Y 最低只能降到 Y*，即 Ymin=Y*； 不变，则液相浓度 X 最高也只能 Y 相平衡的浓度 X*，即 Xmax=X*。
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NA NA NA KG kG Hk L
1 1 1 K G kG Hk L
1 1 1 、 、 分别为总阻力、气膜阻力和液膜阻力 K G kG Hk L
即总阻力=气膜阻力+液膜阻力
同理
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1 H 1 K L kG k L
1 1 m K y k y kx
KY K G P
K X K LC , K x CK L
非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。 等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。
本章所作的基本假定 ①单组分吸收,其余组分可视为一个惰性组分。 ②溶剂的蒸汽压很低，因此气相中不含溶剂蒸汽 。
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第二节 物理吸收
几个基本概念 相平衡：一定条件下，气-液相中溶质正、逆 扩散速率达到相等，于是就出现了平衡状态。 气体的溶解度:是在一定条件下吸收可能达 到的最高限度，它与气体和溶剂的性质有关， 并受温度和压力的影响。此时的溶液已被溶 质所饱和，被称为饱和溶液，溶液的浓度被 称为平衡浓度或饱和浓度。 相平衡时，气相和液相中溶质的组成不再变 化，此时溶液上方气体溶质的分压，称为平 衡分压。
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第2节 两组分溶液的气液平衡
Y Y
P
Y*=mX
(Y－Y*)
Y* o X
(X*-X)
X*
X
当气液相的组成均用摩尔分数表示时，
吸收的推动力可表示为： 以气相组成差表示的吸收推动力； y y ：
*
以液相组成差表示的吸收推动力。 x x：
*
3、确定过程的极限 所谓过程的极限是指两相充分接触后，各 相组成变化的最大可能性。
2、液膜吸收速率方程式
令 DC k L
Z Lc sm
DC NA (ci c ) z Lc sm
N A kL (ci cA ) ——液膜吸收速率方程
或
k L —以 c 为推动力的液膜吸收系数，m/s；
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Fra Baidu bibliotek
ci c A NA 1 kL
当液相的组成以摩尔分率表示时
b）以( X * X ) 表示总推动力的吸收速率方程式
NA KX (X *X)
K X—以X 为推动力的液相总吸收系数，kmol/(m2.s)
4、各种吸收系数之间的关系 1）总系数与分系数的关系
N A K G ( p p*)
N A kG ( p pi )
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1、气膜吸收速率方程式
DAB P NA ( p A pi ) ZG RT PBm
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令
DAB P kG ZG RTPBm
N A kG ( pA pi ) —— 气膜吸收速率方程式
k G ——气膜吸收系数， kmol/(m2.s.kPa)。
也可写成：
p A pi NA 1 kG
P
释 放 溶 质
Y*=mX
吸收溶质
X
X*
X
结论：若系统气、液相浓度 (Y,X) 在平衡线上方，则 体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。
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气、液相浓度 (Y,X) 在 平衡线下方(P点)： Y 相对于液相浓度 X 而言，气相浓度为欠 Y*=mX Y* 饱和(Y* > Y)，溶质 吸收溶质 由液相向气相转移。 Q Y 相对于气相浓度 释放溶质 Y 而言，液相浓度 过 饱 和 (X* < X) ， o X* X X 故液相有释放溶质 的能力。 结论：若系统气、液相浓度 (y,x) 在平衡线下方，则 体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。
NA p pi kG
NA P P* KG
NA N A k L (ci c ) c i c k L 由亨利定律：
ci Hpi c Hp *
N A k L (ci c ) k L H ( pi p*)
NA pi p* Hk L

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一、热力学基础
1、亨利定律
pA Ex A
p
* A -----溶质A在气相中的平衡分压;
E——亨利常数，单位与压强单位一致 。 E 值取决于物系的特性及温度；温度 T 上升， E 值增大；
在同一溶剂中，E值越大的气体越难溶。
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2、亨利定律的其他表示形式
1）用溶质A在溶液中的摩尔浓度和气相中的分压表 示的亨利定律 * A A
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3、用摩尔比浓度为总推动力的吸收速率方程式 适用条件：溶质浓度很低时 a）以 (Y Y *) 表示总推动力的总吸收速率方程式 据分压定律
p Py
Y y 1Y
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Y p P 1Y
Y* p* P 1Y *
代入
N A K G ( p p*)
2、以液相组成表示总推动力的吸收速率方程式 a）以△c为推动力的吸收速率方程
N A K L (c * c )
K L —以△c为推动力的液相总吸收系数，m/s
b）以△x为推动力的吸收速率方程
N A K x ( x x)
*
K x —以△x为推动力的液相总吸收系数，kmol/(m2.s)
质的浓度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传
质阻力集中在两层膜内。
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pA
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（二）气相与液相的传质速率方程
吸收速率： 单位面积,单位时间内吸收的溶质A的摩尔数， 用NA表示，单位通常用kmol/m2.s。 吸收传质速率方程： 吸收速率与吸收推动力之间关系 的数学式
吸收速率=传质系数×推动力
p y P
由亨利定律：
*

p E x
E y x P
即：
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E m P
3）用摩尔比Y和X分别表示气液两相组成的亨利定律 a) 摩尔比定义：
液相中溶质的摩尔数 X 液相中溶剂的摩尔数
x 1 x
气相中溶质的摩尔数 y Y 气相中惰性组分的摩数 1 y X Y x ,y 1 X 1Y
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当气相的组成以摩尔分率表示时
N A k y ( y yi )
k y —以 y 表示的气膜吸收系数，knoll/(m2.s)。
当气相组成以摩尔比浓度表示时
N A kY (Y Yi )
kY —以Y 表示推动力的气膜吸收系数，kmol/(m2.s)。
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*
第2节 两组分溶液的气液平衡 相平衡关系在吸收过程中的应用 1、判断过程进行方向
Y
气、液相浓度 (Y,X) 在平衡线 Y 上方(P点)： 相对于液相浓度 X 而言， 气相浓度为过饱和 (Y>Y*) ， 溶质由气相向液相转移。 Y* 相对于气相浓度 Y 而言， 液相浓度欠饱和 (X<X*) ，故 o 液相有吸收溶质的能力。
N A k x ( xi x )
k x —以 x 为推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2.s)。
当液相组成以摩尔比浓度表示时
N A kX ( Xi X )
k X —以 X 为推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2.s)。
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(三)、总传质速率方程式
1、以气相组成表示总推动力的吸收速率方程式 a）以△p为推动力的吸收速率方程
Y Y* N A KG ( P P ) 1Y 1Y * KG P NA (Y Y *) (1 Y )(1 Y *)
KG P KY 令 (1 Y )(1 Y *)
N A KY (Y Y *)
KY —以Y 为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s)
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第2节 两组分溶液的气液平衡
2、计算过程推动力 推动力可用一相的实际组成与其对应的平衡组成 之差来表示。实际组成偏离平衡组成的程度愈大，过 程的推动力愈大，其传质速率愈大，吸收/解吸过程 愈容易进行。
对吸收过程： (Y-Y*)：以气相摩尔分数 差表示的传质推动力； (X*-X)：以液相摩尔分数 差表示的传质推动力。 传质推动力的表示方法 可以不同，但效果一样。
1 1 1 K x mk y k x
在溶质浓度很低时
1 1 m K Y kY k x
1 1 1 K X k X mk Y
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2）总系数间的关系
a）气相总吸收系数间的关系
K y PK G
KG P KY * (1 Y )(1 Y )
当溶质在气相中的浓度很低时 b）液相总传质系数间的关系
惰性气体或载体：不溶或难溶组分，以B表示。
吸收剂：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。
吸收液：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶 剂S和溶质A。 吸收尾气：吸收后排出的气体，主要成分为惰性 气体B和少量的溶质A。
解吸或脱吸：与吸收相反的过程，即溶质从液相 中分离而转移到气相的过程。
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