化工原理第八章 气体吸收

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一、费克定律 (Fisk‫ۥ‬s Law)
T、P一定,一维定态的分子扩散速率与浓度 梯度成正比。
A组分在A、B双组分混合物中的扩散系数
JA
DAB
dc A dz
与 du 形式相同
dy
扩散速率(kmol/m2٠s) A组分在扩散方向z上
的浓度梯度
对于气体
JA
DAB RT
dpA dz
以分压表示的浓度梯度
产生原因:压强差 运动方向:向相界 携带组分:A和B
三、分子扩散的速率方程
传质速率(N):单位时间通过单位面积的A物质量 (kmol/m2٠s)
PQ截面净传质速率
P
N NM JA JB
JA
JA JB
NM
N NM NA NB
JB
Q
组分A传质速率方程: N
主体流动中组分A所占分额
A
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加压和降温溶解度高,有利于吸收
减压和升温溶解度低,有利于解吸
二、亨利定律(Henry’s Law)
难溶气体;易溶气体稀溶液(y<10%或x<5%)
稀溶液的溶解度曲线近似一条直线,即气液两相 平衡浓度成正比。
可溶气体的分压
pe Ex (8-1)
亨利常数,物系一定 E f (T ) (Pa)
T↑,E↑,x↓ 同溶剂:难溶气体E值大,易溶气体E值小
吸收过程涉及两相间的物质传递,它包括三个步骤
(1)溶质由气相主体传递到两相界面(气膜阻力)
(2)溶质在界面上由气相进入液相,即溶解过程 (无阻力)
(3)溶质由界面传至液相(液膜阻力)
(1)分子扩散 单相内物质传递的机理:
(2)对流传质
8.3.1 双组分混合物中的分子扩散
由分子的无规则热运动而造成的物质传递现象
混合液摩尔数
混合液平均摩尔质量
cM
nM VM
mM VM M M
m
MM
对稀溶液: MM MS
m s
cM
S MS
Pe
Ex
E
nA nM
E nA VM VM nM
E c
cM
E H
cM
体系总压不高,气体服从Dalton‫ۥ‬s Law pe Py
y pe Ex y mx
PP
m E P
二、指明过程的极限
增加吸收剂用量:y2 ↓
ye mx
b • b'
减少吸收剂用量: x1↑ y2
a•
y2e
a'
增加塔高:y2↓ x1 ↑
0
x1 x1e
吸收操作气相最小浓度不会低于平衡浓度
y2,min y2e mx 2
吸收操作液相最大浓度不会超过平衡浓度
x1,max
x1e
y1 m
三、计算过程的推动力
以摩尔分率差为推动力的气相传质系数 kmol/(s٠m2)
相界面与液相间的对流传质速率
相界面处溶质A的浓度 液相主体中溶质A的浓度(kmol/m3)
N A kL(ci c)
(kmol/m2٠s) (8-30)
以浓度差为推动力的液相传质系数 m/s
相界面处溶质A的摩尔分率 液相主体中溶质A的摩尔分率
授课老师:万惠萍
8.1 概 述(General)
一、名词概念
吸收: 利用混合气体各组分在某种液体中溶解度的
不同而达到分离的操作
A—溶质(Solute) B—惰性组分(载体) S—溶剂(Solvent)
吸收后得到的液体
——吸收液
经吸收后的气体
——净化气或尾气
B
S
吸收设备
A+B 气相
S+A 液相
分离气体混合物
y2
吸收剂
x2

收y
y

A
x
ye
气相推动力 y-ye A •
ye f (x)
液相推动力 xe-x
混合气体
y1
x1
0
x
xe
课堂练习:
混合气体各组分溶解度不同
1、吸收操作的基本依据是什么?
2、吸收溶剂的选择性指的是什么:
对被分离组分溶解度高,对其它组分溶解度低
3、若某气体在水中的亨利系数E值很大,说明该气体 为 难溶 气体。
局限: 溶质渗透时间难以测得,仅用于描述液相内的传质
3、表面更新理论(Danckwerts 1951)
实质: 湍流流体液面不断更新,流体单元在液面处以非定态
扩散方式从气相吸收溶质后返回液相主体。
特点: 彻底抛弃膜模型,随机模型更贴近实际。
局限: 更新频率难以测得,仅用于描述液相内的传质
8.4 相际传质 (Mass Transfer Between Phase)
对双组分物系,若 cM cA cB const
则: dcA dcB dz dz
结论:物质A的扩散必伴有物质B 的等量的反向扩散
JB
DBA
dcB dz
即: J A JB
等分子 反向扩散
JA
DAB
dc A dz
DAB DBA D
二、伴随有主体流动的扩散
吸收是A组分的单向扩散 混合气体向界面处的宏观流动称为主体流动
JA JA JA
N N
M
c
cA cM
A
cM
(NA NB
)
cA cM
四、分子扩散速率的积分式
1、等分子反向扩散 N 0
N
A
J
A
D
dcA dz
定态时:
NA
D
(c A1
cA2 )
(8-17)
2、单向扩散 N B 0
N A (1
cA cM
)
JA
D
dcA dz
积分得:
NA
D
cM cBm
(cA1
NH3水密度 L 1000kg / m 3

cA
15 1015
/ 17 / 1000
0.869kmol
/
m3
pA 0.0244101.3 2.27kPa
H pA 2.27 2.612 kPa m3 / kmol cA 0.869
H值也可用下面求法:
cM
S
MS
1000 18.02
55.5Kmol / m 3
二、吸收目的 除去有害组分以净化气体
制备某种气体的溶液
三、解吸操作:溶质(A)与溶剂(S)的分离
方法:
得到溶质 溶剂再生
A+S
A
解吸设备
(A)+S
液相
气相
升温 减压 吹气
物理吸收、化学吸收
四、吸收的分类 等温吸收、非等温吸收
单组分吸收、多组分吸收
五、溶剂的选择
选择性强(单一性选择) 易于再生 蒸气压低(不易挥发) 稳定性好(化学、物理) 无毒廉价(安全、经济)
4、易溶气体溶液上方的分压 低 ,难溶气体溶液上 方的分压 高 。
5、解吸时溶质由 液相 向 气相 传递;压力 低 , 温度 高 ,将有利于解吸的进行。
6、接近常压的低浓度气液平衡系统,当总压增加时, 亨利常数E 不变 ,H 不变 ,相平衡常数m ↓ 。
8.3 扩散和单相传质 (Diffusion & Transfer)
cA2 )
(8-20)
NA
D
(cA1
cA2 )
NA
D
cM cBm
(c A1
cA2 )
比较式(8-17)与(8-20)可知,
在单向扩散时因存在主体流动而使A的传递速率
NA较等分子反相扩散增大了
cM cBm
或p pBm
倍。
cM 和 p 称为漂流因子,
cBm
pBm
其值恒>1
当混合物中A浓度很低时,cBm cM , 漂流因子≈1
温度与压强对亨利常数的影响:
T↑
E(H)↑
溶解度 ↓ 对吸收不利
低压(<5atm)下,E、H与总压无关
m——相平衡常数,是温度和压强的函数
T↑ m ↑ x(溶解度)↓
P↓ 吸收宜在低温、高压下进行操作
例:
已知:总压p=1atm,温度T=293K 时,NH3在水中的 溶解度数据: 液相:cA*=15kgNH3/1000kgH2O 气相:pA=0.0244atm
H E 146 2.612 kPa m3 / kmol cM 55.5
8.2.2 相平衡与吸收过程的关系
一、判别过程的方向
y>ye或x<xe
A
y

发生吸收; 反之发生解吸
ye f (x)
ye f (x)
ye
ye
y
•B
0
x
xe
0
xe
x
若状态点在平衡曲线上方,则发生吸收过程;
若状态点在平衡曲线下方,则发生解吸过程;
亨利定律的其他表示形式:
摩尔浓度表示的液相组成
pe Hc
(8-2)
亨利常数(溶解度系数)
(Pa m3 / kmol)
ye mx
(8-3)
亨利常数(相平衡常数)
亨利常数E、m、H大,表明是难溶物系。
三个常数之间的换算关系:
pe Ex pe Hc ye mx
设混合液的平均密度为 m (kg / m3 ) ,混合液的 摩尔浓度为 cM (kmol / m3 )
同理:
y yi
NA
xi x 1
y yi 1
m 1
kx
ky
kym
xi x ( xe xi ) xe x
1 1
1 1
kx kym
kx kym
K x ( xe x)
1 Kx
(8-54)
以△x为推动力的总传质系数(kmol/m2٠s)
气相主体中溶质A的分压
相界面处溶质A的分压 kPa
N A kG ( p pi ) (kmol/m2٠s)
(8-28)
以分压差为推动力的气相传质系数 kmol/(s٠m2٠kPa)
气相主体中溶质A的摩尔分率 相界面处溶质A的摩尔分率
N A k y ( y yi ) (kmol/m2٠s)(8-29)
N A kx ( xi x)
(kmol/m2٠s) (8-31)
以摩尔分率差为推动力的液相传质系数 kmol/(s٠m2)
传质系数kG、ky、kL、kx之间的关系:
k y PkG kx cM kL
8.3.5 对流传质理论
1、有效膜理论(双膜理论)(Whitman 1923)
要点:
相界面两侧各有一层静止膜;
仿传热时处理方法:
NA
y yi 1
xi 1
x
( xi
x)m m
ky
kx
kx
y
yi ( xi x)m 1 m ky kx
y ye 1m
ky kx
K y ( y ye )
1 Ky
(8-51)
以△y为推动力的总传质系数(kmol/m2٠s)
N A K y ( y ye )
1 1 m (8-52) Ky ky kx
传质阻力都集中在静止膜中;
膜内为定态分子扩散。
局限:
适用于有固定相界面系统(湿壁塔、低气速填料塔); 对自由相界面系统(如高速湍动两流体间)误差大。
2、溶质渗透理论(Higbie 1935)
实质: 将液膜内的扩散由定态修正为非定态,强调浓度梯度
形成(渗透过程)的时间对传质的影响。
特点: 引用非定态过程的解析方法使模型与实际较接近
另一个液相
精馏:不同物质在气、液两相间的转移。
九、传质与传热间的异同
介质
传递 推动力
传热 冷热两流体 热量 温差
吸收 气液两相间 物质 浓度差
推动力的单位 K或℃ 有多种
传热 吸收
过程终点 热平衡(温度相等) 相平衡(不是浓度相等)
8.2 气液相平衡(Gas-liquid equilibrium)
相组成的表示方法
液相: x —摩尔分率
溶质摩尔数 混合物摩尔数
c—摩尔浓度
溶质摩尔数 混合物体积
(kmol / m3 )
a—质量浓度
气相: y—摩尔分率
溶质质量 溶剂质量
溶质摩尔数 混合物摩尔数
p—温度一定时的气相分压
(g/ g)
(Pa)
8.2.1 平衡溶解度
一、溶解度曲线
相平衡:
在一定温度下,气液两相长时间接触,两相 趋于平衡,此时溶质在两相中的浓度服从某种确 定的关系,即相平衡关系。
六、吸收与解吸联合操作的流程
说明:1、一般采用逆流吸收,推动力大 2、多塔吸收(几个塔串联,以降低塔高) 3、低温、加压,溶解度大,有利于吸收
七、吸收设备
填料吸收塔
(微分接触设备)
板式吸收塔
(级式接触设备)
八、质量传递过程(传质过程)
物质在相际间的转移
它所包括的单元操作有: 吸收:气相 液相
萃取:一个液相
8.3.3 对流传质
流动的流体与相界面之间的传质称作对流传质
一、不同流动形态的传质机理
静止的流体:分子扩散
层流流动的流体:分子扩散,浓度梯度大于静态
湍流流动的流体:对流扩散(分子扩散+涡流扩散) 横向脉动加速传质
二、对流传质(吸收)速率
传质速率=传质系数×推动力
气相与界面间的对流传质速率
8.4.1 相际传质速率方程
相界面
y
气相: N A k y ( y yi )
yi
液相: N A kx ( xi x)
1
xi x
相界面平衡: yi mx i
主体浓度: y mx e
ky
y
a •
yi
•b
1 kx
x ye
ye
m
x xi xe
相平衡方程为 ye=mx 时,相际总传质速率方程:
求:此时溶解度系数H、亨利系数E、相平衡常数m。
解:浓度换算:
x nA nA
15 / 17
0.0156
n nA nS 15 / 17 1000 / 18
y pA 0.0244 0.0244 p1
m y 0.0244 1.44 x 0.0156
E pm 11.44 1.44atm 1.441.013105 146kPa
平衡分压(饱和分压)
相平衡时溶质在气相中的分压
平衡浓度(饱和浓度)——气体溶解度
相平衡时溶质在液相中的含量
溶解度曲线:
将平衡时溶质在两相中的含量相关联得到的曲 线即溶解度曲线。 用分压表示的氨的溶解度曲线:
同种气体:
分压一定,
T↓, 溶解度↑ T一定,
分压↑, 溶解度 ↑
溶解度与温度和气相中的分压有关:
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