化工原理 第八章 吸收

百度文库平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压pA*，液相中的
溶质浓度称为平衡浓度cA*，简称为溶解度。
8.2.1 气液相平衡关系
二、相律 自由度F＝ 组分数－相数+2 单组分物系（1个溶质）： 组分数3个(溶质、惰性气体和溶剂)，相数2个(气、液) F＝ 组分数－相数+2＝3－2+2 = 3
即在温度、总压和气、液组成四个变量中，三个是自变量。
设计时： 由吸收任务和要求可以确定GB、
Yb、Ya。 由工艺条件可知道Xa。
因此，点A(Xa，Ya)(表示塔顶状 态)固定，GB也固定。点B(Xb， Yb)(表示塔底状态)Yb固定，B点 在水平线上移动，由斜率确定， 即由Ls确定。 若Ls减小，B点向C点靠近，Xb增 大，即出塔液体浓度增大，推动 力减少。
亨利定律
（适用于稀溶液）
p ExA
A
y mxA
* A
E＝C/H
m=E/P
8.3 吸收过程模型及传质速率方程
一、总传质速率方程 二、界面浓度的求取
三、传质阻力分析
8.3.1 双膜模型在吸收中的应用
1、气相中的溶质传递到液相，分为三个步骤：
1）气相与界面的对流传质； 2）溶质在界面上的溶解； 3）界面与液相的对流传质。
一、总传质速率方程
一、总传质速率方程 用总传质系数表示的速率方程
pG
一、总传质速率方程
N A kL (Ci CL )
气相主体浓度
y mxi
* i
Ci p H
* i
气体界面浓度
pi 气膜 液膜
k x ( xi x)
N A kG ( pG pi ) k y ( y yi )
8.2.2 亨利定律
三、亨利系数
亨利系数由实验确定，它随物性和温度而变化。 对于一定气体溶于一定溶剂，温度升高，E增大。
8.2.2 亨利定律
四、三个系数间的关系 E=C/H
m=E/P
8.2.2 亨利定律
CA H pA
H：溶解度常数，kmol/(m3Pa) 1）H越大，溶解度越大 2）T越大，H越小 E：亨利常数，Pa 1）E越大，溶解度越小 2）T越大，E越大 m：相平衡常数，无因次 1）m越大，溶解度越小 2）T越大，m越大 P越大，m越小 难溶气体 > E < H m > 易溶气体 E H m
8.4.1 物料衡算和操作线方程
一、全塔物料衡算 吸收塔内气、液流率和组成如图所示，下标a代表塔顶，b代表 塔底。
气体：混合气体的总流量G变化，惰性气体B的流率GB不变 液体：溶液的总流量L变化，溶剂(吸收剂)S的流率Ls不变 GB = G(1-y)，Ls = L(1-x) 气、液组成采用摩尔比： Y= y/1-y ， X= x/1-x
液体界面浓度 Ci
液相主体浓度
* * N A K G (pG pL ) K L (CG CL )
CL
K y ( y y * ) K x ( x* x )
一、总传质速率方程
分传质速率方程
N A k y ( y yi ) N A k x ( xi x ) N A k G ( p A pi ) N A k L (C i C A )
各传质系数之间的关系
k y P kG kx C kL K y P KG Kx C KL KG K L H
1 1 1 Kx K y m K x mk y k x
讨论一：各推动力的图示
一、总传质速率方程 用总传质系数表示的速率方程
1、 吸收：操作点在平衡线上方
2）以液相浓度表示
液相总传质速率方程
NA=KL (cG*－cL)=Kx (x*－x)
液气相总传质阻力
1 1 H K L k L kG
液气相总传质推动力
CG*-CL=HPG-CL
1 1 1 K x k x mk y
x * -x=y/m-x
一、总传质速率方程
Ky 和Kx 的关系： mKy =Kx Ky 和Kx 的单位：Ky: kmol/(m2.s.△y) Kx : kmol/(m2.s.△x)
一、分传质速率方程
令：界面上气液两相浓度为yi、xi 1.气相与界面的对流传质； NA=kG (pG－pi) =ky (y－yi) 3.界面与液相的对流传质；
NA=kL (ci－cL)=kx (xi－x)
2.溶质在界面上的溶解； yi = f (xi ) 采用 yi = mxi 双膜模型：(y－yi)代表气相传质推动力，(xi－x) 代表液相传质
将溶解度cA*表示成温度t、总压P和气相组成的函数，即cA* ＝f( t、P、气相组成)，这个关系式称为相平衡关系。 在总压不很高的情况下，认为溶解度cA*与总压无关，则 cA*＝f( t、pA) ； pA*＝f( t、cA)
8.2.1 气液相平衡关系
①在相同的温度和分压下，不同气体溶解度有很大的差别。
3、A点（塔顶、Xa,Ya）在B点（塔底、Xb,Yb）的左下方。 4、 直线AB上任一点P代表塔内相应截面上气、液浓度Y、X。 5、PR代表液相摩尔比差表示的总推动力(X*-X)，PQ代表气 相摩尔比差表示的总推动力(Y-Y*)。 6、操作线离平衡线越远，气相（或液相）总推动力越大。
8.4.2 吸收剂用量的确定
（3）挥发性 （4）黏性 （5）其它
不易挥发 粘度要低 无毒，无腐蚀性，不易燃烧，不发泡。 价廉易得，化学稳定性等
8.2.1 气液相平衡关系
一、汽液溶解平衡
气液溶解相平衡：气体混合物与溶剂接触，溶质气体向液相
转移，使溶液中溶质(A)的浓度cA增加，直到达到饱和，浓度不 再发生变化，这种状态称为汽液溶解平衡。
8.1 概述
吸收过程分类
8.1 概述
1、吸收设备－塔设备（板式塔、填料塔）
2、吸收流程
（1）单一吸收流程 （2）多塔吸收流程
8.1 概述
3）吸收剂在吸收塔内再循环流程 4）吸收－解吸流程
8.1 概述
3、吸收剂的选择 （1）溶解度 对溶质组分有较大的溶解度
（2）选择性
对溶质组分有良好的选择性
对其它组分基本不吸收或吸收甚微
解吸：操作点在平衡线下方
2、
c b
气相分传质推动力：线ab
气相总传质推动力：线aB 液相分传质推动力：线ac 液相总传质推动力：线aA
点a（x，y）：操作点，表示吸收塔某横截面上气相浓度y和液相浓度x。 点p（xi，yi）：表示吸收塔某横截面上气、液两相相界面上的浓度。
讨论二：界面浓度的求取
方法一：
8.4.1 物料衡算和操作线方程
物料衡算关系：对溶质A，气相的减少＝液相的增加 ①全塔物料衡算： GB (Yb-Ya) = LS (Xb-Xa)
吸收率η： ＝被吸收的溶质/进塔气中的溶质＝(Ya－Yb)/Yb＝1－Ya/Yb
8.4.1 物料衡算和操作线方程
②对塔顶与任意截面间作物料衡算： GB (Y-Ya) = LS (X-Xa) 操作线方程：
吸收操作时，表征吸收程度有两种方式：
(1)吸收的目的是为了回收有用物质，用吸收率表示。 (2)吸收的目的是为了除去气体混合物中的有害物质，直接规 定出塔气体有害物质的浓度Ya
8.4.1 物料衡算和操作线方程
操作线方程:
1、直线斜率：Ls/GB（称为液气比） 2、过A（塔顶、Xa,Ya）、B（塔底、Xb,Yb）两点
(1) ky＜＜kx。直线ab的斜率 － kx/ky。 直线ab很陡。 (2) m很小，相平衡线OE平坦，表明 溶质在吸收剂中的溶解度很大，如
水吸收NH3、HCl。
三、传质阻力分析
1 1 1 K x mk y k x
液相阻力控制(液膜控制)：当 1/mky＜＜1/kx，则 1/Kx≈1/kx。 此时传质阻力集中于液相。 液膜控制的条件：
推动力，穿过界面的传质阻力可以忽略，气、液在界面达到平 衡。
一、分传质速率方程
2、分传质速率方程 1）气相侧 气相侧分传质速率方程 NA=kG (pG－pi) =ky (y－yi)
气相侧分传质阻力
气相侧分传质推动力
1 kG
PG Pi y yi
1 ky
一、分传质速率方程
2）液相侧 液相侧分传质速率方程 NA=kL (ci－cL)=kx (xi－x)
8.4 吸收塔计算：
板式塔 吸收 填料塔（本章采用填料塔分析和讨论吸收过程） 并流 吸收 逆流（通常采用逆流操作，因为逆流的传质推动力大） 吸收塔计算： 已知（给定任务）： 1、处理的气流量G 2、气体混合物的初(yb)、终浓度(ya) 3、选定吸收剂 4、吸收剂的入塔浓度 5、相平衡关系 吸收塔的主要计算项目： 1、吸收剂用量 2、溶液的出塔浓度 3、所需填料层高度。
液气相侧分传质阻力
液相侧分传质推动力
1 kL
Ci C L
1 kx
xi x
一、总传质速率方程
气相与界面的对流传质：NA=kG (pG－pi) =ky (y－yi)。 界面与液相的对流传质：NA=kL (ci－cL)=kx (xi－x)
溶质在界面上的溶解：
yi = mxi
y y i x i x ( x i x )m y i y * ( y y i ) ( y i y * ) y y * NA 1 1 1 1 1 1 1 m m m ky kx kx kx k y kx Ky ( y yi ) * * x x ( x xi ) ( xi x ) x * x m i 1 1 1 1 1 mk y mk y mk y k x Kx
一、总传质速率方程
3、总传质速率方程 1）以气相浓度表示 气相总传质速率方程 NA=KG (pG－pL*) =Ky (y－y*)
气相总传质阻力
1 1 1 K G kG Hk L
气相总传质推动力 PG-PL*=PG-CL/H
1 1 m K y k y kx
y-y*=y-mx
一、总传质速率方程
联立方程求解（xi，yi） 相平衡关系：yi＝mxi 方法二： 从a(x,y)出发，作斜率为-kx/ky 的一条直线，此直线与平衡线 的交点即为界面浓度(xi,yi)。
讨论三：传质阻力分析
气相阻力控制(气膜控制)： 1/ky＞＞m/kx，则 1/Ky≈1/ky，此时传质阻力集中于气相。
气膜控制的条件：
② O2、CO2，溶解度很小，称难溶气体；
③ NH3，溶解度很大，称易溶气体； ④介乎两者之间SO2称溶解度适中气体。 ⑤加压和降温可以提高气体溶解度，cA*＝f( t、pA) ，对吸收有利。
8.2.2 亨利定律
平衡关系：pA*＝f( t、cA) 一、亨利定律： 稀溶液、低压和一定温度下，气、液达到溶解相平衡 pA*＝ExA 二、亨利定律三种表达式 pA*=ExA cA*=HpA y*=mx E为亨利系数 H为溶解度系数 m为相平衡常数 单位 Pa 单位 kmol/（m3· Pa） 单位 无因次
总传质速率方程
N A K y ( y y*) N A K x ( x* x ) N A K G ( p A p* A) N A K L (C * A CA)
总传质系数与分传质系数的关系
1 1 1 K G kG HkL 1 1 1 m K y k y kx 1 H 1 K L kG k L
(1) ky＞＞kx。直线ab平坦。
(2) m很大，相平衡线OE很陡， 表明溶质在吸收剂中的溶解度很 小，如以水吸收O2、CO2 。
三、传质阻力分析
ky∝G0.7；ky∝L0.7 对于气膜控制，增加气体流率，可有效增加总传质系数 Ky≈ky，加快吸收过程。 对于液膜控制，增加液体流率，可有效增加总传质系数 Kx≈kx，加快吸收过程。
8.1 概述
吸收：利用气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来 分离气体混合物的操作。
溶质A（吸收质）：能溶于液体的组分 惰性组分B：不能溶于液体的组分 吸收剂S：吸收操作所用的溶剂
吸收液（溶液）：溶有溶质的溶液
吸收尾气：排出的气体，主要成分为惰性气体，还含有残余溶 质
8.1 概述
吸收在化工中的应用： 1．制取化工产品 将气体中需要的成分用指定的溶剂吸收出来，成为液态产 品。如：用水吸收HCl、NO2制取工业盐酸和硝酸。 2．分离气体混合物 工业上利用吸收分离气体混合物。热甲碱法吸收二氧化碳。 3．从气体中回收有用组分 用洗油回收粗苯或二氯乙烷。 4．气体净化 ①原料气的净化。 ②尾气、废气的净化以保护环境。 5．生化工程 菌体在发酵罐中培养。发酵罐中要给予大量的空气以维持 微生物的正常代谢，要应用空气中的氧在水中吸收这一过程。