化工基礎(chǔ)課件武漢大學(xué)第5章.ppt

第五章 吸收,吸收操作利用組成混合氣體各組分在溶劑中溶解度不同，來(lái)分離氣體混合物的操作，稱為吸收操作。 在吸收過(guò)程中，吸收所用的溶劑稱為吸收劑；被吸收劑吸收溶解的組分稱為吸收質(zhì)；不被吸收的組分稱為惰性組分或載體；吸收了溶質(zhì)后的溶液則稱為吸收液。,1 化工生產(chǎn)中的吸收操作,1-1 吸收操作的類型,吸收的工業(yè)應(yīng)用 （1）分離混合氣體。是最主要的應(yīng)用。 （2）氣體凈化。例如某廠放空氣體中含有有毒有害氣體A，不符合環(huán)境保護(hù)的排放標(biāo)準(zhǔn)，則選用合適溶劑將有害氣體吸收，使該廠放空氣體達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。 （3）制備液體產(chǎn)品。例如用水吸收氯化氫氣體制備鹽酸，用93%硫酸吸收SO3制備硫酸等等。,1-1 吸收分類,重點(diǎn)是低濃度氣體混合物的單組分等溫物理吸收。,吸收過(guò)程的氣、液接觸方式,1-2 吸收操作,吸收操作流程,通常的吸收過(guò)程都采用逆流操作，即液體從上到下，氣體從塔底通入，這樣可以保證全塔的平均推動(dòng)力最大，與傳熱時(shí)兩流體以逆流流動(dòng)的平均溫度差最大的原理相同。 吸收操作效率高的條件： 1選擇合適的吸收劑； 2提供適宜的傳質(zhì)設(shè)備； 3吸收劑的再生。,1-3 吸收劑的選擇,1溶解度對(duì)溶質(zhì)組分有較大的溶解度； 2選擇性對(duì)溶質(zhì)組分有良好的選擇性，即對(duì)其它組分基本不吸收或吸收甚微； 3揮發(fā)性 應(yīng)不易揮發(fā)； 4黏性 黏度要低； 5其它 無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、不易燃燒、不發(fā)泡、價(jià)廉易得，并具有化學(xué)穩(wěn)定性等要求。,溶解度,即在溫度T，總壓P和氣、液相組成共四個(gè) 變量中，有三個(gè)自變量，另一個(gè)是它們的函數(shù)：,2 氣液相平衡關(guān)系,氣液平衡時(shí)，溶質(zhì)在單位液體體積或質(zhì)量中的溶解度稱為平衡溶解度，而溶質(zhì)在氣相中的分壓則稱為平衡分壓或飽和分壓。在平衡狀態(tài)下，溶質(zhì)組分在兩相中的濃度服從相平衡關(guān)系。,物質(zhì)量比的定義為： 液相： 氣相：,式中：Y*A，XA平衡狀態(tài)時(shí)，溶質(zhì)A在氣相、液相 中的物質(zhì)的量的比； y*A，xA平衡狀態(tài)時(shí)溶質(zhì)A在氣相中、液相 中的摩爾分?jǐn)?shù)； p*A溶質(zhì)A在氣相中的平衡分壓； cA平衡狀態(tài)下溶質(zhì)A在液相中的物質(zhì)的量 濃度。,物質(zhì)的量比與摩爾數(shù)之間的關(guān)系：,若固定溫度、壓力不變，測(cè)得某動(dòng)平衡下，溶液上方氨的分壓為p1，此時(shí)溶于水的氨的濃度為x1；再改變濃度為x2，測(cè)得上方氨分壓為p2；依次類推，改變氨的濃度為xn，測(cè)得溶液上方氨的分壓為pn，如圖5-4所示。將這n個(gè)點(diǎn)，標(biāo)繪在圖上，即得在一定溫度、壓力下的溶解度曲線。,2-1 溶解度曲線,說(shuō)明：,(1) 不同氣體的溶解度差異很大,(2) 對(duì)于稀溶液，有,E是物性，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。可從有關(guān)手冊(cè)中查得。 E越大，表明溶解度越大，越易溶。 E隨溫度變化而變化，一般地，T，E。,2-2 亨利定律,對(duì)于非理想溶液，在低濃度下，服從亨利定律。 由圖看出，OD是平衡曲線，但在x=00.10的這一段，可以寫(xiě)成亨利定律的表達(dá)式。,p*A為溶質(zhì)A在氣相中的平衡分壓；E稱為亨利系數(shù)；xA為溶質(zhì)在溶液中所占的摩爾分率。 亨利定律還可寫(xiě)成： 比例系數(shù)H愈大，表明同樣分壓下的溶解度愈大。H可稱為溶解度系數(shù)，cA為單位體積溶液中溶質(zhì)A的物質(zhì)的量濃度molm-3。,亨利定律最常用的是下列形式：m為相平衡常數(shù)（亦稱亨利常數(shù)），量綱為1。m是溫度與壓強(qiáng)的函數(shù)，易溶氣體m值??；難溶氣體m值大。,亨利定律的其他形式：,E越大，表明溶解度越小， E隨溫度變化而變化， T，E。,m越大，表明溶解度越小， m隨溫度變化而變化， T，m，P，m。,亨利系數(shù)之間的關(guān)系,若以比摩爾分?jǐn)?shù)表示吸收質(zhì)在氣、液兩相的濃度，則：,代入：,得：,對(duì)于稀溶液，有：,2-3 相平衡與吸收過(guò)程的關(guān)系 1.用相平衡判斷過(guò)程進(jìn)行的方向,吸收過(guò)程：如A1點(diǎn)，在平衡線的上方， yAyA*，溶質(zhì)應(yīng)從氣相到液相。 解吸過(guò)程：如A2點(diǎn)，在平衡線的下方，yA*yA，溶質(zhì)應(yīng)從液相到氣相。,2用相平衡確定過(guò)程進(jìn)行的極限 在一定的溫度與壓力的條件下，當(dāng)氣、液傳質(zhì)達(dá)到平衡時(shí)，凈傳質(zhì)速率為零。在逆流操作時(shí)，含溶質(zhì)為yA，1的混合氣體從塔底送出，組成為Xa，2的吸收劑自塔頂淋下。塔很高，吸收劑用量很少，吸收液最終濃度XA，1也不會(huì)無(wú)限增大，其極值只與氣相濃度yA，1呈平衡的液相濃度xA，1* 。,3計(jì)算過(guò)程推動(dòng)力，分析過(guò)程進(jìn)行的難易,在圖中，在截面M-N中，推動(dòng)力以氣相濃度差表示為： 液相推動(dòng)力差表示為： 偏離平衡濃度越遠(yuǎn)，推動(dòng)力越大。,3 吸收速率方程,吸收過(guò)程中吸收速率是指單位時(shí)間內(nèi)、在單位相際傳質(zhì)面積上被吸收的溶質(zhì)量。 吸收速率可以表示為：,3-1 分吸收速率方程,分子擴(kuò)散流體內(nèi)某一組分存在濃度差時(shí)，則由于分子運(yùn)動(dòng)使組分從濃度高處傳遞至濃度低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。 費(fèi)克定律單位時(shí)間通過(guò)單位面積物質(zhì)的擴(kuò)散量與濃度梯度成正比。,以液相傳質(zhì)分系數(shù)表示的吸收速率方程,以氣膜傳質(zhì)分系數(shù)表示的吸收速度方程：,3-2 總吸收速率方程,1兩相間有物質(zhì)傳遞時(shí)，相界面兩側(cè)各有一層極薄的靜止膜，傳遞阻力都集中在這里。,2物質(zhì)通過(guò)雙膜的傳遞過(guò)程為穩(wěn)態(tài)過(guò)程，沒(méi)有物質(zhì)的積累。即， 總阻力=氣膜阻力+液膜阻力 當(dāng)濃度很稀時(shí)， KX=cM+KL KX以物質(zhì)的量比差表示的總推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)。 當(dāng)kGKl，為氣膜控制 當(dāng)kGKl，為液膜控制,3. 假定氣液界面處無(wú)傳質(zhì)阻力，且界面處的氣液組成達(dá)于平衡。,填料與分離的物系性質(zhì)有關(guān)。某溶劑對(duì)某溶質(zhì)的溶解度越大，越易吸收，填料高度會(huì)越小。這與分子間的力有關(guān)，即物系的相平衡關(guān)系。 與傳質(zhì)相界面的面積有關(guān)。單位體積填料提供的有效傳質(zhì)面積越大，達(dá)到相同分離要求的填料高度會(huì)越小。此即與填料的形狀有關(guān)。衡量填料形狀的因素，可用傳質(zhì)速率與傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)。 若物系相同，填料形狀亦相同，但處理的原料氣量（V）和原料氣的進(jìn)出口組成（y1和y2）不同，所以填料又與V，L，y1，y2，x1有關(guān)，此即與物料衡算有關(guān)。下面將分相平衡關(guān)系、傳質(zhì)速率、物料衡算等三個(gè)方面來(lái)展開(kāi)吸收過(guò)程。,4-1吸收塔的物料衡算和操作線方程,對(duì)吸收塔作物料衡算。從塔頂畫(huà)衡算范圍得：進(jìn)塔=出塔,上述兩式均可看作吸收塔的物料衡算方程，或稱為吸收塔操作線方程。,操作線方程式與操作線,在逆流操作線內(nèi)任取一平面，M-N，從該面到頂部作物料衡算：,同理，也可以從底部到所選平面做物料衡算；,上述兩個(gè)方程都稱為吸收操作線方程。,其斜率為塔內(nèi)的氣、液比，表明單位惰性氣體處理量mol與所選用吸收劑的量mol。該直線通過(guò)A，B兩點(diǎn)。平衡線為YA*=f（XA）,關(guān)于操作線： 操作線的端點(diǎn)B表示塔底氣、液組成（XA,1，YA,1），相對(duì)與全塔，它是最高點(diǎn)，稱為濃端；A點(diǎn)表示塔頂氣液組成（XA,2，YA,2），是氣、液組成最低點(diǎn)，稱為稀端。 操作線上任何一點(diǎn)表示對(duì)應(yīng)的氣、液兩相組成； 如M點(diǎn)，它的YA-YA*表示氣相推動(dòng)力，XA*-XA表示液相推動(dòng)力。操作線與平衡線相距越遠(yuǎn)，傳質(zhì)推動(dòng)力越大。 吸收操作線只與氣、液兩相的流量和組成有關(guān)，而與系統(tǒng)的平衡關(guān)系、操作溫度、壓強(qiáng)等因素?zé)o關(guān)。 吸收操作位于平衡線的上方，解吸線位于平衡線的下方。,4-2 吸收劑用量的確定，最小液氣比,在一般的吸收計(jì)算中， 是給定的。對(duì)于式 當(dāng)qn，C下降， 亦下降，表示塔底出口濃度上升。,不能再下降時(shí)的極限值， 此時(shí)的液氣比稱為最小液氣比。,4-3 吸收塔塔徑的計(jì)算,塔徑的大小是由生產(chǎn)能力與氣體的空塔氣速所決定的；,4-4 填料層高度基本計(jì)算式,對(duì)截面積為S，高為dH的微元填料層作物料衡算得 : 達(dá)到平衡時(shí)，氣體中溶質(zhì)的減少量等于液體中溶質(zhì)的增加量； 并等于被吸收的溶質(zhì)量。,對(duì)上式進(jìn)行積分可得： I II上式為計(jì)算填料的基本方程式。為單位體積填料內(nèi)有效接觸面積。因其不易求解，常將之與KX及KY的乘積進(jìn)行計(jì)算，稱為總體積吸收系數(shù),傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù),其中 的單位是M 稱為傳質(zhì)單元高度，用表示HoG。 H OG =,= 填料層高度 = 傳質(zhì)單元高度 傳質(zhì)單元數(shù),=,傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算,1. 對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法 當(dāng)平衡線為直線時(shí)， 因操作線也是直線，操作線與平衡線在任何一截面上的垂直距離 與YA顯線性關(guān)系，于是。,為過(guò)程的氣相平均推動(dòng)力，等于吸收塔兩端以氣相組成差表示的對(duì)數(shù)平均值。,2數(shù)學(xué)分析法,其實(shí)質(zhì)是一種解析積分法，當(dāng)平衡線過(guò)原點(diǎn)時(shí)，逆流吸收塔的操作方程為：,式中： 為解吸因數(shù)， 它對(duì)確定吸收塔的尺寸具有重要意義，一般它都小于1，在0.7-0.8之間。,同理得： 式中： 為吸收因數(shù)，吸收因數(shù)值愈大，愈有利于吸收過(guò)程 的進(jìn)行。,3. 圖解積分法,當(dāng)平衡線為曲線時(shí)，一般用下列二式求算填料層高度H： 傳質(zhì)單元數(shù) 和 只能用圖解積分法求解。,圖形積分的步驟： 繪出平衡線與操作線 由操作線和平衡線求出若干點(diǎn)與YA對(duì)應(yīng)的YA-YA*，計(jì)算對(duì)應(yīng)的1/YA-YA* 以YA為橫座標(biāo)，1/YA-YA*為縱座標(biāo)作圖，求出曲線下的面積，就是NOG。,吸收與解吸,為溶解、吸收,為解吸、脫吸,吸收示意圖 如圖所示，塔任一截面，氣體A的濃度（y）大于該截面上與氣液體濃度達(dá)成平衡的y*，即吸收塔，吸收塔操作線在平衡線上方。,解吸示意圖 如圖所示，塔任一截面，氣體中A的濃度（y）小于該截面上與液體濃度達(dá)成平衡的y*，即解吸塔，解吸塔操作線在平衡線下方。,吸收設(shè)備和流程,吸收流程,(3) 吸收劑在吸收塔內(nèi)再循環(huán)流程,(4) 吸收-解吸流程,