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1、化工原理 吸收第1页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收概述吸收操作1.定义分离物系：气体混合物（溶质A+载体B）造两相方式：引入吸收剂S传质原理：溶解度差异吸收结果：吸收液（大部分A+S）吸收尾气（B+微量A）吸收：利用各组分溶解度不同而分离气体混合物的单元操作。第2页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收概述2.分类 化学反应物理吸收：水吸收CO2化学吸收：碱液吸收CO2 组分数目单组分吸收：水吸收合成氨原料气（N2、H2、CO及CO2等）多组分吸收：洗油吸收焦炉气（苯、甲苯和二甲苯等）温度变化等温吸收：吸收时温度变化不明显非等温吸收：吸收时温度明显上升（热效应和反应热）溶质组成高低
2、低组成吸收高组成吸收重点：低组成单组分等温物理吸收的原理与计算第3页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收概述3.吸收与蒸馏之异同吸收与蒸馏比较第4页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收概述4.吸收用途 净化气体：用水或碱液脱除合成氨原料气中的CO2；制备某种气体的溶液：用水吸收氯化氢气体制取盐酸；回收混合气体中所需组分：用洗油处理焦炉气以回收芳烃；治理工业废气：脱除废气中含有SO2、NO2等有害气体。5.吸收剂的选择 溶解度：吸收剂对A的溶解度要大；选择性：吸收剂对混合气体中除A外的其他组分不吸收或吸收甚微；挥发度：挥发度小，其损失小；黏度：黏度低，利于改善流动状况；其他：无毒、无腐蚀
3、、价廉易得，且化学性质稳定。第5页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收相平衡1.气体溶解度吸收剂 S气体（AB）A 溶解A 逸出气体吸收相平衡 恒温和恒压时，气体混合物（AB）与吸收剂 S 接触，当气、液两相处于平衡时，其饱和组成（平衡组成）为x A，饱和分压（平衡分压）为p A*，关系为 气体溶解度：指气体在液体中的饱和组成，习惯上用单位质量（或体积）液体中所含溶质质量表示。第6页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收相平衡易溶：氨在水中的溶解度中等：二氧化硫在水中的溶解度难溶：氧在水中的溶解度规律：同温下，气相分压，溶解度；同分压下，温度，溶解度。加压和降温有利于吸收第7页，共60页
4、，编辑于2022年，星期五吸收相平衡2.亨利定律 亨利定律：在总压不高和恒温下，稀溶液上方的饱和分压与其饱和组成之间的关系。p x 若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔分数 x 表示，关系为（E：亨利系数，kPa）p c若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔浓度 c 表示，关系为H：溶解度系数，kmol/(kNm)第8页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收相平衡 y x 若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔分数y和x表示，关系为（m：相平衡常数或分配系数）Y X （最常用）若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔比Y和X表示，关系为（低组成吸收，xi很小）第9页，共60页，编辑于2022
5、年，星期五吸收相平衡 小结8种形式第10页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收相平衡 系数换算a.HE 若溶液组成为c i kmol(A)/m3、密度为 kg/m3 1 m3溶液中溶质A为c i kmol，溶剂S为（c i MA）/MS kmol（低组成吸收）第11页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收相平衡b.mEc.Hm第12页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收相平衡3.吸收相平衡的应用 判定传质方向若气相中溶质的实际组成为y i，溶液中溶质的实际组成为x i,传质方向由气相到液相,进行吸收传质方向由液相到气相,进行脱吸第13页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收相平衡
6、确定传质推动力以气相表示的传质推动力为：以液相表示的传质推动力为：吸收推动力第14页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收相平衡 指明传质极限平衡过程是传质过程进行的极限x2x1y1y2 相平衡关系限定了出塔气体的最低组成和吸收液离塔的最高组成。第15页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算传质机理与菲克定律1.吸收中的传递现象 吸收是溶质从气相转移到液相的单元操作，含2步：溶质由气相主体向相界面的传递和由相界面向液相的传递；物质在单一相中的转递是靠扩散完成的。传递步骤 扩散方式第16页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算传质机理与菲克定律2.分子扩散与菲克定律扩散现象 分子扩
7、散：在一相内部有组成差异的条件下，由于分子无规则热运动而形成的物质传递现象；习惯上简称为扩散；扩散在气相、液相和固相中均能发生。扩散通量(J)：反映扩散进行的快慢程度，指单位面积上单位时间内扩散传递的物质量，kmol/(m2s)。第17页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算传质机理与菲克定律 菲克定律：描述扩散过程的基本方程。（DAB：物质A在介质B中的扩散系数，m2/s）两组分扩散体系时，扩散现象第18页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算传质机理与菲克定律3.气相中的稳态扩散 等分子反向扩散等分子反向扩散稳态的等分子反向扩散 传质速率（NA）：亦称传质通量，指在任一固定的空
8、间位置上，单位时间内通过单位面积的A物质量。第19页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算传质机理与菲克定律 一组分通过另一停滞组分的扩散组分A通过停滞组分B的扩散总体流动：在多组分中，各组分在进行扩散的同时其微团也处于运动状态。第20页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算传质机理p/pBm：漂流因数，反映总体流动对传质速率的影响。（吸收）（精馏）第21页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算传质机理4.液相中的稳态扩散 特点a.液相中的扩散速度远远小于气相中的扩散速度；b.物质在气相中的扩散系数较在液相中的扩散系数约大105倍；c.一定条件下气、液两相中可达到相同的扩散通
9、量。一组分通过另一停滞组分的液相扩散（D：溶质A在溶剂S中的扩散系数，m2/s）第22页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算传质机理5.扩散系数 扩散系数：物质的特性常数之一，随介质种类、温度、压强及组成的不同而变化；其获取途径有3种：实验测定；从资料和手册中查取；估算。气相中，按Maxwell-Gilliland公式：液相中，分子体积（）：1 mol物质在正常沸点下呈液态时的体积（cm3）。第23页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算传质机理6.涡流扩散与对流传质 涡流扩散 涡流扩散：凭借流体质点的湍动和旋涡而形成的物质传递现象；3特点：a.发生在湍流流体中；b.与分子扩散并
10、存；c.其速率远大于分子扩散速率。涡流扩散的扩散通量为：（DE：涡流扩散系数，非物性常数，与湍动程度和位置有关）第24页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算传质机理 对流传质传质的有效层流膜 对流传质：发生在运动着的流体与相界面之间的传质；在化学工程领域中，主要指湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和。（z G、z L：气、液相中的有效层流膜厚度）第25页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收机理1.双膜理论双膜理论双膜理论：亦称停滞膜模型，由惠特曼提出；3点假设：当气、液两相相互接触时，两相间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的层流膜（气膜和液膜）
11、，溶质A以分子扩散通过此二膜层由气相主体进入液相主体；界面处的气、液两相达到平衡状态；在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流体充分湍动，物质组成均匀。第26页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收机理 双膜理论用于描述具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质过程，是传质设备设计计算的主要依据；其贡献在于把复杂的相间传质简化为溶质经由两个层流膜层的分子扩散过程，而相界面处及两相主体中均无传质阻力存在。模型参数：气相有效层流膜厚度（z G）；液相有效层流膜厚度（z L）。第27页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收机理2.溶质渗透理论 溶质渗透理论：由希格比提出的一
12、种非稳态模型；2要点：液面是由无数微小的流体单元所构成，暴露于表面的每个单元都在与气相接触某一短暂时间（暴露时间）后，即被来自液相主体的新单元取代，而其自身则返回液相主体内；溶质总是处于由相界面向液相主体纵深方向逐渐渗透的非稳态过程中。模型参数：暴露时间s。第28页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收机理3.表面更新理论 表面更新理论：由丹克沃茨提出；2要点：液体表面是由具有不同暴露时间（或称年龄）的液体微元所构成；各种年龄的微元被置换的几率与它们的年龄无关，而与液体表面上该年龄的微元数成正比。表面更新率（s）：单位时间内表面被置换的分率 模型参数：表面更新率s第29页，共60页，
13、编辑于2022年，星期五吸收计算吸收速率1.吸收速率吸收速率：单位时间内单位相间传质面积上吸收的溶质量。吸收速率方程式：表示吸收速率与吸收推动力之间的关系。膜系数k气膜或液膜的推动力总系数K总推动力2.气膜吸收速率方程式第30页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收速率3.液膜吸收速率方程式双膜理论第31页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收速率4.界面组成界面组成A：气、液相主体的组成点；I：相界面的组成点。第32页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收速率5.总吸收速率方程式 总推动力为(p-p*)的吸收速率方程式 第33页，共60页，编辑于2022年，星期
14、五吸收计算吸收速率气膜控制对于易溶气体，H值很大 示例：水吸收氨第34页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收速率 总推动力为(c*-c)的吸收速率方程式 第35页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收速率液膜控制对于难溶气体，H值很小 示例：水吸收氧 对于具有中等溶解度的气体吸收而言，气膜阻力与液膜阻力同时考虑。第36页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收速率 总推动力为(Y-Y*)的吸收速率方程式(低组成吸收)第37页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收速率 总推动力为(X*-X)的吸收速率方程式(低组成吸收)第38页，共60页，编辑于2022年
15、，星期五吸收计算吸收速率6.小结不同吸收速率方程式的比较第39页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收速率 等效性；吸收系数单位是kmol/(m2s单位推动力)；吸收速率方程式中的吸收系数与吸收推动力的正确搭配；上述各式是以气液组成保持不变为前提的，故只适合描述稳态操作的吸收塔内任一横截面上的速率关系，不能直接描述全塔的吸收速率；使用与总吸收系数相对应的各式时，在整个过程所涉及的浓度范围内，平衡关系须为直线。使用吸收速率方程式时应注意：第40页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算 吸收常用塔设备，既可采用气液相逐级接触的板式塔，也可采用气液相连续接触的填料塔（为主）
16、；填料层是塔内实现气液接触的有效部位；在对等条件下，逆流不仅获得较大的平均推动力，而且可减少吸收剂消耗量、提高溶质吸收率，故吸收塔常用逆流。吸收塔计算：确定吸收剂用量，继而计算塔径和塔的有效段高度1.概述第41页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算2.吸收塔的物料衡算与操作线方程逆流吸收塔物料衡算下标1：塔底截面；下标2：塔顶截面V：kmol(B)/s；L：kmol(S)/s；Y1和Y2：kmol(A)/kmol(B)；X1和X2：kmol(A)/kmol(S)。（：溶质吸收率或回收率）全塔物料衡算第42页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算逆流吸收塔操作线
17、衡算 操作线方程：描述塔内任一横截面上气相组成Y与液相组成X之间的关系。逆流吸收塔操作线浓端：具有最大气液相组成；稀端：具有最小气液相组成。吸收塔操作线方程第43页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算 吸收剂用量 吸收计算中，V已知，须计算L；V一定时，若确定液气比 L/V，即确定L。确定液气比L/V：先求出吸收过程的最小液气比(L/V)min，然后根据工程经验，确定适宜液气比。吸收塔的最小液气比吸收塔第44页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算3.计算塔径注意点：Vs以塔底气量为依据；关键在于确定适宜的空塔气速u；圆整塔径。第45页，共60页，编辑于202
18、2年，星期五吸收计算吸收塔计算4.填料层高度Z微元填料层物料衡算 Z的基本计算式物料衡算、传质速率与相平衡 填料塔为连续接触式塔设备，随着吸收的进行，气、液两相组成沿填料层高度不断变化，塔内各截面上吸收速率并不相同，故取微元填料层进行物料衡算。第46页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算微元填料层物料衡算（a：有效比表面积；：塔截面积）体积吸收系数：在单位推动力下，单位时间、单位体积填料层内吸收的溶质量，kmol/(m3s)。第47页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算 传质单元数与传质单元高度（HOG：气相总传质单元高度，NOG：气相总传质单元数）（HOL
19、：液相总传质单元高度，NOL：液相总传质单元数）第48页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算HOG 反映吸收速率的大小，HOG 越大，吸收速率越小NOG 反映吸收分离的难易程度，NOG 越大，吸收分离难度越大第49页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算传质与传热中单元数与单元高度(长度)比较第50页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算 求传质单元数1）平衡线为直线a.脱吸因数式（S：脱吸因数）第51页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算（A：吸收因数）第52页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算b.对数平
20、均推动力法 第53页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算第54页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算2)平衡线不是直线辛普森数值积分法贝克近似梯级法（P124）第55页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收塔计算 理论板数填料塔高理论板数等板高度梯级图解法求理论板数的步骤（P126）：先在直角坐标系中标绘出操作线和平衡线，然后，在操作线与平衡线之间，从塔顶(或塔底)开始逐次画阶梯直至与塔底(或塔顶)的组成相等或超过此组成为止，该阶梯数即为理论板数。克列姆塞尔方程：填料塔高传质单元高度传质单元数第56页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收系数1.吸收系数的获取途径 实验测定；经验公式；准数关联式。2.传质准数 施伍德准数（Sherwood）第57页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收系数 施密特准数（Schmidt）雷诺准数第58页，共60页，编辑于2022年，星期五吸收计算吸收系数 伽利略准数（Gallilio）准数关联式第59页，共60页，编辑于2022年，星期五脱吸及其它吸收1.脱吸脱吸：亦称解吸，使溶解在液相中的气体释放出来。2.脱吸方法 气提脱吸；减压脱吸；加热脱吸；加热-减压脱吸。3.其它吸收：高组成吸收、非等温吸收、多组分吸收和化学吸收（自学）第60页，共60页，编辑于2022年，星期五