《化工原理(下册)吸收省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理(下册)吸收省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx（181页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、化工化工 原原 理理夏清陈常贵主编天津大学出版社生物工程专业适用第第1页页第2章吸收本章主要介绍吸收过程传质机理和填料吸收塔计算。传质机理包含气液相平衡、吸收机理和吸收速率。其中重点介绍亨利定律、费克定律、双膜理论基本论点，导出几个不一样形式吸收速率方程式，以及吸收系数与推进力对应关系。对于强化吸收过程路径只作普通叙述。对于填料吸收塔计算主要介绍吸收剂用量和填料层高度计算。内容提要：即：第第2页页教学基本要求：1、掌握气液相平衡基本原理、吸收推进力、吸收操作线方程和吸收速率方程式。2、熟悉双膜理论基本论点以及适宜吸收剂用量和填料层高度计算基本方法。3、了解强化吸收操作主要路径和填料吸收塔基本结
2、构及主要性能。第第3页页概述吸收吸收：利用气体在液体中溶解度差异分离气体混合物操作叫作气体吸收。在吸收操作中，被吸收气体组分称为吸收质或溶质，以A表示;不被吸收气体组分称为惰性组分或载体，以B表示。吸收所用液体溶剂称为吸收剂或溶剂，以S表示。吸收操作依据：组分在溶剂中溶解度差异，通常将吸收视为只有溶质组分A由气相进入液相单向传递，而气相中惰性组分B和液相中溶剂组分S则处于停滞状态，即惰性组分不进入液相,溶剂不进入气相。即：第第4页页一气体吸收在化工生产中应用1、制取化工产品2、分离气体混合物3、从气体中回收有用组分 4、净化气体 5、作为环境保护和职业保健主要伎俩6、在生化工程中应用第第5页页
3、二吸收和解吸过程解吸操作：是采取惰性解吸气体与吸收液接触，利用吸收液中溶质与溶剂挥发度不一样，而将溶质从吸收液中提取出来操作，所以又称为气提。解吸是吸收逆过程：即：溶质传递方向为：第第6页页用洗油吸收含苯煤气吸收解吸联合操作流程第第7页页三吸收过程分类1、按照吸收过程中吸收质（A）和吸收剂(S)之间相互作用不一样分类：物理吸收：是指吸收质和吸收剂之间不发生显著化学反应吸收过程，能够认为是单纯溶解过程。特点：易解吸 物理吸收是一个物理化学过程。物理吸收是可逆、热效应较小。影响条件：压强加压有利于吸收，减压则有利于解吸。温度降低温度能够增大吸收质溶解度，得到浓度较高溶液，有利于吸收；但温度过低时，
4、吸收质分子扩散速率减慢，有可能减慢吸收速率。第第8页页化学吸收：是指吸收质和吸收剂之间发生显著化学反应过程。特点：吸收速率取决于整个过程中最慢一步。吸收程度不但取决于吸收条件下气液相平衡，还取决于化学平衡关系。常伴有较大热效应。当吸收反应不可逆时，解吸就不能发生。2、按被吸收组分数分类：3、按吸收过程有没有温度改变分类：4、按溶质组成高低分类：低组成单组分等温物理吸收过程 第第9页页四吸收剂选择吸收剂选择标准：1、吸收剂应含有良好选择性；2、吸收剂蒸气压应尽可能低；3、尽可能选取无毒、难燃、腐蚀性小吸收剂；4、化学性质稳定、粘度低；5、易得、价廉且易再生；6、不污染环境。第第10页页五吸收操作
5、条件注意 1、采取连续操作，以有利于稳定生产和调整控制操作条件；2、气液间逆流吸收，这么有利于吸收完全并取得较大吸收推动力；3、因为传递速率与传质接触面积成正比，所以，应尽可能增大气液间有效接触面积，但不应造成对气体或液体过大流动阻力；4、增大相际湍动程度以降低传质阻力。第第11页页六吸收和蒸馏差异1、第二物相产生方式不一样2、传质机理不一样 蒸馏是经过加热或冷却方法，使混合物系产生第二个物相；吸收则是从外界引入另一相物质（吸收剂），形成两相系统。蒸馏是进行等分子反向扩散过程，吸收进行是单向扩散过程。第第12页页2.1气体吸收相平衡关系2.1.1吸收过程相平衡和气体溶解度 相际动态平衡（相平衡
6、）p80-81氨、二氧化硫、氧气在水中溶解度第第13页页吸收过程进行方向和程度判据 吸收过程进行方向和程度取决于吸收质在气液两相间平衡关系:当气相中吸收质分压 大于平衡分压 （即 ）时，吸收过程将继续进行下去，直至 ，即到达相平衡状态为止;当气相中吸收质分压 小于平衡分压 （即 ）时，则液相中吸收质将向气相扩散，即发生解吸，直至 ，即抵达相平衡状态为止。由此可见：是吸收过程推进力；(相平衡)是吸收过程极限。第第14页页影响相平衡原因影响相平衡原因:在P、T一定条件下，气、液相平衡时，气相组成是液相组成单值函数。在一个单组分吸收体系中:组分数C=3（溶质A，惰性气体B，吸收剂S）相数P=2(气相
7、、液相)依据相律：其自由度F=C-P+2=3-2+2=3第第15页页2.1.2亨利定律1、亨利定律对于稀溶液或难溶气体，在一定温度和总压下不大（低于506.5kPa）情况下，溶质在液相中溶解度（浓度平衡浓度）与其在气相中平衡分压成正比。数学表示式:溶质A在气相中平衡分压 Pa或kPa 溶质A在平衡溶液中摩尔分数 E亨利系数 Pa或kPa第第16页页E E物理意义：物理意义：斜率E越大（），表示相平衡时，E越大，说明溶质A在气相中越多，在液相中越少，越难溶。难溶气体，因为平衡分压大，E值较大；易溶气体，因为平衡分压小，E值较小。E值随温度升高而增大。P82表2-1第第17页页2、亨利定律浓度表示
8、式-溶质A在溶液中体积摩尔浓度H-溶解度系数溶解度系数H物理意义：溶解度系数H表示吸收质在气相中分压为1Pa（或1kPa）时溶液平衡浓度。易溶气体:平衡分压 很小，故H值很大;难溶气体:平衡分压 很大，故H值很小。第第18页页亨利系数E与溶解度系数H关系：由 和 得：假设在某系统中溶质A在溶液中浓度为 ，溶液密度为 ，溶剂密度为 ,溶质和溶剂摩尔质量分别为 和 ，以 溶液为基准，则溶液中含溶质A物质量为:含吸收剂S物质量为:第第19页页则由摩尔分数定义知:整理得：代入式得即：E-H关系式第第20页页对于稀溶液而言（），很小,则：3、亨利定律摩尔分数表示式：相平衡系数与液相组成 相平衡气相中吸收
9、质摩尔分数第第21页页相平衡系数m物理意义：经过m值能够判断气体组分A溶解度大小当 一定时，m值愈大，则E值越大，越大，即气体组分A溶解度愈小；m值愈小，则E值越小，越小，即气体组分A溶解度愈大。4、亨利定律摩尔比表示式通常以 表示气相中吸收质A摩尔比，它是指每摩尔惰性分组B中所带有吸收质A物质量。第第22页页以 表示液相中吸收质A摩尔比，它是指每摩尔纯溶剂溶解吸收质A物质量第第23页页摩尔比与摩尔分数关系气相：或液相：或将上式代入亨利定律相平衡表示式 得：整理得：-亨利定律摩尔比表示式第第24页页对于稀溶液而言：很小，则亦很小。亨利定律为：即气体平衡为直线关系，其斜率为m。注意:1、亨利定律
10、仅适合用于低压下、稀溶液中气、液相之间平衡关系。当压力较高（总压大于506.5kPa）、溶液浓度较大或伴有化学反应时，此定律普通不再适用。例题:p84-86 例2-1、例2-22、亨利定律各种表示式所描述是互成平衡气、液两相组成间关系，所以也可写成：第第25页页亨利定律四种表示式以及各系数之间关系函数关系亨利定律表示式各符号所表示物理意义气相液相说明稀溶液中各种亨利系数间换算为吸收质A在气相中平衡分压为吸收质A在气相中平衡摩尔分数m为相平衡系数为吸收质A在惰性组分中平衡摩尔比为吸收质A在吸收剂中摩尔比为吸收质A在液相中体积摩尔浓度为吸收质A在液相中摩尔分数第第26页页2.1.3相平衡关系在吸收
11、过程中应用已知吸收过程解吸过程1、利用相平衡关系判断过程方向第第27页页例题1、在101.3kPa,20下，稀氨水气液相平衡关系为若有含氨0.094（摩尔分数，下同）混合气和组成为氨水接触，试确定过程方向。解：与液相平衡气相组成为所以，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。第第28页页2、计算传质过程推进力VyA2 L xA2MM/VyA1 L xA1yOx x*xy*y是以气相组成差表示吸收推进力，是以液相组成差表示吸收推进力M(x,y)第第29页页3、确定传递过程极限平衡是吸收过程极限状态塔底吸收液中吸收质浓度最大极限值为与塔底入口处气相组成呈平衡液相组成塔顶尾气中吸收质浓度最小值为与塔顶入口
12、处吸收剂中溶质A组成呈平衡气相组成第第30页页例2、在总压1000kPa,温度25下，含0.06（摩尔分数）-空气混合气与含为0.1g/L水溶液逆流接触，试问：（1）、将发生吸收还是解吸？(2)、以气压差表示吸收推进力为多少？（3）、尾气中含量最低可能降到多少？已知：25时，溶解在水中亨利系数为 水相对密度及平均分子量为,解：（1）判断过程方向：气相中 分压 以1 吸收剂为基准，因为吸收剂中浓度很低，则吸收剂中摩尔分数为:第第31页页对应于气相平衡分压：显然，所以将发生由气相进入液相吸收过程。(2)、推进力：第第32页页(3)、吸收过程极限 对于逆流吸收操作，当液气比大至一定程度（在此，),且
13、塔高无穷高时，则出塔气体中 含量最低可降到与入口处水溶液呈平衡气相分压（6.8kPa），所以：向空气排放尾气中 最低含量为：第第33页页2.2传质机理与吸收速率吸收过程机理气体吸收是吸收质借助于扩散作用从气相转移到液相传质过程。这一传质过程可分为三个基本步骤：如图第第34页页第一步：溶质由气相主体（该处浓度为）传递到两相界面（该处气相浓度为），属气相内传递。第二步：溶质在界面处由气相溶于液相（该处浓度为），属相际间传递。第三步：溶质由界面传递到液相主体（该处液相浓度为）属液相内传递。所以，在吸收操作中，吸收质既在单相中扩散，又在相际间扩散。其中，溶质在两相界面处相际间传递是平衡问题；而溶质在气
14、相或液相内传递是单相中扩散问题。第第35页页质量传递依据传质机理不一样分类：分子扩散（或称分子传质）-是指在单 相内物质分子依靠分子热运动在静 止流体或层流流体中垂直于质点运动 方向上扩散。涡(对）流扩散【或涡（对）流传质】-是指依靠流体质点运动而引发扩散。第第36页页2.2.1、分子扩散与菲克定律1、分子扩散定律菲克定律试验表明：在单相物系内，当某物质在介质中发生分子扩散时，其分子扩散速率与扩散面积成正比，与浓度梯度成正比，物质传递方向为沿浓度降低方向，这称为菲克（Fick）定律。数学表示式为:式中：-扩散组分分子扩散速率kmol/s或kmol/hn-扩散物质量kmol或kmol或：第第37
15、页页-时间s或hA-相间传质接触面积（即扩散面积）m2Z-扩散距离mcA-扩散组分（即吸收质）浓度kmol/m3DAB-物质A在介质B中分子扩散系数m2/scm2/s-扩散层中浓度梯度负号表示分子扩散沿着扩散物质浓度降低方向进行,与浓度梯度方向相反。-物质A在z方向上分子扩散通量,kmol/(m2.s)第第38页页假设点1与点2处吸收质浓度分别为 、，点1与点2之间距离（即扩散层厚度）为 m，对菲克定律表示式积分得：第第39页页或-扩散通量（单位扩散面积扩散速率）若扩散组分为理想气体：所以，菲克定律能够用扩散组分分压表示式为：第第40页页积分得：或分子扩散系数D是物质特征常数之一，代表物质在介
16、质中扩散能力。第第41页页即：沿扩散方向，当扩散组分浓度差为1kmol/m3时，在1S时间内经过1m厚扩散层，在1m2扩散面积上所扩散传递物质量（kmol）。D值普通与扩散组分及扩散介质种类、系统温度、压强等原因相关。物理意义：第第42页页2.2.2流体中稳定分子扩散1、等分子反向扩散等分子反向扩散（或等分子逆流扩散）-在由A、B组成双组分物系中，当气相总压或液相总 浓度各处相等时，组分A分子扩散中必伴有 组分B分子扩散，二者扩散通量（）大小 相等，方向相反，这种现象称为等分子逆流扩散 （或等分子反向扩散）。二元混合物气体分子扩散等分子反向（逆流）扩散单向扩散第第43页页在1、2两截面上，A、
17、B分压各自保持不变已知：第第44页页因为两容器中气体总压 相同，所以，单位时间内A、B两组分相互扩散物质量 与 一定相等。-等分子逆流扩散两组分扩散速率相等，但方向相反.第第45页页要求:组分A扩散方向（Z）为正，则有在恒温、恒压（总压力 ）下，当组分A产生了分压力梯度 时：或组分B也会对应产生相反方向分压力梯度其扩散通量表示式为：或第第46页页组分A在组分B中扩散分子扩散系数组分B在组分A中扩散分子扩散系数。两边对扩散距离求导得：可见,在等分子逆流扩散过程中，分压力梯度为一常数 第第47页页同理两边对扩散距离求导得：且常数第第48页页即：即:对于双组分混合物，在等分子逆流扩散时，组分A与组分
18、B分子扩散系数相等。若边界条件：Z=0时,Z=Z时，对积分得：则：第第49页页若用边界条件 对于 积分得：在双组分混合物精馏过程中，发生就是等分子逆流扩散 第第50页页2、单向扩散（或称组分A经过静止组分B扩散）在双分组气体混合物与吸收剂接触吸收操作中：组分A溶解于液相，而组分B不溶于液相，处于“停滞”状态，结果液相中不存在组分B，所以，吸收过程是组分A经过“静止”组分B单向扩散。第第51页页吸收操作时，在气、液界面附近气相中，因为组分A向液相溶解，其浓度降低，分压力减小，所以在气相主体与气、液相界面之间产生分压力梯度。对于组分B而言表观上，组分B净传递量为零。在此传递过程过程中，可视组分B处
19、于“停滞”状态第第52页页对组分A而言：（等分子逆流扩散）组分A扩散方向与气体整体移动方向相同:所以，在气相中，表现为组分A从气相主体向界面扩散。第第53页页推导其传质速率方程：在气相整体移动中则：且第第54页页则：由理想气体分子扩散费克定律知：则：所以，单向扩散时扩散通量比等分子逆流扩散时大，为其 倍。第第55页页以代入上式得：依据上图中边界条件：Z=0时，Z=Z时，对上式积分：对于稳态吸收过程，为定值，操作条件一定时，R、D、T均为常数，则：第第56页页积分得：而第第57页页令惰性组分在气相主体与界面之间分压力对数平均值则：第第58页页因为所以，与等分子逆流扩散扩散通量相比，单向扩散中组分
20、A扩散速率更大，是其 倍。称为“漂流因子”或“移动因子”，值越大，表明整体移动在传质中所占分量越大。第第59页页依据气体混合物浓度c与压力p关系:将总浓度 ，分浓度 ,代入上式整理得：其中-组分S在界面与气相主体之间浓度对数平均值。第第60页页例题：在20及101.325kPa下，含CO2为0.2（摩尔分数）CO2空气混合物迟缓地沿Na2CO3溶液面流过。假设空气不溶于Na2CO3溶液。CO2经过厚1mm静止空气层扩散到Na2CO3溶液中。在Na2CO3溶液面上，CO2被快速吸收，所以，相界面上CO2浓度极小，可忽略不计，已知CO2在空气中20时扩散系数D为0.18cm2/s。问CO2扩散通量
21、是多少？解：已知：D=0.18cm2/s=Z=1mm=0.001m pT=101.325kPa 第第61页页气液界面上空气分压力:空气在气相主体和界面上分压力对数平均值为：第第62页页2.2.3、扩散系数D扩散系数是物质物性常数之一，它表明该物质在均匀介质中扩散能力。组分A在气体中扩散时，浓度影响能够忽略；而在液体中扩散时，浓度影响不可忽略，而这时压力影响不显著。扩散系数普通由试验测定，在无试验数据条件下，可借助一些经验或半经验公式进行估算。气体溶质扩散系数普通在0.11.0cm2/s之间;液体溶质扩散系数普通比气体小得多。约在 之间。第第63页页例：测定甲苯蒸汽在空气中扩散系数。如图，在内径
22、为3mm垂直玻璃管中，装入约二分之一高度液体甲苯，保持恒温。紧贴液面上方甲苯蒸气分压为该温度下甲苯饱和蒸气压。上部水平管内有空气快速流过，带走所蒸发甲苯蒸气。在垂直管管口处空气中，甲苯蒸气分压靠近于零。伴随甲苯气化和扩散，液面降低，扩散距离Z逐步增大。第第64页页第第65页页统计时间与z关系，即可计算甲苯在空气中扩散系数。在39.4、101.325kPa下,两次测定试验结果以下：管上端到液面距离Z/cm蒸发时间/s开 始（ZO）终了（Z）试验11.97.9试验22.26.2第第66页页依据测定数据，能够计算出物系扩散系数D，假设垂直管内空气没有对流产生,甲苯蒸汽由垂直管进入水平管过程可视作组分
23、A经过静止组分B单向扩散，查表知：39.4时，甲苯蒸汽压 ，甲苯液体相对密度 ，甲苯摩尔质量甲苯蒸汽经过静止空气层扩散通量，可依据公式 计算。第第67页页其中：第第68页页设垂直管截面积为A，在时间 内汽化甲苯量，应等于甲苯扩散出管口量，即：则：即：因为在稳态操作中，D、R、T、均为常数，第第69页页在 时 到 时 之间积分：第第70页页已知：总压力试验1：试验2：第第71页页二元混合物气体分子扩散等分子逆流扩散单向扩散第第72页页2.2.4 对流扩散1、单相内对流传质有效膜模型a对流传质浓度分布图b第第73页页在层流膜以内传质为分子扩散，而层流膜以外为对流扩散。气相主体中，分压线几乎是一条水
24、平线，到靠近层流膜层时才略向下弯曲（减小）。在层流膜层内，溶质只能靠分子扩散而转移，没有涡流帮助，需要较大分压差才能克服扩散阻力，所以其分压快速下降，压力梯度较大。我们能够将层流膜以外涡流扩散折合为经过一定厚度静止气体分子扩散。我们能够认为由气相主体到界面对流扩散速率等于经过厚度为 膜层分子扩散速率。在此厚度为膜层称为有效层流膜或虚拟膜。第第74页页2.气相传质速率方程式吸收质在气相中单向扩散速率方程:将式中扩散距离Z用虚拟膜厚度 代替,、分别用气相主体平均分压 和界面处吸收质分压 代替，即得到气相对流传质速率方程：第第75页页令：气膜传质系数或气膜传质分系数以 代替 ，以 代替 ，则：或：气
25、相传质速率方程溶质在气相主体与界面间压力差第第76页页3、液相传质速率方程令液膜传质系数或液膜传质分系数则：或-液相传质速率方程溶质A在界面与液相主体之间浓度差第第77页页2.2.5两相间传质第第78页页双膜理论双膜理论认为：当气体与液体相互接触时，即使流体主体中已呈湍流，但在气液相际两侧仍分别存有稳定气体滞流层（气膜）和液体滞流层（液膜）。吸收过程是吸收质分子从气相主体运动到气膜面，再以分子扩散方式经过气膜抵达气液两相界面，在界面上吸收质溶入液相，再从液相界面以分子扩散方式经过液膜进入液相主体。第第79页页双膜理论示意图第第80页页双膜理论基础论点（1）、相互接触气、液两相流体间存在着稳定相
26、界面，界面两侧分别有一层虚拟停滞气膜和停滞液膜，吸收质以分子扩散方式经过气膜和液膜。（2）、在相界面处，气液两相一经接触就到达平衡，即即界面上无传质阻力。（3）界面上吸收质溶解能较快地进行，吸收质在两相界面上处于平衡状态，即液相界面溶液是气相界面吸收质分压下饱和溶液；气相界面吸收质分压等于液相界面溶液吸收质平衡分压。但在两相主体中，吸收质相互之间并不存在特定依赖关系。（4）在膜层以外，气液两相主体中，流体都充分湍动，组成均一，浓度梯度几乎为零。溶质在每一相内传质阻力都集中于虚拟停滞膜内。即吸收过程全部阻力集中在这两层滞流膜内。第第81页页2.2.6 吸收传质速率方程第第82页页令则：以分压差（
27、）表示吸收推进力总传质速率方程以气相分压差（）表示吸收推进力总传质系数与液相主体浓度 相平衡气相中吸收质平衡分压（）第第83页页令：则：以液相浓度差（）表示推进力总传质速率方程第第84页页以液相浓度差（）表示吸收推进力总传质系数（m/s）与气相主体中吸收质分压 相平衡液相中吸收质 平衡浓度。第第85页页对于易溶气体：因为其溶解度系数H值很大，液膜阻力 很小，可忽略，或即：吸收过程总阻力主要集中在气膜上，称为气膜控制。说明:气膜控制时，液相界面浓度 ，气膜推进力 (吸收总推进力)第第86页页（2）溶解系数H很大时，平衡线（）斜率很小（如图）此时较小气相分压 （或浓度 ）能与较大液相浓度 相平衡。
28、（3）气膜控制时，要提升总传质系数，应加大气相湍动程度。第第87页页对于难溶气体：溶解度系数H很小，则 很小，可忽略，即吸收过程总阻力主要集中在液膜上，称为液膜控制。所以，对于难溶气体，若要提升总传质系数，应增大液相湍动程度。对于中等溶解度气体吸收，气、液膜传质阻力相差不大，二者均不可忽略。此时，总传质速率由气膜和液膜联合控制。第第88页页讨论：总传质速率方程与气、液平衡曲线关系1、总传质速率方程分析OE为符合亨利定律气、液相平衡线为吸收设备某一界面处气液相组成，与吸收质在气相主体中分压 成平衡液相组成位于B点，为 ，（）。与吸收质在液相主体中浓度 成平衡气相分压 （）在A点。第第89页页-以
29、气相分压差表示吸收过程总推进力-以液相浓度差表示吸收过程总推进力实际操作状态与平衡状态偏离越大，则M点离平衡线越远，传质推进力（或 ）就越大。当M点落在平衡线OE下方时，则表示 或，过程将变为解吸过程。第第90页页2、相界面组成相界面组成当气、液两相组成不符合亨利定律时，平衡线为一曲线。此时因为H不能确定，只能经过求出界面组成（,）后，利用气相传质速率方程：及液相传质速率方程：得：第第91页页即：所以，经过图解法可求出界面组成对流传质推进力为：气膜推进力：液膜推进力：相际传质总推进力为：是斜率为，且经过点直线。第第92页页3、吸收速率方程各种表示形式则以分压表示吸收传质总速率方程为：令则-以气
30、相摩尔比差表示推进力总吸收速率方程第第93页页吸收质A在气相中摩尔比与液相主体中吸收质摩尔比成平衡气相吸收质摩尔比-吸收质跨过气、液两膜总阻力第第94页页令得:-以液相摩尔比差表示推进力总速率方程-吸收过程总阻力。第第95页页-以气膜摩尔比差()为经过气膜推进力气相吸收速率方程-以气膜摩尔比差 为推进力气膜吸收分系数，简称气膜吸收系数。-以液膜摩尔比差 为经过液膜推进力液相吸收速率方程第第96页页-以液膜摩尔比差 为吸收推进力液膜吸收分系数,简称气膜吸收系数在稳态吸收过程中，吸收传质速率方程有以下几个形式：第第97页页推导示例令则各传质系数之间关系为：第第98页页浓度低时，第第99页页对于气液
31、平衡关系服从亨利定律系统，传质总阻力与双膜传质阻力关系为：总阻力气膜阻力液膜阻力气膜控制时易溶气体液膜控制时难溶气体气膜控制时易溶气体液膜控制时难溶气体第第100页页气膜控制时易溶气体液膜控制时难溶气体-气膜传质系数-液膜传质系数-气相总传质系数液相总传质系数第第101页页例3、在总压为100kPa、温度为30时，用清水吸收混合气体中氨，气相传质系数 =3.8410-6 kmol/（m2skPa），液相传质系数 =1.8310-4 m/s，假设此操作条件下平衡关系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05，其气相平衡分压为6.7kPa。求当塔内某截面上气、液组成份别为y=0.05，x=0.0
32、1时（1）以 、表示传质总推进力及对应传质速率、总传质系数；（2）分析该过程控制原因。相平衡常数解：溶解度常数=1000.05-1340.01=3.66kPa第第102页页kmol/（m2skPa）=3.9410-63.66=1.4410-5 kmol/（m2s）kmol/m3第第103页页=9.510-61.513=1.43810-5 kmol/（m2s）（2）与 表示传质总推进力对应传质阻力 为253797（m2skPa）/kmol；其中液膜阻力为m2skPa/kmol气膜阻力m2skPa/kmol气膜阻力占总阻力百分数为故该传质过程为气膜控制过程。=0.41461000.05=0.414
33、61000.050.56=1.513 kmol/m0.56=1.513 kmol/m3 3第第104页页 2.2.7强化吸收过程路径 1、提升吸收总系数（）2、增大气液两相接触面积A（1）、增大气体在液体中分散程度，使之以小气泡 形式分散于液体中。（2）、增大液体在气体中分散程度，使之成为液体薄膜或细小液滴（或雾）分散与气体中。3、增大吸收推进力（）第第105页页 2.3 吸收塔设计及计算第第106页页2.3.1吸收塔物料衡算与操作线方程单位时间内经过吸收塔惰性组分摩尔流量（）单位时间内经过吸收塔 吸 收 剂 摩 尔 流 量 （）分别为塔底、塔顶和塔内任一截面上气相中吸收质摩尔比。第第107页
34、页分别为塔底、塔顶和塔内任一截面上液相中吸收剂摩尔比。假设在1-1截面上，气、液两相组成为Y和X，在相距距离2-2截面上，气、液两相组成为（）和（）。在稳态操作中整理得：在此截面和塔顶之间积分得：即第第108页页在此截面和塔底之间积分得即由,得,全塔物料衡算式为：即：吸收操作线方程或：第第109页页讨论：(1)、吸收操作线方程是由物料衡算得到关系式，它仅由液气比（）及塔一端气液相浓度决定，而与气液相平衡关系、吸收速率、操作温度，压力、塔型等均无关。第第110页页（2）、此操作线方程是指逆流吸收操作而言，若为并流吸收，一样可由物料衡算得到并流吸收操作线方程。（3）（吸收），代表了E点所在截面处以
35、气相浓度差表示总吸收推进力；(吸收)代表E点所在截面处以液相浓度差表示总吸收推进力。（4）、最小液气比在吸收操作中，每摩尔惰性气体所用吸收剂量称为吸收液气比（L/V)第第111页页-最小液气比在此条件下，完成给定分离任务需无穷大传质面积，即要求塔高为无穷大。第第112页页第第113页页2.3.2吸收剂用量和计算1、相平衡关系服从亨利定律时：当吸收率为纯溶剂时，溶质吸收率（或回收率）第第114页页则，当时，当平衡线为下凹曲线时，2、平衡线是曲线情况第第115页页先求得水平线与平衡线OE交点C，继而求得，然后代入，求得最小液气比。当平衡线为上凸曲线时，如图：过A点作平衡线OE切线AC交平衡线于T点
36、,显然，在切点T处，,则 吸 收液最高浓度是切线AC和水平线 交点C所对应浓度 ，然后代入 ，即可求得 。第第116页页2.3.3塔径确定例4用清水吸收丙酮，吸收塔操作压强为101.32kPa，温度为293K。进吸收塔气体中丙酮含量为0.026（摩尔分数），要求吸收率为80。在操作条件下，丙酮在两相间平衡关系为：Y=1.18X（摩尔比）。求最小液气比。假如要求吸收率为90，则最小液气比又为多少？解：（1）吸收率为80%时最小液气比进塔气中丙酮摩尔比为第第117页页出塔气中丙酮组成为由题意知：m=1.18则：（2）求吸收率为90%时最小液气比可见，在其它条件相同时，吸收率不一样，最小液气比也不一
37、样；吸收率越高，最小液气比越大。第第118页页例5、某逆流吸收塔，用纯溶剂吸收混合气中易溶组分，设备高为无穷大，入塔气体浓度，平衡关系为Y=2X。试问：（1）若液气比为2.5时，求吸收率为多少？（2）若液气比为1.5时，求吸收率为多少？解：（1）、因为操作线与平衡线斜率比所以，操作线只能在塔顶（下端）与平衡线相交，又因为塔高为无穷大，出塔气体总能与吸收剂到达平衡，此时，因为则所以吸收率为：第第119页页（2）、因为操作线与平衡线斜率比所以，操作线只能在塔底（上端）与平衡线相交，又因为塔高为无穷大，出塔吸收液总能与入塔气体到达平衡，出塔液浓度为最大，对应液气比为最小液气比。所以，第第120页页2
38、.3.4吸收塔填料层高度计算1、计算填料层高度基本方程式在填料层中取一微元高度在此微元填料塔层中对吸收质进行物料衡算得：第第121页页则：高度为 微元填料层中，单位时间内吸收质由气相转入液相量 第第122页页在此微元填料层中，气相和液相吸收速率方程分别为：微元填料层内传质面积（）在稳定操作条件下，由以上三式可得:第第123页页若填料塔填料层高度为Hm，空塔截面积为 ,则在高度为 微元填料层中，微元体积为：若以a代表每 填料有效气液传质面积（）,则气液两相流经 段，单位时间内，经过接触面积 从气相向液相传递溶质A量为：代入以上二式中得：第第124页页同理也可得：对上式中各项从塔顶（）到塔底（）积
39、分得：计算填料层高度基本方程第第125页页气相总体积传质系数，液相总体积传质系数，气相体积传质系数液相体积传质系数第第126页页2 2、传质单元数和传质单元高度、传质单元数和传质单元高度假设在此单元内浓度改变不大，其平均推进力 可看作常数，则在此单元内气相浓度改变积分数值为：当 1时，传质单元传质单元：气体经过某单元填料层而发生浓度改变等于该单元内气相平均推进力时，则此单元称为一个 传传质单元质单元。传质单元高度：传质单元高度：完成一个传质单元分离任务所需要填料层高度称为传质单元高度传质单元高度。第第127页页就整个填料层而言，项就代表了气相传质单元数，用 表示，它是一个无因次数群。项代表了气
40、相传质单元高度，用 表示。类似计算公式还有：气相传质单质高度气相传质单元数第第128页页液相传质单元高度液相传质单元数气相总传质单元高度气相总传质单元数液相总传质单元高度液相总传质单元数第第129页页说明：（1）、由吸收工艺条件决定；则主要反应设备特征。（2）、传质单元数所以传质单元数 大小反应了传质难易程度传质难易程度，当 时，（3）传质单元高度能够把能够把 视为传质阻力视为传质阻力越小，则表示传质阻力越小，所需填料层高度就越小。第第130页页 （4）各传质单元高度之间关系当气液平衡线斜率为m时，-吸收因数第第131页页3、传质单元数求法(1)、图解积分法（数值积分法）适合用于平衡线不是直线
41、（即不符合亨利定律）情况。第第132页页(2)(2)、解析法（对数平均推进力法）、解析法（对数平均推进力法）适合用于气液平衡关系符合亨利定律()情况因为气液平衡关系为一直线，操作线也为直线，所以塔内任一截面上推进力 与气相浓度Y也成直线关系，第第133页页由该直线斜率可得：其中：第第134页页则：-气相总传质单元数计算公式气相对数平均推进力第第135页页液相总传质单元数计算公式为：液相对数平均推进力:其中：当 或 时，第第136页页(3)、吸收因数法适合用于气液平衡关系符合亨利定律情况在塔内任一截面（X,Y）与塔顶 之间进行物料衡算,由 得：第第137页页第第138页页令：-吸收因子（数）则：
42、吸收因子A几何意义：操作线斜率 与平衡线斜率m之比。A愈大，操作线、平衡线相距越远，吸收推进力越大，愈易吸收。-解析因子第第139页页液相总传质单元数计算式：例6、设计一用水吸收丙酮填料吸收塔，塔截面积为，进塔混合气流量为70mol/h,其中丙酮组成为0.02，用清水吸收，要求吸收率为90，吸收塔操作压强为101.3kPa,温度为293K。在此条件下，丙酮在两相间平衡关系为：Y=1.18X。取液气比为最小液气比1.4倍，气相总体积传质系数为，求所需填料层高度？第第140页页解：出塔气组成：由得第第141页页因为平衡线为直线，能够用对数平均推进力法求传质单元数所以，填料层高度为：也能够用吸收原因
43、法求传质单元数：第第142页页则：填料层高度为：第第143页页4、传质单元高度计算第第144页页5、吸收塔操作型计算操作线方程、气、液平衡关系式（对于稀溶液，用亨利定律表示式）和传质速率方程（=传质系数 传质推进力），以及它们联立求得填料层高度计算式：第第145页页2.4 解吸解吸推进力是（）或（）或（），在Y-X图中，解吸操作线AB位于平衡线下方，与吸收相反。1、解吸用气量与最小气液比第第146页页2、解吸塔填料层高度计算第第147页页（1）对数平均推进力法（2）解吸因数法第第148页页小结一、吸收与解吸吸收吸收：利用气体在液体中溶解度差异分离气体混合物操作叫作气体吸收。解吸操作：是采取惰性
44、解吸气体与吸收液接触，利用吸收液中溶质与溶剂挥发度不一样，而将溶质从吸收液中提取出来操作，所以又称为气提。第第149页页解吸是吸收逆过程：即：溶质传递方向为：二、吸收操作中相平衡关系-亨利定律1、定义：对于稀溶液或难溶气体，在一定温度和总压下不大（低于506.5kPa）情况下，溶质在液相中溶解度（浓度平衡浓度）与其在气相中平衡分压成正比。数学表示式:第第150页页2、表示式：定义式：浓度式：摩尔分数式：摩尔比式：H-溶解度系数E亨利系数 Pa或kPa相平衡系数关系：第第151页页分析：易溶气体，值小，E值小，m值小，H值大，气膜控制；难溶气体，值大，E值大，m值大，H值小，液膜控制；3、应用（
45、1）、过程方向判据吸收过程解吸过程第第152页页（2）、吸收过程推进力以气相推进力表示：以液相推进力表示：（3）、吸收操作过程极限第第153页页三、吸收操作传质机理-双膜理论1、双膜理论关键点第第154页页（1）、相互接触气、液两相流体间存在着稳定相界面，界面两侧分别有一层虚拟停滞气膜和停滞液膜，吸收质以分子扩散方式经过气膜和液膜。（2）、在相界面处，气液两相一经接触就到达平衡，即即界面上无传质阻力。（3）界面上吸收质溶解能较快地进行，吸收质在两相界面上处于平衡状态，即液相界面溶液是气相界面吸收质分压下饱和溶液；气相界面吸收质分压等于液相界面溶液吸收质平衡分压。但在两相主体中，吸收质相互之间并
46、不存在特定依赖关系。（4）在膜层以外，气液两相主体中，流体都充分湍动，组成均一，浓度梯度几乎为零。溶质在每一相内传质阻力都集中于虚拟停滞膜内。即吸收过程全部阻力集中在这两层滞流膜内。第第155页页2、分子扩散定律-费克定律在单相物系内，当某物质在介质中发生分子扩散时，其分子扩散速率与扩散面积成正比，与浓度梯度成正比，物质传递方向为沿浓度降低方向，这称为费克（Fick）定律。数学表示式为:（1）、等分子逆流扩散第第156页页（2）、单向 扩散第第157页页四、吸收传质速率方程第第158页页主要传质系数换算关系：主要传质系数换算关系：总阻力气膜阻力液膜阻力气膜控制时易溶气体液膜控制时难溶气体气膜控
47、制时易溶气体液膜控制时难溶气体气膜控制时易溶气体液膜控制时难溶气体第第159页页五、吸收塔计算1、吸收塔物料衡算式-操作线方程最小液气比：液气比：溶质吸收率（或回收率）第第160页页2、吸收塔填料层高度计算第第161页页（1）、传质单元数传质单元传质单元：气体经过某单元填料层而发生浓度改变等于该单元内气相平均推进力时，则此单元称为一个传质单元传质单元。-反应了传质难易程度传质单元数计算方法：图解积分法（数值积分法）-适合用于平衡线不是直线情况先作出平衡线和操作线，在 之间选取若干个Y值，找出对应各个 值，计算 值，作 图，求曲面积分值：第第162页页、解析法（对数平均推进力法）适合用于气液平衡
48、关系符合亨利定律()情况第第163页页、吸收原因法适合用于气液平衡关系符合亨利定律情况-吸收因子（数）第第164页页(2)、传质单元高度（、）传质单元高度：传质单元高度：完成一个传质单元分离任务所需要填料层高度称为传质单元高度传质单元高度。第第165页页习题课1、吸收是利用气体在液体中差异分离气体混合物操作，它是吸收质分子由相到相单向扩散过程。2、当吸收质在吸收剂中溶解度很小时，吸收速率主要受_膜一方吸收阻力控制，称为_，此时液相吸收总系数KL。3、某吸收操作中，已知原料混合气中吸收质A浓度为0.3（摩尔分率，下同），以清水为吸收剂从塔顶向下喷淋，气液相平衡关系为：y=3x，则塔底吸收液最大浓
49、度为。塔顶尾气中吸收质最低浓度为。4、在气体流量、气体进出口组成和液相进出口组成不变时，若降低吸收剂用量，则传质推进力将，吸收操作线将平衡线，设备费用将。溶解度气液液液膜控制kL0.10减小靠近增加第第166页页5、等分子逆流扩散通量方程为。6、下述说法中错误是().A.溶解度系数H值很大，为易溶气体；B.享利系数E值很大，为难溶气体；C.亨利系数E值很大，为易溶气体；D.平衡常数m值很大，为难溶气体。7、吸收操作中，温度不变，压力增大，可使相平衡常数（），传质推进力（）。A.增大；B.不变；C.减小。8、101.325KPa压力下，在某填料塔中，从塔底送入吸收质组成为0.2（摩尔分率，下同）
50、混合气，以含吸收质浓度为0.02吸收剂从塔顶向下喷淋，已知平衡关系为y=2x，则尾气中吸收质最低浓度为（）A、0.02B、0.04C、0.06D、0.01CCAB第第167页页9、在化工生产中，要提升吸收效果，能够设法提升吸收总传质系数，必须采取（）A.降低气膜和液膜厚度B.提升气膜和液膜厚度C.降低流体流动速度10、吸收过程方向和程度取决于吸收质在气液两相中平衡关系，若要进行吸收操作，则应控制（）。AB.C11、依据双膜理论，当被吸收组分在液相中溶解度很小时，以液相浓度表示总传质系数（）。A大于液相传质分系数B近似等于液相传质分系数C小于气相传质分系数D近似等于气相传质分系数AAB第第168