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1、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，來分離氣體混合物的操作，稱為吸收操作。 在吸收過程中，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；不被吸收的組分稱為惰性組分或載體；吸收了溶質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)應用 （1）分離混合氣體。是最主要的應用。 （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)境保護的排放標準，則選用合適溶劑將有害氣體吸收，使該廠放空氣體達到排放標準。 （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,

2、,,重點是低濃度氣體混合物的單組分等溫物理吸收。,吸收過程的氣、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力最大，與傳熱時兩流體以逆流流動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提供適宜的傳質設備； 3吸收劑的再生。,1-3 吸收劑的選擇,1溶解度對溶質組分有較大的溶解度； 2選擇性對溶質組分有良好的選擇性，即對其它組分基本不吸收或吸收甚微； 3揮發(fā)性 應不易揮發(fā)； 4黏性 黏度要低； 5其它 無毒、無腐蝕性、不易燃燒、不發(fā)泡、價廉易得，并具有化學穩(wěn)定性等要求。

3、,溶解度,即在溫度T，總壓P和氣、液相組成共四個 變量中，有三個自變量，另一個是它們的函數(shù)：,2 氣液相平衡關系,氣液平衡時，溶質在單位液體體積或質量中的溶解度稱為平衡溶解度，而溶質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，溶質組分在兩相中的濃度服從相平衡關系。,物質量比的定義為： 液相： 氣相：,式中：Y*A，XA平衡狀態(tài)時，溶質A在氣相、液相 中的物質的量的比； y*A，xA平衡狀態(tài)時溶質A在氣相中、液相 中的摩爾分數(shù)； p*A溶質A在氣相中的平衡分壓； cA平衡狀態(tài)下溶質A在液相中的物質的量 濃度。

4、,物質的量比與摩爾數(shù)之間的關系：,,若固定溫度、壓力不變，測得某動平衡下，溶液上方氨的分壓為p1，此時溶于水的氨的濃度為x1；再改變濃度為x2，測得上方氨分壓為p2；依次類推，改變氨的濃度為xn，測得溶液上方氨的分壓為pn，如圖5-4所示。將這n個點，標繪在圖上，即得在一定溫度、壓力下的溶解度曲線。,2-1 溶解度曲線,,說明：,(1) 不同氣體的溶解度差異很大,,,(2) 對于稀溶液，有,,E是物性，通常由實驗測定?？蓮挠嘘P手冊中查得。 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,,對于非理想溶液，在低濃度下，服從亨利定律。 由圖看出

5、，OD是平衡曲線，但在x=00.10的這一段，可以寫成亨利定律的表達式。,,p*A為溶質A在氣相中的平衡分壓；E稱為亨利系數(shù)；xA為溶質在溶液中所占的摩爾分率。 亨利定律還可寫成： 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A的物質的量濃度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。,

6、亨利系數(shù)之間的關系,,若以比摩爾分數(shù)表示吸收質在氣、液兩相的濃度，則：,,代入：,得：,對于稀溶液，有：,,2-3 相平衡與吸收過程的關系 1.用相平衡判斷過程進行的方向,,吸收過程：如A1點，在平衡線的上方， yAyA*，溶質應從氣相到液相。 解吸過程：如A2點，在平衡線的下方，yA*yA，溶質應從液相到氣相。,2用相平衡確定過程進行的極限 在一定的溫度與壓力的條件下，當氣、液傳質達到平衡時，凈傳質速率為零。在逆流操作時，含溶質為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也不會無限增大，其極值只與氣相濃度yA，1呈平

7、衡的液相濃度xA，1* 。,3計算過程推動力，分析過程進行的難易,在圖中，在截面M-N中，推動力以氣相濃度差表示為： 液相推動力差表示為： 偏離平衡濃度越遠，推動力越大。,3 吸收速率方程,吸收過程中吸收速率是指單位時間內、在單位相際傳質面積上被吸收的溶質量。 吸收速率可以表示為：,3-1 分吸收速率方程,分子擴散流體內某一組分存在濃度差時，則由于分子運動使組分從濃度高處傳遞至濃度低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴散。 費克定律單位時間通過單位面積物質的擴散量與濃度梯度成正比。,以液相傳質分系數(shù)表示的吸收速率方程,以氣膜傳質分系數(shù)表示的吸收速度方程：,3-2 總吸收速率方程,,1兩相間有物質傳遞時，相

8、界面兩側各有一層極薄的靜止膜，傳遞阻力都集中在這里。,,2物質通過雙膜的傳遞過程為穩(wěn)態(tài)過程，沒有物質的積累。即， 總阻力=氣膜阻力+液膜阻力 當濃度很稀時， KX=cM+KL KX以物質的量比差表示的總推動力的液相傳質系數(shù)。 當kGKl，為氣膜控制 當kGKl，為液膜控制,3. 假定氣液界面處無傳質阻力，且界面處的氣液組成達于平衡。,,填料與分離的物系性質有關。某溶劑對某溶質的溶解度越大，越易吸收，填料高度會越小。這與分子間的力有關，即物系的相平衡關系。 與傳質相界面的面積有關。單位體積填料提供的有效傳質面積越大，達到相同分離要求的填料高度會越小。此即與填料的形狀

9、有關。衡量填料形狀的因素，可用傳質速率與傳質系數(shù)表達。 若物系相同，填料形狀亦相同，但處理的原料氣量（V）和原料氣的進出口組成（y1和y2）不同，所以填料又與V，L，y1，y2，x1有關，此即與物料衡算有關。下面將分相平衡關系、傳質速率、物料衡算等三個方面來展開吸收過程。,4-1吸收塔的物料衡算和操作線方程,,對吸收塔作物料衡算。從塔頂畫衡算范圍得：進塔=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；,上述兩個方程都稱為吸收操作線方程。,其

10、斜率為塔內的氣、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A，B兩點。平衡線為YA*=f（XA）,,關于操作線： 操作線的端點B表示塔底氣、液組成（XA,1，YA,1），相對與全塔，它是最高點，稱為濃端；A點表示塔頂氣液組成（XA,2，YA,2），是氣、液組成最低點，稱為稀端。 操作線上任何一點表示對應的氣、液兩相組成； 如M點，它的YA-YA*表示氣相推動力，XA*-XA表示液相推動力。操作線與平衡線相距越遠，傳質推動力越大。 吸收操作線只與氣、液兩相的流量和組成有關，而與系統(tǒng)的平衡關系、操作溫度、壓強等因素無關。 吸收操作位于平衡線的上方，解吸線位于平衡線的下方

11、。,4-2 吸收劑用量的確定，最小液氣比,在一般的吸收計算中， 是給定的。對于式 當qn，C下降， 亦下降，表示塔底出口濃度上升。,,,,不能再下降時的極限值， 此時的液氣比稱為最小液氣比。,,,4-3 吸收塔塔徑的計算,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 填料層高度基本計算式,,對截面積為S，高為dH的微元填料層作物料衡算得 : 達到平衡時，氣體中溶質的減少量等于液體中溶質的增加量； 并等于被吸收的溶質量。,,對上式進行積分可得： I II上式為計算填料的基本方程式。為單位體積填料內有效接觸面積。因其不易求解，常將之與KX及KY的乘積進行計

12、算，稱為總體積吸收系數(shù),傳質單元高度與傳質單元數(shù),,其中 的單位是M 稱為傳質單元高度，用表示HoG。 H OG =,= 填料層高度 = 傳質單元高度 傳質單元數(shù),=,,傳質單元數(shù)的計算,1. 對數(shù)平均推動力法 當平衡線為直線時， 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顯線性關系，于是。,,,,,為過程的氣相平均推動力，等于吸收塔兩端以氣相組成差表示的對數(shù)平均值。,,2數(shù)學分析法,其實質是一種解析積分法，當平衡線過原點時，逆流吸收塔的操作方程為：,,,,,式中： 為解吸因數(shù)， 它對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：

13、 式中： 為吸收因數(shù)，吸收因數(shù)值愈大，愈有利于吸收過程 的進行。,3. 圖解積分法,當平衡線為曲線時，一般用下列二式求算填料層高度H： 傳質單元數(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與YA對應的YA-YA*，計算對應的1/YA-YA* 以YA為橫座標，1/YA-YA*為縱座標作圖，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成平衡的y*，即解吸塔，解吸塔操作線在平衡線下方。,吸收設備和流程,吸收流程,(3) 吸收劑在吸收塔內再循環(huán)流程,(4) 吸收-解吸流程,