化工原理 吸收

1、化工原理 吸收第1頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收概述吸收操作1. 定義分離物系：氣體混合物（溶質(zhì)A+載體B）造兩相方式：引入吸收劑S傳質(zhì)原理：溶解度差異吸收結(jié)果：吸收液（大部分A+S）吸收尾氣（B+微量A） 吸收：利用各組分溶解度不同而分離氣體混合物的單元操作。第2頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收概述2. 分類 化學(xué)反應(yīng)物理吸收：水吸收CO2化學(xué)吸收：堿液吸收CO2 組分?jǐn)?shù)目單組分吸收：水吸收合成氨原料氣（N2、H2、CO及CO2等）多組分吸收：洗油吸收焦?fàn)t氣（苯、甲苯和二甲苯等） 溫度變化等溫吸收：吸收時(shí)溫度變化不明顯非等溫吸收：吸收

2、時(shí)溫度明顯上升（熱效應(yīng)和反應(yīng)熱） 溶質(zhì)組成高低低組成吸收高組成吸收重點(diǎn)：低組成單組分等溫物理吸收的原理與計(jì)算第3頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收概述3. 吸收與蒸餾之異同吸收與蒸餾比較第4頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收概述4. 吸收用途 凈化氣體：用水或堿液脫除合成氨原料氣中的CO2； 制備某種氣體的溶液：用水吸收氯化氫氣體制取鹽酸； 回收混合氣體中所需組分 ：用洗油處理焦?fàn)t氣以回收芳烴； 治理工業(yè)廢氣 ：脫除廢氣中含有SO2、NO2等有害氣體。5. 吸收劑的選擇 溶解度：吸收劑對(duì)A的溶解度要大； 選擇性：吸收劑對(duì)混合氣體中除A外的其他

3、組分不吸收或吸收甚微； 揮發(fā)度：揮發(fā)度小，其損失?。?黏度：黏度低，利于改善流動(dòng)狀況； 其他：無(wú)毒、無(wú)腐蝕、價(jià)廉易得，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。第5頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收相平衡1. 氣體溶解度吸收劑 S氣體（AB）A 溶解A 逸出氣體吸收相平衡 恒溫和恒壓時(shí)，氣體混合物（AB）與吸收劑 S 接觸，當(dāng)氣、液兩相處于平衡時(shí)，其飽和組成（平衡組成）為x A ，飽和分壓（平衡分壓）為p A*，關(guān)系為 氣體溶解度：指氣體在液體中的飽和組成，習(xí)慣上用單位質(zhì)量（或體積）液體中所含溶質(zhì)質(zhì)量表示。第6頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收相平衡易溶：氨在水中的溶

4、解度中等：二氧化硫在水中的溶解度難溶：氧在水中的溶解度規(guī)律： 同溫下，氣相分壓，溶解度； 同分壓下，溫度 ，溶解度 。 加壓和降溫有利于吸收第7頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收相平衡2. 亨利定律 亨利定律：在總壓不高和恒溫下，稀溶液上方的飽和分壓與其飽和組成之間的關(guān)系。 p x 若溶質(zhì)在氣、液相中的組成分別以分壓p、摩爾分?jǐn)?shù) x 表示，關(guān)系為（E：亨利系數(shù)，kPa） p c若溶質(zhì)在氣、液相中的組成分別以分壓p、摩爾濃度 c 表示，關(guān)系為H：溶解度系數(shù)，kmol/(kNm)第8頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收相平衡 y x 若溶質(zhì)在氣、液

5、相中的組成分別以摩爾分?jǐn)?shù)y和x表示 ，關(guān)系為（m ：相平衡常數(shù)或分配系數(shù)） Y X （最常用）若溶質(zhì)在氣、液相中的組成分別以摩爾比Y和X表示 ，關(guān)系為（低組成吸收，xi很?。┑?頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收相平衡 小結(jié)8種形式第10頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收相平衡 系數(shù)換算a. HE 若溶液組成為c i kmol(A)/m3、密度為 kg/m3 1 m3溶液中溶質(zhì)A為c i kmol，溶劑S為（c i MA）/MS kmol（低組成吸收）第11頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收相平衡b. mEc. Hm

6、第12頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收相平衡3. 吸收相平衡的應(yīng)用 判定傳質(zhì)方向若氣相中溶質(zhì)的實(shí)際組成為y i，溶液中溶質(zhì)的實(shí)際組成為x i,傳質(zhì)方向由氣相到液相,進(jìn)行吸收傳質(zhì)方向由液相到氣相,進(jìn)行脫吸第13頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收相平衡 確定傳質(zhì)推動(dòng)力以氣相表示的傳質(zhì)推動(dòng)力為：以液相表示的傳質(zhì)推動(dòng)力為：吸收推動(dòng)力第14頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收相平衡 指明傳質(zhì)極限平衡過(guò)程是傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行的極限x2x1y1y2 相平衡關(guān)系限定了出塔氣體的最低組成和吸收液離塔的最高組成。第15頁(yè)，共60頁(yè)，2022年

7、，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算傳質(zhì)機(jī)理與菲克定律1. 吸收中的傳遞現(xiàn)象 吸收是溶質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)移到液相的單元操作，含2步：溶質(zhì)由氣相主體向相界面的傳遞和由相界面向液相的傳遞；物質(zhì)在單一相中的轉(zhuǎn)遞是靠擴(kuò)散完成的。 傳遞步驟 擴(kuò)散方式第16頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算傳質(zhì)機(jī)理與菲克定律2. 分子擴(kuò)散與菲克定律擴(kuò)散現(xiàn)象 分子擴(kuò)散：在一相內(nèi)部有組成差異的條件下，由于分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象；習(xí)慣上簡(jiǎn)稱為擴(kuò)散；擴(kuò)散在氣相、液相和固相中均能發(fā)生。 擴(kuò)散通量(J)：反映擴(kuò)散進(jìn)行的快慢程度，指單位面積上單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量，kmol/(m2s)。第1

8、7頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算傳質(zhì)機(jī)理與菲克定律 菲克定律：描述擴(kuò)散過(guò)程的基本方程。（DAB ：物質(zhì)A在介質(zhì)B中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s） 兩組分?jǐn)U散體系時(shí)，擴(kuò)散現(xiàn)象第18頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算傳質(zhì)機(jī)理與菲克定律3.氣相中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散 等分子反向擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)的等分子反向擴(kuò)散 傳質(zhì)速率（NA）：亦稱傳質(zhì)通量，指在任一固定的空間位置上，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的A物質(zhì)量。第19頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算傳質(zhì)機(jī)理與菲克定律 一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散組分A通過(guò)停滯組分B的擴(kuò)散總體流

9、動(dòng)：在多組分中，各組分在進(jìn)行擴(kuò)散的同時(shí)其微團(tuán)也處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。第20頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算傳質(zhì)機(jī)理p/pBm ：漂流因數(shù)，反映總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響。（吸收）（精餾）第21頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算傳質(zhì)機(jī)理4. 液相中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散 特點(diǎn)a. 液相中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣相中的擴(kuò)散速度；b. 物質(zhì)在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)較在液相中的擴(kuò)散系數(shù)約大105倍；c. 一定條件下氣、液兩相中可達(dá)到相同的擴(kuò)散通量。 一組分通過(guò)另一停滯組分的液相擴(kuò)散（D：溶質(zhì)A在溶劑S中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s） 第22頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0

10、點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算傳質(zhì)機(jī)理5. 擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù)：物質(zhì)的特性常數(shù)之一，隨介質(zhì)種類、溫度、壓強(qiáng)及組成的不同而變化；其獲取途徑有3種： 實(shí)驗(yàn)測(cè)定；從資料和手冊(cè)中查??；估算。氣相中，按Maxwell-Gilliland公式：液相中，分子體積（）：1 mol物質(zhì)在正常沸點(diǎn)下呈液態(tài)時(shí)的體積（cm3）。第23頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算傳質(zhì)機(jī)理6. 渦流擴(kuò)散與對(duì)流傳質(zhì) 渦流擴(kuò)散 渦流擴(kuò)散：憑借流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象；3特點(diǎn)：a.發(fā)生在湍流流體中；b. 與分子擴(kuò)散并存；c. 其速率遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散速率。 渦流擴(kuò)散的擴(kuò)散通量為：（DE ：渦流擴(kuò)散系數(shù)

11、，非物性常數(shù)，與湍動(dòng)程度和位置有關(guān)）第24頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算傳質(zhì)機(jī)理 對(duì)流傳質(zhì)傳質(zhì)的有效層流膜 對(duì)流傳質(zhì)：發(fā)生在運(yùn)動(dòng)著的流體與相界面之間的傳質(zhì)；在化學(xué)工程領(lǐng)域中，主要指湍流主體與相界面之間的渦流擴(kuò)散與分子擴(kuò)散兩種傳質(zhì)作用的總和。（z G、z L：氣、液相中的有效層流膜厚度）第25頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收機(jī)理1. 雙膜理論雙膜理論雙膜理論：亦稱停滯膜模型，由惠特曼提出；3點(diǎn)假設(shè)： 當(dāng)氣、液兩相相互接觸時(shí)，兩相間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一個(gè)很薄的層流膜（氣膜和液膜），溶質(zhì)A以分子擴(kuò)散通過(guò)此二膜層由氣相

12、主體進(jìn)入液相主體； 界面處的氣、液兩相達(dá)到平衡狀態(tài)； 在氣膜、液膜以外的氣、液兩相主體中，由于流體充分湍動(dòng)，物質(zhì)組成均勻。 第26頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收機(jī)理 雙膜理論用于描述具有固定相界面的系統(tǒng)及速度不高的兩流體間的傳質(zhì)過(guò)程，是傳質(zhì)設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)；其貢獻(xiàn)在于把復(fù)雜的相間傳質(zhì)簡(jiǎn)化為溶質(zhì)經(jīng)由兩個(gè)層流膜層的分子擴(kuò)散過(guò)程，而相界面處及兩相主體中均無(wú)傳質(zhì)阻力存在。 模型參數(shù)：氣相有效層流膜厚度（z G）；液相有效層流膜厚度（z L）。第27頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收機(jī)理2. 溶質(zhì)滲透理論 溶質(zhì)滲透理論：由希格

13、比提出的一種非穩(wěn)態(tài)模型；2要點(diǎn)： 液面是由無(wú)數(shù)微小的流體單元所構(gòu)成，暴露于表面的每個(gè)單元都在與氣相接觸某一短暫時(shí)間（暴露時(shí)間）后，即被來(lái)自液相主體的新單元取代，而其自身則返回液相主體內(nèi)； 溶質(zhì)總是處于由相界面向液相主體縱深方向逐漸滲透的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程中。模型參數(shù)：暴露時(shí)間s。第28頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收機(jī)理3. 表面更新理論 表面更新理論：由丹克沃茨提出；2要點(diǎn)： 液體表面是由具有不同暴露時(shí)間（或稱年齡）的液體微元所構(gòu)成； 各種年齡的微元被置換的幾率與它們的年齡無(wú)關(guān)，而與液體表面上該年齡的微元數(shù)成正比。表面更新率（s）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)表面被置換的分率 模型

14、參數(shù)：表面更新率s第29頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收速率1. 吸收速率吸收速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位相間傳質(zhì)面積上吸收的溶質(zhì)量。吸收速率方程式：表示吸收速率與吸收推動(dòng)力之間的關(guān)系。膜系數(shù)k氣膜或液膜的推動(dòng)力總系數(shù)K總推動(dòng)力2. 氣膜吸收速率方程式第30頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收速率3. 液膜吸收速率方程式雙膜理論第31頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收速率4. 界面組成界面組成A：氣、液相主體的組成點(diǎn)；I：相界面的組成點(diǎn)。第32頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸

15、收計(jì)算吸收速率5. 總吸收速率方程式 總推動(dòng)力為(p- p*)的吸收速率方程式 第33頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收速率氣膜控制對(duì)于易溶氣體，H值很大 示例：水吸收氨第34頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收速率 總推動(dòng)力為(c*- c)的吸收速率方程式 第35頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收速率液膜控制對(duì)于難溶氣體，H值很小 示例：水吸收氧 對(duì)于具有中等溶解度的氣體吸收而言，氣膜阻力與液膜阻力同時(shí)考慮。第36頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收速率 總推動(dòng)

16、力為(Y- Y* )的吸收速率方程式 (低組成吸收)第37頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收速率 總推動(dòng)力為( X*- X)的吸收速率方程式 (低組成吸收)第38頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收速率6. 小結(jié)不同吸收速率方程式的比較第39頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收速率 等效性； 吸收系數(shù)單位是kmol/(m2s單位推動(dòng)力)； 吸收速率方程式中的吸收系數(shù)與吸收推動(dòng)力的正確搭配； 上述各式是以氣液組成保持不變?yōu)榍疤岬?，故只適合描述穩(wěn)態(tài)操作的吸收塔內(nèi)任一橫截面上的速率關(guān)系，不能直接描述全塔

17、的吸收速率； 使用與總吸收系數(shù)相對(duì)應(yīng)的各式時(shí)，在整個(gè)過(guò)程所涉及的濃度范圍內(nèi)，平衡關(guān)系須為直線。使用吸收速率方程式時(shí)應(yīng)注意：第40頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算 吸收常用塔設(shè)備，既可采用氣液相逐級(jí)接觸的板式塔，也可采用氣液相連續(xù)接觸的填料塔（為主）； 填料層是塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液接觸的有效部位； 在對(duì)等條件下，逆流不僅獲得較大的平均推動(dòng)力，而且可減少吸收劑消耗量、提高溶質(zhì)吸收率，故吸收塔常用逆流。 吸收塔計(jì)算：確定吸收劑用量，繼而計(jì)算塔徑和塔的有效段高度1. 概述第41頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算2. 吸收塔的物料

18、衡算與操作線方程逆流吸收塔物料衡算下標(biāo)1：塔底截面；下標(biāo)2：塔頂截面V：kmol(B)/s；L：kmol(S)/s；Y1和Y2：kmol(A)/kmol(B)；X1和X2：kmol(A)/kmol(S)。（ ：溶質(zhì)吸收率或回收率） 全塔物料衡算第42頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算逆流吸收塔操作線衡算 操作線方程：描述塔內(nèi)任一橫截面上氣相組成Y與液相組成X之間的關(guān)系。逆流吸收塔操作線濃端：具有最大氣液相組成；稀端：具有最小氣液相組成。 吸收塔操作線方程第43頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算 吸收劑用量 吸收計(jì)算

19、中，V已知，須計(jì)算L；V一定時(shí)，若確定液氣比 L / V，即確定L。 確定液氣比L/V：先求出吸收過(guò)程的最小液氣比(L/V) min，然后根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，確定適宜液氣比。 吸收塔的最小液氣比吸收塔第44頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算3. 計(jì)算塔徑注意點(diǎn)： Vs以塔底氣量為依據(jù)； 關(guān)鍵在于確定適宜的空塔氣速u； 圓整塔徑。 第45頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算4. 填料層高度Z微元填料層物料衡算 Z的基本計(jì)算式物料衡算、傳質(zhì)速率與相平衡 填料塔為連續(xù)接觸式塔設(shè)備，隨著吸收的進(jìn)行，氣、液兩相組成沿填料層高度不斷變

20、化，塔內(nèi)各截面上吸收速率并不相同，故取微元填料層進(jìn)行物料衡算。第46頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算微元填料層物料衡算（a ：有效比表面積； ：塔截面積） 體積吸收系數(shù)：在單位推動(dòng)力下，單位時(shí)間、單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)量，kmol/(m3s)。第47頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算 傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度（HOG：氣相總傳質(zhì)單元高度，NOG：氣相總傳質(zhì)單元數(shù)）（HOL：液相總傳質(zhì)單元高度，NOL：液相總傳質(zhì)單元數(shù)）第48頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算HOG 反映吸收速率的大小，HOG 越大，吸收速率越小NOG 反映吸收分離的難易程度，NOG 越大，吸收分離難度越大第49頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算傳質(zhì)與傳熱中單元數(shù)與單元高度(長(zhǎng)度)比較第50頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算 求傳質(zhì)單元數(shù)1）平衡線為直線a. 脫吸因數(shù)式（S ：脫吸因數(shù)）第51頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二吸收計(jì)算吸收塔計(jì)算（A ：吸收因數(shù)）第52頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)29分，星期二