化工原理 吸收

化工原理吸收第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收概述吸收操作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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收概述2.分類①化學(xué)反應(yīng)物理吸收：水吸收CO2化學(xué)吸收：堿液吸收CO2②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）③溫度變化等溫吸收：吸收時溫度變化不明顯非等溫吸收：吸收時溫度明顯上升（熱效應(yīng)和反應(yīng)熱）④溶質(zhì)組成高低低組成吸收高組成吸收重點：低組成單組分等溫物理吸收的原理與計算第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收概述3.吸收與蒸餾之異同吸收與蒸餾比較第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收概述4.吸收用途①凈化氣體：用水或堿液脫除合成氨原料氣中的CO2；②制備某種氣體的溶液：用水吸收氯化氫氣體制取鹽酸；③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；④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①溶解度：吸收劑對A的溶解度要大；②選擇性：吸收劑對混合氣體中除A外的其他組分不吸收或吸收甚微；③揮發(fā)度：揮發(fā)度小，其損失?。虎莛ざ龋吼ざ鹊?，利于改善流動狀況；⑤其他：無毒、無腐蝕、價廉易得，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收相平衡1.氣體溶解度吸收劑S氣體（A＋B）A

溶解A逸出氣體吸收相平衡

恒溫和恒壓時，氣體混合物（A＋B）與吸收劑S接觸，當(dāng)氣、液兩相處于平衡時，其飽和組成（平衡組成）為xA，飽和分壓（平衡分壓）為pA*，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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收相平衡易溶：氨在水中的溶解度中等：二氧化硫在水中的溶解度難溶：氧在水中的溶解度規(guī)律：①同溫下，氣相分壓↑，溶解度↑；②同分壓下，溫度↓

，溶解度↑。加壓和降溫有利于吸收第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收相平衡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。①p

－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）②p

－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/(kN?m)]第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收相平衡③y

－x

若溶質(zhì)在氣、液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)）④Y

－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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收相平衡⑤小結(jié)－8種形式第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收相平衡⑥系數(shù)換算a.

H－E

若溶液組成為cikmol(A)/m3、密度為ρkg/m3

→1m3溶液中溶質(zhì)A為cikmol，溶劑S為（ρ－ciMA）/MSkmol（低組成吸收）第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收相平衡b.

m－Ec.

H－m第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收相平衡3.吸收相平衡的應(yīng)用①判定傳質(zhì)方向若氣相中溶質(zhì)的實際組成為yi，溶液中溶質(zhì)的實際組成為xi,傳質(zhì)方向由氣相到液相,進行吸收傳質(zhì)方向由液相到氣相,進行脫吸第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收相平衡②確定傳質(zhì)推動力以氣相表示的傳質(zhì)推動力為：以液相表示的傳質(zhì)推動力為：吸收推動力第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收相平衡③指明傳質(zhì)極限平衡過程是傳質(zhì)過程進行的極限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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－傳質(zhì)機理與菲克定律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)遞是靠擴散完成的。①傳遞步驟②擴散方式第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－傳質(zhì)機理與菲克定律2.分子擴散與菲克定律擴散現(xiàn)象①分子擴散：在一相內(nèi)部有組成差異的條件下，由于分子無規(guī)則熱運動而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象；習(xí)慣上簡稱為擴散；擴散在氣相、液相和固相中均能發(fā)生。

擴散通量(J)：反映擴散進行的快慢程度，指單位面積上單位時間內(nèi)擴散傳遞的物質(zhì)量，kmol/(m2?s)。第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－傳質(zhì)機理與菲克定律②菲克定律：描述擴散過程的基本方程。（DAB

：物質(zhì)A在介質(zhì)B中的擴散系數(shù)，m2/s）

兩組分?jǐn)U散體系時，擴散現(xiàn)象第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－傳質(zhì)機理與菲克定律3.氣相中的穩(wěn)態(tài)擴散①等分子反向擴散等分子反向擴散穩(wěn)態(tài)的等分子反向擴散

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，單位時間內(nèi)通過單位面積的A物質(zhì)量。第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－傳質(zhì)機理與菲克定律②一組分通過另一停滯組分的擴散組分A通過停滯組分B的擴散總體流動：在多組分中，各組分在進行擴散的同時其微團也處于運動狀態(tài)。第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－傳質(zhì)機理p/pBm：漂流因數(shù)，反映總體流動對傳質(zhì)速率的影響。（吸收）（精餾）第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－傳質(zhì)機理4.液相中的穩(wěn)態(tài)擴散①特點a.液相中的擴散速度遠遠小于氣相中的擴散速度；b.物質(zhì)在氣相中的擴散系數(shù)較在液相中的擴散系數(shù)約大105倍；c.一定條件下氣、液兩相中可達到相同的擴散通量。②一組分通過另一停滯組分的液相擴散（D’：溶質(zhì)A在溶劑S中的擴散系數(shù)，m2/s）

第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－傳質(zhì)機理5.擴散系數(shù)

擴散系數(shù)：物質(zhì)的特性常數(shù)之一，隨介質(zhì)種類、溫度、壓強及組成的不同而變化；其獲取途徑有3種：①實驗測定；②從資料和手冊中查??；③估算。氣相中，按Maxwell-Gilliland公式：液相中，分子體積（υ）：1mol物質(zhì)在正常沸點下呈液態(tài)時的體積（cm3）。第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－傳質(zhì)機理6.渦流擴散與對流傳質(zhì)①渦流擴散

渦流擴散：憑借流體質(zhì)點的湍動和旋渦而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象；3特點：a.發(fā)生在湍流流體中；b.與分子擴散并存；c.其速率遠大于分子擴散速率。渦流擴散的擴散通量為：（DE：渦流擴散系數(shù)，非物性常數(shù)，與湍動程度和位置有關(guān)）第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－傳質(zhì)機理②對流傳質(zhì)傳質(zhì)的有效層流膜

對流傳質(zhì)：發(fā)生在運動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散與分子擴散兩種傳質(zhì)作用的總和。（zG、zL：氣、液相中的有效層流膜厚度）第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收機理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點假設(shè)：①當(dāng)氣、液兩相相互接觸時，兩相間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一個很薄的層流膜（氣膜和液膜），溶質(zhì)A以分子擴散通過此二膜層由氣相主體進入液相主體；②界面處的氣、液兩相達到平衡狀態(tài)；③在氣膜、液膜以外的氣、液兩相主體中，由于流體充分湍動，物質(zhì)組成均勻。第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收機理

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)過程，是傳質(zhì)設(shè)備設(shè)計計算的主要依據(jù)；其貢獻在于把復(fù)雜的相間傳質(zhì)簡化為溶質(zhì)經(jīng)由兩個層流膜層的分子擴散過程，而相界面處及兩相主體中均無傳質(zhì)阻力存在。

模型參數(shù)：氣相有效層流膜厚度（zG）；液相有效層流膜厚度（zL）。第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收機理2.溶質(zhì)滲透理論

溶質(zhì)滲透理論：由希格比提出的一種非穩(wěn)態(tài)模型；2要點：①液面是由無數(shù)微小的流體單元所構(gòu)成，暴露于表面的每個單元都在與氣相接觸某一短暫時間（暴露時間）后，即被來自液相主體的新單元取代，而其自身則返回液相主體內(nèi)；②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)過程中。模型參數(shù)：暴露時間θs。第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收機理3.表面更新理論

表面更新理論：由丹克沃茨提出；2要點：①液體表面是由具有不同暴露時間（或稱年齡）的液體微元所構(gòu)成；②各種年齡的微元被置換的幾率與它們的年齡無關(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）：單位時間內(nèi)表面被置換的分率]

模型參數(shù)：表面更新率s第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收速率1.吸收速率吸收速率：單位時間內(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力之間的關(guān)系。膜系數(shù)k×氣膜或液膜的推動力總系數(shù)K×總推動力2.氣膜吸收速率方程式第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收速率3.液膜吸收速率方程式雙膜理論第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收速率4.界面組成界面組成A：氣、液相主體的組成點；I：相界面的組成點。第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收速率5.總吸收速率方程式①總推動力為(p-p*)的吸收速率方程式第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收速率氣膜控制對于易溶氣體，H值很大

示例：水吸收氨第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收速率②總推動力為(c*-c)的吸收速率方程式

第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收速率液膜控制對于難溶氣體，H值很小

示例：水吸收氧

對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考慮。第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收速率③總推動力為(Y-Y*)的吸收速率方程式

(低組成吸收)第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收速率④總推動力為(X*-X)的吸收速率方程式

(低組成吸收)第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收速率6.小結(jié)不同吸收速率方程式的比較第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收速率①等效性；②吸收系數(shù)單位是kmol/(m2·s·單位推動力)；③吸收速率方程式中的吸收系數(shù)與吸收推動力的正確搭配；④上述各式是以氣液組成保持不變?yōu)榍疤岬模手贿m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，不能直接描述全塔的吸收速率；⑤使用與總吸收系數(shù)相對應(yīng)的各式時，在整個過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應(yīng)注意：第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計算①吸收常用塔設(shè)備，既可采用氣液相逐級接觸的板式塔，也可采用氣液相連續(xù)接觸的填料塔（為主）；②填料層是塔內(nèi)實現(xiàn)氣液接觸的有效部位；③在對等條件下，逆流不僅獲得較大的平均推動力，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。

吸收塔計算：確定吸收劑用量，繼而計算塔徑和塔的有效段高度1.概述第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計算2.吸收塔的物料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）①全塔物料衡算第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計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。②吸收塔操作線方程第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計算③吸收劑用量

吸收計算中，V已知，須計算L；V一定時，若確定液氣比L/V，即確定L。確定液氣比L/V：先求出吸收過程的最小液氣比(L/V)min，然后根據(jù)工程經(jīng)驗，確定適宜液氣比。

吸收塔的最小液氣比吸收塔第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計算3.計算塔徑注意點：①Vs以塔底氣量為依據(jù)；②關(guān)鍵在于確定適宜的空塔氣速u；③圓整塔徑。第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計算4.填料層高度Z微元填料層物料衡算①Z的基本計算式物料衡算、傳質(zhì)速率與相平衡

填料塔為連續(xù)接觸式塔設(shè)備，隨著吸收的進行，氣、液兩相組成沿填料層高度不斷變化，塔內(nèi)各截面上吸收速率并不相同，故取微元填料層進行物料衡算。第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計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)：在單位推動力下，單位時間、單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)量，kmol/(m3?s)。第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計算②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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計算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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計算傳質(zhì)與傳熱中單元數(shù)與單元高度(長度)比較第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計算③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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收計算

－吸收塔計算（A