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第九章 吸 收Absorption,2,一、吸收过程：,1.定义：,气相 液相,2.依据：,不同气体组分在液体中的溶解度差异,第一节 概述,NH3: 气相 液相,3,3.相关概念：,吸收质(溶质)：A,尾气：B+(A),惰性组分(载体)：B,吸收剂：S,吸收液：S+A,4,二、吸收的应用：,A有用；,回收,A有害；,净化,制备A的S溶液。,三、解吸：,液相 气相,5,四、吸收的分类：,性质,溶质数目,热效应,物理：,化学：,无明显化学反应,有明显化学反应,等温：,非等温：,温变小,温变大,单组分：,多组分：,A为1个,A为多个,6,五、吸收剂的选择依据：,溶解度（大）& 对温度敏感；,吸收选择性（高）-选择系数,挥发度（小）；,粘性（小）；,稳定性高、腐蚀性小等 。,7,逐级接触式,微分接触式(连续),板式塔,处理量大,填料塔,处理量小,分类,六、吸收设备：,8,9,第二节 气液相平衡,研究目的：,吸收的极限？,吸收的推动力？,1.气液平衡,气相：pA*,液相：CA*,气相 液相,气体溶解度：,T和P一定,平衡时的浓度,极限程度,一、溶解度曲线,10,（3）摩尔比,气相,液相,（1）摩尔浓度,（2）摩尔分率,气相,液相,平衡浓度的不同表达方法,11,相律：,C3，P=2，,参数：P、T、y( )、x,f = 3,2、影响平衡溶解度的因素,12,3.溶解度曲线,T一定：,溶解度（平衡浓度）和平衡分压关系曲线,已知气相实际分压 ：,已知液相实际浓度 ：,13,特点：,同,若,同,若,若,利于吸收 ；,若,利于脱吸 。,14,同T同 下， 大，易溶,同T同 下， 大，难溶,15,二、气液相平衡关系式亨利定律,1. 表达式：(液相浓度用摩尔分率表示),T一定，,亨利系数,单位同,无因次,说明：,P5atm，,稀溶液，,平衡状态时：,理想溶液，,T一定，,P5atm，,非理想溶液，,16,同S中,互成平衡,已知气相实际分压 ：,已知液相实际浓度 ：,17,2. 表达式：(液相浓度用摩尔浓度表示),溶解度系数,关系式：,溶液的密度,18,说明：,同S中,19,相平衡常数(分配系数),道尔顿定律：,3. 表达式(气液均用摩尔分率表示),关系式：,20,说明：,同S中,21,气相,液相,4. 表达式(气液均用摩尔比表示),22,5.其他表示法：,(),(),(),(),( X ),平衡关系为：,(),23,例:二氧化碳的体积分数为30的某种混合气体与水充分接触，系统温度为30,总压为101.33kPa。试求液相中二氧化碳的平衡组成，分别以摩尔分数和物质的量浓度表示。在操作范围内亨利定律可适用。,道尔顿定律：,解：,查表得：30,24,另一解法,25,三、相平衡与吸收过程的关系,1.判断传质方向及推动力：,已知体系的,若,吸收，,若,平衡，,若,解吸,若,吸收,若,平衡，,若,解吸,26,例：设在1atm，20下氨气在水中的E=95.25kPa.,(1)使含氨y=0.1的混合气和x=0.05的氨水相接触,判断传质过程为吸收还是解吸?,解: (1),吸收,吸收,过程的极限为,27,解吸,(2)若以y=0.05的含氨混合气与x=0.1的氨水接触时,结果?,解吸,28,第三节 传质机理与吸收速率,1.吸收传质步骤：,气相主体 气液相界面；,相界面上的溶解（阻力0）；服从气液平衡关系,相界面 液相主体。,2.传质形式：,分子扩散分子的热运动,涡流扩散质点的宏观运动,（静止、滞流）,（湍流）,浓度高低,29,一、传质机理,1.菲克（Fick）定律：,扩散通量,浓度变化率,A在B中的分子扩散系数，,(一)分子扩散：,30,（P不太高，T均匀）,说明：不稳定的分子扩散,31,2.等分子反向扩散,(1)传质速率( ),总传质速率,稳定 等分子,32,无气体的宏观运动,33,34,例：在上图所示的两个大容器内分别装有浓度不同的NH3和N2两种气体的混合物。连通管长为0.61m，内径为24.4mm，T25，压强为101.3kPa 。左侧容器内NH3分压为20kPa，右侧容器内NH3分压为6.67kPa。已知该条件下NH3N2的扩散系数为2.30*10-5m2/s。求(1)单位时间内从容器1向容器2传递的NH3量，kmol/s; (2)连通管中与截面1相距0.305m处的NH3分压，kPa。,35,解:,(1)稳定的等分子反向扩散,单位时间内传递的NH3量,(2),稳态过程,36,或,37,3.单向扩散,(1)总体流动,N总体流动的通量(A+B),总体流动中A的通量,总体流动中B的通量,（2）分子扩散,38,(3)传质速率：,A组分：,B组分：,39,又,40,又,41,漂流因数,漂流因数,不大时，, 总体流动对传质速率的影响；,42,例：一氨水贮槽直径为2m，槽内装有农业氨水，浓度为10(质量浓度)，敞口，氨以分子扩散方式挥发而损失。假定扩散时是通过一层厚度为5mm的静止空气层，平均温度为20。在1atm下，氨的扩散系数为0.0647m2/h。试计算一昼夜内氨的挥发损失量。E=268.8kPa,假设氨水浓度不变。,解:,氨在空气中的分压,43,44,4.扩散系数,介质种类；,温度：,影响因素：,压强：,影响气体D ;,浓度：,影响液体 。,物性常数,P, D,45,5.液相中分子扩散：,较小,溶剂浓度的对数平均值。,单向扩散：,46,(湍流中),涡流扩散系数，m2/s,非物性常数,(二)涡流扩散：,47,二、对流传质与双膜理论,1.对流传质,运动的流体 相界面,分子扩散,涡流扩散,加和：,48,2.有效滞流膜：,滞流内层：,分子扩散, 阻力较大；,过渡区：,分子+涡流, 阻力较小；,湍流核心区：,涡流,阻力很小；,49,3.对流传质速率：,气相：,液相：,50,存在稳定相界面, 其上气液平衡,阻 力0;,存在气膜层和液膜层, 其内为分子扩散;,气膜或液膜外为湍流, 阻力0。,4.双膜理论,51,三、吸收速率方程式,1.气膜吸收速率方程:,以 表示：,气膜吸收系数，,气膜阻力，,与 对应。,52,以 表示：,气膜吸收系数，,气膜阻力，,与 对应。,53,2.液膜吸收速率方程:,以 表示：,液膜吸收系数，,液膜阻力，,与 对应。,54,以 表示：,液膜吸收系数，,液膜阻力，,与 对应。,55,3.总吸收速率方程式,(1)以 表示：,总吸收系数总推动力,与液相主体浓度呈平衡的气相中A分压；,气相总吸收系数，,两膜总阻力，,与 对应。,56,(2)以 表示：,(3)以 表示：,(4)以 表示：,57,4.总吸收系数之间的关系,58,59,与 的关系：,5.总吸收系数与气膜、液膜吸收系数之间的关系,60,两膜总阻力,气膜阻力,液膜阻力,说明：, 若 则,气膜控制,对于气膜控制, 若强化吸收, 需,对于气膜控制, 有：,易溶气体,61,两膜总阻力,气膜阻力,液膜阻力,说明：, 若 则,液膜控制,对于液膜控制, 若强化吸收, 需,对于液膜控制, 有：,难溶气体,同理：,62,(1)单侧吸收速率方程:,气膜,液膜,6.小结:,63,(2)双侧吸收速率方程:,64,65,例： P=101.33kPa时，用水吸收含A的混合气体，A的分压为4.0kPa, 液相中x=0.01,平衡关系服从亨利定律,气膜 ,液膜系数 ,m=0.84，,(1)求 ，并分析控制因素。,(2)求NA,解：,气膜阻力,液膜阻力,(1),66,故为气膜控制,总阻力,(2),67,例:用填料塔进行吸收操作,已知ky=kx=0.026kmol /(m2s),分别计算当m=0.1和5两种情况下，气体流量,增加一倍时，总传质阻力的变化情况。,解：,m=0.1,原工况：,流量增加一倍：,(1),68,m=5,原工况：,流量增加一倍：,(2),69,第四节 吸收塔的计算一、物料衡算与操作线方程,1.全塔物料衡算：,(稳态的逆流过程),惰性组分摩尔流量,吸收剂摩尔流量,回收率,70,2.操作线方程式：,在m-n截面与塔底间：,在m-n截面与塔顶间：,71,操作线：,为浓端与稀端的连线；,与平衡线无关；,平衡线上方吸收；,平衡线下方脱吸。,72,二、吸收剂用量与最小液气比,设备费, 操作费,设备费, 操作费,73,1.最小液气比：,图解法:,相交时,74,相切时,计算法:,(符合亨利定律),75,2.实际液气比：,76,例:拟设计一填料吸收塔，处理某制药厂含SO2的废气。用水逆流吸收炉气中的SO2。气量100m3h-1,炉气温度20,含SO29%(体积)。要求SO2的回收率为90%,吸收剂用量为最小用量1.3倍。已知操作压力和温度为101.33kPa和20,平衡关系为Y=36X-0.0162。(1)当X2=0.0003时,求L和X1；(2)当X2=0时,求X1。,解：,(1),总的气体摩尔流量为：,77,惰性组分的摩尔流量为：,进塔气体中SO2的摩尔比为：,出塔气体中SO2的摩尔比为：,78,与Y1平衡的液相浓度为：,最小液用量为：,实际液用量为：,79,出塔液相浓度为：,(2),最小液用量为：,80,实际液用量为：,出塔液相浓度为：,81,第三节 吸收塔的计算三、填料层高度的计算,1.分析：,物料衡算,吸收速率方程,相平衡关系,82,2.基本计算式：,在 微元内,塔截面积，,有效比表面积，,塔内各截面上 并不相等,83,(1)以气相浓度表示：,84,(2)以液相浓度表示：,液相总体积吸收系数，,气相总体积吸收系数，,85,3.传质单元高度与传质单元数：,(1)概念:,无因次,气相总传质单元高度，m,气相总传质单元数,86,液相总传质单元高度，m,液相总传质单元数,87,(2) 的物理意义:,88,传质阻力,填料性能、润湿情况越好，,气体流量,(3)说明：,如物系、流动状况相同，则 同。,89,反映吸收过程的难易程度,推动力越小， 越大。,与相平衡关系、气体进出口浓度有关,与填料性能无关,90,(1) 图解积分法平衡关系为曲线,作操作线和平衡线,计算,计算 格子数每格面积,4. 的计算：,91,(2)对数平均推动力法,92,93,若,可,94,(3)解吸因数法,95,解吸因数，无因次；,96,S反映了吸收推动力的大小。,反映了吸收率的高低,97,回收率一定,液气比一定,98,例：以清水在填料塔内逆流吸收空气氨混合气中的氨，混合气含氨4.0%(体积),要求回收率为0.96,气相流率为 ,采用的液气比为最小液气比的1.4倍，平衡关系为 , 总传质系数 ,试求:塔底液相浓度X1 ；所需填料层高度H 。,解：,99,（1）,（2）,100,解吸因数法：,101, 对数平均推动力法：,102,四、吸收塔的操作型计算,例：在一填料吸收塔内用纯吸收剂吸收某气体混合物中的可溶组分，溶质的初始含量为0.05，回收率为60，吸收液出口含量为0.098(均为摩尔比)。操作条件下的气液平衡关系为 ，两相逆流接触。已知该过程为气相阻力控制，试求液体流量增加一倍时，可溶组分的回收率有何变化？,原工况下的液气比为,解：,103,原工况下的传质单元数为,气相阻力控制，故L增加， 及 近似不变,104,回收率为：,105,第三节 吸收塔的计算五、体积吸收系数的测定,1.测定体系,2.实验内容,水空气CO2,(1)测定液相总体积吸收系数,(2)测定吸收剂用量对 的影响。,3.实验流程,106,107,4.实验原理,转子流量计,气相色谱,108,取样状态,进样状态,空气CO2,空气CO2,载气,气相色谱,载气,气相色谱,109,第四节 填料塔一、填料,(1)特性要求：,比表面积a(大),空隙率(大),填料因子=a/3(小),干填料因子；,(湿)填料因子。,(2)分类,散装填料,规整填料,110,拉西环,结构简单,易制造；,优点：,研究较成熟。,高径比等于1。,缺点：,气液有效接触面低,沟流、壁流,111,鲍尔环：,内表面利用率高；,优点：,液布均匀；,传质效率高, 操作弹性大。,112,阶梯环：,气流阻力小；,优点：,传质效率高。,强度高,空隙率大;,点接触,113,弧鞍、矩鞍,气流阻力小；,优点：,液布均匀；,易重叠,强度差。,缺点：,表面利用率高;,敞开型填料,制造方便。,114,金属鞍环：,鲍尔环矩鞍环阶梯环,集,的优点,115,波纹板：,传质效率高；,优点：,结构紧凑,比表面大;,装卸清理困难,造价高；,缺点：,不适宜粘度大、易聚合、有沉淀物的物料。,排列规整，气阻小。,116,波纹网：,比表面积大，700,优点：,适于热敏性及高纯产品,造价昂贵。,缺点：,空隙率大,压降小，50-70Pa,117,118,第四节 填料塔二、填料塔附件,1.支承装置：,作用:支承填料和持有的液体,要求,机械强度高,自由截面积应较填料层中的大,119,120,2.液布(喷淋)装置：,作用:使液体分布均匀,要求：,喷淋点多且均布,莲蓬式,齿槽式,盘式：筛孔式、溢流管式,多孔管式：环管式、直管式,121,化工原理课件第一章 流体流动,第四节 填料塔二、填料塔附件,122,化工原理课件第一章 流体流动,第四节 填料塔二、填料塔附件,123,124,3.液体再分布装置：,作用:将液体重新引回塔中部,要求：,自由截面积应较填料层中的大,防液泛,125,4.除沫装置,作用:除去出口气流中的液滴,要求：,对气流阻力小,丝网除雾器,126,5.其他装置,填料压板或挡网,气体进口,防填料随气流波动而破碎,进气均匀,127,1.压强降：,当L=0(干塔时)：,呈直线；,当L0：,呈折线；,若L3L2L1，且u 相同：,则,128,恒持液量区；,u 较小,液泛区。,u 泛点气速,(液泛气速),载液区；,u 载点气速,(适宜操作),129,2.压降与泛点气速的确定,泛点气速uF,操作气速u 的上限，,130,埃克特关联图,131,计算方法：,132,3.塔径的计算：,塔底气体的体积流量，,空塔气速，,