第二章吸收 定义 1吸收:利用气体在液体中溶解度的差异来分离气体混合物的传质过程。 1)形成溶液溶剂或吸收剂S:吸收所用液体 (2)溶质或吸收质A:能溶解的气体组分 形成溶液 3)惰性气体或载体B:不能溶解的气体组分 2解吸:使溶质从溶液中逸岀的传质过程,该过程既可使溶剂再生,又可使溶质回收。 、分类 物理吸收,H2。吸收CO2V 化学吸收,NaOH溶液吸收CO2 单组分吸收,H2O吸收乙醇 多组分吸收,液态烃吸收气态烃 等温吸收,H2O吸收丙酮 非等温吸收,H2O吸收SO3 低浓度吸收 高浓度吸收 、用途 1.回收混合气体中的有用物质,用硫酸吸收焦炉气中的氨。 2.除去有害成分以净化气体,用铜氨液吸收合成气中的CO。 3.制取液体产品,用H2O吸收So3制取H2SO4
第二章 吸 收 一、定义 1.吸收：利用气体在液体中溶解度的差异来分离气体混合物的传质过程。 (1) 形成溶液溶剂或吸收剂S：吸收所用液体 (2) 溶质或吸收质A：能溶解的气体组分 (3) 惰性气体或载体B：不能溶解的气体组分 2.解吸：使溶质从溶液中逸出的传质过程，该过程既可使溶剂再生，又可使溶质回收。 二、分类 物理吸收，H2O吸收CO2√ 化学吸收，NaOH溶液吸收CO2 单组分吸收，H2O吸收乙醇√ 多组分吸收，液态烃吸收气态烃 等温吸收，H2O吸收丙酮√ 非等温吸收，H2O吸收SO3 低浓度吸收 高浓度吸收 三、用途 1．回收混合气体中的有用物质，用硫酸吸收焦炉气中的氨。 2．除去有害成分以净化气体，用铜氨液吸收合成气中的CO。 3．制取液体产品，用H2O吸收SO3制取H2SO4。 形成溶液
四、吸收与精馏的区别 1.精馏在混合物系内部产生两相,而吸收则是从混合物系外界引入另一相 2.精馏可直接获得较纯的组分,而吸收不能直接获得较纯的组分。 3.精馏中进行双向传质,而吸收中进行单向传质。 第一节气一液相平衡 2-1-1气体的溶解度 定义 1.溶解度:气液两相达到相平衡时,溶质在液相中的浓度,记为CA、X、X。 2.平衡分压:气液两相达到相平衡时,溶质在气相中的分压,记为p、y、Y。 、溶解度的特性 由相律F=C-φ+2 得 所以物系的自由度为3。当总压不太高时,可忽略总压对溶解度的影响, 所以 Ca=f(,p) 溶解度曲线:表示该函数的曲线。(图2-2、图2-3、图24) 溶解度特性:T↑,C p"T, CA 所以:低温高压有利吸收 高温低压有利解吸
四、吸收与精馏的区别 1．精馏在混合物系内部产生两相，而吸收则是从混合物系外界引入另一相。 2．精馏可直接获得较纯的组分，而吸收不能直接获得较纯的组分。 3．精馏中进行双向传质，而吸收中进行单向传质。 第一节 气—液相平衡 2-1-1 气体的溶解度 一、定义 1．溶解度：气液两相达到相平衡时，溶质在液相中的浓度，记为CA、x、X。 2．平衡分压：气液两相达到相平衡时，溶质在气相中的分压，记为p *、y *、Y *。 二、溶解度的特性 由相律 得 所以物系的自由度为3。当总压不太高时，可忽略总压对溶解度的影响， 所以 溶解度曲线：表示该函数的曲线。（图2-2、图2-3、图2-4） 溶解度特性：T↑，CA ↓ p *↑，CA ↑ 所以：低温高压有利吸收 高温低压有利解吸 F = C − + 2 F = 3−2+2 = 3 ( , ) * CA = f T p
2-1-2亨利定律 亨利定律:在一定的温度和压力(不太高)下,稀溶液中溶质在气相中的平衡分压与其在液 相中的溶解度成正比,即: 式中p一溶质在气相中的平衡分压,kNm2; —溶质在液相中的摩尔分率; 享利系数,kNm 或 式中CA—溶质在液相中的摩尔浓度,kmo/m3 H—溶解度系数,kmo/(mkN) y =mx 式中y——溶质在气相中的平衡摩尔分率 m—相平衡常数 二、摩尔比 1.定义: x液相中溶质的摩尔数 1-x液相中溶剂的摩尔数 气相中溶质的摩尔数 1-y气相中惰性气体的摩尔数
2-1-2 亨利定律 一、亨利定律：在一定的温度和压力（不太高）下，稀溶液中溶质在气相中的平衡分压与其在液 相中的溶解度成正比，即： 式中 p * —溶质在气相中的平衡分压，kN/m2； x——溶质在液相中的摩尔分率； E——亨利系数，kN/m2； 或 式中 CA——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3； H——溶解度系数，kmol/(mkN)； 或 式中 y *——溶质在气相中的平衡摩尔分率； m——相平衡常数。 二、摩尔比 1．定义： p = Ex * H C p A = * y = mx * 液相中溶剂的摩尔数 液相中溶质的摩尔数 = − = x x X 1 气相中惰性气体的摩尔数 气相中溶质的摩尔数 = − = y y Y 1
2、摩尔比表示的亨利定律 由x= 得x X 1+X =X 1+Y 1+X mX(1+y)=Y(1+X) y+Xr=mX+mXy (+X-mX)r =mX 所以 mX 1+0-m)2(y= 1+(a-1)x 当×0.05时,Ⅹ<0.053 所以y≈mx 、亨利定律各系数间的关系 1.m和E的关系 由p=Bx,y=mx P 得Em 又由分压定律p=yP y P y 得 所以m E
2、摩尔比表示的亨利定律 由 得 代入 得 所以 所以 ( ) 当 x0.05时，X0.053 所以 三、亨利定律各系数间的关系 1. m和E的关系 由 得 又由分压定律 得 所以 x x X − = 1 y y Y − = 1 X X x + = 1 Y Y y + = 1 y = mx * X X m Y Y + = 1+ 1 * * X mX Y mX Y XY mX mXY mX Y Y X + − = + = + + = + * * * * * * (1 ) (1 ) (1 ) m X mX Y 1 (1 ) * + − = x x y 1+ ( −1) = Y mX * p = Ex y = mx * * , m y E p * * = p y P * * = m y E y P * * = P E m =
2.H和E的关系 设MA——溶质的摩尔质量,Kg/kmol M5溶剂的摩尔质量,kg/kmol p——溶液的密度,kg/m3; mA溶质在液相中的质量浓度,Kg/m3; 溶剂在液相中的质量浓度,kg/m3; 溶剂的摩尔浓度,kmol/m3 则 1,=C,M PL-mPr-CaM M M 所以C4+C,+P-CMAP+C(M-M) 代入p 得p PL+C(MS-M,) 又 EM 得 H PL+CAMS-M 对稀溶液,C4≈0,p≈P 所以H≈Ps
2. H和E的关系 设 MA——溶质的摩尔质量，kg/kmol； MS——溶剂的摩尔质量，kg/kmol； L——溶液的密度，kg/m3； mA——溶质在液相中的质量浓度，kg/m3； mS——溶剂在液相中的质量浓度，kg/m3； CS——溶剂的摩尔浓度，kmol/m3。 则 所以 代入 得 又 得 对稀溶液， 所以mA =CAMA S S S L A A S L A S M m M C M M m C = − = − = ( ) L A S A A S S L A A A A A S A C M M C M M C M C C C C C x + − = − + = + = p = Ex * ( ) * L A S A A S C M M EC M p + − = H C p A = * ( ) 1 L A S A S C M M EM H + − = CA L S 0, S S EM H
2-1-3吸收剂的选择 溶解度大 选择性好 汽压低,挥发损失小 易于再生 粘度低,功耗小 无毒、无腐蚀、不易燃、不发泡、冰点低、价廉易得 第二节传质机理与吸收速率 2-2-1分子扩散与菲克定律 、分子扩散:由流体分子的微观运动传递质量的过程。 菲克定律:在双组分混合流体中的任何一点,某组分沿任一方向的分子扩散通量(单位时间内垂 直通过单位面积扩散的质量)与该组分在该方向上的浓度梯度成正比, 式中JA——组分A的分子扩散通量,kmol(m2s); C—组分A的摩尔浓度, kmol m3; 扩散方向上的距离,m —组分A在扩散方向z上的浓度梯度,kmoW DAB组分A在组分B中的分子扩散系数,m?s
2-1-3 吸收剂的选择 ◼ 溶解度大 ◼ 选择性好 ◼ 蒸汽压低，挥发损失小 ◼ 稳定性好，不易变质 ◼ 易于再生 ◼ 粘度低，功耗小 ◼ 无毒、无腐蚀、不易燃、不发泡、冰点低、价廉易得 第二节 传质机理与吸收速率 2-2-1 分子扩散与菲克定律 一、分子扩散：由流体分子的微观运动传递质量的过程。 二、菲克定律：在双组分混合流体中的任何一点，某组分沿任一方向的分子扩散通量（单位时间内垂 直通过单位面积扩散的质量）与该组分在该方向上的浓度梯度成正比， 即 式中 JA——组分A的分子扩散通量，kmol/(m2 s)； CA——组分A的摩尔浓度，kmol/m3； z——扩散方向上的距离，m； ——组分A在扩散方向z上的浓度梯度，kmol/m4； DAB——组分A在组分B中的分子扩散系数，m2 /s。 dz dC J D A A = − AB dz dCA
分子扩散系数的特性 DAB=D 如图所设,当抽掉隔板后, 气体A就会向右扩散, PT P T 气体B就会向左扩散。 菲克定律,得 do J=-dAB 设压力不太高,则在容器中的任何一点 由P=nRT 得 Cons tan t 而C=CA+CB 微分上式,得d 同样由C= Constant, 得在任何一点的任何方向上,有J1=-JB 所以DAB=DaA=D 上述结论也适用于液体
一、分子扩散系数的特性 如图所设，当抽掉隔板后， 气体A就会向右扩散， 气体B就会向左扩散。 由菲克定律，得 设压力不太高，则在容器中的任何一点， 由 得 而 微分上式，得 同样由C=Constant， 得在任何一点的任何方向上，有 所以 上述结论也适用于液体。 DAB = DBA dz dC J D A A = − AB dz dC J D B B = − BA PV = nRT Cons t RT P V n C = = = tan C =CA +CB dz dC dz dCA B = − A B J = −J DAB = DBA = D P T A , P T B
2-2-2气相中的稳定分子扩散 、等分子反向扩散 如图所设,且设如图实验装置中 P4>P42 的两个容器为无限大,则抽掉隔板并 P pBl < pB? ↓过一个不稳定扩散后,有 P T (1)由于1、2截面上的 P P 不随时间而变,所以在联通管中的 2 分子扩散是稳定的。 (2)由于联通管中任何一点 PB C= Constant,所以在联通管中任何 点的任何方向上有,即联通 管中的分子扩散是等分子反向扩散 定义:传质速率:单位时间内垂 直通过单位面积传递的质量, A5B;kmol(m·S 由于在联通管中除浓度差引起的分子扩散外,没有其他原因引起质量的传递,所以联 通管中的传质速率就等于分子扩散通量,即 由p=n,Rr
2-2-2 气相中的稳定分子扩散 二、等分子反向扩散 如图所设，且设如图实验装置中 的两个容器为无限大，则抽掉隔板并 经过一个不稳定扩散后，有 (1) 由于1、2截面上的 不随时间而变，所以在联通管中的 分子扩散是稳定的。 (2) 由于联通管中任何一点 C=Constant，所以在联通管中任何一 点的任何方向上有，即联通 管中的分子扩散是等分子反向扩散。 定义：传质速率：单位时间内垂 直通过单位面积传递的质量， 由于在联通管中除浓度差引起的分子扩散外，没有其他原因引起质量的传递，所以联 通管中的传质速率就等于分子扩散通量，即 由 , , /( ) 2 N N kmol m s A B 1 1 , B A p p P T 1 1 , B A p p P T 1 2 1 2 B B A A p p p p A1 p B1 p pB2 pA2 P 0 z 1 2 dz dC N J D A A = A = − pAV = nART
得 N,「_D 分上式,得N#=Br(pa-pan) (P-p42) rt dz 定积分上式,得中=-8=mam P 所以 所以dC,=中 RT 又由M=-D中 rt d ndz 得「N止=Jmm 所以pA与Z成线性关系,且pA随z减小。 显然,上述结论完全适用于组分B 组分通过另一停滞组份的扩散 将上述实验装置中右边容器改盛溶剂。设气液相界面只允许A分子通过,且溶剂不挥发 则抽掉隔板并经过一个不稳定扩散后,由于1,截面上的pApB不随时间而变,所以联通管中 的传质是稳定的
得 微分上式，得 所以 定积分上式，得 所以 所以 又由 得 所以 pA与z成线性关系，且pA随z减小。 显然，上述结论完全适用于组分B。 三、一组分通过另一停滞组份的扩散 将上述实验装置中右边容器改盛溶剂。设气液相界面只允许A分子通过，且溶剂不挥发。 则抽掉隔板并经过一个不稳定扩散后，由于1, i截面上的pA , pB不随时间而变，所以联通管中 的传质是稳定的。 RT p V n C A A A = = RT dp dC A A = dz dp RT D N A A = − A dpA RT D N dz = − = − 2 0 1 A A p p A z A dp RT D N dz = − 2 0 1 A A p p A z A dp RT D N dz ( ) A pA2 pA1 RT D N z = − − ( ) A pA1 pA2 RTz D N = − dz dp RT D N A A = − cons t D N RT dz dpA A = − = tan
定义:总体流动通量:单位时间 内垂直通过单位面积由于流体的总体 流动沿流体的流动方向传递的A和B 的总质量,N,kmo/(m2s) 由于在联通管中除了浓度差引起 P T 的分子扩散外,流体的总体流动也引 Pa 起质量的传递,所以联通管中的传质 PBl 就等于分子扩散通量与总体流动 C P PB 由气液相界面不允许B分子通过,得 N=6 PaL 所以J=-NCB P 由C===CA+CB= Cons tan t do 得 所以 do D d 所以J4=-JB(分子扩散也是等分子反向扩散 且 C N-B+N-A=N C 所以 N,=-D +M N(1-4)=-D d- N,(ca)ndCa
定义：总体流动通量：单位时间 内垂直通过单位面积由于流体的总体 流动沿流体的流动方向传递的A和B 的总质量，N，kmol/(m2 s)。 由于在联通管中除了浓度差引起 的分子扩散外，流体的总体流动也引 起质量的传递，所以联通管中的传质 速率就等于分子扩散通量与总体流动 引起的传质速率之和， 即 由气液相界面不允许B分子通过，得 。 所以 由 得 所以 所以 （分子扩散也是等分子反向扩散） 且 所以 1 1 , B A p p P T T Bi Ai p p A1 p B1 p pBi pAi P 0 z 1 i C C N J N C C N J N B B B A A A = + = + NB = 0 dz dC D C C J N B B B = − = − C C Cons t RT P V n C A B = = = + = tan dz dC dz dCA B = − C C N dz dC D dz dC J D A B B A = − = = A B J = −J N C C N C C N C C N J N A B A A = A + = + = C C N dz dC N D A A A A = − + dz dC D C C N A A A (1− ) = − dz dC D C C C N A A A = − − ( ) A A A dC C C DC N dz − = −
