化工原理-吸收

欲测苯蒸汽在空气中的分子扩散系数，将液态苯装入一垂直管 中，操作温度为250˚C，该温度下苯的蒸汽压为95.33mmHg，操 作压强为1atm，苯蒸汽通过垂直管段扩散至水平管，即被惰性 气流带走，若测得液位由Za=20mm下降至Zb=22mm，需要147.53 min，试计算苯蒸汽在空气中的扩散系数。 [解]： 此过程为非定态过程，但任一时刻，扩散通量 NA=(D/ZRT)(P/PBM)(pA1-pA2) （a） 由物料衡算： （ANA）dt = （ρA/MA）dV =（ρA/MA）AdZ （b） 将（a）代入 （b）得：(D/ZRT)(P/PBM)(pA1-pA2)dt = （ρA/MA）dZ
一、目的 1.制取产品及回收有用物质，如用水吸HCL气体制取 盐酸； 在生产过程中，有些混合气的副产品必须回收,如 煤气中的芳烃,可采用洗油吸收方法回收芳烃获得粗苯. 2.净化气体：原料气净化，防止污染。如在合成氨 生产过程中，为保证合成氨反应,必须除去变换气中的CO2; 通常采用吸收方法,如水洗环丁砜吸收以及Benfial脱碳等, 如图7.1.2所示.此外三废处理中,排出废气含有有害杂质, 常用吸收方法净化,防止污染大气，保护环境. 二、 吸收过程的分类 分类方法: 物理吸收与化学吸收—依有无化学反应。 单组份吸收与多组份吸收，依吸收组份数 等温吸收与非等温吸收，依温度是否变化。
* 在气体吸收操作中，由气相较易转移至液相的组分为溶 质气体，不易由气相转移至液相的组分为惰性气体；吸收 了溶质气体的吸收剂称为溶液。当溶质气体为多种组分时， 吸收为多组分吸收 * 按混合溶质浓度高低，低浓度吸收为（y1<10%）的吸收， 高浓度吸收为(y1>10%)的吸收
汽液相平衡
1）. 气液相平衡 吸收传质过程进行时，必定存在一定的推动力，这一推动 力于体系的平衡关系有关。气-液相长时间充分接触，达动 平衡时，即两相达到相平衡，其气相浓度与液相浓度之间的 关系为相平衡关系。 对于单组分物理吸收其组分数为3，根据相律其自由度为： 溶质在液相中的浓度受T、P以及Pe的影响：
吸 收
吸收是利用气体在溶剂中溶解度的不同，使混合气体组分得以 分离的重要单元操作。可分为物理吸收和化学吸收。 物理吸收是利用混合气中各组分在溶剂中的溶解度的差异分离 气体混合物，如以水吸收NH3 、HCl、CO2等，溶质气体溶于液 相后，在液相中不发生显著化学反应； 化学吸收则是以气体混合物各组分能否在溶剂中发生化学反应 来分离混合气体。如用K2CO3水溶液吸收CO2，水中含有的化学 组分K2CO3与溶入液体的CO2进行下列反应： K2CO3 + CO2 = 2KHCO3 化学反应不断地“移走”溶入液相的溶质组分CO2，促 使气相中的CO2更多、更快地转移至液相。化学吸收能明显地 增强吸收效果。 本章基本内容主要介绍物理吸收过程和解吸过程
漂流因子
气相可视为理想气体，则：
分子扩散系数
气体分子扩散系数
依据分子运动理论导出，（假定分子为刚性）修正后得：
液体中的分子扩散系数
* α— 溶剂缔合因子,对于水,甲 醇,乙醇分别为2.6,1.9和1.5,苯, 乙醚等非缔合溶剂取为1
* 平均误差对水溶液约为10-15%,对 非水溶液约为25%,建议使用范围为 278-313K,量则有以下关系： JA=-JB 由费克定律：
CM=CA+CB
DAB=-DBA=D 对于稳态扩散则有： 对于气相
1）体系为定态；2）气相 或液相中处处总浓度恒定 的条件下，即：CA = CB = CM = 常数。体系内部将发 生等分子方向扩散
伴随气相总体运动扩散 设：1）过程定态；2）总 浓度恒定，即单相中处处 CA + CB = CM =常数，3） DAB = DBA =D ，4）A、B组 分的气体混合物与液体接 触时，在相界面处，只有 组分A可溶于液相，而组分 B不溶于液相(惰性组分) Nm为总体流对传质速率 总的贡献 Nm=NmA+NmB
传质与吸收过程
物质在一相内部和两相之间发生质量转移的现象称之为质量 的传递，即传质现象。这种传递现象的关键在于传递速率及其 影响因素。 吸收过程涉及两相间的物质传递，可分解为三个 基本步骤： ①可溶组分（溶质）组分由气相主体传递至两相界面，即气相 内的传质。②溶质组分在相界面上发生溶解，由气相转入液相， 即界面发生溶解过程。③溶质由界面向液体主体传递，既液相 内的物质传递。一般说来，步骤②即界面上发生的溶解过程很 容易进行，阻力极小因而通常都认为界面上气液两相的溶质浓 度满足相平衡关系，即认为界面上总是保持着两相的平衡。这 样总过程的速率取决于气相内的传质速率或液相内的传质速率。 溶质气体组分无论在气相还是液相的传递均是凭借扩散完成的。 不论气相还是液相，物质传递的机理不外两种：分子扩散和对 流扩散
CA C C C dCA ) J A (1 A ) J A M DAB M CB CB CB CB dZ
NA
D

CM ln
CB 2 D D C A1 C A2 D C A1 C A2 CM CM CM C C C B1 (C A1 C A2 ) / ln B 2 (CB1 C B 2 ) / ln B 2 C B1 CB1 D CM (C A1 C A2 ) CBM
Pe=yP=C/H = CMx/H =Ex CM≈ρS/MS
S表示除溶质外液相的总物质量。
*总压改变对亨利系数值影响不大，一般在5大气压下认 为亨利系数与总压无关。
相平衡在吸收过程中的应用
过程方向判断与过程推动力 设A、B点对应的状态点分别为A（x， y），B（x’，y’）所示，过程平衡 关系为y = mx 令： 与x，x’相平衡的气相浓度分别为 ye1，ye1’ 与y，y’相平衡的气相浓度分别为xe1，xe1’ 过程进行的方向与推动力可能出现三种情况： y = mx 过程推动力y- ye1=0，气液相浓度达到平衡； y > mx 即过程推动力 y- ye1 > 0 ， 气液相浓度未达到平 衡，溶质向液体转移； y< mx 即过程推动力 y- ye1 < 0 ， 气液相浓度未达到平 衡，溶质向气相转移。
亨利定律的其他表现形式： Pe=C/H C-溶质组分在液相中的摩尔浓度（Koml/m3） ye=mx ye- A在液相中的mol分数（Koml/ Koml）
各亨利系数之间的关系： Pe= YeP=Ex C=CMx m=E/P
CM - 1m3溶液中（包括溶剂溶质）总的摩尔数 E= CM/H 对于稀溶液
分子扩散：由分子无规则随机的热运 动引起的沿浓度梯度降低方向上的物 质传递。是靠分子热运动引起的组分 迁移，其效果是物质从高浓度处自发 扩散至低浓度处。分子扩散发生在静 止的流体中，或发生于流体作层流运 动时（在垂直于流向的方向上）。 对流扩散：由流体宏观湍动和旋涡流 引起的物质传递。当流体作湍流流动 时，流体中不仅有分子扩散，而且在 传质方向上有分子的宏观运动，有质 点的交换。物质的扩散由于有这种质 点交换而显著加速，称为涡流扩散。 流体主体的涡流扩散与层流内层的分 子扩散的总称，为对流扩散。
传质过程的推动力 A点, 用y表示吸收推动力： 用x表示吸收推动力： B点， 用y表示吸收推动力： 用x表示吸收推动力：
以气相分压差表示的推动力为：
以液相浓度差表示的推动力为
判断过程进行的极限 过程进行的极限：最终达平衡，平衡浓度为极限状态 吸收过程极限y降至最小为ye,或x降至最小为xe， 解吸过程： y ′降至最小为ye ′，或 x′降至最小为xe′ 某气液体系，气相为空气与二氧化硫的混合物，二氧化硫的浓 度y1=0.03，液相中二氧化硫的浓度为x1=4.13*10-4， P=1.2atm，t=100˚C，问：过程是吸收还是解吸？过程推动 力是多少？以△y，△x表示。已知E=24.2atm. [解] m= E/P = 24.3/1.2 = 20.17 ye1=mx1 =20.17× 4.13×10-4 =8.33×10-3 由于 y > ye1 故过程为吸收 吸收推动力： △y = y1 - ye1 = 0.03 – 8.33 ×10-3 = 2.17 × 10-2 或 吸收推动力： △x = xe1 – x1 = y/m –x1 =0.03/20.17 –4.13×10-4 = 1.07*10-3
煤气生产中从焦炉煤气中回收苯的生产过程
焦炉煤气在吸收塔内与洗 油（贫油）逆流接触煤气 中粗笨蒸汽被贫油吸收， 吸收后的洗油称为富油， 从塔底流出；富油经换热 器升温后从塔顶进入解吸 塔，过热蒸汽（惰性气体） 从解吸塔底进塔，经解吸 后的洗油称为贫油，贫油 经换热器降温后再进入吸 收塔循环使用。于解吸塔 顶引出的气体为过热 水蒸气与粗苯蒸汽的混合物，冷却后，因两凝液不互溶， 液相分层，粗苯在上，水在下，从而取得粗苯产品
总体运动导致了惰性组分B浓度 在界面处的升高，使界面处惰性 组分B的浓度高于气相主体中B的 浓度，形成逆向浓度差 组分B在逆向浓度差下产生反向 扩散，其通量JA=-JB 。总体流动 使A、B组分向截面扩散通量同时 提高
当有流体总体运动存在时传质速率由两部分组成，一部分为分 子扩散的量，另一部分为总体流动的量：
当T、P确定后则：
式中 Pe为溶质组分的分压，Pa。
（2）. 相平衡关系的表示法
相平衡关系与体系的温度、压力以及本身物性相关，对吸收 混合气中低浓度溶质组分形成稀溶液时，其溶解度曲线用亨利 定律描述，为通过原点的一直线： （ Pe=Ex） 式中 Pe-溶质组分在气相的平衡分压，Pa; x-溶质组分在液相的组成，摩尔分数； E-亨利系数，kPa/(kmol· )。
解吸过程
1. 解吸过程是吸收过程的逆过程，是从溶液中释放出溶解 其中的溶质气体的操作； 2. 吸收和解吸往往联合操作：液体溶剂对气体溶质的溶解 度与温度密切相关，一般温度低时溶解度大，有利于吸 收，因此吸收通常在较低温度下进行（温度过低液体粘 度增大，对吸收不利，故低温要适度）。吸收溶质气体 后的溶液可在提高温度条件下，使已溶入的气体溶质释 出。吸收与解吸的联合操作一方面可以从气相中吸收需 要的某气体溶质并获得很纯的该溶质产品，另一方面可 使吸收剂循环使用。 3. 实现解吸操作一般有三种方法 1）加热；2）减压；3） 令惰性气体通过溶液，在吸收操作中往往可用上述三种 方法的不同联合方案进行