化原南工大

气体吸收
§6.1 概述
6.1.1  定义
气体溶解于液体的过程，称之为气体吸收。
气体吸收在工业及环保中的应用

6.1.2 原理
1 气体吸收本质：质量传递，简称传质

6.1.2 原理
2 为达到吸收分离气体混合物的目的，如何分离？其分离的依据        是什么？
3 小结
气体吸收是传质分离过程。
气体吸收过程包含有组分从气相到液相的转移。
平衡分离过程，是组分在两相间的分配不同（平衡）来实现分离。
过程的推动力为：浓度差C
6.1.3 传质设备
6.1.3 传质设备
1 塔设备
填料塔(packed tower),微分接触式
板式塔(tray tower),阶跃式


2 吸收过程流程
3 吸收工业过程小结
选择合适的溶剂
选择合适的设备
选择合适的溶剂再生方法
6.1.4 溶剂的选择原则
吸收剂对溶质应有较大的溶解度，以提高吸收速率，减少吸收剂的用量；
吸收剂对溶质应有良好的选择性，即对于混合气中待吸收组分的溶解度要大，对其余组分的溶解度要小；
同时为了便于吸收剂的再生回用，其溶解度应随操作条件的改变有显著的差异；
溶剂的挥发性要小，即蒸气压低，以减少溶剂的损失量；
溶剂的粘度要低，这样有利于气、液接触，提高吸收速率，也便于输送；
无毒；难燃；腐蚀性小；易得价廉；易于再生利用；不污染环境。

6.1.5  物理吸收和化学吸收
物理吸收
定义： 溶质气体溶于液相中不发生显著化学反应的吸收过程，称之为～
例如： CO2 ＋ H2O＝ H2 CO3 ；
                 HCl（g）＋H2O＝ HCl（L）
化学吸收
定义： 液相中有某种组分，能够与溶质气体（溶解于L）进行化学反应的吸收过程，促进了吸收过程的进行速率；
例如：Na2 CO3 （K2CO3) ＋CO2 ＋ H2O = Na2HCO3 （ KHCO3）

2 吸收术语
§6.2气液相平衡
6.2.1 气液相平衡
1 相律
（3）约束条件：
G :  yA ＋ yB ＝1
L :  XA ＋ XS ＝1
P、t、 yA 、yB、 XA、XS六个物理量，有三个是可以改变的。
（P、t、 yA）（ P、t、 XA ）（P、 yA 、 XA ）
（4）若在温度t和总压P一定的条件下，气液相平衡时，气相组成是液相组成的单值函数。y=f(x)

2、气液平衡关系的表达及测定
（1)气液平衡关系的表示方法
  列表

(2) 溶解度曲线








                                                T↓→溶解度↑，p↑→
                                                 溶解度↑的规律。
                                               ∴低T、高p有利于吸收。
3 例题
4、溶质浓度的表示方法
5、不同溶质浓度间的关系
       x=( x’/MA)/(x’/MA +1000/ MS )   

6.2.2亨利定律
1.内容
1）定义：对于稀溶液或难溶气体，在一定温度t和总压不大的情况下，溶质在液相中的溶解度与它在气相中的分压呈正比，这一关系称为亨利定律（Henry）。
2）数学表达式：   
3） 亨利系数特性
2.亨利定律的不同表示方法
P*A=CA/H  
3. Henry定律中E、H、m间关系
1）确定依据
      根据组成之间关系及道尔顿分压定律，即可确定E、H、m之间的关系。
3)注意事项
对于稀溶液，CA很小，C=/MS
一般认为总压在5atm以下，E、H值与总压无关。

6.2.3.过程方向判断与过程的推动力
2 、推动力可以有两种表示方法：
吸收过程：
（yA-yA*）——气相组成浓度差
  (xA*-xA)——液相组成浓度差
  两者△越大，过程速率也就越快
3、确定过程的极限
  1）所谓过程的极限是指两相经充分接触后，各自组成变化的最大可能性。这和两相的量比有关，也和两相的接触方式（逆、并）有关。

习题
1对低浓度溶质的气液平衡系统，当总压降低时，亨利系数E将（     ），相平衡常数m将（   ），溶解度常数H将（      ）
2亨利定律表达式p*=Ex,若某气体在水中的E很小，说明该气体为（      ）

§6.3  分子扩散（传质分离过程的动力学）
2.物质在相间的传递步骤
3 传递机理
⑴分子扩散
是分子微观运动的宏观统计结果。
推动力：混合物中存在温度梯度、压强梯度及浓度梯度都会产生分子扩散
发生在静止或层流流体里的扩散就是分子扩散
6.3.2分子扩散速率方程----Fick定律
1 Fick定律
气体中扩散的表达式
6.3.3.单相中的稳态分子扩散

1 .等摩尔相向分子扩散
1) 过程分析
1 .等摩尔相向分子扩散
因为气体处于静止状态，没有整体的流动
2）传质速率的计算

2）传质速率的计算


3 分子扩散单向传质
2）单向传质速率的计算
2）单向传质速率的计算
   
     
     
2）单向传质速率的计算
积分
截面①→ ②积分上式可得：
小结
☆  与等摩尔反向扩散的传质通量相比，多一项(P/PB m)或(CM/CB m)；
☆ (P/PB m) 称之为漂流因子，当CA较低时， P/PB m =1.0 。
☆        对于非等摩尔反向扩散和单向扩散，也可根据以下三式：
     NA =JA+NM (CA / CM )  
     NB=JB+NM (CB / CM )
     N＝ NM + JA+ JB

6.3.4组分在气相中的分子扩散系数
3）影响因素：
取决于组分本身；
与介质(与它共存的物质)的种类有关；
与组分的浓度以及温度、压力等因素有关。
2. 气相中的分子扩散系数经验公式
(1)物质在气体中的扩散系数主要取决于温度T、压力P和气体组分的性质，当压力P不高时，扩散系数基本上与物质在气体中的浓度无关。大致范围为：
    10-1～1  cm2/s  or  10-5-10- 4 m2/s.
3)经验公式
6.3.5 组分在液相中的分子扩散系数
2.液相中分子扩散系数的数量级
液体中的分子比气体分子密集
气体中组分的摩尔浓度比液体中小
气体中的扩散通量只比液体大10-102倍。
6.3.6涡流扩散
6.4  对流传质
6.4.1 吸收过程分析
2 对流传质的贡献

3.对流传质研究方法

    G. L 在降膜式吸收器内作湍流流动：Re>2100,Sc=0.6～300时：
      Sh=0.023Re0.83 Sc0.33
6.4.2.吸收机理模型
1 双膜理论
2) 双膜论的数学模型
3) 试验测定模型参数
2 溶质渗透理论

3 表面更新模型（理论
内容：Danckwerts (邓克乌兹)于1951年提出，将液相对流传质简化如下： 液体在下流过程中表面不断更新，即不断有液体从主体转为界面而暴露于气相中，这种界面的不断更新使过程大大强化。

局限性与意义
i）局限性——用于设计过程还有一定的距离。
ii）意义——有助于深刻理解过程的物理实质，即：非定态过程和表面更新，指明了强化传质的途径。
  
6.4.3.对流体传质速率
3 相界面浓度的求取
6.4.4总吸收速率方程
2.总传质系数与膜传质系数的关系

3  气膜阻力及液膜阻力
概念题
在吸收过程中，Ky和ky是以（    ）和（      ）为推动力的吸收系数。
1atm、20ºC下，某低浓度气体被清水吸收，若气膜吸收系数kG＝0.1 kmol/(m2.h.atm），液膜吸收系数kL＝0.25 kmol/(m2.h.kmol/m3)。
H＝150 kmol/(m2. atm），Ky=？
某吸收过程，已知ky=3kx,则此时
（y－yi)（ <=>不确定 ）（yi－y*)

§6.5 在填料塔中低浓度气体吸收过程的计算
6.5.1. 概述
2 .低浓度气体吸收的特点
6.5.2.物料衡算与操作线方程
2.操作线方程
操作线方程的含义
     它表明了塔内任意截面上的气液相组成y与x之间呈直线关系。
3）液气比（ L/G)
6.5.3.填料层高度的计算方法
1.传质速率模型法

i）气相控制体系的计算

2  NOG 、 NOL的物理意义
3  HOG 、 HO L的物理意义
ii）数值大小及相关因素
设备的型式；
设备中气、液两相的流动条件
物系的性质有关。
6.5.4 传质单元高度的计算
1 由气液相传质分系数计算HOG
1 由HG、HL计算HOG
2 HOG（ HOL ）与HG（ HL ）的关系推导
6.5.5 传质单元数的计算
1 对数平均推动力法
2.        对数平均推动力法
2.        对数平均推动力法
2.吸收因数法
ii) NOG的推导过程
ii) NOG的推导过程
ii) NOG的推导
iii）NOG影响因素的分析

iv）液相总传质单元数NOL表达式
3气、液相总传质单元数表达式的推广及注意事项
①注意：当操作线和平衡线平行时，
△y＝△y1＝△y2＝constant ，
对数平均浓度差法或吸收因数法均不能使用，这时NOG算法 为： （△y＝y－y*，△y1＝y1－y*1 ，△y2＝y2－y*2）
4. 近似图解法（Baker法）
5.数值积分法
6.小结
吸收推动力法：最为经典，适用范围最广。
吸收因数法：在吸收操作型计算中有时用起来较为方便；
图解法：有时比计算来得直观，快捷，也要求能够掌握；
数值积分法/图解积分法：较为繁琐（手算），但是随着计算机的发展，特别是辛普生（Simpson）法，较为简单，精度也高。


6.5.5 填料吸收塔的设计型计算
i）(L/G)mi n的选择
6.5.6 填料吸收塔的操作型计算
2.操作性问题分类
3.操作型计算题解法
4.操作型计算题举例


例3[与P228例题6-7类似]
某吸收塔在101.3 kPa，293K下用清水递流吸收丙酮一空气混合物中的丙酮，操作液气比L/G=2.1时，丙酮回收率可达到=0.95。已知物系的浓度较低，丙酮在两相间的平衡关系为y* =1.18x。吸收过程为气膜控制，总传质系数Kya与气体流率的0.8次方成正比，即KyaG0.8,Kya与L无关。（温度、压强不变）
（1）今气体流率增加20%，而液体的流率及气液进口组成不变，试求：a)丙酮的回收率有何变化？
     b)单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？
     c)吸收塔平均推动力有何变化？        
     d)维持回收率不变，（T、P＝constant）故增高10%的填料高度，问此时液流量为原来液流量的多少倍？
例3
（2）若气体流率，气液进口组成，吸收塔的操作温度T和压强P皆不变，欲将丙酮回收率由原来的0.95提高至0.98，问此时吸收剂用量应加到原来量的多少倍？
例3

回收率为=0.95  1/(1-)=20，1/A＝0.562时，原有NOG  的值为：
       NOG  ＝1/(1－0.562)*ln[(1－0.562)*20＋0.562]
    NOG  ＝5.097
(1)气体流量增加20%，G’/G=1.2
  （a) HOG  ＝G/Kya ＝CG/G0.8  = C G0.2
    H’OG  ＝ (G’/G)0.2 HOG =1.20.2 HOG = 1.04 HOG
      因为：填料层高度不变，即：H’＝H H’OG  × N’OG ＝HOG × NOG
      N’OG ＝HOG × NOG  / H’OG ＝5.097/1.04 = 4.9
   又因为：A’＝L/(m G’ )
        1/ A’＝ m G’ / L= m / (L/G’)=1.18/(2.1/1.2)=0.674
     代入：

                                                                                         
    可得到’= 0.9235


b) 单位时间内，气量提高后的丙酮回收量与原回收量之比为：
    G’（y1 －y’2 ) /[G（y1 －y2 )=1.2 G（y1 －y’2 ) /[G（y1 －y2 )
    = 1.2 [y1 －(1－ ’)y1 ]/ [y1 －(1－  ）y1 ]
    = 1.2  ’y1/ [  y1 ] =1.2  ’/   = 1.2×0.9235 /0.95 ＝1.167
（c）吸收塔平均推动力的变化：
    因为：NOG =（y1 －y’2 )/△y m
    所以： NOG =5.097＝(y1 －y2 )/△y m1 ＝[y1－(1－ )y1 ]/△y m1
          N’OG  =4.9＝(y1 －y’2 )/△y m2 ＝[y1－(1－ ’)y1 ]/△y m2
                  ： △y m2 /△y m1 ＝(’y1 / N’OG) /(y1 / NOG)
                      ＝(’y1 / N’OG) /(y1 / NOG)
                      =(0.9235/4.9)/(0.95/5.097)=1.01178
           ： △y m2 /△y m1 =1.01

谢谢楼主啊~只是最好是DOC地