化工原理B复习资料汇总吸收.docx

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化工原理B复习资料汇总吸收

第六部分吸收

利用各组分溶解度不同而分离气体混合物的单元操作称为吸收。

一、描述两组分混合物基本物理量

1、用物质的量或质量的表示

摩尔分率：

在混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的分率。

摩尔比：

混合物中某组分的摩尔数与惰性组分摩尔数之比。

气相：

液相：

摩尔浓度：

单位体积混合物中某组分的摩尔数。

质量分率：

在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分率。

质量比：

混合物中某组分A的质量与惰性组分B（不参加传质的组分）的质量之比。

质量浓度：

单位体积混合物中某组分的质量。

偶尔会给质量方面的已知条件，根据定义去推导出所用的摩尔比

2、溶解度

定义：

平衡状态下气相中溶质分压称为平衡分压或饱和分压，液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度––––––溶解度。

气体在液体中的饱和浓度表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。

影响因素：

在总压不大的情况下，溶解度只与温度和物质气相分压有关。

注意定义，溶解度是用于解释物质平衡状态的物理量。

分析总结：

吸收剂、温度T、P一定时，不同物质的溶解度不同。

温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物质越难溶。

对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。

温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。

加压和降温对吸收操作有利。

2、亨利定律引入下的气液相物理量平衡关系

总的来说，亨利定律表征的是平衡状态下，某一组分气相分压（P*）与液相该组分组成的关系。

1、当气相组成用P*表示，由于液相组成的表达形式可以为X摩尔分率、c摩尔浓度，有P*=Ex,P*=c/H

注意E、H的意义单位

E—亨利常数，单位与压强单位一致。

温度T上升，E值增大；在同一溶剂中，E值越大的气体越难溶。

H—溶解度系数，单位：

kmol/m3·Pa或kmol/m3·atm。

H是温度的函数，H值随温度升高而减小。

H值越大，气体越易溶。

（H、E的关系偶尔需要用定义推导一下，这个很简单）

2、当气相组成用y*表示，表达形式可以为y*=mx

m——相平衡常数，是温度和压强的函数。

温度升高、总压下降则m值变大，

m值越大，表明气体的溶解度越小。

3、当气相组成用摩尔比Y*表示，液相组成用X*表示时，根据定义可以推导出通常我们认为x约为0，用来描述该关系

4、课件例题（最基本的亨利定律应用）

在常压及20℃下，测得氨在水中的平衡数据为：

0.5gNH3/100gH2O浓度为的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数H，及相平衡常数m。

（氨水密度可取为1000kg/m3）

分析思路——给出的是质量关系，要推出应用于公式所用x摩尔分率、c摩尔浓度、Y*、X*这些物理量，然后根据上面的公式推出各系数

只给答案，过程不会看课件：

E，m=0.75，H=

注意单位

5、以气液平衡关系进行吸收分析

（1）吸收方向——当气相中溶质的的实际分压高于与液相成平衡的溶质分压时，溶质从气相向液相转移，发生吸收过程；反之当气相中溶质的的实际分压低于与液相成平衡的溶质分压时，溶质从液相向气相转移，发生脱吸（解吸）过程。

课件例题——在101.3kPa，20℃下,稀氨水的气液相平衡关系为：

，若含氨0.094摩尔分数的混合气和组成的氨水接触,确定过程的方向。

很明显，如果气相摩尔分数y=0.094,那么对应的液相摩尔分率为0.094/0.94，x=0.1,所以只有当吸收剂氨的摩尔分率小于0、1时发生吸收，是小于0.1的，因此该过程是吸收（也可以根据x=0.05计算y来判断）

（2）计算过程的推动力

以气相组成差表示的吸收推动力；

以液相组成差表示的吸收推动力。

引申，所谓平均推动力即是Y1变化到Y2全过程推动力的对数平均值，也就是Y1-Y*和Y2-Y*的对数平均值

（3）计算过程极限

所谓过程的极限是指两相充分接触后，各相组成变化的最大可能性。

三、传质理论

1、传质的理论基础——关于扩散

分子扩散–––凭借流体分子无规则热运动传递物质的现象。

关于扩散现象的描述是菲克定律，表征单位时间单位面积的扩散物质量与物质扩散方向浓度（压强等）的变化间关系

推动力为浓度差，由菲克定律描述：

JA=–DAB（dCA）/（dz）

JA––扩散通量，kmol/（m2·s）DAB––扩散系数

2、传质模型及模型下的传质速率分析

（1）传质模型——在传质理论中有代表性的三个模型分别为双膜理论、溶质渗透理论和表面更新理论。

（要知道我们计算用的模型是双模理论）

（2）双模理论

双模理论假设基础

相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上没有传质阻力，气液两相处于平衡状态。

界面两侧分别存在着两层膜，气膜和液膜。

气相一侧叫气膜，液相一侧叫液膜，这两层膜均很薄，膜内的流体是滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质。

膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层膜内。

双模理论吸收方程

传质速率方程––––传质速率=传质推动力/传质阻力

根据双模理论，吸收是有气膜吸收和液膜吸收两部分完成的

1、气膜吸收：

由，令KG=（气膜吸收系数），归纳出了气膜吸收速率方程

N=kG（p–pi）

同理，当推动力用、表示时，有其它表达形式——

，

2、液膜吸收：

由，令KL=（液膜吸收系数），归纳出液膜吸收速率方程

N=kL（ci–c）

同理，当推动力用、表示时，有其它表达形式——

，

Ppt上界面浓度可以忽略，上面打阴影的是公式来源和系数推导过程，知道就行不用记。

注意传质系数与推动力相对应，即传质系数与推动力的范围一致，传质系数的单位与推动力的单位一致。

3、总吸收系数及相应的吸收速率方程式

（注：

不论哪种形式的总吸收系数是用大写K表示，而单独的气膜、液膜吸收的系数是用小写的k表示，不可以混淆）

总吸收系数可以用气相组成表示、可以用液相组成表示、也可以用摩尔比浓度表示

因此有以下的表达形式——气相组成表示有

液相组成表示有

摩尔比表示有

4、阻力表示

当NA用推动力/阻力表示时，可以得到“总阻力=气膜阻力+液膜阻力”的关系

，

双模理论下的气膜控制和液膜控制

气膜控制与液膜控制的概念

对于易溶气体，H很大，传质阻力绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略，此时KG≈kG，这种情况称为“气膜控制”；反之，对于难溶气体，H很小，传质阻力绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略，此时KL≈kL，这种情况称为“液膜控制”。

因此——气膜控制下，也就是

液膜控制下，也就是

5、总结

与膜系数相对应的吸收速率式（1、2中的内容）推动力是用一相主体与界面的浓度差来表示的，共计六种表达形式

与总系数对应的速率式（3中的内容）推动力是用一相主体的浓度与其平衡浓度之差来表示的，共计六种表达形式

这就是老师所谓的十二种NA表达形式

注：

吸收系数的单位：

kmol/（m2.s.单位推动力）、吸收系数与吸收推动力的正确搭配

阻力的表达形式与推动力的表达形式的对应等

式相对应

四、吸收塔计算

1、常用条件是：

1）气体混合物中溶质A的组成（mol分率）以及流量kmol/（m2.s）

2）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系；

3）出塔的气体组成

需要计算：

1）吸收剂的用量kmol/（m2.s）；

2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度

2、全塔物料衡算

所以

V（Y1–Y2）=L（X1–X2）——逆流操作，并流可以忽略

3、吸收塔的操作线方程推导

吸收操作线方程实际上是表示塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度X之间成直线关系，直线的斜率为L/V。

推导过程——

在m—n截面与塔底截面之间作组分A的衡算

，有Y=LX/V+（Y1–LX1/V）——X1，Y1均是塔底物质组成

在m—n截面与塔顶截面之间作组分A的衡算

，有Y=LX/V+（Y2–LX2/V）

吸收操作时塔内任一截面上溶质在气相中的实际分压总是高于与其接触的液相平衡分压，所以吸收操作线总是位于平衡线的上方。

4、吸收剂用量、最小液气比计算——图解理解计算的方法

最小液气比——

液气比即是操作线斜率，当操作线与平衡线相交时，有最小液气比

最小液气比：

（L/V）min=（Y1–Y2）/（X1*–X2）

通常平衡关系符合亨利定律，则（L/V）min=（Y1–Y2）/（Y1/m–X2）——即Y*=f（x）的图线

一般使用的液气比有

吸收剂用量——就是最小液气比公式把V移过去推出来的

5、填料层高度计算（含例题、比较重要）

低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为

以气相表达——

引入，

HOG——气相总传质单元高度

NOG——气相总传质单元数

（后面那个NOG的求解就是把这个积分式打开）

以液相表示——

引入，

HOL—液相总传质单元高度，m；

NOG—液相总传质单元数，无因次；

传质单元数和传质单元高度的理解

传质单元数以NＯＧ为例——

时，Z=HOG

Ｙ－Ｙ*用均值（Ｙ－Ｙ*）m表示，则可以看出

当气体流经一段填料层前后的浓度变化（Y1-Y2）恰等于此段填料层内以气相浓度差表示的总推动力的的平均值（Ｙ－Ｙ*）m时，那么，这段填料层的高度就是一个气相总传质单元高度。

传质单元数反映吸收过程的难度，任务所要求的气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小，则意味着过程难度越大，此时所需的传质单元数越大。

传质单元高度以HOG为例——

，可以分析出吸收过程的传质阻力（1/KX）越大，填料层的有效比面积（a）越小，每个传质单元所相当的填料层高度越大。

对数平均推动力法求解ＮＯＧ

考试时我们只有可能用这种方法求解，其他的方法可以忽略

也就是NＯＧ＝

塔顶与塔底两截面上吸收推动力的对数平均，称为对数平均推动力。

当相应的对数平均推动力可用算术平均推动力表示

课件例题

某生产车间使用一填料塔，用清水逆流吸收混合气中有害组分A，已知操作条件下，气相总传质单元高度为1.5m，进料混合气组成为0.04（组分的Amol分率，下同），出塔尾气组成为0.0053，出塔水溶液浓度为0.0128，操作条件下的平衡关系为Y=2.5X（X、Y均为摩尔比），试求：

1）L/V为（L/V）min的多少倍？

2）所需填料层高度。

3）若气液流量和初始组成均不变，要求最终的尾气排放浓度降至0.0033，求此时所需填料层高度为若干米？

思路——

（1）由于L/V本身有摩尔比表示（（L/V）=（Y1–Y2）/（X1–X2），（L/V）min=（Y1–Y2）/（X1*–X2））

所以第一步是将已知中的摩尔分率化为摩尔比

第二步就是将摩尔比带入公式计算出L/V,用平衡关系将X*表示出来计算最小L/V

即求出第一问倍数了

（2）求的是Z，已知HOG，即是求NOG

用对数平均推动力法——求——分子由第一问转化的Y1、Y2求出，分母由求出，即求出ＮＯＧ，带回去就求出了Z=7.76m

（3）变的实际上是y2，求出此时的Y2’用

（2）的思路就求出了变化后的高度Z’=11.28m

6、板式塔层数计算（直接忽略）

五、填料塔

5.1.关于填料的基本概念

1）比表面积单位体积填料层的填料表面积，以σ表示；单位：

m2/m3。

同一种填料，尺寸愈小，比表面积愈大。

2）空隙率

单位体积填料层的空隙体积，以ε表示；单位为m3/m3。

填料的空隙率大，气液通过能力大且气体流动阻力小。

5.2.填料类型

乱堆填料——拉西环、鲍尔环、鞍形、θ网环

整砌填料——波纹板、波纹网