传质分离技术理论讲解课件项目2-1

一、吸收平衡 （一）吸收中常用的相组成表示法
1、质量比 混合物中两组分的质量之比——质量比 ，以 X W （液体混合物）、
YW（气体混合物）表示
x m X W (YW ) A wA xwB mB
kgA / kgB
2、摩尔比 混合物中两组分的摩尔数之比——摩尔比，用X （液体混合物） 、 Y （气体混合物）表示
吸 收 塔
混和气体 A+B
点评二：如何选择吸收剂
吸收剂选择原则：
（1）溶解度大； （2）选择性高； （3）再生容易； （4）挥发性小； （5）粘度低； （6）化学稳定性高； （7）腐蚀性低； （8）无毒、无害、价廉等。
点评三：吸收操作的分类
1.按溶质与溶剂间是否发生显著化学反应分成物理吸 收和化学吸收； 2 按被吸收组分数目的多少分成：单组分吸收和多组 分吸收； 3 按吸收前后温度是否发生明显变化分成：等温吸收 和非等温吸收； 4 按溶质在气液两相中的浓度大小分成低浓度吸收和 高浓度吸收。
各种常用填料及新型填料
选择填料时应注意
（1）比表面积大 （2）空隙率大 （3）表面液体均布性好 （4）阻力（压降）小 （5）耐腐蚀，具有化学稳定性 （6）重量轻，机械强度大，制造容易，价格低廉
填料的堆放形式
整砌 它主要构件及功能
（1）液体分布装置
——使液体能在塔顶均匀分布于填料表面，实现填料内气液两 相密切接触、高效传质
Y2min Y mX 2
2
X1max X Y1 / m
1
即:相平衡限定了尾气离开吸收塔的最低组成和吸收液离开塔时的最高 组成。
第三节 吸收传质机理
一、吸收传质机理与过程
（1）溶质组分从气相主体传递到气、液两相的界面；（扩散） （2）在相界面上溶解而进入液相;（溶解） （3）从液相一侧界面向液相主体传递。（扩散） 气 液 填 料 表 面
2．塔内件
填料塔的内件有填料、液体分布装置、液体再分布装置、填料 支承装置、填料压紧装置等。 （1）填料 填料的作用： 为气、液两相提供充分的接触面积, 增加流体的湍动程度，以 利于传质、传热，并且能够通过较大数量的流体。 陶瓷 实体填料 填料 金属 —— 拉西环、鲍尔环等 塑料 网体填料 —— 金属网、 网环、网状鞍形等
吸收操作常用术语介绍
吸收尾气 吸收剂 B+少量A S
吸收质 （溶质） A :混合气体中，能够显著溶解 于液体中的组分；吸收剂 （溶剂） S :吸收操作 所用的溶剂；惰性气体 （载体） B :不能溶解的 组分；吸收尾气 B+A(少量）：吸收中排出的气 体。吸收液 A+S(大量） （完成液）:吸收操作所 吸收液 得到的溶液； A+大量S
亨利定律的其它表达式
（1）
c p* H
式中 c — 单位体积溶液中溶质的摩尔数，即液相中溶质的摩尔 浓度；kmol/m3； H — 溶解度系数， kmol/(m3· kPa) 。 溶解度系数的数值随物系、温度而变。对一定的溶质和溶 剂，H值随温度升高而减小。易溶气体有很大的H值，难溶气体 的H值很小。
小结：
（ 1）常数E、m数值越小，H越大，表明可溶组分的溶解度越大，
或者说溶剂的溶解能力越大；
（2）温度上升，亨利系数E增大，气体的溶解度降低；
（3）难溶气体的E 值很大； （4）易溶气体的E 值很小。
p Ex
* A
cA p H
* A
Y mX

（三）相平衡关系在吸收操作中的应用
1. 选择吸收剂和确定适宜的操作条件 加压和降温均可使m值降低，溶剂对溶质的溶解度增大，有利 于吸收操作。
对于稀溶液，H值可由下式近似估算，即：
H

EM s
式中 ρ — 溶液的密度，kg／m3； Ms — 溶剂的摩尔质量。 （2）
y*＝mx
式中 y —与液相成平衡的气相中溶质物质的量的分数； m—相平衡常数，又称为分配系数，无因次。
式 y*＝mx 可由式 p*＝Ex
两边除以系统的总压P得到，即：
P* E y x P P
nA X (Y ) nB
xA xB
kmolA /kmolB
3、质量比与摩尔比的换算
M X XW B MA
或
XW X
MA MB
吸收操作中，气相和液相总量均随吸收过程进行而改变，但 惰性气体和溶剂的量认为保持不变；若上式中 A——吸收质 则 B——惰性气体或溶剂 而
xA xA X x惰 1 xA
量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示。
kgA / kg溶剂
平衡时，气相中溶质的分压称为平衡分压。 不同气体采用同一吸收剂吸 收，所得溶液浓度相同时，易溶气体在溶液上方的平衡分压较小。
(1)在同一溶剂中，不同气体的溶解度有很大差异——吸收分 离的依据 (2)同一溶质在相同的温度下，随着气体分压的提高，在液相 中的溶解度加大。 (3) 同一溶质在相同的气相分压下，溶解度随温度降低而加 大。 由上述规律可知：加压和降温可以提高气体的溶解度，对吸 收操作有利；反之，升温和减压对解吸操作有利。
× × × × × × × 界面
三、对流传质理论——双膜理论
基本论点
（1）气、液两相间存在着稳定的相 界面，界面两侧分别有存在有稳 定的液膜和气膜；溶质以分子扩散 的方式通过此两膜。 （2）在相界面处，气、液两相达到 平衡(界面无阻力)。 （3）在膜层以外的气、液两相中心 区，由于流体充分湍动，溶质的 浓度是均匀的，全部浓度变化集中 在两个有效膜层内。 双膜理论使整个吸收过程简化为经 由气、液两膜的分子扩散过程 双膜理论的示意 图
2、亨利定律
亨利定律：描述互成平衡的气、液两相间组成的关系。 当总压不高时，在一定温度条件下，稀溶液上方气体溶质的平衡分压与 其在液相中摩尔分率成正比。
p*＝Ex
式中 p* — 溶质在气相中的平衡分压，kPa； x — 溶质在液相中的摩尔分数； E — 亨利系数，单位与压强单位一致。其数值随物系特性 及温度而变。
（2）液体再分布装置
——避免壁流现象，保证填料层内气液分布均匀，防止传
质效率下降
截锥式液体再分布器
（3）填料支承板
——支撑填料层，使气体均匀分布
（4）填料压紧装置
——防止填料床层发生松动，保持均匀一致的空隙结构，使 操作正常、稳定
（5）除沫器 ——防止塔顶气体出口处夹带液体
点评六 吸收平衡及吸收推动力
X xA 1 X
——可简化吸收计算
水吸收丙酮有限度吗？
（二）平衡关系 1、气体在液体中的溶解度
在一定的温度与压力下，使定量的吸收剂与混合气体接触， 溶质便向液相转移，直至液相中溶质达到饱和——相平衡 平衡时，液相中溶质的浓度称为平衡浓度或饱和浓度，即气体 在液体中的溶解度。 溶解度表示： 在一定的温度和压力下，气液相达平衡时，定量吸收剂所能溶 解的吸收质的最大数量。它是吸收过程的极限。习惯上用单位质
2. 判断过程进行方向
根据气、液两相的实际组成与相应条件下平衡组成的比较，可 判断过程进行的方向。
Y Y
Y Y
3. 计算过程推动力


吸收过程 解吸过程
气相或液相的实际组成与相应条件下的平衡组成的差值可表示 传质的推动力。对于吸收过程，传质的推动力为
Y Y

或
X X

4. 确定过程进行的极限 平衡状态即过程进行的极限。对于逆流操作的吸收塔，无论吸收塔有 多高，吸收剂用量有多大
点评四：工业吸收过程图例
洗油 脱苯煤气 苯 加 热 器
含苯气
冷 却 器
水
过热蒸汽
吸收与解吸流程 混合气体从塔底引入吸收塔，在压差作用下向上流动；吸收剂从塔顶引 入，在重力作用下向下流动。吸收剂吸收了吸收质后形成的液体为吸收 液或溶液从塔底引出，吸收后剩余的气体为尾气从塔顶引出。
点评五：吸收设备
吸收设备有多种类型，最常用的有填料塔与板 式塔。填料塔中装有诸如瓷环之类的填料，气 液接触在填料中进行。 1、基本结构 填料塔的塔体为一圆形筒体，筒内分层装 有一定高度的填料。自塔上部进入的液体通过 分布器均匀喷洒于塔截面上。在填料层内液体 沿填料表面呈膜状流下。各层填料之间设有液 体再分布器，将液体重新均匀分布于塔截面上。 气体自塔下部进入，通过填料缝隙中自由空 间，从塔上部排除。离开填料层的气体可能挟 带少量雾状液滴，因此有时需要在塔顶安装除 沫器。气液两相在填料塔内进行逆流接触传质。
E m P
在吸收计算中，为方便起见，常采用摩尔比Y与X分别表示气、 液两相的组成。
x X 1 x y Y 1 y
X x 1 X Y y 1 Y
mX Y 1 (1 m) X

——吸收平衡线
当溶液很稀时，上式可近似表示为： Y*＝mX 上式表明，当液相中溶质含量足够低时，平衡关系在X-Y坐标图中 也可近似的表示成一条通过原点的直线，其斜率为m。
公司
徽标
项目A-2 ：胸苷生产中含丙酮（acetone） 废气的处理 子项目A-2-1水吸收空气中丙酮初步方案 的制定
项目参数：胸苷生产过程中产生含丙酮的废气，该废气 中含丙酮7%（体积），废气流量为1500m3/h（标准 状态），要求吸收率97%。
点评一：吸收操作
什么是吸收？ 利用组成混合气体各组分在同一溶剂中溶解 度不同，来分离气体混合物的操作，称为吸收 操作。（丙酮与空气在水中的溶解度不同）