下册 气体吸收

1、自强不息 知行合一2/160第九章第九章气体吸收气体吸收9.1 概述概述9.2 气液相平衡关系气液相平衡关系9.3 单相传质单相传质9.4 相际传质及总传质速率方相际传质及总传质速率方程程9.5 吸收塔的计算吸收塔的计算9.6 传质理论传质理论自强不息 知行合一自强不息 知行合一1、掌握的内容、掌握的内容 相组成的表示法及换算；气体在液体中溶解度，亨利定律各种表达式及相互间的关系；相平衡的应用；相组成的表示法及换算；气体在液体中溶解度，亨利定律各种表达式及相互间的关系；相平衡的应用；分子扩散、菲克定律及其在等分子反向扩散和单向扩散的应用；对流传质概念；双膜理论要点；吸收分子扩散、菲克定律及其在

2、等分子反向扩散和单向扩散的应用；对流传质概念；双膜理论要点；吸收的物料衡算、操作线方程及图示方法；最小液气比概念及吸收剂用量的确定；填料层高度的计算，传的物料衡算、操作线方程及图示方法；最小液气比概念及吸收剂用量的确定；填料层高度的计算，传质单元高度与传质单元数的定义、物理意义，传质单元数的计算（平推动力法和吸收因数法）；吸收质单元高度与传质单元数的定义、物理意义，传质单元数的计算（平推动力法和吸收因数法）；吸收塔的设计计算。塔的设计计算。2、熟悉的内容、熟悉的内容 各种形式的传质速率方程、传质系数和传质推动力的对应关系；各种传质系数间的关系；气膜控制各种形式的传质速率方程、传质系数和传质推动

3、力的对应关系；各种传质系数间的关系；气膜控制与液膜控制；吸收剂的选择；吸收塔的操作型分析；解吸的特点及计算。与液膜控制；吸收剂的选择；吸收塔的操作型分析；解吸的特点及计算。3、了解的内容、了解的内容 分子扩散系数及影响因素；塔高计算基本方程的推导。分子扩散系数及影响因素；塔高计算基本方程的推导。本章学习要点本章学习要点4/1609.1 概述概述9.1.1 化工生产中的传质过程化工生产中的传质过程9.1.2 吸收过程的分类吸收过程的分类9.1.3 相组成表示法相组成表示法 自强不息 知行合一 本节内容提要本节内容提要均相混合物传质分离过程：利用物系中不同组分的物理性质或化学性质的差异来造成一个两

4、相物系，使其中某一组分或某些组分从一相转移到另一相，达到分离的目的，这一过程称为传质分离过程。以传质分离过程为特征的单元操作如下表。9.1.1 化工生产中的传质过程化工生产中的传质过程气体吸收利用不同的气体组分在液体溶剂中溶解度的差异，对其进行选择性溶解，从而将气体混合物各组分分离的传质过程称为吸收。如用水作溶剂来吸收混合在空气中的氨，它是利用氨和空气在水中溶解度的差异，进行分离。液体精馏对于液体混合物，通过改变状态，如加热气化，使混合物造成两相，它是利用不同组分挥发性的差异，进行分离。固体干燥对含一定湿分（水或其它溶剂）的固体提供一定的热量，使溶剂汽化，利用湿分压差，使湿分从固体表面或内部转

5、移到气相，从而使含湿固体物料得以干燥。液-液萃取向液体混合物中加入某种溶剂，利用液体中各组分在溶剂中溶解度的差异分离液体混合物，在其分离过程中，溶质由一液相转移到另一液相。结晶对混合物（蒸汽、溶液或熔融物）采用降温或浓缩的方法使其达到过饱和状态，析出溶质，得到固体产品。吸附利用多孔固体颗粒选择性地吸附混合物（液体或气体）中一个组分或几个组分，从而使混合物得以分离。其逆过程为脱附过程。膜分离利用固体膜对混合物中各组分的选择性渗透从而分离各个组分。自强不息 知行合一气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓浓度差度差推动的传质过程传质过程。吸收剂气体yx界面气相主体 液相主

6、体 相界面气相扩散 液相扩散 yi xi （1 1）吸收的定义：）吸收的定义：利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。自强不息 知行合一（2 2）吸收操作的用途）吸收操作的用途l制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，用水吸收氯化氢制盐酸等 。 l分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯，还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与

7、甲烷、氢分离开来 。 l气体净化 一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。 自强不息 知行合一吸收质或溶质吸收质或溶质(solute)：混合气体中，能够显著溶解的组分称为溶质或吸收质； 以A表示。惰性气体惰性气体(inert gas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液吸收液(strong liquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。吸收尾气吸收尾气(dilute g

8、as)：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。 吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。 吸收塔混合尾气混合尾气(A+B)吸收液吸收液(A+S)吸收剂吸收剂(S)吸收尾气吸收尾气(A+B)（3 3）吸收的相关要素）吸收的相关要素自强不息 知行合一自强不息 知行合一脱苯煤气焦炉煤气吸收部分脱吸部分直接蒸汽粗苯水贫油富油水12345678910图 从焦炉煤气中回收粗苯的流程示意1吸收塔；2吸收液贮槽；3，9泵；4换热器；5脱吸塔；6冷却-冷凝器；7液体分层器；8脱吸液贮槽10冷却器（4 4）吸收剂的选用）吸收剂的选用吸收剂吸收剂 性能往往是决定吸收效果的关键。在选择吸

9、收剂时，应从以下几方面考虑： （1）溶解度 溶质在溶剂中的溶解度要大，即在一定的温度和浓度下，溶质的平衡分压要低，这样可以提高吸收速率并减小吸收剂的耗用量，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低。当吸收剂与溶质发生化学反应时，溶解度可大大提高。但要使吸收剂循环使用，则化学反应必须是可逆的。 （2） 选择性 吸收剂对混合气体中的溶质要有良好的吸收能力，而对其它组分应不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。 （3） 溶解度对操作条件的敏感性 溶质在吸收剂中的溶解度对操作条件（温度、压力）要敏感，即随操作条件的变化溶解度要显著的变化，这样被吸收的气体组分容易解吸，吸收剂再生方便。图 乙醇胺水溶液吸收

10、CO2流程 （4） 挥发度操作温度下吸收剂的蒸气压要低，因为离开吸收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。 （5） 粘性吸收剂粘度要低，流体输送功耗小。 （6） 化学稳定性吸收剂化学稳定性好可避免因吸收过程中条件变化而引起吸收剂变质。 （7） 腐蚀性 吸收剂腐蚀性应尽可能小，以减少设备费和维修费。 （8） 其它 所选用吸收剂应尽可能满足价廉、易得、易再生、无毒、无害、不易燃烧、不易爆等要求。 对吸收剂作全面评价后做出经济、合理、恰当的选择。自强不息 知行合一（5 5）气液两相的接触方式）气液两相的接触方式连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度

11、呈连续变化。如填料塔。级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变化。 如板式塔。散装填料塑料鲍尔环填料规整填料 塑料丝网波纹填料 图 填料塔和板式塔自强不息 知行合一 （1 1）物理吸收和化学吸收）物理吸收和化学吸收 物理吸收：在吸收过程中溶质与溶剂不发生显著化学反应，称为物理吸收。 化学吸收：如果在吸收过程中，溶质与溶剂发生显著化学反应，则此吸收操作称为化学吸收。 （2 2）单组分吸收与多组分吸收）单组分吸收与多组分吸收 单组分吸收：在吸收过程中，若混合气体中只有一个组分被吸收，其余组分可认为不溶于吸收剂，则称之为单组分吸收； 多组分吸收：如果混合气体中有两个或多个组分进入液相，则

12、称为多组分吸收。9.1.2 吸收过程的分类吸收过程的分类自强不息 知行合一 （3 3）等温吸收与非等温吸收）等温吸收与非等温吸收等温吸收：气体溶于液体中时常伴随热效应，若热效应很小，或被吸收的组分在气相中的浓度很低，而吸收剂用量很大，液相的温度变化不显著，则可认为是等温吸收；非等温吸收：若吸收过程中发生化学反应，其反应热很大，液相的温度明显变化，则该吸收过程为非等温吸收过程。 （4 4）低浓度吸收与高浓度吸收）低浓度吸收与高浓度吸收高浓度吸收：通常根据生产经验，规定当混合气中溶质组分A的摩尔分数大于0.1，且被吸收的数量多时，称为高浓度吸收；低浓度吸收：如果溶质在气液两相中摩尔分数均小于0.1

13、时，吸收称为低浓度吸收。 低浓度吸收的特点：1）气液两相流经吸收塔的流率为常 数；2）低浓度的吸收可视为等温吸收。 本章重点研究低浓度、单组分、等温的物理吸收过程。自强不息 知行合一（1 1）质量分率与摩尔分率）质量分率与摩尔分率 质量分率：质量分率是指在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分率。对于混合物中的A组分有 （9-1） 式中 组分A的质量分率； 混合物中组分A的质量，kg； 混合物总质量，kg。 （9-2）mmwAA/AwmAm1NBA www9.1.3 相组成表示法相组成表示法 自强不息 知行合一 摩尔分率：摩尔分率是指在混合物中某组分的摩尔数 占混合物总摩尔数 的分率。对于混合

14、物中的A组分有 气相： （9-3） 液相： （9-4） 式中 、 分别为组分A在气相和液相中的摩尔分率； 液相或气相中组分A的摩尔数， 液相或气相的总摩尔数。 （9-5） （9-6） 质量分率与摩尔分率的关系为： 式中 分别为组分A、B的分子量。nnyA/AnnxA/AAxAyAnAnn1NBA yyy1NBA xxxNNBBAAAAx/Mw/Mw/Mw/MwA BAMM、（9-7）n自强不息 知行合一（2 2）质量比与摩尔比）质量比与摩尔比 质量比是指混合物中某组分A的质量与惰性组分B（不参加传质的组分）的质量之比，其定义式为 摩尔比是指混合物中某组分A的摩尔数与惰性组分B（不参加传质的组分

15、）的摩尔数之比，其定义式为 式中 、 分别为组分A在气相和液相中的摩尔比；BAmmaABAAnnYBAAnnXAYAX（9-8）（9-10）（9-9）自强不息 知行合一质量分率与质量比的关系为 摩尔分率与摩尔比的关系为 （9-11）AAA1aawAAA-1wwaXXx1YYy1-xxX1-yyY1（9-12）（9-13）（9-14）（9-15）（9-16）自强不息 知行合一（3 3）质量浓度与摩尔浓度）质量浓度与摩尔浓度 质量浓度定义为单位体积混合物中某组分的质量。 式中 组分A的质量浓度， ； 混合物的体积， ； 混合物中组分A的质量，kg。 摩尔浓度是指单位体积混合物中某组分的摩尔数。 式

16、中 组分A的摩尔浓度， ； 混合物中组分A的摩尔数， 。 AAVmC3kg/m ACVAm AAVncAc3kmol/m Ankmol （9-17）（9-18）3m自强不息 知行合一质量浓度与质量分率的关系为 摩尔浓度与摩尔分率的关系为 式中 混合物在液相中的总摩尔浓度， ； 混合物液相的密度， 。AA/wVmwVmCAAcxVnxVncAAAA/3kmol/m 3kg/m （9-19）（9-20）c自强不息 知行合一（4 4）气体的总压与理想气体混合物中组分的分压）气体的总压与理想气体混合物中组分的分压总压与某组分的分压之间的关系为摩尔比与分压之间的关系为 摩尔浓度与分压之间的关系为 AAp

17、ypAAApppYRTpVncAAA自强不息 知行合一 例9-1 在一常压、298K的吸收塔内，用水吸收混合气中的SO2。已知混合气体中含SO2的体积百分比为20%，其余组分可看作惰性气体，出塔气体中含SO2体积百分比为2%，试分别用摩尔分率、摩尔比和摩尔浓度表示出塔气体中SO2的组成。 解：混合气可视为理想气体，以下标2表示出塔气体的状态。 02.02y02.002.0102.01222-yyYkPa026.202.03.10122A pyp34A2A2A2kmol/m10018.8298314.8026.2RTpVnc自强不息 知行合一 本节教学要求1、重点掌握的内容：相平衡的影响因素及相

18、平衡关系在吸收过程中的应用；2、熟悉的内容：溶解度、平衡状态、平衡分压、亨利定律。9.2 气液相平衡关系气液相平衡关系 自强不息 知行合一（1 1）溶解度曲线）溶解度曲线平衡状态：在一定压力和温度下，使一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的 溶质便向液相溶剂中转移，经长期充分接触之后，液相中溶质组分的浓度不再增 加，此时，气液两相达到平衡，此状态为平衡状态。饱和浓度：气液平衡时，溶质在液相中的浓度为饱和浓度（溶解度）平衡分压：气液平衡时，气相中溶质的分压为平衡分压相平衡关系：平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关系为相平衡关系。溶解度曲线：气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度曲线9

19、.2.1气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度自强不息 知行合一图 氨在水中的溶解度图 101.3kPa下SO2在水中的溶解度自强不息 知行合一由图可见，在一定的温度下，气相中溶质组成y不变，当总压p增加时，在同一溶剂中溶质的溶解度x随之增加，这将有利于吸收，故吸收操作通常在加压条件下进行。由图可知，当总p、气相中溶质y一定时，吸收温度下降，溶解度大幅度提高，吸收剂常常经冷却后进入吸收塔。 结论：加压和降温有利于吸收操作过程；而减压和升温则有利于解吸操作过程。易溶气体：溶解度大的气体如NH3等称为易溶气体；难溶气体：溶解度小的气体如O2、CO2等气体称为难溶气体；溶解度适中的气体：介乎其间的

20、如SO2等气体称为溶解度适中的气体。自强不息 知行合一（2 2）亨利定律）亨利定律 亨利定律的内容：总压不高（譬如不超过5105Pa）时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。 亨利定律的数学表达式 （ 9-21） 式中 溶质在气相中的平衡分压， ； 亨利系数， ； ， 。 溶质在液相中的摩尔分率。Exp*A*ApExkPakPaT E自强不息 知行合一利定律有不同的表达形式： 式中 cA溶质在液相中的摩尔浓度， ； H 溶解度系数， ； 溶质在气相中的平衡分压，kPa。溶解度系数H与亨利系数E的关系为： 式中 为溶剂的密度， 。 T

21、，H HcpA*AS1SEMH*Ap1）（9-23）（9-22）S3km ol/m3kmol/ mPak3kg/m自强不息 知行合一式中 x 液相中溶质的摩尔分率； 与液相组成x相平衡的气相中溶质的摩尔分率； m 相平衡常数，无因次。相平衡常数m与亨利系数E的关系为： 当物系一定时，T或P，则m。 式中 X 液相中溶质的摩尔比； 与液相组成X相平衡的气相中溶质的摩尔比；mxy*ypEm mXY*Y（9-25）（9-24）2）（9-26）3）自强不息 知行合一 例9-2 某系统温度为10，总压101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？ 解：空气按理想气体

22、处理，由道尔顿分压定律可知，氧气在气相中的分压为： 氧气为难溶气体，故氧气在水中的液相组成x很低，气液相平衡关系服从亨利定律，由表5-1查得10时，氧气在水中的亨利系数E为3.31106kPa。 故 A=101.30.21=21.27kPappySSEMHA*AHpcSAS*AEMpc*-43A6100021.273.5710km ol/m3.311018c-43Am=3.5710321000=11.42g/m自强不息 知行合一9.2.2 相平衡关系在吸收过程中的应用相平衡关系在吸收过程中的应用（1 1）判断过程进行的方向）判断过程进行的方向发生吸收过程的充分必要条件是： y y* 或 x y

23、*)，溶质 A 由气相向液相转移。相对于气相浓度 y 而言，液相浓度欠饱和(xx*)，故液相有吸收溶质 A 的能力。yxoy*=f(x)Pyxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。x*释放溶质吸收溶质自强不息 知行合一传质过程的方向 气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)：相对于液相浓度 x 而言气相浓度为欠饱和(yx*)，故液相有释放溶质 A 的能力。yxoy*=f(x)Qyxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。x*释放溶质吸收溶质自强不息 知行合一传质过程的方向 气、液

24、相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)：相对于液相浓度 x 而言气相浓度为平衡浓度(y=y*)，溶质 A 不发生转移。相对于气相浓度而言液相浓度为平衡浓度(x=x*)，故液相不释放或吸收溶质 A。yxoy*=f(x)Ryxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。x*自强不息 知行合一传质过程的限度 对吸收而言：若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最低只能降到与之相平衡的浓度 y*，即 ymin=y*；若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度 x 最高也只能升高到与气相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmax=x*。yxoy

25、*=f(x)Pyxy*x*自强不息 知行合一传质过程的限度 yxoy*=f(x)Qyxy*x*对解吸而言：若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最高只能升到与之相平衡的浓度 y*，即 ymax=y*；若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度 x 最高也只能降到与气相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmin=x*。自强不息 知行合一对吸收过程：(y-y*)：以气相摩尔分数差表示的传质推动力；(x*-x)：以液相摩尔分数差表示的传质推动力。传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。传质过程的推动力未达平衡的两相接触会发生相际间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快

26、。方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力。自强不息 知行合一 例9-3 在总压101.3kPa，温度30的条件下, SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问：（1）从液相分析SO2的传质方向；（2）从气相分析，其它条件不变，温度降到0时SO2的传质方向；（3）其它条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。自强不息 知行合一解：（1）查得在总压101.3kPa，温度30条件下SO2在水中的亨利系数E=4850kPa 所以 从液相分析故SO2必然从液相转

27、移到气相，进行解吸过程。（2）查得在总压101.3kPa，温度0的条件下，SO2在水中的亨利系数E=1670kPa 从气相分析 故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。pEm00627.088.473.0*myxpEm3.10116703.101485047.88 x=0.01=16.49y*=m x=16.490.01=0.16y=0.3自强不息 知行合一（3）在总压202.6kPa，温度30条件下，SO2在水中的亨利系数E=4850kPa 从气相分析 故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。 以液相摩尔分数表示的吸收推动力为: 以气相摩尔分数表示的吸收推动力为:结论：降低操作温度，

28、E、m，溶质在液相中的溶解度增加，有利于吸收；压力不太高时，P, E变化忽略不计；但m使溶质在液相中的溶解度增加，有利于吸收。=23.94pEm6.20248500125.094.233.0*myxy*=m x=23.940.01=0.24y*，则溶质从气相向液相传递，为吸收过程，该过程包括以下三个步骤： （1）溶质由气相主体向相界面传递，即在单一相（气相）内传递物质； （2）溶质在气液相界面上的溶解，由气相转入液相，即在相界面上发生溶解过程； （3）溶质自气液相界面向液相主体传递，即在单一相（液相）内传递物质。 不论溶质在气相或液相，它在单一相里的传递有两种基本形式，一是分子扩散，二是对流传

29、质。自强不息 知行合一图 两种气体相互扩散（1 1）分子扩散与菲克定律）分子扩散与菲克定律分子扩散分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。 分子扩散现象分子扩散现象：如图所示的容器中，用一块隔板将容器分为左右两室，两室分别盛有温度及压强相同的A、B两种气体。当抽出中间的隔板后，分子A借分子运动由高浓度的左室向低浓度的右室扩散，同理气体B由高浓度的右室向低浓度的左室扩散，扩散过程进行到整个容器里A、B两组分浓度均匀为止。 扩散通量扩散通量：扩散进行的快慢用扩散通量来衡量，定义为：单位时间内通过垂直于扩

30、散方向的单位截面积扩散的物质量，称为扩散通量（扩散速率），以符号J表示，单位为kmol/(m2s)9.3.1 定态的一维分子扩散定态的一维分子扩散自强不息 知行合一菲克定律：由两组分A和B组成的混合物，在恒定温度、总压条件下，若组分A只沿z方向扩散，浓度梯度为 ，则任一点处组分A的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比，此定律称为菲克定律，数学表达式为 式中 为组分A在扩散方向z上的扩散通量， ； 为组分A在扩散方向z上的浓度梯度， ； 为组分A在组分B中的扩散系数， 。 式中负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行zcDJddAABAzcddAzcddA（9-27）AJABD

31、2mol/ msk4mol/mk2m /s自强不息 知行合一 混合物的总浓度在各处是相等的，即 常数 所以任一时刻，任一处， （9-28） 而且， （9-29） 将式（9-28）和式（9-29）代入菲克定律式（9-27），得到： （9-30）式（9-30）说明，在双组分混合物中，组分A在组分B中的扩散系数等于组分B在组分A中的扩散系数。BAccczczcdd-ddBAJA =-JBA BB AD=D=D 自强不息 知行合一（2 2）等分子反向扩散）等分子反向扩散等分子反向扩散：如图所示，当通过连通管内任一截面处两个组分的扩散速率大小相等时，此扩散称为等分子反向扩散。传质速率：在任一固定的空间位

32、置上，单位时间内通过垂直于传递方向的单位面积传递的物质量，记作N。 T p T p cA 1 cA 2 cB 1 cB 2 1 2 C cB 2 cB 1 cA 1 cA 2 0 z 扩 散 距 离z 图图 等等 分分 子子 反反 向向 扩扩 散散 自强不息 知行合一 在等分子反向扩散中，组分A的传质速率等于其扩散速率，即： 边界条件：z=0处，cA=cA1；z = z 处，cA=cA2，对式（9-31）积分 如果A、B组成的混合物为理想气体，式（9-32）可表示为 式（9-32）和式（9-33）为单纯等分子反向扩散速率方程积分式，从式（9-31）可以看出，在等分子反向扩散过程中，扩散距离z与

33、组分的浓度成直线关系。zcDJNAddAAAA0ddA2A1cDzNccz)(A2A1AcczDN)(A2A1AppRTzDN（9-329-32）（9-339-33）（9 9-31-31）自强不息 知行合一图 单向扩散（3 3）单向扩散及速率方程）单向扩散及速率方程总体流动：如图吸收过程，气相主体中的组分A扩散到界面，然后通过界面进入液相，而组分B由界面向气相主体反向扩散，但由于相界面不能提供组分B，造成在界面左侧附近总压降低，使气相主体与界面产生一小压差，促使A、B混合气体由气相主体向界面处流动，此流动称为总体流动。自强不息 知行合一因总体流动而产生的传递速率分别为 和 。组分A因分子扩散和

34、总体流动总和作用所产生的传质速率为NA，即： 同理 组分B不能通过气液界面，故 代入式（9-34），得到： 即： 将式（9-35）及菲克定律 代入式（9-34）得： ccNNAMAMccNNBMBMccNJNAMAAccNJNBMBBccNJBMB0ccNJBMBBAJJccNJBMAMBAMAMBMANcccNccNccNNMANNccNzcDNAAAAddccNzcDNAAAAddzcccDcNddAAA（9-349-34）（9-359-35）（9-369-36）即即自强不息 知行合一 在z=0，cA=cA1；z =z，cA=cA2的边界条件下，对式（9-36）进行积分得： 、 称为“漂流

35、因子”或“移动因子”，无因次。 因p 或 ，故 或 。将式（9-32）与（9-37）、式（9-33）与（9-39）比较，可以看出，漂流因子的大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，溶质的浓度愈大，其影响愈大。其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。当混合物中溶质A的浓度较低时，即 或 很小时，p ， 。 即 ， 。总体流动可以忽略不计。)(A2A1BmAcczcDcNB1B2B1B2BmlncccccB1B2AlnppRTzDpN)(A2A1BmAppRTzpDpNB1B2B1B2BmlnpppppBmppSmccBmpAcAp1Bmpp1SmccBmpSmcc 式中式中式中式中或或

36、1/Bmpp1/SmccSmcc （9-389-38）（9-379-37）（9-399-39）自强不息 知行合一例9-4 在温度为20、总压为101.3kPa的条件下，CO2与空气混合气缓慢地沿着Na2CO3溶液液面流过，空气不溶于Na2CO3溶液。CO2透过1mm厚的静止空气层扩散到Na2CO3溶液中，混合气体中CO2的摩尔分率为0.2， CO2到达Na2CO3溶液液面上立即被吸收，故相界面上CO2的浓度可忽略不计。已知温度20时， CO2在空气中的扩散系数为0.18cm2/s。试求CO2的传质速率为多少？ 解： CO2通过静止空气层扩散到Na2CO3溶液液面属单向扩散，可用式（9-39）计

37、算。 已知： CO2在空气中的扩散系数 扩散距离 ，气相总压 气相主体中溶质CO2的分压 气液界面上CO2的分压 所以，气相主体中空气（惰性组分）的分压z=1mm=0.001m=101.3kPap2-52D=0.18cm /s=1.8 10 m /sA1A1=101.3 0.2=20.27kPappyA2=0pB1A1= -=101.320.27=81.06 Papp pk自强不息 知行合一 气液界面上的空气（惰性组分）的分压 空气在气相主体和界面上分压的对数平均值为： 代入式（9-39），得 B1B2B1B2BmlnpppppkPa8.9006.813.101ln06.813.101)(A2

38、A1BmAppRTzpDpN)027.20(8.903.101001.0293314.8108.15= = =B2A1= -=101.30=101.3 Papp pk-42=1.67 10mol/ msk自强不息 知行合一分子扩散系数：单位浓度梯度下的扩散通量，单位为m2/s。即：扩散系数反映了某组分在一定介质（气相或液相）中的扩散能力，是物质特性常数之一。其值随物系种类、温度、浓度或总压的不同而变化。（1 1）气体中的扩散系数）气体中的扩散系数 通常气体中的扩散系数在压力不太高的条件下，仅与温度、压力有关。根据分子运动论，分子本身运动速度很快，通常可达每秒几百米，但由于分子间剧烈碰撞，分子运

39、动速度的大小和方向不断改变，使其扩散速度很慢，一些气体或蒸气在空气中的扩散系数见表9-2。从表9-2中可见，在常压下，气体扩散系数的范围约为10-510-4m2/s。通常气体中的扩散系数与温度T的1.5次方成正比，与p 成反比。 zcJDddAA9.3.2分子扩散系数分子扩散系数自强不息 知行合一 （2 2）液体中的扩散系数）液体中的扩散系数 溶质在液体中的扩散系数与物质的种类、温度有关，同时与溶液的浓度密切相关，溶液浓度增加，其粘度发生较大变化，溶液偏离理性溶液的程度也将发生变化。故有关液体的扩散系数数据多以稀溶液为主，表9-3给出了低浓度下，某些非电解质在水中的扩散系数。从表中的数据可以看

40、出，液体的扩散系数，比气体的扩散系数小得多，其值一般在110-10110-9m2/s范围内，这主要是由于液体中的分子比气体中的分子密集得多的缘故。液体中的扩散系数通常与温度T成正比，与液体的粘度成反比自强不息 知行合一 对流传质：流动着的流体与壁面之间或两个有限互溶的流动流体之间发生的传质，通常称为对流传质。 （1 1）涡流扩散）涡流扩散 涡流扩散：流体作湍流运动时，由于质点的无规则运动，相互碰撞和混合，若存在浓度梯度的情况下，组分会从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。 因质点运动无规则，所以涡流扩散速率很难从理论上确定，通常采用描述分子扩散的菲克定律形式表示，即 式中 涡流扩散速

41、率， ； 涡流扩散系数， 。 涡流扩散系数与分子扩散系数不同， 不是物性常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关， 的数值很难通过实验准确测定。zcDJeddAAAJeDeDeD9.3.3单相对流传质机理单相对流传质机理2mol/ msk2m /s自强不息 知行合一图对流传质浓度分布图图对流传质浓度分布图有效层流膜提出的意义：有效膜厚zG是个虚拟的厚度，但它与层流内层厚度 存在一对应关系。流体湍流程度愈剧烈，层流内层厚度 愈薄，相应的有效膜厚zG也愈薄，对流传质阻力愈小。（2 2）有效膜模型）有效膜模型 在大多数传质设备中，流体的流动多属于湍流。流体在作湍流流动时，传质的形式包括分子扩散和涡流

42、扩散两种，因涡流扩散难以确定，故常将分子扩散与涡流扩散联合考虑。 有效层流膜：有效层流膜：对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散。有效膜厚度zG为：如图所示，层流内层分压梯度线延长线与气相主体分压线pA相交于一点G，G到相界面的垂直距离。自强不息 知行合一（1 1）气相传质速率方程：）气相传质速率方程： 式中 以气相分压差表示推动力的气相传质系数， kmol/（m2skPa）； 以气相摩尔分率差表示推动力的气相传质系数，kmol/（m2s）； 以气相摩尔比差表示推动力的气相传质系数，kmol/（m2s）； 、 、 分别为溶质在气相主体中的分压、摩尔分率和摩尔

43、比； 、 、 分别为溶质在相界面处的分压、摩尔分率和摩尔比；)(iAAGAppkN)y(ykNiyA)Y(YkNiYAGkykYkApyYiApiyiY（9-429-42）（9-439-43）（9-419-41）GpkkyGpkkY（9-459-45）（9-449-44）9.3.4单相对流传质速率方程单相对流传质速率方程自强不息 知行合一（2 2）液相对流传质速率方程）液相对流传质速率方程 （9-47） （9-48）式中 kL -以液相摩尔浓度差表示推动力的液相对流传质系数，m/s； 以液相摩尔分率差表示推动力的液相传质系数，kmol/（m2s）； 以液相摩尔比差表示推动力的液相传质系数，km

44、ol/（m2s）； cA、 、 分别为溶质在液相主体中的摩尔浓度、摩尔分率及摩尔比；cAi、 、 分别为溶质在界面处的摩尔浓度、摩尔分率及摩尔比。液相传质系数之间的关系： （9-49）当吸收后所得溶液为稀溶液时： （9-50）)(AiALAcckN)(AxxkNix)(AXXkNiXxkXkxXixiXLckkxLckkX自强不息 知行合一 本节教学要求 1、重点掌握的内容：双膜理论、吸收过程的控制步骤（气膜控制、液膜控制） 2、熟悉的内容：吸收过程总传质速率方程、总传质系数及其相互间的关系； 3、难点：吸收过程的控制9.4相际对流传质及总传质速率方程相际对流传质及总传质速率方程自强不息 知行

45、合一 双膜理论基于双膜模型，它把复杂的对流传质过程描述为溶质以分子扩散形式通过两个串联的有效膜，认为扩散所遇到的阻力等于实际存在的对流传质阻力。其模型如图所示。 双膜模型的基本假设：双膜模型的基本假设： （1）相互接触的气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧分别存在着稳定的气膜和液膜。膜内流体流动状态为层流，溶质A以分子扩散方式通过气膜和液膜，由气相主体传递到液相主体。（2）相界面处，气液两相达到相平衡，界面处无扩散阻力。（3）在气膜和液膜以外的气液主体中，由于流体的充分湍动，溶质A的浓度均匀，溶质主要以涡流扩散的形式传质。图图 双膜理论示意图双膜理论示意图9.4.1双膜理论双膜理论自强不息

46、知行合一9.4.2吸收过程的总传质速率方程(1) 用气相组成表示吸收推动力时，总传质速率方程称为气相总传质速率方程，具体如下： （9-51） （9-52） （9-53） 式中 以气相分压差 表示推动力的气相总传质系数，kmol/(m2skPa)； 以气相摩尔分率差 表示推动力的气相总传质系数，kmol/(m2s) 以气相摩尔比差 表示推动力的气相总传质系数，kmol/(m2s)。)(*AAGAppKN)(*AyyKNy)(*AYYKNYGKyKYK*AApp*yy*YY 9.4.2吸收过程的总传质速率方程吸收过程的总传质速率方程自强不息 知行合一(2) 用液相组成表示吸收推动力时，总传质速率方

47、程称为液相总传质速率方程，具体如下： （9-54） （9-55） （9-56） 式中 以液相浓度差 表示推动力的液相总传质系数，m/s； 以液相摩尔分率差 表示推动力的液相总传质系数，kmol/（m2s）； 以液相摩尔比差 表示推动力的液相总传质系数， kmol/（m2s）。)(A*ALAccKN)(*AxxKNx)(*AXXKNXLKxKXKA*Accxx*XX*自强不息 知行合一 （3 3）总传质系数与单相传质系数之间的关系及吸收过程中的控制步骤总传质系数与单相传质系数之间的关系及吸收过程中的控制步骤 若吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线，则： 根据双膜理论，界面无阻力，即界面

48、上气液两相平衡，对于稀溶液，则 将上两式代入式（9-46）得： 或 式（9-41）可转化为 ： 两式相加得 将此式与式（9-51）比较得 （9-57）*AAHpciHpcAAi)(*AiALAppHkN*AiAAL1ppNHkiAAAG1ppNk*AAAGL11ppNkHk)(111*AAGLAppkHkNGLG111kHkK自强不息 知行合一 用类似的方法得到 通常传质速率可以用传质系数乘以推动力表达，也可用推动力与传质阻力之比表示。从以上总传质系数与单相传质系数关系式可以得出，总传质阻力等于两相传质阻力之和，这与两流体间壁换热时总传热热阻等于对流传热所遇到的各项热阻加和相同。但要注意总传质

49、阻力和两相传质阻力必须与推动力相对应。GLL11kHkKyxykkmK11yxxmkkK111YXYkkmK11YXXmkkK111（9-629-62）（9-609-60）（9-619-61）（9-599-59）（9-589-58）自强不息 知行合一 这里以式（9-57）和（9-58）为例进一步讨论吸收过程中传质阻力和传质速率的控制因素。 1）气膜控制 由式（9-57）可以看出，以气相分压差 表示推动力的总传质阻力 是由气相传质阻力 和液相传质阻力 两部分加和构成的，当kG与kL数量级相当时，对于H值较大的易溶气体，有 ，即传质阻力主要集中在气相，此吸收过程由气相阻力控制（气膜控制）。如用水吸

50、收氯化氢、氨气等过程即是如此。*AAppG1KG1kL1HkG1KG1k自强不息 知行合一 2）液膜控制 由式（9-58）可以看出，以液相浓度差 表示推动力的总传质阻力是由气相传质阻力 和液相传质阻力 两部分加和构成的。对于H值较小的难溶气体，当kG与kL数量级相当时，有 ， 即传质阻力主要集中在液相，此吸收过程由液相阻力控制（液膜控制）。如用水吸收二氧化碳、氧气等过程即是如此。A*AccGkHL1kL1KL1k自强不息 知行合一 （4）总传质系数间的关系 式（9-58）除以H，得与式（9-57）比较得： （9-63）同理利用相平衡关系式推导出 （9-64） （9-65） （9-66） （9-

51、67） （9-68） （9-69）GLL111kHkHKLGHKKxyKmKXYKmKyKpKGYKpKGxKcKLXKcKL自强不息 知行合一 例9-6 在总压为100kPa、温度为30时，用清水吸收混合气体中的氨，气相传质系数 =3.8410-6 kmol/（m2skPa），液相传质系数=1.8310-4 m/s，假设此操作条件下的平衡关系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05，其气相平衡分压为6.7kPa。求当塔内某截面上气、液组成分别为y=0.05，x=0.01时 (1)以 、 表示的传质总推动力及相应的传质速率、总传质系数；(2)分析该过程的控制因素。*AAppA*AccGkL

52、k自强不息 知行合一解：（1）根据亨利定律 =1000.05-1340.01=3.66kPa kmol/（m2skPa） =3.9410-63.66=1.4410-5 kmol/（m2s） kPa13405076A.xpE*34.1100134pEm4146.0181341000ssEMH*AApp64GLG1084.311083.14146.01111kHkK6G1094.3K)(*AAGAppKN3Akmol/m 56.01000/1899.001.0cA*Acc 溶解度常数 相平衡常数 =0.41461000.050.56=1.513 kmol/m325379724061713180自强

53、不息 知行合一 =9.510-61.513=1.4410-5 kmol/（m2s）（2）与 表示的传质总推动力相应的传质阻力为253797(m2skPa)/ kmol； 故该传质过程为气膜控制过程。m/s105.94146.01094.366GLHKK)(A*ALAccKN*AApp2406171Gk131801LHk%8.94%100253797240617 其中气相阻力为其中气相阻力为 m2skPa/ kmolm2skPa/ kmol气相阻力占总阻力的百分数为气相阻力占总阻力的百分数为 ；液相阻力液相阻力自强不息 知行合一 本节教学要求1、重点掌握的内容：吸收剂用量的确定、传质单元数的计算

54、（平均推动力、吸收因数法）2、熟悉的内容：吸收操作线、吸收操作线的特点、传质推动力、最小液气比及计算、体积传质系数、传质单元数的定义及物理意义、传质单元高度的定义及物理意义、吸收因数及物理意义、解吸因数、吸收过程的设计（吸收条件的确定）及计算（吸收剂用量、填料层高度的计算、塔径的计算、塔核算）、吸收过程的强化措施；解吸的特点、解吸的计算；3、了解的内容：传质单元数的计算（图解法）、理论级的计算；4、难点：吸收过程的操作分析与计算。9.5 吸收塔的计算吸收塔的计算自强不息 知行合一工业上通常在塔设备中实现气液传质。塔设备一般分为 本章以连续接触操作的填料塔为例，介绍吸收塔的设计型和操作型计算。吸

55、收塔的设计型计算包括：吸收剂用量、吸收液浓度、塔高和塔径等的设计计算。吸收塔的操作型计算包括：（1）在物系、塔设备一定的情况下，对指定的生产任务，核算塔设备是否合用；（2）操作条件发生变化，吸收结果将怎样变化等问题。 连续接触式逐级接触式吸收速率方程物料衡算气液平衡关系设计型和操作型计算的依据：设计型和操作型计算的依据： 自强不息 知行合一 Ga, Ya La, Xa Gb, Yb Lb, Xb 图 物 料 衡 算 示 意 图 （1 1）物料衡算）物料衡算 定态逆流吸收塔的气液流率和组成如图所示，图中符号定义如下： GB单位时间通过任一塔截面 惰性气体的量，kmol/s； Ls 单位时间通过任

56、一塔截面的纯吸收剂的量，kmol/s； Y任一截面上混合气体中溶质的摩尔比， X 任一截面上吸收剂中溶质的摩尔比。 9.5.1物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程自强不息 知行合一 在定态条件下，假设溶剂不挥发，惰性气体不溶于溶剂。以单位时间为基准，在全塔范围内，对溶质A作物料衡算得： 或 （9-70） 溶质回收率定义为： 所以： Ya=Yb（1 ） 由式（9-70）可求出塔底排出液中溶质的浓度 （9-71）的量混合气体中溶质的量吸收溶质AABbSaBaSbG Y +L X = G Y +L XBbasbaGYYLXX/baBbasXXGYYL自强不息 知行合一 （2 2）吸收操作线方程与

57、操作线）吸收操作线方程与操作线 逆流吸收塔内任取mn截面，在截面mn与塔顶间对溶质A进行物料衡算： 若在塔底与塔内任一截面mn间对溶质A作物料衡算，则得到 由全塔物料衡算知，方程（9-72）与（9-73）等价。Ga, Ya La, Xa G, Y m n L, X Gb, Yb Lb, Xb 图 逆流吸收操作线示意图 )G(GBBaSaSXLYXLYbSBSbBXLYGXLYG)(bBSbBSXGLYXGLY（9-72）（9-73）或或或或操作关系：操作关系：塔内任一截面上气相组成塔内任一截面上气相组成Y Y与液相组成与液相组成X X之间的关系。之间的关系。逆流吸收操作线方程：逆流吸收操作线方

58、程：方程（方程（9-72）与与（9-73）称为逆流吸收操作线方程式。称为逆流吸收操作线方程式。BSaBaSG Y L X = G YL X自强不息 知行合一逆流吸收操作线具有如下特点：逆流吸收操作线具有如下特点：1）当定态连续吸收时，若当定态连续吸收时，若LS、GB一定，一定，Yb、Xa恒定，恒定，则该吸收操作线在则该吸收操作线在XY直角坐标图上为一直线，通过塔直角坐标图上为一直线，通过塔顶顶A（Xa，Ya）及塔底及塔底B（Xb， Yb），其斜率为，其斜率为 ，见，见图。图。 称为吸收操作的称为吸收操作的液气比液气比；2）吸收操作线仅与液气比、塔底及塔顶溶质组成有关，吸收操作线仅与液气比、塔底

59、及塔顶溶质组成有关，与系统的平衡关系、塔型及操作条件与系统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。无关。3）因吸收操作时，因吸收操作时，Y Y *或或X * X，故吸收操作线在平，故吸收操作线在平衡线衡线 的上方，操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大；的上方，操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大；解吸操作时，解吸操作时，YY *或或X *X，故解吸操作线在平衡线的下，故解吸操作线在平衡线的下方。方。BSGL图图 逆流吸收操作线逆流吸收操作线BSGL（1）最小液气比）最小液气比：最小液气比是针对一定的分离任务、操作条件和吸收物系，：最小液气比是针对一定的分离任务、操作条件和吸收物系，当塔内某截面吸收推

60、动力为零时，达到分离程度所需塔高为无穷大时的液气比，当塔内某截面吸收推动力为零时，达到分离程度所需塔高为无穷大时的液气比，以以 表示。表示。（2）确定操作液气比的分析）确定操作液气比的分析：若增大吸收剂用量，操作线的：若增大吸收剂用量，操作线的B点将沿水平线点将沿水平线Y=Y1向左移动，如图向左移动，如图9-18所示的所示的B、C点。在此情况下，操作线远离平衡线，吸收的推点。在此情况下，操作线远离平衡线，吸收的推动力增大，若欲达到一定吸收效果，则所需的塔高将减小，设备投资也减少。但动力增大，若欲达到一定吸收效果，则所需的塔高将减小，设备投资也减少。但液气比增加到一定程度后，塔高减小的幅度就不显