化工基础(张四方)_吸收

1、化工基础化工基础ElementaryChemicalEngineering第三章第三章 吸吸 收收31 概概 述述 质质量量传传递递热热量量传传递递动动量量传传递递三三传传 一、什么是吸收？一、什么是吸收？ 利用混合气体中各组分在液体中利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差异溶解度的差异而分离气体混合物的单元而分离气体混合物的单元操作称为操作称为吸收吸收。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。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。分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。-其分离的依据使什么？其分离的依据使什么？气体混合物中各组分

2、在溶剂中的溶解度不同，气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同，若各组分在吸收剂中的溶解度差异越大，吸收的选择性越好。若各组分在吸收剂中的溶解度差异越大，吸收的选择性越好。例如欲分离例如欲分离氨气空气的混合物，可选择水做溶剂，因为氨气在水中的溶解度最大，而氨气空气的混合物，可选择水做溶剂，因为氨气在水中的溶解度最大，而空气几乎不溶于水空气几乎不溶于水。 解吸：使溶质从溶液中逸出的传质过程。该过程既可使溶剂再 生，又可使溶质回收。 密闭容器水（溶剂） 氨气(浓度高)空气(惰性气体)(溶质，被吸收组分)氨气（浓度低）空气 ：总压总压 ：溶质（：溶质（A）分压）分压 ：与溶液中：与溶液中A的浓度的浓度

3、 成平衡的气相分压成平衡的气相分压 （饱和蒸气压）（饱和蒸气压） pApep 吸收，吸收， 解吸，解吸， 平衡。平衡。 吸收总推动力。吸收总推动力。eApp eApp eApp eApp 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度差推动的传质过程气相和液相内由浓度差推动的传质过程。吸收质或溶质吸收质或溶质：混合气体中的溶解组分，以：混合气体中的溶解组分，以A表示。表示。惰性气体或载体：惰性气体或载体：不溶或难溶组分，以不溶或难溶组分，以B表示。表示。吸收剂：吸收剂：吸收操作中所用的溶剂，以吸收操作中所用的溶剂，以S表示

4、。表示。吸收液：吸收液：吸收操作后得到的溶液，主要成分为吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂溶剂S和溶质和溶质A。吸收尾气：吸收尾气：吸收后排出的气体，主要成分为惰性吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体气体B和少量的溶质和少量的溶质A。 吸收过程在吸收过程在吸收塔吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。图如右所示。 吸吸收收塔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)吸收是一种典型传质过程吸收是一种典型传质过程 物质从一相转移到另一相的过程叫传质。物质从一相转移到另一相的过程叫传质。传质是在不同的传质是在不同的相

5、态间进行的。相态间进行的。按相态划分按相态划分 液液-固相传质过程固相传质过程 浸取浸取 气气-固固 吸附吸附 液液-液液 萃取萃取 气气-液液 吸收、精馏吸收、精馏 吸收设备吸收设备 填料塔结构及填料填料塔结构及填料二、吸收目的二、吸收目的2制取产品制取产品 例如，用例如，用98%的硫酸吸收的硫酸吸收SO3气体制取发烟硫酸，用水吸收气体制取发烟硫酸，用水吸收氯化氢制取氯化氢制取31%的工业盐酸，的工业盐酸， 用氨水吸收用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。生产碳酸氢铵等。 3从气体中回收有用的组分从气体中回收有用的组分 例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回例如，用硫酸从煤气中回收氨

6、生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。收粗苯等。 4废气治理废气治理 对工业尾气、废气的净化以达到排放标准，保护环境。例如对工业尾气、废气的净化以达到排放标准，保护环境。例如燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2等。等。1. 净化原料气。净化原料气。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳等。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳等。三、吸收分类三、吸收分类溶质气体溶于液相中不发生显著化学反应的吸收过程溶质气体溶于液相中不发生显著化学反应的吸收过程物理吸收时，由于吸收质只是单纯的溶解于吸收剂中，因而物理吸收时，由于吸收质只是单纯的溶解于吸收剂中，因而很不稳定，条件稍有有

7、改变，被吸收的吸收质很容易从液相很不稳定，条件稍有有改变，被吸收的吸收质很容易从液相重新转入到气相中。重新转入到气相中。2、化学吸收化学吸收定义：定义：在吸收过程中，在吸收过程中，吸收质与吸收剂之间发生显著的化学吸收质与吸收剂之间发生显著的化学反应反应，比如用碱吸收二氧化碳生成碳酸盐。，比如用碱吸收二氧化碳生成碳酸盐。NaOHCO2Na2CO3吸收是气体溶质在吸收剂中溶解的过程。因此，吸收是气体溶质在吸收剂中溶解的过程。因此，吸收剂性能吸收剂性能的优劣是决定吸收效果的关键的优劣是决定吸收效果的关键。选择吸收剂时应注意：。选择吸收剂时应注意：四、吸收剂的选择四、吸收剂的选择(1)溶解度溶解度吸收

8、剂对溶质组分的溶解度越大，则传质推动力越大，吸收速吸收剂对溶质组分的溶解度越大，则传质推动力越大，吸收速率越快，且吸收剂的耗用量越少。率越快，且吸收剂的耗用量越少。(2) 选择性选择性吸收剂应对溶质组分有较大的溶解度，而对混合气体中的其它吸收剂应对溶质组分有较大的溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微，否则不能实现有效的分离。组分溶解度甚微，否则不能实现有效的分离。(3) 挥发度挥发度在吸收过程中，吸收尾气往往为吸收剂蒸汽所饱和。故在操作在吸收过程中，吸收尾气往往为吸收剂蒸汽所饱和。故在操作温度下，吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小温度下，吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小,以减少吸收剂的损失

9、量。以减少吸收剂的损失量。 (4)粘度粘度吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动阻力越小，扩吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动阻力越小，扩散系数越大，这有助于传质速率的提高。散系数越大，这有助于传质速率的提高。 (5)其它其它所选用的吸收剂应尽可能无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发所选用的吸收剂应尽可能无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定。泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定。 在恒定的温度与压强下，使一定量的吸收剂与混合气在恒定的温度与压强下，使一定量的吸收剂与混合气体接触，溶质便向液相转移，同时正在被吸收的吸收质也体接触，溶质便向液相转移，

10、同时正在被吸收的吸收质也可由液相扩散到气相中，发生解吸过程。当吸收和可由液相扩散到气相中，发生解吸过程。当吸收和解吸两解吸两个过程的速率相等时，气液两相中吸收质的浓度不再发生个过程的速率相等时，气液两相中吸收质的浓度不再发生变化。这种状态称为相际动平衡，简称变化。这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡相平衡或平衡。 32 吸收的气液相平衡吸收的气液相平衡注意：注意：此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，在宏观上过程就象是停止了，是一

11、种在宏观上过程就象是停止了，是一种动态平衡状态动态平衡状态。 在温度和压力一定的条件下，平衡时的在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应关气、液相组成具有一一对应关系系。 平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压平衡分压或饱和分压或饱和分压，与之对应的，与之对应的液相浓度称为液相浓度称为平衡浓度平衡浓度或气体在液体中的或气体在液体中的平衡溶解度平衡溶解度。这时溶液已经。这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的饱和，即达到了它在一定条件下的溶解度溶解度，也就是指气体在液相中的，也就是指气体在液相中的饱和浓度，饱和浓度，习惯上以单位质量（或体积）的液

12、体中所含溶质的质量来习惯上以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一定条件下吸收过程表示，也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度可能达到的极限程度。 在一定温度下达到平衡时，在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加而增加溶液的浓度随气体压力的增加而增加。如。如果要使一种气体在溶液中达到某一特定的浓度，必须在溶液上方维持果要使一种气体在溶液中达到某一特定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力。较高的平衡压力。 气体的溶解度与温度有关，通常气体的溶解度与温度有关，通常温度下降则气体的溶解度增高温度下降则气体的溶解度增高。 一些气体的吸收平衡曲线一些气体的吸收平衡曲线

13、O2SO2NH3P*溶解度溶质的平衡分压g溶质/1000gH2O250C从图中可看出：从图中可看出：1、同温、同平衡分压下，不同的物质，、同温、同平衡分压下，不同的物质，溶解度不同。溶解度不同。2、同温、同溶解度时，不同的物质，平、同温、同溶解度时，不同的物质，平衡分压不同。衡分压不同。如，如，t=25溶解度达溶解度达100g/1000H2O时时=90mmHg，表明易溶气体表明易溶气体,溶液上溶液上方平衡分压低；方平衡分压低；=780Hg=8000Hg，表明，表明难溶气体，溶液上难溶气体，溶液上方平衡分压高。方平衡分压高。溶液上方分压越大的物质越难溶溶液上方分压越大的物质越难溶。3NHP2SO

14、P2OP 由图看出：由图看出：P*溶解度溶解度；T 溶解度溶解度对于同一种气体，分压一定时，对于同一种气体，分压一定时，温度温度T越高，溶解度越小越高，溶解度越小。对于同一种气体，温度一定时，对于同一种气体，温度一定时，分压分压P越大，溶解度越大越大，溶解度越大。高压、低温有利于气体吸收。高压、低温有利于气体吸收。氨在水中的平衡溶解度氨在水中的平衡溶解度一定压力下一定压力下SO2在水中的溶解度在水中的溶解度32.1亨利定律亨利定律吸收操作最常用于分离低浓度的气体混合物，此时液相的浓度通常比较吸收操作最常用于分离低浓度的气体混合物，此时液相的浓度通常比较低。当总压不太高时，稀溶液的溶解度曲线常近

15、似为一过原点的直线，即低。当总压不太高时，稀溶液的溶解度曲线常近似为一过原点的直线，即溶溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比，这一关系称为亨利定律。，这一关系称为亨利定律。Hxp *式中：式中：p p* * 溶质在气相中的平衡分压，溶质在气相中的平衡分压，kPakPa； x x 溶质在液相中的摩尔分数；溶质在液相中的摩尔分数； H H 亨利系数，单位与压强单位一致亨利系数，单位与压强单位一致 kPakPa。 亨利系数的值随物系的特性及温度而异；亨利系数的值随物系的特性及温度而异；H H 值的大小代表了气体值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程

16、度；在同一溶剂中，在该溶剂中溶解的难易程度；在同一溶剂中，易溶气体易溶气体 H 值很小，值很小，难溶气体难溶气体 H H 值很大；值很大；物系一定时：物系一定时：HtHP凡是理想溶液，在压强不高，温度恒定的情况下，凡是理想溶液，在压强不高，温度恒定的情况下，P*- x关系在整个浓度范关系在整个浓度范围内都符合亨利定律。围内都符合亨利定律。0P*x斜率为E亨利（亨利（Henry）定律）定律表明稀溶液上方的溶质分压与该溶质表明稀溶液上方的溶质分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正比在液相中的摩尔分率成正比，其比例常数即为亨利系数。，其比例常数即为亨利系数。摩尔分率摩尔分率：指某相中一种组分在全部组分中

17、所占的比例。：指某相中一种组分在全部组分中所占的比例。 通常以通常以y 代表气相摩尔分率、代表气相摩尔分率、 x代表液相摩尔分率代表液相摩尔分率。 如：气相中有如：气相中有A、B两种组分，两种组分，A 为吸收质，为吸收质，B 为惰性组分，为惰性组分，则它们的摩尔分率为：则它们的摩尔分率为：y a=n a/n，（，（n=na+nb） y b=n b/n比摩尔分率比摩尔分率：指每摩尔惰性组分中所带有吸收质的摩尔数。气：指每摩尔惰性组分中所带有吸收质的摩尔数。气液两相中惰性组分（或溶剂）的量可认为不变。通常以液两相中惰性组分（或溶剂）的量可认为不变。通常以Y代代表气相比摩尔分率表气相比摩尔分率,以以

18、X代表液相比摩尔分率。代表液相比摩尔分率。液相中溶剂的摩尔数液相中溶质的摩尔数Xxx1数气相中惰性组分的摩尔气相中溶质的摩尔数Yyy1YYyXXx1 ,1例：已知氨水中含氨例：已知氨水中含氨15%（质量分率），求氨水中氨的比（质量分率），求氨水中氨的比摩尔分率？摩尔分率？(1) 用溶液中吸收质的物质的量浓度用溶液中吸收质的物质的量浓度c和气相中的分压表示和气相中的分压表示cEp1*32.2亨利定律亨利定律的的其他形式其他形式c c 溶质在液相中的摩尔浓度，溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/mkmol/m3 3；E E 溶解度系数溶解度系数 ，单位：单位：kmol/mkmol/m3 3PaPa或

19、或kmol/mkmol/m3 3atmatm。 E E是温度的函数。是温度的函数。易溶气体易溶气体E E值大，难溶气体值大，难溶气体E E值小值小。E E与与H H的关系：的关系：溶液中吸收质浓度为3/mCkmol设溶液的密度为 3/mkgM、MS分别为吸收质和溶剂的摩尔质量kg.mol-1 ，则c与x的关系为：xxMMxcS)1 (ExMMxHS1)1 ( Et EPHMssE若为稀溶液，则有：若为稀溶液，则有：（2）用用气液相中溶质的摩尔分数表示气液相中溶质的摩尔分数表示mxy m与H 的关系： 由道尔顿分压定律由道尔顿分压定律：p=P总ym相平衡常数相平衡常数 。易溶气体易溶气体小，难溶

20、气体小，难溶气体大。大。m值越大，表明气体的溶解度越小。值越大，表明气体的溶解度越小。因此，因此，加压、降温对吸收有利加压、降温对吸收有利。 Ppy* mtmp, xHp*由亨利定律由亨利定律： xPHyPHm即： 例题：某系统温度为10摄氏度，总压为101.3千帕，试求在此条件下，空气与水充分接触后，每立方米水中能溶解多少克氧气？解：空气按理想气体处理，由道尔顿分压定律可知，氧气在解：空气按理想气体处理，由道尔顿分压定律可知，氧气在气相中的分压为：气相中的分压为：pA*=py101.3kPa0.2121.27kPa氧气为难溶气体，故氧气在水中的组成氧气为难溶气体，故氧气在水中的组成x很低，气

21、液相很低，气液相平衡关系服从亨利定律，由表查得平衡关系服从亨利定律，由表查得10摄氏度时，氧气在水摄氏度时，氧气在水中的亨利系数为中的亨利系数为3.31106kPa。因为因为E=/ /H HM M，c cA AE Ep pA A 所以所以c cA A p pA A/ /H HM M3.573.571010-4-4kmol/mkmol/m3 3 每立方米水中的溶解氧为：每立方米水中的溶解氧为： 3.57 3.571010-4-432321000100011.42g/m11.42g/m3 3。32.3用摩尔比表示的相平衡关系用摩尔比表示的相平衡关系液相中溶剂的摩尔数液相中溶质的摩尔数Xxx1数气相

22、中惰性组分的摩尔气相中溶质的摩尔数Yyy1YYyXXx1,1在吸收计算中，认为惰性组分不进入液相，溶剂也没有显著的在吸收计算中，认为惰性组分不进入液相，溶剂也没有显著的气化现象。所以惰性组分的气化现象。所以惰性组分的molmol流量和溶剂的流量和溶剂的molmol流量始终不变。流量始终不变。若以二者为基准分别表示溶质在气、液两相中的浓度，则对吸若以二者为基准分别表示溶质在气、液两相中的浓度，则对吸收计算带来很大方便。为此常采用比收计算带来很大方便。为此常采用比molmol分数分数Y Y、X X分别表示气、分别表示气、液两相的组成。比液两相的组成。比molmol分数定义如下：分数定义如下：亨利定

23、律的几种表达形式也可改写为亨利定律的几种表达形式也可改写为EPcHPx ,mYXmyx , 由 ,得mxy XmXYY11XmmXY)1 (1当溶液浓度很低时，当溶液浓度很低时，X0， 上式简化为：上式简化为：mXY 3-3.3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、判断过程进行的方向若若yy*或或xx*，则吸收；若，则吸收；若yx*，则解吸，则解吸2、 指明过程进行的极限2x*2yy 1y1x2x*1xx 1y2y塔高塔高 ，吸收剂用量，吸收剂用量 ， 即即使塔无限高，吸收剂用量很少，使塔无限高，吸收剂用量很少， 也不会无限增大，也不会无限增大，1x1xmyxx1max,

24、 1*反之，当塔高反之，当塔高 ，吸收剂用，吸收剂用量量 ， ，即使塔高无限高，吸收，即使塔高无限高，吸收剂用量很大，剂用量很大， 也不会无限减小，也不会无限减小，2y2y2max, 2* mxyy3、确定过程的推动力、确定过程的推动力X在吸收操作中，通常以实际操作浓度与平衡浓度的差距来表示吸收过程的推动力。推动力推动力 或或 注意推动力注意推动力*)(yy)*(xx )!(xy X亨利定律小结（1）通式：气相浓度=系数液相浓度（2）E 、m 、H的大小，能够反映溶解度的大小。 H m E 溶解度，易溶 H m E 溶解度，难溶（3）t 、p对H、m 、E的影响： tH m E 溶解度 PH

25、m E 溶解度 在吸收过程中，低温、高压有利于气体的吸收， 高温、低压有利于气体的解吸。 （4）亨利定律是气液达平衡时，所表示的气液组成关系。（5）亨利定律的使用条件： 对气相，应是理想气体，总压 P 5atm 对液相，应是稀溶液，x0.05（6）E 、H可在手册中查得，而它们只有在符合亨利定律时才为常数。 例题：例题：从液相分析，从液相分析，与摩尔分数为与摩尔分数为0.1的气体相平衡的液相平衡浓度为：的气体相平衡的液相平衡浓度为： 利系从气相分析，从气相分析，与摩尔分数为与摩尔分数为0.003的液体相平衡的气相平衡浓度为：的液体相平衡的气相平衡浓度为： 可见，降低温度，可见，降低温度，E、m

26、，溶解度，溶解度，有利于吸收的进行。，有利于吸收的进行。33 吸收速率吸收速率平衡关系平衡关系只能回答混合气体中只能回答混合气体中溶质气体能否进入液相及溶质气体能否进入液相及进入的程度和极限进入的程度和极限问题，问题，至于进入液相速率大小至于进入液相速率大小，却无法解，却无法解决，后者属于传质机理问题。决，后者属于传质机理问题。吸收速率吸收速率决定吸收操作的决定吸收操作的生产强度生产强度，同时也是分析吸收，同时也是分析吸收操作与计算、设计、选型吸收设备的重要依据。操作与计算、设计、选型吸收设备的重要依据。 气体吸收是溶质先从气相主体扩散到气液界面，再从气气体吸收是溶质先从气相主体扩散到气液界面

27、，再从气液界面扩散到液相主体的液界面扩散到液相主体的传质过程传质过程。 一相内部有浓度差异的条件下，由于分子的无规则热运动一相内部有浓度差异的条件下，由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。而造成的物质传递现象。类似于传热中的热传导，是分子微类似于传热中的热传导，是分子微观运动的宏观统计结果。观运动的宏观统计结果。AB33.1单相内的扩散单相内的扩散1、分子扩散：、分子扩散： 混合物中存在温度梯度、压强梯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，度及浓度梯度都会产生分子扩散，本章仅讨论因浓度梯度而造成的分本章仅讨论因浓度梯度而造成的分子扩散。发生在静止或层流流体里子扩散。发

28、生在静止或层流流体里的扩散就是分子扩散。的扩散就是分子扩散。ddCDANA即即单位时间扩散传递物质量与传质面积和传质方向的浓度梯度成正比单位时间扩散传递物质量与传质面积和传质方向的浓度梯度成正比。N：传质速率，也称为扩散速率，单位：传质速率，也称为扩散速率，单位：kmol/s ； ：物质物质A的浓度梯的浓度梯度，即物质度，即物质A的浓度在的浓度在Z方向上的变化率；方向上的变化率；D:物质扩散系数物质扩散系数，mol.s-1，它，它是物质的特性常数之一，代表物质在介质中的扩散能力，一般由实验测是物质的特性常数之一，代表物质在介质中的扩散能力，一般由实验测定，常用的扩散系数可以在手册中查到；定，常

29、用的扩散系数可以在手册中查到；负号：负号：是指该扩散沿着是指该扩散沿着A浓度浓度降低的方向进行。降低的方向进行。尽管分子热运动的速度很大，但由于分子间的频繁碰撞使分子不断改尽管分子热运动的速度很大，但由于分子间的频繁碰撞使分子不断改变其热运动方向，所以物质沿某一特定的方向的扩散速度却很小。变其热运动方向，所以物质沿某一特定的方向的扩散速度却很小。2、菲克定律、菲克定律 只要流体内部有浓度梯度，就会产生分子扩散，在恒只要流体内部有浓度梯度，就会产生分子扩散，在恒温恒压下，一维分子扩散速率可用温恒压下，一维分子扩散速率可用菲克定律菲克定律表达如下表达如下：ddCA 对双组分混合物，在总浓度（对气相

30、也可说总压）各处相等对双组分混合物，在总浓度（对气相也可说总压）各处相等及及 常数的前提下，也有常数的前提下，也有 ( (前提为前提为 常数，对气压为总压常数，对气压为总压 不变不变) ) 也就是说菲克定律中，也就是说菲克定律中，A A、B B两组分的分子扩散速率大小相等，两组分的分子扩散速率大小相等，方向相反，否则就不能保证总浓度方向相反，否则就不能保证总浓度 （或总压（或总压 ）不变。）不变。 BAMCCCddddBACCBANNMCPMCPdd)dd(ABABABBACDCDNNDDDBAAB 双组分混合物中的分子扩散 （1）单方向扩散；（）单方向扩散；（2）等物质的量反向扩散；（）等物

31、质的量反向扩散；（3）总体流动。总体流动。总浓度总浓度iiCCCCCBABAM 也称涡流传质，是指凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起也称涡流传质，是指凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散。发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的的扩散。发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是对流传质。是对流传质。将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水，则将甜得更这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水，则将甜得更快更均匀，那便是对流传质。快更均匀，那便是对流传质。ddCADNE式中式中DE为涡流扩散系数，它不是物性常数

32、，与湍流程度、为涡流扩散系数，它不是物性常数，与湍流程度、质点位置等有关，通过实验测定。质点位置等有关，通过实验测定。 3、对流扩散、对流扩散 在湍流流动时，涡流扩散与分子扩散同时起着传在湍流流动时，涡流扩散与分子扩散同时起着传质作用：质作用： 在湍流主体，以涡流扩散为主，在湍流主体，以涡流扩散为主，DED；在层流内；在层流内层，以分子扩散为主，层，以分子扩散为主，DDE，且，且DE0；在过渡；在过渡层，两者都不可忽略。层，两者都不可忽略。 ddCADDNE)(33.2 双膜理论双膜理论 吸收过程涉及两相间的物质传递，包括吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤三个步骤： (1)溶质由气相主

33、体传递到相界面，即溶质由气相主体传递到相界面，即气相内的物质传递气相内的物质传递； (2)溶质在溶质在相界面上的溶解相界面上的溶解，由气相转入液相，由气相转入液相； (3)溶质自界面被传递至液相主体，即溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。液相内的物质传递。双膜理论是以吸收质在滞流层中的分双膜理论是以吸收质在滞流层中的分子扩散的概念为基础而推导出来的。双子扩散的概念为基础而推导出来的。双膜理论是刘易斯膜理论是刘易斯(LewisW.K.)和惠特曼和惠特曼(W.G.whitman)在本世纪二十年代提出在本世纪二十年代提出来的，一直占有重要的地位。来的，一直占有重要的地位。它的基本它的基本

34、论点是：论点是： 界面气膜 液膜气相主体液相主体传质方向PCPiCi( (1) ) 相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为薄（等效厚度分别为 1 1 和和 2 2 ）的流体膜层。溶质以）的流体膜层。溶质以分子扩散方式分子扩散方式通通过此两膜层。过此两膜层。( (2) ) 相界面没有传质阻力，溶质在相相界面没有传质阻力，溶质在相界面处的浓度处于界面处的浓度处于相平衡状态相平衡状态。气相主体 液相主体 相界面pi = ci / Hp 12pi ci c 气膜液膜( (3) ) 在膜层以外的两相主流区

35、由于流在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质阻力可以忽略体湍动剧烈，传质阻力可以忽略不计，相际的不计，相际的传质阻力集中在两传质阻力集中在两个膜层内个膜层内。两膜的阻力决定了传两膜的阻力决定了传质速率的大小，因此双膜理论也质速率的大小，因此双膜理论也称为称为双阻力理论双阻力理论。 （4）若气相主体中吸收质的分压为）若气相主体中吸收质的分压为P，界面气膜的吸收质分压为，界面气膜的吸收质分压为Pi，PPi 即为吸收过程的推动力，同理，若液相主体中吸收质的浓度为即为吸收过程的推动力，同理，若液相主体中吸收质的浓度为c，两相，两相 界面的液膜中的浓度为界面的液膜中的浓度为ci，cic也是吸收过程

36、的推动力。也是吸收过程的推动力。33.3 吸收速率方程吸收速率方程 1 1 吸收传质理论吸收传质理论 吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤：分为三个步骤： (1)(1)溶质由气相主体扩散至溶质由气相主体扩散至 两相界面气相侧两相界面气相侧( (气相气相 内传质内传质) )；(2)(2)溶质在界面上溶解溶质在界面上溶解( (通过通过 界面的传质界面的传质) )；(3)(3)溶质由相界面液相侧扩溶质由相界面液相侧扩 散至液相主体散至液相主体( (液相内传液相内传 质质) )。 溶解气相主体 液相主体 气相扩散 液相扩散 相界面

37、吸收速率：吸收速率： 单位面积，单位时间内吸收的溶质单位面积，单位时间内吸收的溶质A的摩尔数，的摩尔数， 用用N表示，单位通常用表示，单位通常用kmol/m2.s。 吸收传质速率方程吸收传质速率方程：吸收速率与吸收推动力之间的数学关系式吸收速率与吸收推动力之间的数学关系式 吸收速率吸收速率=吸收系数吸收系数推动力推动力传热面积传热面积 1）气膜吸收速率方程气膜吸收速率方程 2 单相膜层分吸收速率方程单相膜层分吸收速率方程 双膜理论将两流体双膜理论将两流体相际传质相际传质过程简化为经过程简化为经两膜层的稳定分两膜层的稳定分子扩散的串联过程子扩散的串联过程。对吸收过程则为溶质通过对吸收过程则为溶质

38、通过气膜气膜和和液膜液膜的分的分子扩散过程。子扩散过程。 2）液膜吸收速率方程）液膜吸收速率方程k L：液膜分吸收系数，：液膜分吸收系数，m/s；kx=CMkL；cA，i：液膜界面上：液膜界面上A的浓度；的浓度；cA：液相主体：液相主体A的摩尔浓度。的摩尔浓度。 气膜分吸收速率方程式气膜分吸收速率方程式kG：气膜分吸收系数：气膜分吸收系数， kmol/(m2.s.kPa)；PA：气相主体：气相主体A的分压；的分压；PA，i：气相界面上：气相界面上A的分压。的分压。)()(,AiAxAiALxxAkccAkN)(,iGAAppAkN）yyPAkNyPPyPPiAAGiAiAAA,(总总总)(,

39、iAAyyyAkNGykP：k总其中pcAIcipi3、吸收总速率方程、吸收总速率方程-kL/kG为为AI线的斜率，线的斜率，I点位置与点位置与气液膜阻力之比有关。气膜阻力气液膜阻力之比有关。气膜阻力越大，越大，I点越下移；液膜阻力越点越下移；液膜阻力越大则大则I点越上移。点越上移。CCAkppAkNiLiGGLiikkccpp 对于连续定态过程，对于连续定态过程，N气气=N液液，即：，即：1) 传质过程的推动力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未达平衡的两相接触会发生相际间传质( (吸收或解吸吸收或解吸) )，离平衡浓，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。度

40、越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。方法：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。程的推动力。对吸收过程：对吸收过程：(y-y*)：以气相摩尔分数：以气相摩尔分数差表示的传质推动力差表示的传质推动力；(x*-x)：以液相摩尔分数：以液相摩尔分数差表示的传质推动力差表示的传质推动力。 传质推动力的表示方法可传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样以不同，但效果一样。 yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）iGppAkN2) 气相吸收气相吸收总总速率方程式速率方程式ccAkNiL 对于对于稳定

41、吸收稳定吸收过程，可根据双膜理论建立相际传质速率方程过程，可根据双膜理论建立相际传质速率方程(总传质速率方程总传质速率方程)。类似于间壁式对流传热类似于间壁式对流传热速率方程。速率方程。 由于混合物的组成可用多种方式表示，对应于每一种表达法由于混合物的组成可用多种方式表示，对应于每一种表达法都有与之相应的传质速率方程。都有与之相应的传质速率方程。 在传质中，用传质系数（吸收系数）求传质速率很麻烦，在传质中，用传质系数（吸收系数）求传质速率很麻烦，Pi、Ci(或或yi、xi）难以确定。）难以确定。实际使用时须设法从式中消实际使用时须设法从式中消去去Pi、Ci 。如。如何消去呢？何消去呢？-用用P

42、A*取代取代PACCAkppAkNiLiG由亨利定律知由亨利定律知cEp1iicEp1液膜分吸收速率方程液膜分吸收速率方程为：为：)(*ppEAkccAkNiLiL)(ppAHkNiL气膜分吸收速率方程气膜分吸收速率方程为：为：iGppAkN)(iGppAkN合并两式合并两式ppAkEkNGL111气相吸收气相吸收总总速率方程：速率方程：ppAKppAKNGG11GLGkEkK111所以所以气相吸收总阻力等于气膜吸收阻力与液膜吸收阻力之和。气相吸收总阻力等于气膜吸收阻力与液膜吸收阻力之和。若若E很大（如易溶气体很大（如易溶气体NH3、HCl），）， 则则KGkG，过程为气膜控制，传质阻力主要集

43、中在气膜一侧。，过程为气膜控制，传质阻力主要集中在气膜一侧。KG：以气相分压差为：以气相分压差为推动力的总传质系数。推动力的总传质系数。GGGLkKkEk11113) 液相吸收液相吸收总总速率方程式速率方程式（以（以c*代替代替c）由亨利定律知由亨利定律知cHp1iicHp1液膜分吸收速率方程液膜分吸收速率方程为：为：ccAkNiL)(ccAkNiL气膜分吸收速率方程气膜分吸收速率方程为：为：iGiGccAEkppAkN)(iGccAkEN合并两式合并两式ccAkEkNGL11液相吸收液相吸收总总速率方程：速率方程：ccAKccAKNLL11GLLkEkK11所以所以KL：以液相摩尔浓度差：以

44、液相摩尔浓度差为推动力的总传质系数。为推动力的总传质系数。液相吸收总阻力等于气膜吸收阻力与液膜吸收阻力之和。液相吸收总阻力等于气膜吸收阻力与液膜吸收阻力之和。若若E很小（如难溶气体很小（如难溶气体H2、CO2、O2），）， 则则KLkL，过程为液膜控制，过程为液膜控制，传质阻力主要集中传质阻力主要集中在液膜一侧。在液膜一侧。LLLGkKkkE111 对于对于气膜阻力控制气膜阻力控制的吸收过程，欲提高传质速率，在选择的吸收过程，欲提高传质速率，在选择设备形式及确定操作条件时需设法设备形式及确定操作条件时需设法提高提高k kG G 以以减小气膜阻力减小气膜阻力，如气体流率如气体流率 kkG GKK

45、G GNN。这与对流传热时为提高这与对流传热时为提高传热传热速率需设法提高小的传热传热速率需设法提高小的 以减小传热阻力类似。以减小传热阻力类似。易易溶气体溶解度大溶气体溶解度大，平衡线斜率，平衡线斜率m m小，其吸收过程往往小，其吸收过程往往是气膜是气膜阻力控制阻力控制，如用水吸收，如用水吸收NHNH3 3，用浓硫酸吸收水蒸汽等均为气，用浓硫酸吸收水蒸汽等均为气膜控制。膜控制。 对于对于液膜阻力控制液膜阻力控制的吸收过程，欲提高传质速率，在选择设的吸收过程，欲提高传质速率，在选择设备形式及确定操作条件时需设法备形式及确定操作条件时需设法提高提高k kL L 以以减小液膜阻力减小液膜阻力，如液

46、体流率如液体流率 kkL LKKL LNN。难溶气体溶解度小难溶气体溶解度小，平，平衡线斜率衡线斜率m m大，其吸收过程往往大，其吸收过程往往是液膜阻力控制是液膜阻力控制，如用水吸，如用水吸收收COCO2 2、O O2 2、H H2 2、ClCl2 2等均为液膜控制。等均为液膜控制。 用水吸收用水吸收SOSO2 2 及丙酮蒸汽，气膜阻力和液膜阻力各占一定比及丙酮蒸汽，气膜阻力和液膜阻力各占一定比例，此时应同时设法减小气膜阻力和液膜阻力，传质速率才例，此时应同时设法减小气膜阻力和液膜阻力，传质速率才会有明显提高，这种情况称为会有明显提高，这种情况称为“双膜控制双膜控制”。 YYPPyp1 4）用

47、摩尔比表示的总吸收速率方程）用摩尔比表示的总吸收速率方程 *1*YYPPyP代入代入 ，得，得*)(*)1)(1 (YYAYYPKNGA*)1)(1(YYPKKGY*)(YYAKNYA令令 ，所以，所以若气相中吸收质浓度不高，则若气相中吸收质浓度不高，则Y、Y*较小，所以较小，所以同理，同理，PKKGYXXAKNXA)1)(1*XXCKKLX（总若液相中吸收质浓度较低，则若液相中吸收质浓度较低，则X、X*较小，所以较小，所以总CKKLX1.吸收塔的类型 工业生产中，吸收操作多采用塔式设备，设备主要有两类： （1）板式塔：在板式塔内气、液接触逐级进行。 （2）填料塔：在填料塔内气、液接触连续进行

48、。由于填料塔在吸收操作中使用较多，本章以填料塔为主要研究对象。2.塔内气、液两相的流动方式 （1）并流； （2）逆流，通常采用此种方式。34 吸收塔计算吸收塔计算 填料塔结构及填料填料塔结构及填料填料塔结构及填料填料塔结构及填料陶瓷、金属、塑料陶瓷、金属、塑料金属丝金属丝环形填料环形填料弧鞍弧鞍矩鞍矩鞍鞍型填料鞍型填料环矩鞍、环矩鞍、组合环、组合环、环鞍结合型填料环鞍结合型填料环、鞍型填料环、鞍型填料TRI球、球、TopPak、MellaringVSP、球形填料球形填料散堆填料散堆填料拉西环、鲍拉西环、鲍尔环、阶梯尔环、阶梯环环1 1）拉西环填料）拉西环填料内十字环内十字环内螺旋环内螺旋环高度

49、和外径相等；可用陶高度和外径相等；可用陶瓷和金属制造瓷和金属制造;存在严重的存在严重的壁偏流和沟流现象，壁偏流和沟流现象，液体液体滞留量大，传质效率不高，滞留量大，传质效率不高，气体通过能力低，阻力大。气体通过能力低，阻力大。 其构造大大提高了环内空其构造大大提高了环内空间与环内表面的利用率，而间与环内表面的利用率，而且使气液流通顺畅，有利于且使气液流通顺畅，有利于气液进入环内。比拉西环传气液进入环内。比拉西环传质效率高、气体通过能力大。质效率高、气体通过能力大。4 4）三叶环填料）三叶环填料共轭环共轭环 规规整整波波纹纹填填料料塔塔示示意意图图4、填料塔的附属设备、填料塔的附属设备1）喷淋装

50、置）喷淋装置2）液体再分布器）液体再分布器3）填料支撑栅板）填料支撑栅板混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸收，混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸收，故气体的故气体的总量沿塔高而变总量沿塔高而变，液体也因其中不断溶入可溶组，液体也因其中不断溶入可溶组分，其量分，其量也沿塔高而变也沿塔高而变。但是，。但是，通过塔的惰性气体量和溶通过塔的惰性气体量和溶剂量是不变的。剂量是不变的。 5、吸收塔的物料衡算与操作线方程、吸收塔的物料衡算与操作线方程 1)物料衡算物料衡算 确定各物流之间的量的关系；确定各物流之间的量的关系； 确定设备中任意位置两物料确定设备中任意位置两物料 组成之间的关

51、系组成之间的关系。液气1221LXVYLXVY下标下标“1”代表塔内填料层下底截面，代表塔内填料层下底截面，下标下标“2”代表填料层上顶截面。代表填料层上顶截面。V单位时间通过塔的惰性气体量；单位时间通过塔的惰性气体量；k m o l (B)/s ；L单位时间通过吸收塔的溶剂量；单位时间通过吸收塔的溶剂量；k m o l (S)/s ；Y 任一截面的混合气体中溶质与惰性气体的摩尔任一截面的混合气体中溶质与惰性气体的摩尔比；比；k m o l (A)/k m o l (B) ； X 任一截面的溶液中溶质与溶剂的摩尔比；任一截面的溶液中溶质与溶剂的摩尔比；km o l (A)/ k m o l(

52、S) 。对对稳定吸收过程，单位时间内气相在塔内被吸收稳定吸收过程，单位时间内气相在塔内被吸收的溶质的溶质 A 的量必须等于液相吸收的量。的量必须等于液相吸收的量。对全塔对全塔A A物质量作物料衡算物质量作物料衡算，可得：，可得：出入AAMM)()(2121XXLYYV2211XVLYXVLY)1 (12YY2）吸收塔的操作线方程式与操作线）吸收塔的操作线方程式与操作线 在 mn截面与塔底截面塔底截面之间作组分A的衡算 LXVYLXVY11 进塔气体量进塔气体量 V和组成和组成 Y1 是吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和是吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和组成组成 X2 一般由工艺条件所确定，出塔气

53、体组成一般由工艺条件所确定，出塔气体组成 Y2 则由任务给定的则由任务给定的回收率回收率 求出。求出。回收率：回收率：混合气中溶质混合气中溶质A被吸收的百分率，通过被吸收的百分率，通过可以判别吸收效果的好坏。可以判别吸收效果的好坏。)(11XVLYXVLY逆流吸收塔操作线方程逆流吸收塔操作线方程若在mn截面截面与塔顶截面塔顶截面之间作组分A的衡算，则 LXVYLXVY22)(22XVLYXVLY表明 ： 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，直线的斜率为为L/V。 2121XXYYVL液气比液气比：每摩尔惰性气体所用吸收剂的物质的量。121YYY X*-XoX2XX1X*Y*=f(X)XY*Y2YY1YBMAY- Y* 当当 L/V 一定，操作线方程在一定，操作线方程在 Y-X 图图上为以液气比上为以液气比 L/V为斜率，过塔进、出为斜率，过塔进、出口的气、液两相组成点口的气、液两相组成点A(X1，Y1)和和B(X2Y2)的直线，称为的直线，称为吸收操作线。吸收操作线。 线上任一点的坐标线上任一点的坐标M(Y，X)