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1、第二节 气液相平衡 第五章 气体吸收 第一节 概述 第三节 吸收过程的传质速率 第四节 吸收塔的计算 第五节 填料塔 1 第一节 概述 一、吸收操作的应用 二、吸收过程与设备 三、吸收过程分类 四、吸收剂的选择 2 一、气体操作的应用 （1）分离混合气体以获得一定的组分。 （2）除去有害组分以净化或精制气体。 （3）制备某种气体的溶液。 （4）工业废气的治理。 吸收的依据 混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。 3 二、吸收过程与设备 4 吸收与解吸流程 含苯煤气 脱苯煤气 洗油 苯 水 过热蒸汽 加热器 冷却器 5 （1）物理吸收和化学吸收 （2）单组分吸收和多组分吸收 （3）等温吸收和非等
2、温吸收 （4）高浓度吸收和低浓度吸收 （1）溶解度大； 三、吸收过程的分类 四、吸收剂的选择 6 （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。 选择原则：经济、合理。 7 第二节 气液相平衡 一、 平衡溶解度 二、 亨利定律 三、 气液相平衡关系在吸收中的应用 8 一、平衡溶解度 平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收 剂与混合气体充分接触，气相 中的溶质 向溶剂中转移，长期充分接 触后，液相 中溶质组分的浓度不再增加，此时，气 液两相达到平衡。 饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。 9 平衡分压：平衡
3、时气相中溶质的分压。 平衡状态的因素 FC2=32+2=3 当压力不太高、温度一定时 p*A =f1（ x ） y*=f2（x） p*A =f3（ cA ） 10 氨在水中的溶解度 11 20下SO2在水中的溶解度 12 几种气体在水中的溶解度曲线 13 讨论： （2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中 ，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收 。 （1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中 ，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收 。 （3）相同的总压及摩尔分率， cO2 cCO2 cSO2 x或 A由气相向液相传质，吸收过程 平衡状态 A由液相向气相传质，解吸过程 吸收过程： 21 （二）指明过
4、程进行的极限 过程极限：相平衡。 y P y x A B C x y* y* y 22 （1）逆流吸收，塔高无限， V，y2 V，y1 L，x2 L，x1 （2）逆流吸收，塔高无限， （三）确定过程的推动力 （1）吸收过程推动力的表达式 y - y*或x* -x或 23 （2）在xy图上 A P y y* x x* 24 第三节 吸收过程的传质速率 一、 分子扩散与菲克定律 六、 两相间的双模理论 四、 分子扩散系数 七、 总传质速率方程 二、 等摩尔逆向扩散 三、 组分A通过静止组分B的扩散 五、 单相内对流传质 25 吸收过程： （1）A由气相主体到相界面，气相内传递； （2）A在相界面上
5、溶解，溶解过程； （3）A自相界面到液相主体，液相内传递。 单相内传递方式：分子扩散；对流扩散 。 一、 分子扩散与菲克定律 26 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。 扩散速率：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 面积扩散的物质量，J表示， kmol/(m2s)。 菲克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一 点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。 27 JA组分A扩散速率（扩散通量）， kmol/（m2s）； 组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m； DAB组分A
6、在B组分中的扩散系数，m2/s。 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 28 理想气体： = 分子扩散两种形式：等摩尔逆向扩散，组分A通过 静止组分B的扩散。 29 JA JB T P pA2 pB2 T P pA1 pB1 12 二、等摩尔逆向扩散 30 等摩尔逆向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率 大小相等，方向相反。 总压一定 = 31 JA=JB DAB=DBA=D 等分子反向扩散传质速率方程 传质速率定义：任一固定的空间位置上， 单位时间 内通过单位面积的物质量，记作N, kmol/(m2 s) 。 NA= 气相： 32 NA= 液相： 讨论 1） 33
7、 2）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。 3）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。 p pB1 pA1 pA2 pB2 扩散距离z 0 z p 三、 组分A通过静止组分B的扩散 34 1 2 JA JB NMcA/c NMcB/c NM NA （1）整体移动：因溶质扩散 到界面溶解于溶剂中，造 成界面与主体的微小压差， 使得混合物向界面处的流 动。 （2）整体移动的特点： 1）因分子本身扩散引起的宏观流动。 2）A、B在整体移动中方向相同，流动速度正比于摩尔 分率。 35 微分式 36 在气相扩散 积分式 积分式 37 积分式液相： （4）讨论 1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系 2） 、
8、漂流因子，无因次 38 漂流因子意义：其大小反映了整体移动对传质速率的影 响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩 散增大的倍数。 漂流因子的影响因素： 浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。 低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。 3）单向扩散体现在吸收过程中。 39 扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映 某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常 数之一；D，m2/s。 D的影响因素：A、B、T、P、浓度 D的来源：查手册；半经验公式；测定 四、分子扩散系数 40 （1）气相中的D 范围：10-510-4m2/s 经验公式 （2）液相中的D 范围：10-1010-9
9、m2/s 41 五、 单相内的对流传质 涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部 存在浓度梯度，流体质点便会靠 质点的无规则运动，相互碰撞和 混合，组分从高浓度向低浓度方 向传递，这种现象称为涡流扩散。 42 涡流扩散速率，kmol/(m2s)； 涡流扩散系数，m2/s。 注意：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 。 总扩散通量： 43 T TW tW t 热流体冷流体 pAG pAi cAi cAL 气相液相 zTztzGzL E （一）单相内对流传质的有效膜模型 单相内对流传质过程 44 1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分 子扩散，溶质
10、A的浓度梯度较大，pA随z的 变化较陡。 2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散， 溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水 平线。 3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的 变化逐渐平缓。 45 有效膜模型 单相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 。 （二）气相传质速率方程 有效膜厚zG由层流内层浓度梯度线延长线与流 体主体浓度线相交于一点E，则厚度zG为E到相界 面的垂直距离。 46 以分压差表示推动力的气膜传质分系数， kmol/（m2skPa）。 =传质系数吸收的推动力 47 气相对流传质速率方程有以下几种形式： 以气相摩尔分率表示推动力的气膜
11、传 质分系数，kmol/（m2s）； 各气相传质分系数之间的关系： 带入上式 与比较 48 液相传质速率方程有以下几种形式： （二）液相传质速率方程 49 kL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜 对流传质分系数，kmol/（m2skmol/m3）； 以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜 对流传质分系数，kmol/（m2s）； 各液相传质分系数之间的关系： 注意： 对流传质系数=f (操作条件、流动状态、物性） 50 六、 两相间传质的双模理论 相际对流传质三大模型：双膜模型 溶质渗透模型 表面更新模型 （一）双膜理论 pAG pAi cAi cAL 气相液相 zGzL E 51 双膜模型的基本论
12、点（假设） （1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存 在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩 散方式通过气膜和液膜。 （2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力。 （3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以 涡流扩散的形式传质。 双膜模型也称为双膜阻力模型 52 （一）气相传质速率方程 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）； 七、总传质速率方程 53 （二）液相总传质速率方程 以液相浓度差表示推动力的液相总传 质系数，k
13、mol/m2skmol/m3）； 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）； 54 根据双膜理论 （三）总传质系数与单相传质分系数之间的关系 系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线 55 （四）总传质系数之间的关系 56 （五）传质速率的控制 相间传质总阻力 = 液相(膜)阻力 +气相(膜)阻力 注意:传质系数、传质阻力 与推动力一一对应。 1.传质阻力 57 2.传质速率的控制步骤 （1）气膜控制 气膜控制：传质阻力主要集中在气相，此吸收过程 为气相阻力控制（气膜控制）。 H 较大易溶气体 气膜控制的特
