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1、1,返回,第五章 吸收,2,5.1.概述,5.1.1 .吸收操作的应用,吸收的依据,混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。,3,5.1.2 吸收过程及设备,4,吸收质 惰性组分,溶剂,吸收液,吸收尾气,5,5.1.3 吸收分类,5.1.4吸收剂的选择要求,（1）溶解度大；,6,选择原则：经济、合理。,7,5.2.1. 气液相平衡关系,1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。,8,平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。,60,50
2、,40,30,液相中氨的摩尔数,9,10,结论：,（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 。,11,（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：,17,相对于气相浓度 y 而言，液相浓度欠饱和(xy*)，溶质 A 由气相向液相转移。,传质过程的方向,气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：,y,x,o,y*=f(x),P,y,x,y*,结论：若系统气、液相浓度(y,x)在
3、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,18,相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和(xx*)，故液相有释放溶质 A 的能力。,相对于液相浓度 x 而言气相浓度为欠饱和(yy*)，溶质 A 由液相向气相转移。,传质过程的方向,气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)：,y,x,o,y*=f(x),Q,y,x,y*,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,19,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。,相对于液相浓度 x 而言气相浓度为
4、平衡浓度(y=y*)，溶质 A 不发生转移。,传质过程的方向,气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)：,y,x,o,y*=f(x),R,y,x,y*,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*,20,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*。,21,传质过程的限度,对解吸而言： 若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最高
5、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*。,22,5.3.吸收过程的传质速率,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 。,5.3.1. 分子扩散与菲克定律,23,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。,扩散通量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面
6、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。,24,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,25,理想气体：,=,26,5.3.2. 单相分子扩散,分子扩散两种形式：等摩尔逆向扩散，单向扩散。,1等摩尔逆向扩散及速率方程,(1)等摩尔逆向扩散,27,等分子反向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。,
7、总压一定,=,28,JA=JB,DAB=DBA=D,（2）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) 。,气相：,29,NA=,液相：,（3）讨论,1）,30,2）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。,2单向扩散及速率方程,31,（1）总体流动：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）总体流动的特点：,1）因分子本身扩散引起的宏观流动。 2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔 分率。,32,（3）单向扩散传
8、质速率方程,33,微分式,34,在气相扩散,积分式,35,36,积分式,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,37,漂流因数意义：其大小反映了总体流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。,漂流因数的影响因素： 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。,38,3）单向扩散体现在吸收过程中。,3扩散系数,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,
9、39,（1）气相中的D,范围：10-510-4m2/s,经验公式,（2）液相中的D,范围：10-1010-9m2/s,40,5.3.3. 单相对流传质,1涡流扩散,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。,41,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：,42,2有效膜模型,（1）单相内对流传质过程,43,1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分子扩散，溶质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
10、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。,44,（2）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 。,3单相对流传质速率方程,（1）气相对流传质速率方程,有效膜厚G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G为E到相界面的垂直距离。,45,以分压差表示推动力的气相传质分系数，kmol/（m2skPa）。,=传质系数吸收的推动力,46,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相传质分系数，kmol/（m2s）；,各气相传质分
11、系数之间的关系：,47,液相传质速率方程有以下几种形式：,（2）液相对流传质速率方程,48,kL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相对流传质分系数，kmol/（m2skmol/m3）；,以液相组成摩尔分率表示推动力的液相对流传质分系数，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）,49,6.3.4. 界面上的浓度,定态传质,=f（cAi）,、cAi,1一般情况,2平衡关系满足亨利定律,、cAi,50,3图解,I（pAi，cAi）,51,6.4. 对流传质 6.4.1. 两相对流传质模型 6.4.2. 总传质速率方程 6.4.3. 传质
12、阻力与传质速率的控制,52,5.4.1. 两相对流传质模型,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,1双膜模型,53,2双膜模型的基本论点（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,54,6.4.2. 总传质速率方程,1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,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
13、力的气相总传质系数，kmol/（m2s）；,55,（2）用液相组成表示吸收推动力,以液相浓度差表示推动力的液相总传质系数，kmol/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）；,（3）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,56,（4）总传质系数之间的关系,57,6.4.3. 传质阻力与传质速率的控制,1传质阻力,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。,58,2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
14、力控制（气膜控制）。,H 较大易溶气体,气膜控制的特点：,59,提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相湍流程度。,（2）液膜控制,液膜控制：传质阻力主要集中在液相，此吸收过程为液相阻力控制（液膜控制）,液膜控制的特点：,H较小难溶气体,60,提高传质速率的措施：提高液体流速；加强液相湍流程度。,同理：,气膜控制：,液膜控制：,m小易溶气体,m大难溶气体,61,54 吸收塔的物料衡算与操作线方程,5-4-1、物料衡算,目的：计算给定吸收任务下所需的吸收剂用量 L 或吸收剂出口浓度 X1。 混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸收，故气体的总量沿塔高而变，液体也因其中不断溶入可溶组分，其量也沿塔高而变。但是，通过塔的惰性气体量和溶剂量是不变的。,62,以逆流操作的填料塔为例：,对稳定吸收过程，单位时间内气相在塔内被吸收的溶质 A 的量必须等于液相吸收的量。通过对全塔A物质量作物料衡算，可得：,下标“1”代表塔内填料层下底截面， 下标“2”代表填料层上顶截面。 V 单位时间通过塔的惰性气体量；kmol(B)/s ； L 单位时间通过吸收塔的溶剂量；kmol(S)/s ； Y 任一截面的混合气体中溶质与惰性气体的摩尔比；kmol(A)/kmol(B) ； X 任一截面的溶液中溶质与溶剂的摩尔比；kmol(A)/kmol(S) 。,
