精选优质文档-----倾情为你奉上第7章 吸收与蒸馏7.1 传质学基础物质由一处向另一处转移的过程称为传质7.1.1 扩散现象与分子扩散速率计算分子扩散：在同一相内有浓度差异时，因分子的无规则热运动而造成的物质传递现象7.1.1.1 分子扩散与Fick定律 扩散通量J：单位时间内通过单位面积传递的物质的量，kmol/(m2.s)费克定律：当物质A在介质B中发生扩散时，任一点处的扩散通量与该位置上的浓度梯度成正比，即： 式中：DAB-A组分在A和B的混合物中的扩散系数，m2/s同样，对B组分有 式中：DBA-B组分在A和B的混合物中的扩散系数当扩散发生在理想气体或理想溶液中时， 有DAB=DBA=D，故以后用D表示双组分物系的扩散系数7.1.1.2 稳定分子扩散速率传递速率NA：单位时间内通过单位面积的A物质的量，kmol/(m2.s)1)等摩尔逆向扩散 如图所示，两容器内有浓度不同的A，B两种气体的混合物，其中PA1＞PA2，PB1＜PB2，P，T相同由费克定律，得： 稳定条件下，NA=JA=常数，对上式积分，有或 对于理想气体，有 代入上式，可得：式中R为通用气体常数，R=8.314J/(mol.K)。
注意：由于NA（JA）的单位用kmol/(m2.s)，为与之相对应，气体的压强需用kPa (2)单向扩散 如图所示，在密闭容器中放上一定的碱液，上方为含CO2（A）的空气(B)，气体压强一定（盖子可上下自由滑动），则在汽液相界面上A组分会不断向液相中扩散、溶解传递的基本情况：由于A组分不断通过气、液相界面进入液相，则在周围不断地留下相应的空缺，这样就有其它的A，B分子来充填，从而形成“整体流动”若以NM表示总体流动通量，则有： NM=NA+NB及 (a)但B组分(空气) 并不溶入碱液,即NB=0∴ NM=NA 代入(a)式,得: 或 积分上式可得： （b）对于气体，有由于 CA1+CB1= CA2+CB2=C（常数）∴ CB2-CB1= CA1-CA2令代入（b）式，可得：同理可得：式中P/PBm称为“漂流因子”，其值>17.1.1.3 扩散系数扩散系数是物质的物性常数之一一般，D=f（物质，T，P，浓度）对于气体中的扩散，浓度的影响可忽略；对于液体中的扩散，压强的影响可忽略扩散系数的来源：①由实验测定；②从有关手册查取；③由物质本身的基础物性及状态参数计算。
通常，气体的D(～10-5m2/s)比液体的D(～10-10m2/s)大得多对气体扩散体系，D∝T1.5/P;对液体扩散体系，D∝T/μ［例7-1］有一个10cm高的烧杯内装满乙醇，问在101.3kPa及25℃的室温下全部蒸发完约需多少天？若温度升高至35℃，问全部蒸发完约需多少天？假设烧杯口上方空气中乙醇蒸汽分压为零；25℃和35℃下乙醇的饱和蒸汽压分别为8.0kPa和13.3kPa；25℃时乙醇在空气中的扩散系数为1.19×10-5m2/s解：乙醇通过静止空气层的扩散为单向扩散，且为非稳定过程，但因扩散距离z的变化缓慢，故可作为拟稳态处理基本方法：设在扩散的任意时刻τ，液面离杯口的距离（扩散距离）为z，取dτ时间间隔对物料作衡算，并结合扩散的规律解决之单向扩散，有： （1）式中：D=1.19×10-5m2/s；T=273+25=298K；PB2=101.3-0=101.3kPa；PB1=101.3-8.0=93.3kPa；z-扩散距离，m代入（1）中，得：在dτ时间内，液面高度降低dz，对乙醇作衡算：或 （2）式中：ρ=780kg/m3，MA=46kg/kmol；代入上式，得：积分可得：当温度升高至35时℃：PB1=101.3-13.3=88.0kPa;D=1.19×10-5×(308/298)1.5=1.25×10-5m2/s;其余参数不变。
积分可得：7.1.2 对流传质与相间传质7.1.2.1 对流传质 1）涡流扩散凭籍流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象仿照分子扩散，可写出： 式中，De-涡流扩散系数，它不是物质的物性，而是与流动状态等有关的一个系数总扩散通量为：通常，De>>D2）对流传质发生在运动着的流体与相界面之间的传质过程如图所示，气体与液体逆流流动，气体中的某种组分（A）可溶于液体中，在任一截面上，气体组分A的分压变化如图通常，将A的分压有显著变化的区域称为“有效膜”，而传质阻力主要集中在此膜内在湍流主体内，混合非常剧烈，传质阻力为零对于A组分在气相中的单向扩散，有：令 则 对液相，同理可得：一般，传质分系数kG、kL由实验测定 7.1.2.2 相间传质的双膜理论相间传质是指物质由一相转移到另一相的传质过程双膜理论”是目前在工程计算中广泛使用的一个传质模型，如图所示：双膜模型的要点是：①在汽、液两相接触面附近，分别存在着呈滞流流动的稳态气膜与液膜在此滞流膜层内传质严格按分子扩散方式进行，膜的厚度随流体流动状态而变化；②汽、液两相在相界面上呈平衡状态，即相界面上不存在传质阻力；③膜层以外的汽、液相主体，由于流体的充分湍动，分压或浓度均匀化，无分压或浓度梯度。
通常，双膜理论也称双阻力理论7.1.3 传质设备简介工业上广泛使用的传质设备是塔式设备，分为填料塔和板式塔两大类，两类塔的简图见下图： 填料塔是连续接触式传质设备，板式塔是逐级接触式传质设备工业上常用的一些填料如下图所示：7.2 吸收与解吸7.2.1 概述吸收：使气体混合物与适当液体接触，利用混合物中各组分的溶解度不同而将其分离的操作吸收操作的传质方向：由气相→液相分离的依据：混合气体中各组分溶解性不同解（脱）吸：吸收操作的逆过程几个名词：吸收剂(或溶剂)：吸收操作所用的液体；溶质（吸收质）A：溶解在液体中的组分；惰性气体（载体）：不溶于液体中的组分7.2.2 汽液相平衡7.2.2.1 气体在液体中的溶解度在恒定温度和压强下，气体（溶质）和液体接触达平衡时气体（溶质）在液体中的饱和浓度平衡分压P*：平衡时溶质在汽相中的分压溶解度与平衡分压p*之间的关系如图7-6一般，溶解度C=f（溶质，溶剂，T，P*） T↑，C↓；P*↑，C↑加压和降温可以提高气体的溶解度，故加压和降温有利于吸收操作；反之，升温和减压则有利于解吸过程 7.2.2.2 亨利定律当总压不高(一般约小于500 kPa)时，在一定温度下，稀溶液上方汽相中溶质的平衡分压与液相中溶质的摩尔分数成正比，即PA*=Ex式中：PA*-溶质A在汽相中的平衡分压，kPa；x-液相中溶质的摩尔分数；E-亨利系数，kPa。
上式称为亨利定律E 与压强无关，仅与温度有关，即：E=f（T），T↑，E↑易溶气体的E值小，难溶气体的E值大亨利定律的其它几种表达形式：① PA*=CA/ H式中：CA-液相中溶质的浓度，kmol／m3；H-溶解度系数，kmol／(m3·kPa)② 式中：yA*-溶质A在汽相中的平衡摩尔分率；m-相平衡常数③ 以摩尔比表示（适用于稀溶液）：式中：XA-溶液中溶质的比摩尔分率；YA*-溶质在汽相中的平衡比摩尔分率 亨利定律各系数之间的关系 ∵ PA*=ExA=P yA*yA*=（E/P）xA=mxA∴ m=E/P 另外，对稀溶液，有：H E=ρs/Ms式中：ρs-溶剂的密度，kg/m3； Ms-溶剂的相对分子质量，kg/kmol［例7-2］ 总压为101.3 kPa、温度为20℃时，1000 kg水中溶解15 kg NH3，此时溶液上方汽相中NH3的平衡分压为2.266 kPa试求溶解度系数H、亨利系数E、相平衡常数m若总压增倍，维持溶液上方汽相摩尔分率不变，则问此时NH3的溶解度及各系数的值解：本题中，A—NH3，S—H2O首先将汽、液相组成换算为y与x MA=17，MS=18由亨利定律得： E=PA*/xA=2.266/0.01563=145.0kPa ∴ m=E/P=145/101.3=1.431若总压增倍，维持溶液上方汽相摩尔分率不变，则E不变，H也不变。
CA=HPA*=0.3831×2×2.266=1.736kmol/m3仍取溶液的密度为1000kg/m3,则1m3溶液质量为1000kgA=1.736×17=29.5kg∴NH3的溶解度为: 7.2.3 总传质速率方程以下讨论在 “双膜理论”基础上的总传质速率前已推得:气膜内传质速率 NA=kG(PA-PAi) 液膜内传质速率NA=kL(CAi-CA)注:以后为方便起见,压强或浓度的下脚标A将略去;总压或总浓度将添加下脚标T 略去下标A后，有：NA=kG(P-Pi) （1）NA=kL(Ci-C) （2）将 P=PTy，C=CTx 代入可得：NA=kG(P-Pi)=kGPT（y-yi）或 NA=ky（y-yi） （3）NA=kL(Ci-C)=kLCT（xi-x）或 NA=kx（xi-x） （4）式中：y，x-溶质的汽相与液相主体浓度，以摩尔分率表示；yi，xi-界面上汽、液相的溶质浓度，以摩尔分率表示 显然，ky=PTkG kx=CTkL对稳定吸收体系，各步传质速率相等，即： NA=ky（y-yi）=kx（xi-x）将亨利定律 y=mx 代入，得： NA=kym（x*-xi）=kx（xi-x） （5）及NA=ky（y-yi）=（kx/m）（yi-y*） （6）由（5）式得： 即 （7） 显然， （8）同理可得： （9） （10）式（7），（9）即为总传质速率方程。
对于易溶气体，kx>>ky，故Ky=ky，即易溶气体为气膜（阻力）所控制； 对于难溶气体，kx<