内蒙科大化工原理教案07吸收

第七章 吸收物质传递过程物质传递过程（传质过程）——物质以扩散方式从一相转移到另一相的过程，即物质在相间的转移过程如：气液相间的传质过程：蒸馏、吸收液液相间的传质过程：萃取气液固相间传质过程：干燥第一节 概述一、吸收操作依据——是利用气体混合物中各组分在液体中溶解度的差异而使气相各组分分离的操作吸收质（或溶质） A ——CO2，SO2等惰性气体（或载体）B ——空气 吸收剂（或溶剂） S ——H2O，NaOH等二、吸收在化学工业上的应用——分离目的1． 回收或捕获气体混合物中的有用物质，制取产品2． 净化、精制气体三、吸收剂选择的评价依据1. 对溶质溶解度大，选择性高2. 溶剂蒸汽压低，挥发损失少3. 溶剂粘度低，操作中不易起泡沫4. 溶剂化学稳定性好，不易变质5. 溶剂易得、价廉、无毒、难燃等经济安全条件6. 溶剂易再生回收，循环使用——解吸操作（使溶质从溶液中脱除的过程）四、吸收过程分类物理吸收——溶剂与溶质结合力弱，但解吸容易例：H2O吸收CO2化学吸收——溶剂溶液由化学键力结合，不易解系例：k2CO3溶液吸收CO2，NaOH溶液吸收CO2，H2S，SO2等多组合吸收单组分吸收等温吸收——当溶质量少，溶剂量多，吸收时温度变化小变温吸收——吸收过程由有溶解热、反应热产生，使温度升高 本章研究的是单组分、等温、物理吸收五 吸收装置——吸收是溶质从气相转移到液相的过程，一般在塔设备中进行。

条件：1 要求推动力大，传质速度快——一般要求逆流操作； 2 要求气液接触面积大，在塔内可充分接触板式塔——气液两相在塔板上错流接触（逐级接触式）填料塔——气液两相在塔内逆流接触 （微分接触式）吸收剂气体混合物吸收剂气体混合物第二节 气液相平衡本节主要讨论气液两相的平衡关系，通过平衡关系可以指出吸收过程能否进行，判定进行的方向及过程的极限一、平衡溶解度——气液两相达到平衡时，溶质在液相中的浓度，CA* 平衡分压 ——气液两相达到平衡时，溶质在气相中的分压， pA * 溶解度曲线——在一定温度下，溶质的平衡分压与在液相中浓度间的关系p*cA (或xA)O2SO2NH3(30℃)(10℃)图平衡溶解度由上图可知，要得到一定浓度的溶液，易溶气体所需分压低，难溶气体所需分压高，即p*O2>p*SO2>p*NH3，溶解程度NH3>SO2>O21． 判别过程的方向pApA*PxAxA*pApA*xAxA*Q图判别过程的方向气体溶解于液相，关键在于气相中被吸收组分的分压pA当pA>pA *，CA*>CA 吸收操作pA

二 、亨利定律1．相组成表示法气相组成表示——y，Y，p, P，C`M液相组成表示——x，X,，CA，CM摩尔浓度——单位体积混合物中所含溶质的kmol数CA= [ kmol/m3]CM= [ kmol/m3] 摩尔分数—— xA= (液相中) yA= （气相中）比摩尔分数—— (液相中) （气相中）X ， ， ，道尔顿定律pA= yA × PCA= xA × CMCM= （液相中）当稀溶液，xA很小时，2．亨利定律——对多数气体稀溶液的溶解度曲线，在气压不高的情况下（一般约小于500kPa）是为一直线也即溶质在液相中的浓度与气相中的平衡分压成正比1）p* =Ex E-亨利系数，kPa（2）p* =H-溶解度系数，kmol/m3·kPa （3）y* =mxm-相平衡常数（4）对于稀溶液，X很小，分母趋于1，∴ 各常数E，H，m都是表示溶解度的程度，对易溶溶质：E 小，m小，H大，对难溶溶质：E大，m大，H小三、亨利定律中各系数间的关系第三节 吸收过程的速率吸收过程的三个步骤：（对比传热过程）1 溶质由气相主体传递到相界面气相一侧（气相内物质传递）2 溶质跨越相界面——溶解而进入液相3 溶质由界面液相一侧转移到液相主体（液相内物质传递）由传质角度来考虑，为二种情况1 物质在一相内部传递——单相中的物质传递2 界面上的溶解——一般溶解阻力很小，界面两侧的浓度满足相平衡关系单相内传质的基本方式1 分子扩散——由于流体内部存在着浓度差，分子的微观运动使组分由高浓度向低浓度转移，直到相等；一般体现在静止流体、以及流体作层流时与流体流动相垂直的方向上2 湍流扩散——流体的宏观流动导致质点位移，伴有漩涡流体与某一界面之间的传质，其中包括分子扩散和湍流扩散，统称对流扩散一、双组分混合物中的分子扩散 分子扩散实质是分子的微观随机运动 对恒温恒压下双组分（A、B）的一维定态扩散，其统计规律可表达如下——1．费克定律 ——扩散速率，kmol/m2·s———A在双组分混合物中扩散系数，m2/s——组分A在扩散方向 Z上的浓度梯度，kmol/m4负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反对于理想气体：，R——摩尔气体常数，8.314 kJ/kmol·K比较：表明三个传递的相似性费克定律牛顿粘性定律傅立叶定律对于双组分混合物，在产生A的扩散流的同时，必定伴有大小相同、方向相反的B的扩散流，按费克定律：分子扩散系数D——表示物质在介质中扩散能力，是物质的一种传递性质。

其值受温度、压强、组分浓度的影响气相扩散系数 D=0.1~1.0 cm2/s 液相扩散系数 D=1×10-5~5×10-5 cm2/s界面气相主体液 相NAMNBMJAJB图分子扩散和主体流动2．分子扩散和主体流动（整体移动）在定态传质过程中，气液界面气相一侧有一厚度为的静止（或层流）内层 气层内各处总压相等 >, 存在，由于界面上无积累，A必以相同速率溶解并传递到液相中去同理的存在，必有一反向的由界面向气相主体扩散组分B何处来？下面对界面上B的供应进行讨论 （1）等分子反方向扩散设液相能以同一速率供应组分B，使界面上保持定值例如：蒸馏过程，只要A、B气化潜相等时，此时在任一断面上，存在着二股扩散流：, 且 前提——界面能等速地向气相提供组分B（2）一组分A通过另一静止组分B的扩散（单向扩散）例如：在吸收过程中， B为惰性气体，液相中不存在B，不可能向界面提供B但由于A的溶解和组份B的反向扩散，使界面处的总压稍有下降，这一压差导致混合气体由气相主体向界面流动此一流动称为主流流动（整体移动）NM主体流动时，携带着 A，B两组分流向界面在定态条件下，主体流动所带B的量（NBM）必定恰好等于，以保持界面上CBi的定态。

同时由于各处压强相等，依然存在严格地讲，不满足等分子反方向扩散条件的，都必然会产生主体流动3．分子扩散速率方程在任一断面上，存在着三个物流：和NM其净物流： N=+ NM （表明净物流的量=主体流动的量）在断面处，对A 作物料运算：表明在扩散方向上A的传递速率NA为分子扩散流与主体流动中A量之和 NM =N= 因为主体流动乃因分子扩散而引起的一种伴生流动，因此包括主体流动在内的A的传递速率NA仍可理解为分子扩散所造成的宏观结果1）等分子反向扩散 没有净物流 N=0 对定态扩散，NA= 常数 对理想气体 表明在扩散方向上，组分浓度与扩散距离的关系为一直线pA1pB2pB1 pA2pZ图等摩尔反方向扩散（2）单向扩散 B的净物流 在定态扩散时， 其中： 同理，在气相扩散中： *比较以上这两种扩散方式，由于主体流动的存在，使单向扩散的比等分子反向扩散增大或倍，此倍数恒大于1，称漂流因子二、单相内的对流传质1. 涡流扩散——借助于流体在流动中产生的漩涡所引起的物质之间的剧烈混合。

其速率远大于分子扩散与对流传传热类似，对流传质指流体与界面之间的传质，同时包括分子扩散和涡流扩散的存在仿照费克定律：JA = JA分子 + JA涡流 =－（D分子+D涡流）dCA/dZ 在层流时，分子扩散为主，D分子占主要地位； 在湍流时，涡流扩散为主，D涡流占主要地位2. 传质边界（有效膜）模型以湿壁塔为例气液两相逆流接触液气界面界面pAiZG’ZG0pAGGG’图传质的有效层流膜层 在左图上取一截面分析，分析气相浓度的变化，气相湍流，在相界面处有一层流内层（），湍流程度越大，越小层内——分子扩散为主，传质速率小，浓度差大层外——涡流扩散为主，由过渡区转变到湍流区，浓度差小，在主体流动区无浓度梯度 仿照传热边界层理论，将层外涡流扩散折合成一定厚度的层流内层的分子扩散——传质边界层（有效膜），集中全部传质阻力 气相 同理，液相 3. 传质速率方程由于ZG、ZL难以测定，仿对流传热，写出类牛顿冷却定律形式：气相液相 类似传热Q/A=αΔt气相传质分系数，kmol/m2·s.·kPa 液相传质分系数，kmol/m2·s·（kmol/m3） 气相推动力， kPa 气膜阻力 液相推动力，kmol/m3 液膜阻力4. 传质分系数关联式使用量纲分析法，可得k=f（ρ，μ，u，d，D）Sherwood准数：， 对照传热 Reynolds准数：， 对照传热 Schmidt准数：， 对照传热 对降膜式吸收器：在，0.。