1、吸收第六章 吸 收主讲教师 童汉清 1 概述 一、化学工业或食品工业中的传质过程 1、气体液体系统1） 吸收：物质由气相转移到液相。2） 脱吸（解吸）：物质由液相转移到气相。3） 气体增湿；湿分由液相转移到气相。4） 气体减湿；湿分由气相转移到液相。水果储藏温度为4oC，相对湿度为85%。 2、蒸汽液体系统精馏 3、液体液体系统 液液萃取：物质由某一液相转移到互不相溶的另一液相。 4、液体固体系统1） 结晶：物质由液相向固相转移。2） 液固萃取（浸取）：物质由液相向固相转移。3） 液体吸附：物质由液相转移到固相表面。 5、气体固体系统1） 干燥：液体物质由固相表面或内部转移到气相。2） 气体吸
2、附：物质由气相转移到固相表面。 二、相组成的表示方法 1、质量分率a与摩尔分率x1) 质量分率a：某组分的质量占总质量的百分率。2) 摩尔分率x：某组分的摩尔量占总摩尔量的百分率。 3）质量分率a与摩尔分率x的换算 2、质量比和摩尔比X Y1）质量比： 2）摩尔比X；Y： 3、质量浓度与摩尔浓度1）质量浓度：单位体积均相混合物中某组分的质量。单位：kg / m32) 摩尔浓度：单位体积均相混合物中某组分的摩尔量。单位：kmol / m3三、吸收概念吸收剂S 吸收尾气 混合气体A+B 吸收液A+S吸收质或溶质A：混合气体中能够溶解的组分。惰性组分或载体B：混合气体中不能被溶解的组分。四、吸收操作
3、的分类 1、单组分吸收与多组分吸收 2、物理吸收与化学吸收 3、等温吸收与非等温吸收五、吸收剂的选择1、溶解度2、易脱吸3、选择性4、粘性5、挥发性6、其他2 扩散现象一、概念 1、扩散：当系统内部存在浓度差时，物质总要由高浓度区向低浓度区转移，这种现象称为扩散。 2、分子扩散和涡流扩散 分子扩散：只依靠微观的分子运动，而无宏观的混合作用。 涡流扩散：流体有宏观流动，依靠流体质点的不规则运动（湍动）而进行的扩散。 分子扩散与热传导过程相类似； 涡流扩散与对流传热过程相类似。 3、对流扩散热传导与对流传热过程的共同作用称为对流给热；分子扩散与涡流扩散过程的共同作用称为对流扩散。 二、费克定律 1
4、855年，费克通过实验总结出计算物质分子扩散量的基本定律：当物质A在介质B中发生分子扩散时，任一处的扩散通量与该处的浓度梯度成正比。 液体混合物： 传质推动力为浓度差 气体混合物： 传质推动力为分压差 式中：物质A在介质B中z方向上的分子扩散通量。 单位：kmol / m2 s : 物质A的浓度在z方向的变化率，即浓度梯度。 单位：kmol / m4 ：物质A在介质B中的分子扩散系数。 单位：m2 / s 三、等分子反向扩散为了保持1、2两室内气体总压相等，连同管内任一截面上单位时间、单位面积向左扩散的B分子数与向右扩散的A分子数必定相等，称为等分子反 向扩散。所以， 结论1：由A和B两种气体
5、组成的理想气体混合物，A在B中的分子扩散系数与B在A中的分子扩散系数相等。 积分后得 结论2：分子扩散速率与气体分压差成正比，与扩散距离成反比。 结论3：等分子反向扩散过程中，传质作用仅为分之扩散，所以传质通量NA等于分之扩散通量JA。 NA = JA NB = JB NA = NB四、组分A通过停滞组分B的稳定扩散 分子扩散传质量：氨气被水吸收形成浓度梯度产生分子扩散。总体流动传质量：氨气被水吸收液面形成空缺空气和氨气同时涌向液面补缺这种流动现象为总体流动。总体流动传质量N = 氨气进入液面的传质量NA 总体流动传质量N=氨气的总体流动传质量NbA+空气的总体流动传质量NBb 水不吸收空气，
6、所以则费克定律 所以有 积分处理得： 传质速率方程1 式中： 为漂流因数，其值大于1，反映总体流动的存在对分子扩散的影响程度。 根据定义， （稳定扩散过程：） 传质速率方程2 1、2两方程合用，即可求出完成一定扩散量所需的扩散时间例：柏油马路积水2mm，水温20oC，水面上方有一0.2mm厚的静止空气层，水通过此七层扩散进入大气。大气中的水蒸气分压为10mmHg，问多少时间后，路面上的水可以被蒸干。例：水杯中初始水面离杯上缘1cm，水温30 oC，水气籍扩散进入大气。杯上缘处的空气中水气分压可设为零，总压1大气压。求液面下降4 cm需要多少天。 五、液相中的稳定分子扩散 （自学） 六、扩散系数
7、 物质的物理常数，表示A物质在B物质中的扩散能力。 影响因素：介质的种类、操作温度、操作压强、物料浓度。3吸收过程中的相平衡关系 一、气体在液相中的溶解度 气液平衡状态下，气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压；液相中溶质的浓度称为平衡浓度或饱和浓度，即气体在液相中的溶解度。 气体在液相中的溶解度是吸收过程的极限。 溶解度的影响因素主要有溶质和溶剂的性质、总压和分压及操作温度。 二、气液平衡关系 1、亨利定律1803年，英国人亨利（William Henry , 17751836）提出：在一定温度下，气体在液体中的溶解度与其气相分压力成正比。亨利定律适用条件：气体的分压不太大；所成的溶液不太浓
8、；气体溶质与溶剂不起化学反应。由于浓度的表示方法不同，亨利定律有如下形式：1 y x关系式在一定温度下，气体分压不高时，稀溶液达到平衡时溶质在气相中的平衡摩尔分率与其在液相中的摩尔分率成正比。y* = m x式中：y* 溶质在气相中的平衡摩尔分率 x 溶质在液相中的摩尔分率m 相平衡常数2 p x 关系式p* = E x式中：p* 溶质在气相中的平衡分压 单位：N/m2 x 溶质在液相中的摩尔分率E 亨利系数 单位：N/m2 p c 关系式p* = c / H式中：p* 溶质在气相中的平衡分压 单位：N/m2 c 溶质在液相中的摩尔浓度 单位：kmol/m3H 溶解度系数 单位：kmol/m3
9、Pa2、相平衡常数m、亨利系数E、溶解度系数H的换算关系 E = m P ； E = C / H 三、传质方向的判断1、由气相组成y判断已知气相组成y、液相组成x及相平衡关系y* = m x，判断传质方向。由液相组成x及相平衡关系y* = m x求出y*。y y* 气相组成超平衡，传质方向为吸收。y = y* 气液组成相平衡，不发生传质。y x* 液相组成超平衡（过饱和），传质方向为解吸。x = x* 气液组成相平衡，不发生传质。x p* p = p* p c* c = c* c c* 例：101.3 kPa、30oC时so2-空气-水系统的平衡关系为y = 44 x。同温同压下y = 0.3
10、0的so2 -空气混合气体与x = 0.010的so2水溶液接触。问是否发生传质？传质向何方向进行？4吸收速率方程 一、对流扩散的双膜理论 1、双膜理论模型 2、双膜理论的基本论点 1）相互接触的气、液两流体间存在稳定的相界面，界面两侧各有一个静止（层流）膜层。吸收质以分子扩散方式通过这两膜层。 2）在相界面处，气、液两相传质平衡。 3）在膜层以外的气、液两相主体中，流体充分湍流，物料浓度均匀，浓度梯度为零，全部浓度变化集中在两个膜层内。二、对流扩散传质通量的计算1、气膜对流扩散速率气相与界面间的传质速率为：设; 则式中为气相传质分系数。 单位：kmol/sm2(N/m2)2 、液膜对流扩散速
11、率 液相与界面间的传质速率为： 设 ; 则 式中为液相传质分系数。 单位：kmol/sm2(kmol/m3) 三、气膜吸收速率方程设; 则式中：为与气膜推动力相对应的气膜吸收分系数。 单位：kmol / m2sPa 为与气膜推动力相对应的气膜吸收分系数。 单位：kmol / m2s 四、液膜吸收速率方程 设 ; 则 式中：为与液膜推动力相对应的气膜吸收分系数。 单位：kmol / m2s(kmol/m3) 为与气膜推动力相对应的气膜吸收分系数。 单位：kmol / m2s 五、总吸收系数及其相应的吸收速率方程式 1、以（p - p*）表示总推动力的吸收速率方程式气膜吸收速率方程为 所以： 液膜
12、吸收速率方程为 所以： 设 则 式中：为与总推动力相对应的气相总吸收系数。 单位：kmol / m2sPa对于易溶气体，H值很大，若kG与kL的数量级接近，则 ，即液膜阻力很小，传质总阻力及传质速率的大小取决于气膜阻力，称此过程位气膜控制过程。对于难溶气体，H值很小，若kG与kL的数量级接近，则 ，即气膜阻力很小，传质总阻力及传质速率的大小取决于液膜阻力，称此过程位液膜控制过程。2、以（y - y*）表示总推动力的吸收速率方程式3、以（c* -c）表示总推动力的吸收速率方程式4、以（x* -x）表示总推动力的吸收速率方程式5、以（Y - Y*）表示总推动力的吸收速率方程式6、以（X* -X）表
13、示总推动力的吸收速率方程式6 吸收剂用量的计算 一、吸收塔的物料衡算 V Y2 L X2 V： 单位时间内通过吸收塔的惰性气体量。 单位：kmol(B) / s L： 单位时间内通过吸收塔的溶剂量。 单位：kmol(S) / s Y1、Y2 ：分别为入塔及出塔气体中溶质组分的摩尔比。 单位：kmol(A) / kmol(B) X1、X2 ：分别为出塔及入塔液体中溶质组分的摩尔比。V Y1 L X1 单位：kmol(A) / kmol(B)对溶质进行物料衡算：VY1 + LX2 = VY2 + LX1 V（Y1Y2）= L（X1X2） 二、吸收塔的操作线方程 1、逆流进料 V Y2 L X2 Y
14、 X V Y1 L X1 任一截面与塔底间的物料衡算VY1 + LX = VY + LX1 任一截面与塔顶间的物料衡算VY2 + LX = VY + LX2 通过点（X1，Y1）、（X2，Y2）；斜率为L/V的直线即逆流吸收塔的操作线。 2、并流进料 V Y2 L X2 Y X V Y1 L X1 任一截面与塔底间的物料衡算VY + LX = VY 1+ LX1 任一截面与塔顶间的物料衡算VY + LX = VY 2+ LX2 通过点（X1，Y1）、（X2，Y2）；斜率为L/V的直线即并流吸收塔的操作线。 3、操作线方程的作用 吸收塔操作线由物料衡算得到，它决定于液气比及塔设备两端的浓度。操作
15、线方程有如下作用1）求吸收剂用量L及物料进出口浓度。2）与平衡线一起，揭示吸收过程中传质推动力的变化规律。逆流操作，塔顶、塔底两端传质推动力相差较小，总推动力较大。并流操作，塔顶、塔底两端传质推动力相差较大，总推动力较小。 3） 操作线在平衡线以上为吸收；操作线在平衡线以下为解吸。4、吸收操作线的画法 1） Xa Ya 1 2Yb YC Xb XC2) Xa Ya 1 2Yb YC Xb1 Xb23) Xa Ya1 Ya2 1 Yb 2 Xb XC4) Xa YC Yb 1 2 Ya Xb XC三、吸收剂的用量及液气比 液气比L / G即吸收塔操作线的斜率吸收操作线沿Y = Y1线左移 吸收操
16、作推动力增加 吸收速率增加 设备费降低 吸收操作线斜率L / G增大操作费增加吸收操作线沿Y = Y1线右移 吸收操作推动力减小 吸收速率降低 设备费增加 吸收操作线斜率L/G减小 操作费降低适宜的液气比取经验值：L/G = （1.1 2.0）（L/G）min由操作线图 对于稀溶液平衡关系可近似为 Y * = m X7 填料层高度的计算 一、填料层高度的基本计算式 用气相吸收速率方程计算： 用液相吸收速率方程计算： 二、讨论：1、：单位体积填料所提供的有效传质面积。 影响因素：填料类型；填料尺寸；填充方式；流体的物性及流动状态。2、体积吸收系数 物理意义：当吸收推动力为一单位时，单位体积填料在
17、单位时间内的溶质传质量。 ：气体总体积吸收系数：液体总体积吸收系数3、传质单元高度 1）概念式中的单位： 气相传质单元高度： 液相传质单元高度： 2）影响因素 传质阻力增加，则传质单元高度增加； 填料性能好，则传质单元高度降低； 填料润湿性好，则传质单元高度降低； 3）取值资料查取或经验数据，取值范围：0.151.5m。4、传质单元数 式中的单位： 气相传质单元数： 液相传质单元数：所以，填料层高度 = 传质单元高度 传质单元数 三、传质单元数的求法对数平均推动力法使用条件：吸收过程中操作浓度范围内平衡线为直线。气相传质单元数： 液相传质单元数： 例1 25oC、1atm下0.4 kg/sm2
18、的空气混合气体中含氨2%（体积），密度为1.20 kg/m3。拟用逆流吸收以回收其中95%的氨，塔顶淋入浓度为0.0004（摩尔分率）的稀氨水。设计采用的液气比为最小液气比的1.5倍，操作范围内物系服从亨利定律：y = 1.2 x，所用填料的总体积传质系数=0.052 kmol/sm2。试求：1）稀氨水的用量。2）塔底排出的液相浓度。3）全塔的平均推动力。4）所需的塔高。 例2：某吸收塔用2525 mm的瓷环作填料，填充高度5 m，塔径1 m，用清水逆流吸收每小时2250 m3的混合气，混合气中含有丙酮5%（体积），塔顶逸出废气中含丙酮0.26%（体积），塔底每千克水带走60克丙酮，操作在25oC、1atm下进行，物系的平衡关系为y = 2 x。试求：1）该塔的传质单元高度。2）体积传质系数。3）每小时回收的丙酮量。
