化工原理第三版第八章01

第8章 气体吸收
8.1 概述 8.1.1 吸收的目的和依据 目的：（1）回收有用物质； （2）脱除有害成分。 依据：混合气体中各组分在 某种溶剂中溶解度 的差异。
8.1.2 工业吸收过程 实施吸收操作须解决的问题：
（1）选择合适的吸收剂； （2）提供适当的设备； （3）溶剂再生。
吸收与解吸流程
8.1.5 吸收操作的经济特性 吸收的操作费用： （1）流动能耗； （2）溶剂能耗； （3）解吸操作费用（此项费用最大）。 常用的解吸方法：升温、减压、吹气， 升温和吹气通常同时进行。
8.1.6 气液两相的接触方式
微分接触
级式接触
8.2 气液相平衡 8.2.1 吸收与传热的比较
过 程 传 热 吸 收 传递 对象 热 量 物 质 推动力 温 差 T-t 极 限 温度相等 T=t
cM
E m ， E HcM ， p m s
Mm Ms ，
c cM x ，
H s 。 E Ms
附:
E pe p ye Ex P mx m p
Ex pe Hc HCM x E HCM
讨论： （1）p < 5 atm，H，E与压力无关； p↑，m↓，溶解度↑。 （2）t↑，E↑，H↑，m↑，溶解度↓。
8.2.3 相平衡与吸收过程的关系 8.2.3.1 判别过程的方向 m=0.94
含NH3气体
ye=0.94×0.05=0.047 xe=0.1/0.94=0.106 ye=0.094 xe=0.053
判别过程的方向
8.2.3.2 指明过程的极限
吸收过程的极限
H ， L G ，x1,max
8.3.5 对流传质理论 8.3.5.1 有效膜理论 要点(见附联结)
·界面两侧各存在一层 虚拟静止层(有效膜)， 全部传质阻力集中在该 静止层内。 ·界面浓度达到相平衡 ·有效膜内传质为扩散 传质（定态的分子扩散）
有效膜理论
附 要点： 界面两侧各存在一层静止的气膜和 液膜，全部传质阻力集中于静止层，膜 中传质为定态分子扩散，紧贴界面两侧 气、液两相浓度平衡。
T D D0 T 0
1.81
p0 p
讨论(见附联结)
D0为T0 ， p0状态下扩散系数，可查手册。 8.3.3.2 组分在液体中的扩散系数 T 0 D D0 讨论(见附联结) T0
附 讨论： T↑分子动能较大； p↓分子间距加大， 二者均使 D↑。
D k 2 π
L
溶质在液相中的浓度分布
0
0 ----模型参数，溶质渗透时间 表面更新周期性发生。
附 要点： 液体在下流过程中，间隔 0 发 生一次完全混合，使浓度均匀化。在 溶质渗透时间 0 内，发生非定态的 扩散过程。
8.3.5.3 表面更新理论 要点(见附联结)（液相中的对流传质） 传质过程中，表面不断更新 传质过程为非定态
主体流动与扩散流(JA、JB)
附: 扩散流：分子微观运动的宏观结果，传递纯 A 或纯 B 。 (JA、JB) 主体流动：宏观运动，同时携带 A 与 B 至 界面定态时，主体流动所带 B 的量等于B的 反向扩散量，cBi 保持定态。（不被吸收）
8.3.2.3 分子扩散速率方程 净物流：（主体流动的贡献）
流动对传质的强化作用与对流传热类似。
对流对传质的贡献： 层流流动：传递机理为分子扩散，但界面浓度 梯度增大，强化了传质 湍流流动：湍流核心，浓度分布均匀，界面处 浓度梯度更大，传递速率更快 因此，流动增加了界面处的浓度梯度，强化了 传质
8.3.4.2 对流传质速率（有工业应用价值）
液相与界面的传质（8-30） N A k L ci c 符号说明 (见附联结) 8.3.4.3 传质分系数的无因次关联式 气体或液体在降膜式吸收器内作湍流流动。
8.1.3 溶剂的选择 技术要求： 溶解度大；选择性高；对温度的敏感性强， 易解吸。 经济及安全要求： 蒸汽压要低，不易挥发；较好的化学稳定 性；黏度小；价廉，易得，无毒，不易燃易爆。
8.1.4 物理吸收和化学吸收 物理吸收：气体各组分因在溶剂中溶 解度的不同而被分离的吸收操作。 化学吸收：利用化学反应而实现吸收的 操作。化学吸收应满足的条件： （1）反应的可逆性； （2）较高的反应速率。
DG p DL cM kG ， k L RT δ G p Bm δ L c Bm
D cM NA cA1 cA2 δ cBM
与（8-28）、（8-30）对比
（8-20） （8-22）
D p p A1 p A 2 NA RT δ p BM
非两相浓度差 非两相浓度相等 Y-X Y=X 而是 Y-Ye 而是 Y=Ye
原因：气液相平衡不同于冷热流体之间的热平衡。
8.2.2 平衡溶解度（量化） 8.2.2.1 溶解度曲线
（y与x间存在一个关系）
8.2.2.2 亨利定律（根据不同应用需要）
pe Ex
pe Hc
ye mx
亨利常数之间的关系
常数(求导所得)
B
dc dc dz dz
A
物质A的扩散流必伴有方向相反的B的扩散流。 双组分混合物
D D D
AB BA
J A JB
扩散流JB与扩散流JA大小相等，方向相反。
8.3.2.2 分子扩散与主体流动 定态传质，厚度为δ的静止气体层，层内各 处 p 相等。 cM = cA + cB = cAi + cBi =常数 cA > cAi，必有cB < cBi，A、B反向扩散。

ln(CM
C A ) C
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
CA 2
A1
CB 2 C M C B 2 C B1 C B 2 D D ln ln C B1 C B 2 C B1 C B1 CM D CM (C A1 C A 2 ) C BM
8.3.3 扩散系数 扩散系数是物质的一种传递性质，其值 受温度，压强和混合物中组分浓度的影响。 8.3.3.1 组分在气体中的扩散系数
y x1e 1
m
L G ，y2,min y2 e mx2
8.2.3.3 计算过程的推动力
吸收推动力
推动力：实际浓度与平衡浓度的偏离程度。
吸收推动力
y y ye p p pe x x x c c c e e
y ye y p pe p x x x c c c e e
解吸推动力
8.3 扩散与单相传质 8.3.1 相际物质传递的步骤 (1)溶质由气相主体扩散 至两相界面； (2)溶质在界面上的溶解； (3)溶质自界面扩散至液 相主体。 总过程速率取决于单 相传质速率。 单相传质机理： (见附联结)
气液传质的步骤
附: 单相传质的机理： （1）分子扩散：因分子的微观运动使该组 分由高浓度处传递至低浓度处。 （2）对流传质：流体的宏观流动导致的物 质传递。
分子扩散
（1）等分子反向扩散 当液相能以同一速率向界面供应组分B时，cBi 保持定态。 JA = -JB 或 JA + JB = 0
(相当P恒定,虽然A溶解了，但补充了气相)
通过断面PQ的净物质量为零。
等分子反向扩散
（2）单向扩散和主体流动 （非等分子反向扩散） 吸收中，A被界面液体吸收，B被界面阻（选择性） 留，cBi > cB，存在JB ，界面处总压p↓，产生微 小压差△p，促使混合气体向界面流动，产生主 体流动。（伴随） 扩散流 (见附联结) 主体流动 微小△p足以造成必 要的主体流动，各处p 总压仍可视为相等，即 JA = - JB依然成立。
膜理论预示k∝D，但实际表明k∝D0.67，δG， δL 不是实际存在的有效膜厚度， 而成为虚拟的 当量膜厚。
8.3.5.2 溶质渗透理论 要点 (见附联结) (液相中的对流过程)
·每隔0时间，溶质作一次 充分混合，混合后界面浓度 CAi，其余传质方向上各处浓 度相等 ·在0 时间内，传质是 非定态的
漂流因子，反映了主体流动使扩散速率比 单纯分子扩散速率增大的倍数。
对稀溶液，
C C
M
B
，所以漂流因子=1，
主体流动的影响可忽略。
附
cA dc A CM dc A N A D N A 1 D dz C M C A dz cM CM dc A C M d (C M C A ) D D dz C M C A dz C M C A D CM
组分的浓度分布
（1）流体作滞流流动
dc A dc A N A D ， ，N A 。 dz w dz w
（2）流体作湍流流动
dc A dc A N A D ， N A 。 ， dz w dz w
附 讨论： 一般，D气≈105D液，但组分在液体中 的摩尔浓度较气体大，故，N 气≈100N液， 组分浓度对D液有较显著影响。
8.3.4 对流传质 8.3.4.1 对流对传质的贡献 对流传质：流动流体与相界面之间的物质传递。
1—静止流体； 2—滞流；
（主体浓度距界面近了）
3 —湍流
（主体浓度距界面更近了）
气相与界面的传质（8-28） N A kG p pi
Re 2100 ， Sc 0 .6 ~ 3000 ， Sh 0 .023 Re
0 .83
Sc
0 .33
kd ud Sh ，Re ，Sc 。 D D
附 符号说明： p，pi ——A的气相主体分压与界面处的分压， kN/m2； ci，c ——A的界面浓度与液相主体浓度， kmol/m3； kG ——气相传质分系数，kmol/s·m2·(kN/m2)； kL ——液相传质分系数， kmol/s·m2·(kN/m3) 或m/s。