(9)食工原理 微分传质单元操作

第八章微分传质单元操作

总学时：3学时

【学习要求】

通过本章的学习，重点掌握吸收单元操作的基本概念和基本原理,熟练掌握低浓度气体的吸收计算，了解吸附和离子交换的基本概念。

三种传质单元：吸收、吸附、离子交换

第一节吸收

【考核知识点和考核要求】

了解：吸收操作的目的；吸收操作的分类

理解：气体吸收的平衡关系；吸收剂的选择

掌握：亨利定律；吸收速率方程

※熟练掌握：低浓度气体吸收的计算

【课时】2学时

【具体讲授内容】

一、概述（了解）

1、定义

用适当液体（吸收剂S）与混合气体接触，以除去混合气体中一种或几种组分（溶质A）的操作。不被吸收的组分称为惰性气体或载体B。

2、吸收操作的举例

①用水吸收SO3制取硫酸；→制取产品

②用油吸收油厂空气中汽油；→净化气体

③用含石灰乳的糖汁吸收CO2。→糖汁提纯

3、吸收操作的分类

①按是否发生化学反应分：物理吸收与化学吸收

②按被吸收的组分数分：单组分吸收与多组分吸收

③按吸收的热效应分：等温吸收与非等温吸收

④按被吸收组分的浓度分：低浓度吸收与高浓度吸收

二、气体吸收的平衡关系

（一）气体在液体中的溶解度（理解）

在一定条件下使气体与液体长时间接触，气液两相将趋于平衡。平衡时的溶解度表示吸收过程所能达到的极限。

关于溶解度的规律：

①总压不太高时，可认为溶解度与总压无关，只与分压有关。

②温度上升，溶解度下降，不利于吸收的进行。所以在不少吸收操作中，在进入吸收器的液体管路上装设冷却器，以维持较低的温度。

（二）亨利定律（掌握）

一定温度下，溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度间存在一定的关系，称为平衡关系。（前已讲）如下图

当浓度较低时，在一定的范围内平衡关系为线性关系，即亨利定律：

p*=Ex

p*——溶质在气相中的平衡分压

x——溶质在液相中的摩尔分数

E——亨利系数

若将液相中的溶质浓度以物质的量浓度c（kmol/m3）表示，则亨利定律可写成：

p*=c/H

H——溶解度系数

亨利定律还可表达为：

y*=mx

m——相平衡常数；由道尔顿分压定律可推得：m=E/P（E——平衡压强；P——系统总压）

例题：

（三）吸收剂的选择（理解） ①溶解度

吸收剂对于溶质组分应具有较大的溶解度。当吸收剂与溶质组分间有化学反应发生时，溶解度可以大大提高，但若要循环使用吸收剂，则化学反应必须是可逆的。

②选择性 吸收剂要在对溶质组分有良好吸收能力的同时，对混合气体中的其他组分都基本上不吸收或吸收甚微，否则不能实现有效的分离。

③挥发度

操作温度下吸收剂的蒸汽压要低。吸收剂的挥发度愈高，其损失量便愈大。

④粘度

操作温度下吸收剂的粘度要低，可以改善吸收塔内的流动状况。

⑤其他

吸收剂还应尽可能无毒性，无腐蚀性，不易燃，不发泡，冰点低，价廉易得，并具有化学稳定性。

三、吸收速率方程（掌握）

吸收速率指单位传质面积单位时间内吸收的溶质量。（即通量）

在稳定操作的吸收设备内的任一部位上，相界面两侧的气、液膜中的传质速率应是相同的，否则会在界面处有溶质积累。

（一）吸收速率方程式 根据双膜理论，溶质A 穿过气膜的吸收速率方程为： N A =k G (p -p i )

而溶质A 穿过液膜的吸收速率方程式则为：N A =k L (c i -c )

稳定操作时应有：N A =k G (

p -p i ) = k L (c i -c )

双膜理论认为相界面上气液两相成平衡，根据亨利定律有：

c i =Hp i ，c =Hp *，c *=Hp

式中：

c i ——溶质A 在界面处的物质的量浓度；

p i ——溶质A 在相界面处的分压

c ——溶质A 在气相主体中的物质量浓度

p*——溶质A 在气相中的平衡分压

c *——溶质A 在平衡时气相中的平衡物质量浓度

p ——溶质A 在气相主体的分压

H ——溶解度系数

代入N A =k G (p -p i ) = k L (c i -c )整理后得：

易溶气体，H ↑↑ K G ≈ k G →气膜控制

难溶气体，H ↓↓ K L ≈ k L →液膜控制

若用摩尔分数表示浓度，则气膜推动力可写为（y-y i ），液膜推动力可写为（x i -x ），气相总推动力为（y-y*）；液相总推动力（x*-x ）。因此吸收速率方程为：

)*(*)()()(x x K y y K x x k y y k N x y i x i y A -=-=-=-=

则有：

x y y k m k K +=11 和 y

x x mk k K 111+= m ——相平衡常数

两种推动力表示的系数之间有如下关系：

T G y p K K =（p T ——总压）

T L x c K K =（c T ——总摩尔浓度）

（二）吸收系数

难以确定，通常通过实验获得。

※四、低浓度气体吸收的计算（熟练掌握）

（一）物料衡算与操作线方程（熟练掌握）

常用的吸收设备

—逆流填料塔

反映单位气体处理量所耗用的吸收剂量的大小。

斜率为

V

讨论：（1）吸收时，操作线位于平衡线上方。脱吸时位于平衡线下方；

（2）推动力y-y*；

（3）液气比L/V越大，推动力就越大；

（二）吸收剂用量的确定（熟练掌握）

气液平衡线表明了吸收过程所能达到的极限，在液相浓度为x的截面上，吸收推动力即为操作线与平衡线之间的距离∆y=y-y*。

L越小，排出液的浓度就越高，传质平均推动力降低，吸收就越困难。当L小到某一值时，操作线与平衡线相交（或相切），在交点或切点处传质推动力为零，吸收操作停止。此