第五章 气体吸收(化工原理王志魁版)

T H
2）y* mx m——相平衡常数，无因次。
18
m与E的关系 ：
p
* A

py*
y* p Ex
m E p
m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体
2）T m
p m
19
3）Y * mX
20
三、 相平衡关系在吸收中的应用
（一）判断过程进行的方向
pA

p
* A
第五章 气体吸收 第一节 概述 第二节 气液相平衡 第三节 吸收过程的传质速率 第四节 吸收塔的计算 第五节 填料塔
1
第一节 概述
一、吸收操作的应用 二、吸收过程与设备 三、吸收过程分类 四、吸收剂的选择
2
一、气体操作的应用
（1）分离混合气体以获得一定的组分。 （2）除去有害组分以净化或精制气体。 （3）制备某种气体的溶液。 （4）工业废气的治理。 吸收的依据 混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。
各液相传质分系数之间的关系：
注意：
kx ckL
对流传质系数=f (操作条件、流动状态、物性）
50
六、 两相间传质的双模理论
相际对流传质三大模型：双膜模型 溶质渗透模型 表面更新模型
（一）双膜理论
气相
液相
pAG E
pAi cAi cAL
zG zL
51
双膜模型的基本论点（假设） （1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存
1）p
* A

cA H
H——溶解度系数， kmol/（m3·kPa）
cA——摩尔浓度，kmol/m3；
H与E的关系：
pA*

cA H

c c

c H
x
E c H
17

c

S
M L MS (1 x) M A x MS
E S
HM S
H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体 2）P对H影响小，
扩散速率：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 面积扩散的物质量，J表示， kmol/(m2·s)。
菲克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一 点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。
27
JA

DAB
dcA dz
JA——组分A扩散速率（扩散通量）， kmol/（m2·s）； dcA —组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；
p
* A

Ex
15
p
* A
——溶质在气相中的平衡分压，kPa；
x——溶质在液相中的摩尔分率；
E——亨利常数，单位同压强单位。
讨论： 1）E的影响因素：溶质、溶剂、T
物系一定，T E 2）E大的，溶解度小，难溶气体
E小的，溶解度大，易溶气体
3）E的来源：实验测得；查手册
16
（二）亨利定律其它形式
质分系数，kmol/（m2·s）；
各气相传质分系数之间的关系：
pAG py
pAi pyi
带入上式 NA kG ( pAG pAi )
与 N A k y ( y yi ) 比较
k y pkG
48
（二）液相传质速率方程
D'c NA zLcBm (cAi cAL )
TP
TP
pA1
JA
pA2
pB1 1
2 pB2
JB
30
等摩尔逆向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率 大小相等，方向相反。
总压一定
JA
DAB RT
dpA dz
J
B


D BA
RT
dp B dz
p pA pB
dpA = dpB
dz
dz
31
JA=－JB
DAB=DBA=D 等分子反向扩散传质速率方程
K G——以气相分压差表示推动力的气相总传质 系数，kmol/（m2·s·kPa）；
K y——以气相摩尔分率差表示推动力的气相 总传质系数，kmol/（m2·s）；
KY ——以气相摩尔比差表示推动力的气相 总传质系数，kmol/（m2·s）；
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（二）液相总传质速率方程
25
吸收过程： （1）A由气相主体到相界面，气相内传递； （2）A在相界面上溶解，溶解过程； （3）A自相界面到液相主体，液相内传递。 单相内传递方式：分子扩散；对流扩散 。
一、 分子扩散与菲克定律
26Leabharlann 分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存 在浓度差，则因分子无规则的热运动使 该组分由浓度较高处传递至浓度较低处， 这种现象称为分子扩散。
9
平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。 平衡状态的因素
F＝C－＋2=3－2+2=3
当压力不太高、温度一定时
p* A
=f1（
x
）
y*=f2（x）
p* A
=f3（
cA
）
10
氨在水中的溶解度
11
20℃下SO2在水中的溶解度
12
几种气体在水中的溶解度曲线
13
讨论：
（1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中，
dz
DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。
负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿 着浓度降低的方向进行
28
理想气体：
cA

pA RT
dcA dz
1
= RT
dpA dz
JA


DAB RT
dpA dz
分子扩散两种形式：等摩尔逆向扩散，组分A通过 静止组分B的扩散。
29
二、等摩尔逆向扩散
A由气相向液相传质，吸收过程
pA pA*
平衡状态
pA pA* A由液相向气相传质，解吸过程
吸收过程： y y*或x* >x或 cA* cA
21
y
y y*
A
P
··B
y* y
·C
x
x
（二）指明过程进行的极限
过程极限：相平衡。
22
（1）逆流吸收，塔高无限， V，y2
L
y2,min
热流体
T TW
zT
冷流体
tW t
zt
气相
液相
pAG E
pAi cAi cAL
zG zL
44
1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分 子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的 变化较陡。
2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散， 溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水 平线。
3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的 变化逐渐平缓。
溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收 。
（2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中，
溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收 。 （3）相同的总压及摩尔分率，
cO2 < cCO2 < cSO2 < cNH3
氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体
14
二、亨利定律
（一）亨利定律
总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方 气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔 分率成正比，其比例系数为亨利系数。
经验公式
D f (T，p)
（2）液相中的D
T 1.75 D
p
T D
p D
范围：10-10～10-9m2/s
D f (T，)
T D
T D

D
41
五、 单相内的对流传质
涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部 存在浓度梯度，流体质点便会靠 质点的无规则运动，相互碰撞和 混合，组分从高浓度向低浓度方 向传递，这种现象称为涡流扩散。
在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩 散方式通过气膜和液膜。 （2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力。 （3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以 涡流扩散的形式传质。
双膜模型也称为双膜阻力模型
52
七、总传质速率方程
（一）气相传质速率方程 N A KG ( pA p*A )
NA K y( y y*) N A KY (Y Y * )
动。
JB
（2）整体移动的特点：
1
2
1）因分子本身扩散引起的宏观流动。
2）A、B在整体移动中方向相同，流动速度正比于摩尔
分率。
35
N MA

NM
cA c
N MB

NM
cB c
NA

JA

NM
cA c
NB

JB

NM
cB c
0

JB

NM
cB c
NA
Dc
c cA
dcA dz
——微分式
36
在气相扩散
传质速率定义：任一固定的空间位置上， 单位时间
内通过单位面积的物质量，记作N, kmol/(m2·s) 。
气相：
NA= J A


D RT
dpA dz
32
液相：
D NA RTz ( pA1 pA2 )
NA=
JA

DAB
dcA dz
NA

D z
(cA1

cA2
)
讨论
1） NA pA1 pA2
cS1
——积分式
（4）讨论
1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系
2）
p pBm
c
、cSm
——漂流因子，无因次
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漂流因子意义：其大小反映了整体移动对传质速率的影 响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩 散增大的倍数。