化工原理第五章气体吸收

湍流扩散
当流体运动或搅拌时，由于流体质 点的宏观随机运动（湍流），使该 组分从浓度高处传递至浓度低处的 现象。
35
一、 分子扩散与菲克定律
分子扩散：在静止或层流流体内部，若某一组分存
在浓度差，因微观的分子热运动使该组 分由浓度高处扩散到浓度低处的现象。
A
B
36
扩散速率：单位时间通过单位面积扩散的物质量，
的垂直距离。
57
（二）气相传质速率方程
D p NA ( pAG pAi ) RTZG pBm
49
（1）在气相中扩散的D 范围：0.1～1.0cm2/s 经验公式
D f (T，p)
T D p
1.5
T D
p D
（2）在液相中扩散的D 范围：10-5～5×10-5cm2/s
D f (T， )
D
T

T D
D
50
【例5-3】 书P197
51
a.气相中A浓度高时，漂流因数大，总体流动的影响大。
b.气相中A低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的 影响小。
3）单向扩散体现在吸收过程中。
48
四、分子扩散系数
扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散系数，反映
某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常
数之一；D，m2/s。 D的影响因素：介质种类、T、P、浓度 D的来源：查手册；半经验公式；测定
升温和减压对解吸有利。
3）对同样浓度的溶液，易溶气体溶液上方 的分压小，而难溶气体溶液上方分压大。 4）气相中溶质的摩尔分数y一定时，
总压p↑，溶质分压pA ↑，溶解度x ↑。
16
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。
选择原则：经济、合理。
8
第二节 气液相平衡
一、 平衡溶解度
二、 亨利定律
三、 气液相平衡关系在吸收中的应用
9
一、平衡溶解度
气液平衡状态：
进入液相的溶质数量 = 逸出液相的溶质数量
平衡分压：平衡时气相中溶质的分压，又叫饱和分压。
溶解度：平衡时溶质在液相中的饱和浓度。
10
溶解度的表示方法：
kg溶质／kg溶剂
pA1
pB1
pB2 pA2
39
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。
DAB dpA JA RT dz DBA dpB JB RT dz
总压一定时，
JA=－JB
p p A pB
dp A dp B = dz dz
DAB=DBA=D
40
等摩尔逆向扩散传质速率方程
kmol溶质／kmol溶剂
摩尔分率x*
p* )） 溶解度(x)=f（P、T、y(
；
11
（一）平衡分压、温度与溶解度的关系
p T x
* A * A
氨在水中的溶解度
12
（二）不同气体在同一吸收剂中的溶解度 （1）
* * * * 几种气体在水中的溶解度曲线 x x x x NH3 SO2 CO2 O2
用J表示， 单位为kmol/(m2· s)。
传质速率
费克定律： 温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一点
处的扩散速率与该处A的浓度梯度成正比。
理想气体，有：
J A DAB
dc A dz
或
DAB dp A JA RT dz
JA——组分A扩散速率（扩散通量）， kmol/（m2· s）；
p Ex
* A
* 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。
17
E的讨论：
1）E大的，溶解度小，难溶气体 E小的，溶解度大，易溶气体 2）T↑，E ↑
3）E的来源：实验测得；查手册
18
（二）其它形式的亨利定律
* A
1)
p
cA H
V，y2
L，x2
（1）吸收液的最大组成x1,min
L x1,max
y1 x m
* 1
（2）吸收尾气的最小组成y2,min
V，y1
L，x1
30
L y2,min
* y2
mx 2
【例5-2】 书P192
31
作 业
• P231 5-9
32
第三节 吸收过程的传质速率 一、 分子扩散与菲克定律 二、 等摩尔逆向扩散 三、 组分A通过静止组分B的扩散 四、 分子扩散系数 五、 单相内对流传质
13
• （2）不同气体用同一吸收剂吸收，所得溶液浓度相
同时，易溶气体在溶液上方的平衡分压低，而难溶 气体在溶液上方的平衡分压大。
14
（三）总压对溶解度的影响
y A P pA x
* A

20℃下SO2在水中的溶解度
15
【讨论】
1）吸收温度T↑，溶解度x↓。 2）加压和降温对吸收有利；
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。
56
有效膜模型
单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚
拟的膜层（叫“有效层流膜” 或“虚拟膜”、 “气膜”）内，膜层内的传质形式仅为分子扩散 。 有效膜厚ZG由层流内层浓度梯度线延长线与流 体主体浓度线相交于一点E，则厚度zG为E到相界面
六、 两相间的双模理论
七、 总传质速率方程
33
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。 相界面与气相或液相之间的传质称为对流传质， 包括： 分子扩散 和 湍流扩散
34
分子扩散
在静止或层流流体内部，若某一组 分存在浓度差，因微观的分子无规 则热运动使该组分从浓度高处扩散 到浓度低处的现象。
p pA1 pB1 0
扩散距离z
pB2 pA2
z
3）等摩尔逆向扩散发生在蒸馏过程中。
42
• 传动——第一章 流体流动
• 传热——第四章 传热
第五章 吸收 （组分A通过静止 • 传质——
组分B的扩散）
第六章 蒸馏 （等摩尔逆向扩散）
43
三、 组分A通过静止组分B的扩散
相界面
整体移动中
气 相 主 体 B的传递NBM
28
（2）在x～y相图上
y
y*=f(x) O
（y-y*）
y y* （y*-y） y
x*=f(y)
y
y* （x*-x）
O （x-x*） x *
o
x
x* x
o
x
x
a.吸收
b.解吸
图5-6
传质方向与推动力
29
（三）指明过程进行的极限
（吸收塔的吸收液及尾气的极限浓度）
过程极限：相平衡。
假设，逆流吸收，塔高无限。
46
讨论
1）因为p/pBm>1, 单方向扩散的传质速率NA 比等摩尔逆向扩散的传质速率NA大。 2）
p p Bm
、 c
c
——漂流因子，无因次。
Bm
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的
分子扩散增大的倍数。
p pBm
1
c 1 cBm
47
漂流因子的影响因素：
五、 单相内的对流传质
对流传质：指流体与气液两相界面之间的传质，
其中有分子扩散和湍流扩散同时存在。
湍流扩散（涡流扩散）：当流体流动或搅拌时， 由于流体质点的宏观随机运动（湍流），使组分 从浓度高处向浓度低处移动的现象。
52
分子扩散
在静止或层流流体内部，若某一组 分存在浓度差，因微观的分子无规 则热运动使该组分从浓度高处扩散 到浓度低处的现象。
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
何为吸收 操作？
吸收操作
利用混合气体各组分在溶 剂中溶解度不同，来分离 气体混合物的操作。
混合气体 （A+B)
Dp pB2 NA ln RTZ pB1
或
D p NA ( pA1 pA2 ) RTZ pBm
pBm pB2 pB1 pB2 ln pB1
45
在液相扩散：
D c NA (cA1 cA2 ) Z cBm
cBm cB2 cB1 cB2 ln cB1
pBm cBm RT pA cA RT p c RT
* pA pA * pA pA * pA pA
A由气相向液相传质，吸收过程
平衡状态 A由液相向气相传质，解吸过程 y
*或x* >x或 c * y
吸收过程：
A
cA
27
（二）确定过程的推动力
* pA pA （1）吸收过程推动力的表达式：
* y －y* 或 x*－x 或 cA cA
扩散
推动力( y y*) 推动力( y * y)
解吸
传质 扩散
25
用气相组成表示的推动力
相界面
气相 主体y
液相 主体x
吸收
x* x时 x* x时
扩散
推动力( x * x) 推动力( x x*)
解吸
传质 扩散
用液相组成表示的推动力
26
相平衡关系在吸收中的应用： （一）判断过程进行的方向
p m
E与m的关系：
E m p
21
3）
mX Y 1 (1 m) X
*
当溶液组成X很小时，有：
Y mX
*
22
【例5-1】 书P191
23
作 业
• P231 5-4
24
三、 相平衡关系在吸收中的应用
相界面
气相 主体y 液相 主体x
wk.baidu.com吸收
y y *时 y y *时
传质速率定义：单位时间通过单位面积传递的物质
扩散速率
量，记作N, 单位kmol/(m2· 。 s)
D dp A NA= J A RT dz
D D NA ( pA1 pA2 ) (cA1 cA2 ) RTZ Z
气相 液相
41
讨论
1） N A p A1 p A2 2）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。
B扩散 JB A扩散 JA
整体移动：
液 相
因溶质Ａ扩散到界面 溶解于溶剂中，造成 界面与主体的微小压 差，使得混合物整体 向界面流动。
整体移动中
A的传递NAM
总压p
pB2 pB1 pA1
NBM J B
pA2
0
扩散距离z
z
N A N AM J A
44
A单方向扩散时的传质速率方程
在气相扩散:
H——溶解度系数， kmol/（m3· kPa）
cA——摩尔浓度，kmol/m3；
E与H的关系：
c H E
19
H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体 2）P对H影响小， T H
20
2)
y mx
*
m——相平衡常数，无因次。
m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体
2） T m
湍流扩散
当流体运动或搅拌时，由于流体质 点的宏观随机运动（湍流），使该 组分从浓度高处传递至浓度低处的 现象。
53
仅由涡轮扩散引起的扩散速率JA,e为：
补充内容
J A ,e
dcA De dz
s)； J A,e——涡流扩散速率，kmol/(m2·
De ——涡流扩散系数，m2/s。
注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性
又叫溶剂
吸收剂S
吸收尾气
吸 收 塔
吸收的依据：
混合物各组分在某种溶 剂中溶解度的差异。
溶质 惰性气体
吸收液 （A+S) 吸收操作示意图
3
一、气体操作的应用
（1）制备液体产品。 例如：用水吸收NO2制造HNO3. （2）分离混合气体，是最主要的应用。 例如：用硫酸回收焦炉气中的NH3 （3）气体净化、处理工业废气，除去有害组分。 例如：用水脱除合成氨原料气中的CO2
常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关 。
总扩散速率：
dcA J A (D De ) dz
54
（一）单相内对流传质的有效膜模型
单相内对流传质过程
热流体 冷流体 气相 液相
T TW tW t zT zt
pAG E
pAi
cAi cAL zG zL
对流传质有效膜模型
55
对流传热有效膜模型
1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分
4
二、吸收过程与设备
5
洗油 脱苯煤气
苯
含苯煤气
加 热 器
冷 却 器
水
过热蒸汽
吸收与解吸流程
6
三、吸收过程的分类
物理吸收*
按有无化学反应
化学吸收 按溶质气体的数目
单组分吸收*
多组分吸收
按有无明显热效应
等温吸收* 非等温吸收
7
四、吸收剂的选择
（1）溶解度大； （2）选择性高； （3）根据溶质含量，选择不同的吸收剂； （4）挥发性小； （6）粘度低； （8）腐蚀性低； （5）再生容易(解吸)； （7）化学稳定性高； （9）无毒、易得、价廉等。
dcA / dz —组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；
DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。
37
分子扩散两种形式：
①等摩尔逆向扩散; ②组分A通过静止组分B的扩散。
38
二、等摩尔逆向扩散
A扩散的量nA=B扩散的量nB
T P pA1 pB1 1
JA
JB p
T P pA2 2 pB2