化工原理 2-8气体吸收

3、指时传质过程的极限
P2 x2 当G、P1、x2一定时：
P1
x1
①吸收剂用量增大，P2↓， P2min = P2* 且 P2min = P2* = E x2 ②吸收剂用量减小，x1↑， x1max = x1 * 且 x1max = x1* = P1 /E
**即气液相平衡关系决定了：
离塔气体的最低浓度
*1亨利定律表示：
稀溶液上方的溶质分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正比。
*2 亨利系数E 可由实验测定。
通常易溶气体E值小，难溶气体E值大；且T↑，E↑。
*3 对于理想溶液： E等于该温度下纯溶质的饱和蒸汽压。
（此时亨利定律与拉乌尔定律一致）
*4 亨利定律的其他表达形式：
① PA* = H CA
PA*—— 气相平衡分压 CA —— 液相摩尔浓度 H — 溶解度系数， mN / kmol； yA* —— 气相摩尔分率 xA —— 液相摩尔分率 m — 相平衡常数，无量纲量；
（以上两式中负号，表示分子扩散方向是沿其浓度降低方向进行）
费克定律形式与牛顿粘性定律、付立叶定律相类似。 对于理想气体： DAB dPA PA JA= - —— —— CA = —— RT dZ RT
2、等摩尔逆向扩散
pA1 pB1 p
pA2 pB2 p
JA
JB
JA = - JB
条件：总压相同、大容器、保持气体浓度均匀
3、对流传质理论
为进一步解决对实际传质过程速率的描述，提出 以下模型基本思想 （1）单相内的对流传质的有效膜模型（湿壁塔）
1）模型要点:
* 相界面处存在一层虚拟的停滞膜;
* 膜外为流体流动的湍流区,
* 停滞膜非常薄,膜内无物质累积,为稳态分子扩散.
溶解度曲线：
P*—x关系曲线： 直接反映了相平衡的本质，用于思考与分析问题 y—x关系曲线： 可方便地与物料衡算式等其它关系式一起对整个 吸收过程进行数学描述 P* 80℃ 70℃ X X y*
二、亨利定律 PA* = E xA
条件：总压小于 5×105 N/m2，恒定温度，稀溶液 式中：PA * —溶质在气相中的平衡分压，N/m2。 E —亨利系数，kN/m2。 xA —溶质在液相中的摩尔分率。
∵
P = PA+PB = 常数 （ C = CA + CB =常数）
则
即
dP d PA d PB —— = —— + —— = 0 dz dz dz d PA d PB d CA d CB —— = - —— —— = - —— dz dz dz dz
∴
DAB = DBA = D
若选择固定的，垂直扩散方向的截面为基准，观察
本节讨论分以下几个方面：①单相内分子扩散， ②相际之间的分 子扩散及涡流扩散， ③描述扩散的速率及影响因素。 讨论前提：定态条件下（工业吸收多为定态过程）
一、分子扩散与费克定律
1、费克定律
当恒定温度、压力、总浓度一定，均相混合物内部， 分子扩散的通量可由Fick定律描述。对于A、B混合物 中两组分的定态扩散通量可以表示为：
②
yA* = m xA
m XA ③ YA* = —————— 1+（1-m ）XA 或 YA* = m XA
YA* —— 气相摩尔比 XA —— 液相摩尔比
*5 E、H、m之间关系 H =E xA/ CA ≈ E MS /ρS m = E / P总压
E — 亨利系数，N/m2。三、相平衡与吸收过程的关系
JB= -NBM = - JA
对于A组分，其传递速率 ：
NA = JA + NAM = JA + NBM PA / PB 即：
NA =（1+ PA / PB）JA D PA dPA NA= - ——（1+ ——）—— RT PB dZ
D P dPA NA= - —— ——— —— RT P – PA dZ
⑦传质设备，填料吸收塔
重点内容： a.物理吸收过程 b.低浓度吸收过程设计计算
本章难点： a.吸收过程的传质机理 b.相平衡关系不同表达式间的换算
物质的量浓度（摩尔浓度）C = n / V
A A
物质的量分数（摩尔分数）x = n / n
A A
摩尔比 X = n / n
A A
B
换算关系： C = x ( n / V)
煤气中的芳烃,可采用洗油吸收方法回收芳烃获得粗苯.
二、吸收操作分类
*物理吸收与化学吸收 *等温吸收与非等温吸收 *单组分吸收与多组分吸收 *定态吸收与非定态吸收（过程参数是否随时间而变） 本章讨论所作的基本假定： 单组分、低浓度、连续定态逆流、等温物理吸收
三、吸收操作的经济性
吸收操作费用主要包括： ①气、液两相流经吸收设备的能量消耗； ②溶剂的挥发损失和变质损失；
A A
x =C (V/n)
A A
X = x / (1-x )
A A A
5—2 气、液相平衡 一、气体在液体中的溶解度
气液相平衡： * 在一定温度下气液两相长期或充分接触后，两相趋于平衡。 * 单组分物理吸收过程，当T、P确定后，溶质在液相中的浓度
仅与气相分压Pe的有关。
* 相平衡时气液相浓度
平衡浓度x（饱和浓度）
上式也可写成：
D C NA = —— ——（CA1 - CA2 ） Z CBm 式中：CBm—组分B浓度的对数平均值，kmol/m3。 C —混合物的总浓度，kmol/m3，（C =CA + CB ）
**该式同样适用于液相。
4、分子扩散系数 D， m2/s
物性参数之一，表示物质在介质中的扩散能力。 影响因素：物质的种类
第五章 气体吸收
5—1 概述 一、吸收操作
1、吸收操作
混合气体（溶质气体+惰性气体） 惰性气体
+
吸收剂
+
吸收剂+溶质
*利用溶解度差异，物质从一相向另一相转移的过程，
属物质传递过程 （简称传质过程）
*吸收操作在生产中的应用：
①混合气体分离，以获得一定的组分 ②除去有害组分，以净化气体 ③制备某种气体的溶液
由于气体的扩散系数大于液体的扩散系数，因此一般气体 中的扩散速率比液体中的扩散速率高（约100倍）。
二 涡流扩散与对流传质
表示方法，借助于费克定律形式
1、 涡流扩散 湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡，造成 组分扩散，称为涡流扩散。 dCA JA= - Dq——— dZ Dq为涡流扩散系数，不仅和物性有关，而且与流动状况有关 。 2、 对流扩散速率 即有分子扩散又有涡流扩散 dCA JA= -（ Dq+D）——— dZ 层流区Dq =0 ；湍流区分子扩散可忽略 ；过渡区两者均不可忽略
平衡分压P* * 气液相平衡关系的可用不同方式表示： *1 溶解度曲线 *2 亨利定律
溶解度 ：
定义:
影响因素: 溶液、溶质的性质，T，P
T↑ 溶解度↓
P↑
溶解度↑
*1 溶解度表示吸收过程气液两相的平衡关系
*2 降温、加压有利于吸收，升温、减压有利于解吸
*3 不同气体在不同溶剂中的溶解度可由实验测定
离塔液体的最高浓度
P2min = P2*= E x2
x1max = x1 * = P1 /E
过程进行的极限：最终达平衡，平衡浓度为极限状态 练习：P43 1、3、4、5
例：含NH3体积分数3％的空气- NH3混合气，在20 ℃下
用水吸收其中的NH3。塔内压力为203kPa 。 NH3在水 中的溶解度服从亨利定律，操作温度下平衡关系为 PA* = 266.6 x kPa 。 试求离塔氨水的最大浓度，以浓度C表示。
此式称为分子扩散速率方程。
整理为
D P NA =——— —— （PA1 - PA2 ） RTZ PBm 式中： PBm—组分B分压的对数平均值。
P /PBm —— 称漂流因数，无量纲。
漂流因数反映流动对传质的影响。通常其值 >1表明有总体流 动而使A物质的传递速率比单纯的分子扩散速率大。当混合气体中 组分A的浓度很低时其值近似等于1。
PA* = E xA PA* = H CA H =E xA/ CA ≈ E MS /ρS
5—3 传质机理与传质速率
气体吸收过程：
①溶质由气相主体向气液相界面传递
②界面上溶质的溶解
③溶质由界面向液相主体传递
相内传递过程是影响吸收速率的主要因素。
相内传递主要以分子扩散、对流传质的方式进行。
分子扩散：当流体内部某一组分存在浓度差时，则因微 观分子的无规则随机的热运动使组分从高浓 度处传递到低浓度处。 **过程推动力为浓度差 **实现传递靠微观分子的无规则运动 涡流扩散：流体流动或搅拌时，由于流体质点的宏观随 机运动（湍动），将使组分从高浓度处传递 到低浓度处。 **过程推动力为浓度差 **实现传递主要靠质点的宏观随机运动
JA NAm NBm
相 界 面
c0=cA+ cB cB2 NA cB1 cA1 cA2
Nm
JB
物质的传递： 分子扩散 JA= - JB 总体流动 NM = NAM + NBM 有总体流动时的传质速率：
对于B组分有： NB = JB+NBM =0
即： JB= - NBM 且
NAM PA ——— = ——— NBM PB
两边分解变量，
dP dPA ∫NA dZ = - ∫ —— ——— RT P – PA
（稳态吸收过程，且操作条件一定时，NA、D、P、T均为常数）
积分得： DP P - PA2 NA =——— ln ———— RTZ P – PA1 或写为： DP PA1 - PA2 PB2 NA =——— ———— ln —— RTZ PB2 – PB1 PB1