第8章 化工原理气体吸收

8.3.1双组分混合物中的分子扩散
⑴费克定律 温度、总压一定，组分A在扩散方向上任 一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。
dCA J A DAB d
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； d DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。
பைடு நூலகம்G L
8.3.5对流传质理论
②数学模型
DG p DG 1 ( pA pAi ) p ( y yi ) 气膜 N A RT G pBm RT G yBm
式中：
pBm yBm (1 y ) m p DG DG 1 DG p 1 kG RT G pBm RT G yBm RT G (1 y )m
pB1 pA1 pA2
0 扩散距离z
z
3）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。
2．单向扩散及速率方程
JA
（1）总体流动：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， NMcA/c 使得混合物向界面处的流 动。 总体流 动NM NMcB/c （2）总体流动的特点： JB 1）因分子本身扩散引起的宏观流动。 2）A、B在总体流动中方向相同，流动 速度正比于摩尔分率。 1 2
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。 理想气体：
pA cA RT
dc A 1 dp A = dz RT dz
DAB dpA JA RT dz
8.3.1双组分混合物中的分子扩散
对双组分混合物，总浓度 CM CA CB ＝常数
dC A dC B d d
第8章 气体吸收
8.1概述 ⑴ 吸收的目的
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。
⑵ 吸收的依据
气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同.
8.1概述
氨气（浓度低）＋空气
总压 p 溶质（A）分压 p A
pe 与溶液中A的浓度成
密闭容器
p 1 p Bm
c cSm
1
8.3.2 扩散系数
漂流因数的影响因素：
浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。
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。
扩散系数
扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，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
2
x2
y1
x1 x1e
y1
x1
x 塔高 ，吸收剂用量 ， 1 即使 塔无限高，吸收剂用量很少，1 也 x
不会无限增大，x1,max x1e
y 反之，当塔高 ，吸收剂用量 ， 2 ， y 即使塔高无限高，吸收剂用量很大， 2
也不会无限减小， y2,max y2e mx2
D dp A NA= J A RT dz
D NA ( p A1 p A2 ) RTz
液相：
NA= J A DAB
dc A dz
D N A (c A1 c A2 ) z
（3）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。
p p
pB2
8.1概述 吸收分类
（1）物理吸收和化学吸收
（2）单组分吸收和多组分吸收
（3）等温吸收和非等温吸收 （4）高浓度吸收和低浓度吸收
吸收剂的选择要求—经济、合理
（1）溶解度大；
（2）选择性高； （3）再生容易； （4）挥发性小； （5）粘度低
（6）化学稳定性高；
（7）腐蚀性低； （8）无毒、无害、价廉等。
J A J B
J A J B ( D AB dC B dC A ) DBA d d
DAB DBA D
8.3.1双组分混合物中的分子扩散
⑵分子扩散与主体流动
分子扩散两种形式：等分子反向扩散，单向扩散。
1．等分子反向扩散及速率方程 (1)等分子反向扩散
T P pA1 pB1 1 T P pA2 2 pB2
8.2气液相平衡
1．溶解度曲线 平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与 混合气体充分接触，气相中的溶质向 溶剂中转移，长期充分接 触后，液相 中溶质组分的浓度不再增加，此时， 气液两相达到平衡。
饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。
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
dcA cA N A D NA dz c
Dc dcA NA c cA dz
——微分式
p pA c 在气相扩散 cA RT RT dpA Dp NA RT ( p p A ) dz
Dp dpA 0 N Adz pA1 RT ( p - pA ) Dp p pA2 NA ln RTz p pA1
等分子反向扩散：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
DAB dpA JA RT dz D BA dp B JB RT dz
p p A pB
dp A dp B = dz dz
JA=－JB DAB=DBA=D （2）等分子反向扩散传质速率方程
传质速率：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：
pe E E x ye x mx p p p
pe Ex E C HC CM
E m p
E HCM
CM 为溶液的总摩尔浓度，C M
M
MM
溶液平均密度 溶液平均分子量
8.2.1平衡溶解度
注意：解题指南 CM 用 C 表示。解题指南H与本书H互为倒
C 1000 数，故 E .对稀水溶液， CM 55.5 Kmol/m3， H 18.02
y1
m
图8-5
8.2.2相平衡吸收过程的关系
⑶计算过程的推动力
推动力 ( y ye ) 或 ( xe x) 注意推动力 ( y x)!
8.3 扩散和单相传质
吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个 步骤： ① 溶质由气相主体传递到两相界面，即气相 内的物质传递； ② 溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相， 即界面上发生的溶解过程 ③ 溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的 物质传递。
8.3.5对流传质理论
（1）有效膜理论（惠特曼 Whitman，1923年） ①物理模型惠特曼对复杂的对流传质过程作如下简述： a、气液相界面两侧各存在一层静止的或作层流流动的气 膜和液膜，其厚度分别为 G 和 L，气相或液相主体内由于 流体高度团动混合均匀故不存在浓度差，所有浓度差集中 于有效气膜和液膜内，故气相和液相的传质阻力也全部集 中于该两层有效膜内； b、静止或层流有效 膜中的传质是定态的分子扩散。
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，不是物性常数， 其值与流体流动状态及所处的位置有关 。 总扩散通量：
dcA J A (D De ) dz
8.3.3对流传质
8.3.4三传（质量、动量、热量传递）类比
三传之间彼此有些类似的规律可进行类比 研究（自学）。
此数据应记住，考试时不给。 (t , p) ， 小，溶解度大，对水吸 m m t p 收有利，↓，↑，m ↓。 例8-1①平衡数据a换算成 x ； ② y ～ x 曲线与总压有关。
8.2.2相平衡吸收过程的关系
⑴判别过程的方向 ① y > ye 或 x < xe 吸收（ p A > pe吸收） ② y < ye 或 x > xe解吸（ p A < pe 解吸） ⑵指明过程的极限 y 2 y 2e y2 x
D的影响因素：A、B、T、P、浓度 D的来源：查手册；半经验公式；测定
（1）气相中的D 经验公式 范围：10-5～10-4m2/s
T 1.75 D p T D p D
D f (T，p)
（2）液相中的D
D f (T， )
范围：10-10～10-9m2/s T D T D
水（溶剂）
平衡的气相分压
p A pe 吸收， p A pe
氨气(浓度高)＋空气(惰性气体) (溶质，被吸收组分)
解吸， p A pe 平衡，
p A pe ——吸收总推动力亦可用其他浓度差
表示动力
图8-1
8.1概述
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
Dp NA ( p A1 p A2 ) ——积分式 RTzpBm
液相：
Dc NA (cA1 cA2 ) zcSm
——积分式
cSm
cS2 cS1 cS2 ln cS1
（4）讨论
1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系
c 2） p 、 c p
Bm
——漂流因数，无因次
Sm
漂流因数意义：其大小反映了总体流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。
传质推动力 传质速率 传质阻力
8.3 扩散和单相传质
无论是气相还是液相，物质传递的机理包括以下 两种。 ⑴分子扩散。是分子微观运动的宏观统计结果。 混合物中存在温度梯度、压强梯度及浓度梯度都会产 生分子扩散，发生在静止或层流流体里的扩散就是分 子扩散。 ⑵对流传质。是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引 起的扩散称为对流传质。发生在湍流流体里的传质除 分子扩散外更主要的是对流传质。 以下仅讨论定态条件下双组分物系的分子扩散和 对流传质。
ky pkG
8.3.5对流传质理论
液膜
DL cM DL 1 NA (cAi cA ) cM ( xi x) L cBm L xBm

D
8.3.3.
对流传质
8.3.3对流传质
1．涡流扩散
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。
J A ,e
dcA De dz
J A,e ——涡流扩散速率，kmol/(m2· s)；
当压力不太高、温度一定时
p*A =f1（ x ） y*=f2（x） p*A =f3（ cA ）
8.2.1平衡溶解度
8.2.1平衡溶解度
8.2.1平衡溶解度
⑵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。
气液组成用不同的单位表示时，亨利定律有以下3种形式 ：
z pA2
Dp p B2 NA ln RTz p B1
——积分式
p pA1 pB1 pA2 pB2
Dp pB2 pB2 pB1 NA ln p p p B2 p B1 RTz pB1 B2 B1 p Bm p B2 Dp pA1 pA2 ln p B1 RTz pB2 pB1 ln ( pB2 pB1 )
两类吸收设备
8.1概述
③溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使 用。除了制取溶液产品只需单独吸收外，一般都要进行解吸操作， 使溶剂再生循环使用。 总之，一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和解吸两个组 成部分。 ⑸溶剂的选择 吸收操作的成功与否在很大程度上决定于溶剂的性质，特别 是溶剂与气体混合物之间的相平衡关系。根据物理化学中有关相 平衡的知识可知，评价溶剂优劣的主要依据应包括以下几点：
pe Ex
pe HC
p * Ex A A C* A Hp A
p* A
CA H
ye mx
y* mx
8.2.1平衡溶解度
上述3种形式的亨利定律，最常见的是最后一种形式，式中 称为相平衡常数，无因次。但题目有时不是已知，而是给定亨利 常数(或)，必须知道它们相互间的换算关系。
NA
N MA
cA NM c
N MB
cB NM c
（3）单向扩散传质速率方程
NB JB NM cB c 0 JB NM c
cA NA JA NM cB c
cB J B NM c
cB JA NM c
NA NM
NA NM
cB cA cA cB NM NM NM c c c