化工原理 第五章 吸收(传质理论之一)超详细讲解

传热过程
吸收过程
理论 将对流给热视为壁 实质 附近滞流层的热传
导过程—付立叶定
将吸收视为A穿过相界面附 近滞流双膜的分子扩散过 程—费克定律
T A1 (T t w1 ) At T t A2 (t w 2 t ) t
Dg P A( p pi ) DA C RTpB g N Dl (C A CS ) A(Ci C ) CS l
三、费克分子扩散定律 如图: 单位时间内穿过面积为A，厚度为δ 的扩散层的吸收质A的物质的量
NA
A C A

N A DA
A C A

3 2 N mol m m m D—扩散系数 m2/s 2 A C s m mol s
分子扩散模型
四、吸收机理——双膜理论
§2 吸收相平衡
当物理吸收达到两相平衡A(g) A(l)时，溶质 A在气液两相中的浓度不变，且服从亨利定律关系。 NA(g→l)=NA(l→g) (NA—molA/molS)
亨利定律：在温度一定、总压不太高(＜5 atm)时, 大多数中等或难溶体系吸收平衡时的液相浓度与其 气相分压成正比。
∵气液两相浓度有多种表示法， ∴亨利定律有多种形式。
吸收体系的溶解度系数越大，气体越易溶。 对一定的吸收体系(质A，剂S确定)，E和H为常数，都反映A
在S中的溶解度大小。E～H关系？先找CA～xA关系：
CA ρS pA = = xA = ExA H HMS
*
即E∝1/ H ，E↑，H↓，气体在该吸收剂中越难溶。 xA～CA关系：
-Байду номын сангаас
3 、 以yA ～ xA表示的亨利定律
第五章 吸收（传质理论之一）
§1 概述
一、 传质：物质从一相转移到另一相的过程。 如：吸收、蒸馏、萃取、结晶、吸附、蒸发、 干燥、冷冻、升华、凝华等。 二、吸收：用某种液体(吸收剂—S)处理气体 混合物，使其中某个目标组分(吸收质—A)得 到分离的过程，不能被吸收的组分统称为惰性 组分—B。 吸收 解吸 互为逆过程。
(mA—g(A)/1000g(S))的关系，求YA～XA关系：
解：先转变成 yA～xA关系：
yA=nA/n总= pA/ p xA=nA`/n总`=(mA/MA)/( mA/MA+1000/MS)
再转化成YA～XA关系：
YA= yA/(1- yA) 亦可直接求： YA=pA/pB=pA/ (pT-pA ) XA=nA`/nS=(mA/MA)/ (1000/MS) XA= xA/ (1- xA)
x*A=pA/E=101325/6.73*109=1.51*10-5 (mol空气/mol水) 即水中空气含量≈0.00151 mol空气/100 mol H2O 即100mol(1800g)水中含空气0.00151mol
0.0015*22.4*103cm3=33.6 cm3(标态)
故水中空气含量33.6 cm3/1800g=1.86(标态) cm3/100g水
即: YA*=mXA 或: XA*=YA/m
注意：
1 吸收达平衡时：YA*=mXA或 XA*= YA/m，但两方程的意
义不同，YA*与YA不同。
2 yA=nA/nT YA=yA/yB=nA/nB xA=n`A/n`T XA=xA/xS=n`A/nS
3 溶解度 mA—g(A)/100g(S) xA、CA、XA与mA的关系： xA= n`A/ n`T= (mA/MA)/( mA/MA+100/MS) XA=n`A / nS= (mA/MA)/(100/MS)
五、吸收流程： 在连续操作的立式吸收塔中，气↑，液↓逆流 接触进行传质。 1 要使气相中A被吸收完 全-净化气体：则采用 单程(单塔或多塔)吸 收。 2 希望液相A的浓度高制取产品：则采用液 相循环吸收。 3 要分离和回收A：则采用吸收—解吸 联合流程。
吸收
—
解吸
联合流程
喷淋塔： 气相连续 4 吸收塔 液膜塔(填料塔)：气相连续 鼓泡塔： 液相连续
例5-2 解：SO2-水体系,20℃时溶液的浓度为2.5%(质量百分比), 求气相SO2的平衡分压,查附表九知：E= 0.36×107 Pa， 将质量百分比ω→xA 。
∴p*A=ExA=0.36*107*0.00716=25.78 kPa
例5-3：含NH320%(yA1)的NH3-空气混合气体100m3, 用水恒温吸收至混合体中含氨5%(yA2),求NH3被吸收 的体积。
三、吸收的应用：制取产品，净化气体，回收有用组分。
四、吸收分类： 特点：弱结合、游离、 物理吸收: 可逆、易解吸 利用混合气体中各组分 l扩散速率 溶解度的差异分离气体 速率：g 极限：达g l相平衡 化学吸收： 特点：强结合，不可逆 A—S发生化学反应而分离气体 速率：反应或扩散速率 极限：化学平衡 (本章只讨论物理吸收)
1、 以pA～ xA表示的亨利定律
pA*=E xA 或 xA*=pA/ E 即 xA*∝pA pA*—A的气相平衡分压(与浓度为xA的液相平衡)， xA—液相A的摩尔分数 (实际浓度)。 xA*—A的液相平衡浓度(与分压为pA的气相平衡)， pA—气相A的分压 (实际浓度) 。 E—亨利系数—Pa或atm, E↑, xA*↓, 即吸收体系的亨利系数 越大, 气体越难溶。附表九可查E值。
pB g kg-气膜吸收分系数 P Dg PT Dg Ap Dg PT NA A( p pi ) =kgA(p-pi) k g RT g p B RT g RT g pB
对液膜：用CS /(CA+CS)=CS /CT 对δl 加以较正：
CS CS l = l CS C A CT
CA= n`A/VT= [ρT（溶液）× mA/(100+mA)]/MA kmol/m3
4 长期放置的吸收体系是平衡体系，在平衡体系中引入气 体或溶液, 平衡将被破坏, 可能再吸收(pA>p*A或xA<x*A) , 也可能解吸(pA<p*A 或 xA>x*A)。
例5-4 已知总压P=101.325 kPa及 PA～mA
解：由于吸收前后混合气体总体积变化，以吸收前
混合气体总体积100m3为基准计算：
VNH3吸收=VNH3前-VNH3后
吸收前：VNH3前=V总前*20 %(yA1)=100*20% = 20 m3
吸收后：VNH3后=V总后(无法求得)*5% (yA2)
而: VB =V空气=100-20 =80 m3 (吸收前后VB不变) VNH3后=VB*(VNH3后/VB)
∵A的气相摩尔分数 yA=pA/p总 = nA/ n总
∴ y*A=p*A/P=(ExA)/P=mxA 或 x*A= yA/m 即 x*A∝yA m=E/P——相平衡系数(无因次)，E↑, m↑,气体越难溶。 例5-1
解：空气-水体系，已知p空气=P总和E，求液相平衡浓度(以 x*A 和cm3/100g水溶液表示)
练习： P185 6
作业：
P185
7
§5-3 吸收速率
吸收速率决定吸收达到平衡的时间，决定吸收操作的 生产强度，是吸收设备选型和设备设计的重要依据。 一、吸收速率定义：NA= dnA/dτ
对于稳定吸收过程：NA=nA/τ
二、扩散
mol(A)/s
吸收过程是物质的相转移过程，通过扩散方式进行。 1、分子扩散：物质以分子热运动方式穿过静止或滞流流 体的传递过程——特点：传递速率慢。 2 、对流扩散：物质以相对运动方式穿过湍流流体的传递 过程——特点：传递速率快。
实际吸收过程一般在喷淋塔、填料塔、鼓泡塔中进
行。无论采用那种吸收塔，吸收过程都存在气—液相界 面，类比间壁传热提出了双膜理论以导出吸收速率。 如图：
双膜理论要点： 1 气液两相主体因湍流使A以对流扩散方式传递，传递 速率快, 浓度一致，忽略湍流主体中对流扩散的阻力。 2 相界面两侧存在滞流的气膜和液膜，双膜中A以分子 扩散方式传递，传递速率慢，浓度下降很快，整个传 质过程的阻力全部集中在双膜中。 3 到达相界面的A能无阻 力地瞬时溶于液相，且 界面上气液两相达平衡, 即：pi = ci / H 。
由y*A=mxA得：
YA* mX A * * * Y ( 1 X ) mX ( 1 Y ) mX Y A A A A A A mX A * 1 YA 1 X A mX A * * * YA (1 X A ) mX AYA mX A YA 稀溶液 mX A 1 (1 m) X A
若能求出每份惰性组分空气含NH3的分数VNH3残/ V空
气，则吸收后残存的VNH3残可求。
而 VNH3后/ V空气= (VNH3残/V后总)/ (V空气/V后总)=yA2/ yB2
=yA2/(1-yA2)=5%/(1-5%)=5/95 (份NH3/份空气)
∴ VNH3后=5/95*80=4.2 m3 VNH3吸收=20-4.2=15.8m3
2 、 以pA～ CA表示的亨利定律
p*A= CA/ H 或 C*A= H pA 即 C*A ∝ pA CA—液相A的物质的量浓度(实际浓度)—kmol/m3 （ CA = nA /V ）. C*A—液相A的平衡浓度(与分压为pA的气相平衡)
H—溶解度系数—kmol/(m3*Pa) or kmol/(m3*atm), H↑, CA*↑,即
α1--高温流体传热膜(分)系数 α2--低温流体传热膜(分)系数
kg-气膜吸收分系数 kl -液膜吸收分系数
五、费克分子扩散定律的应用
当A分子通过分子热运动的碰撞而传递时，其传递速率：
δg ,δl —气膜、液膜厚度, 由于在膜层中有部分对流传质, 真正的分子扩散距离δ＜δg, δl。
对气膜：用pB/pT对δg加以较正：
= yA1/(1-yA1)
吸收后2：nA2/nB=(nA2/n总2)/(nB/n总2)= yA2 /yB2 =YA2 = yA2/(1-yA2) 由此提示我们：要求A被吸收的量，要用到A在惰性气体 B中A的含量分率yA/yB，令为YA。
定义： YA –摩尔比/比摩尔分数(率)
上例用比摩尔分率计算： VNH3＝VB(YA1-YA2) 吸收前： YA1= yA1/yB2=yA1/(1-yA1 )=0.2/0.8=0.25 吸收后：YA2=yA2/yB2=yA2/(1-yA2)=0.05/0.95=0.053 被吸收NH3的体积： VNH3＝80*(0.25-0.053) =15.8 m3
4 、 以YA~XA比摩尔分率表示的亨利定律
YA:每mol惰气中所含A的mol数。起始时--YA1,终了时--YA2
XA：每mol吸收剂中所含A的mol数。吸收从XA1→XA2
yA YA YA yA 1 yA 1 YA
xA XA XA xA 1 xA 1 X A
上例中利用惰性气体量在吸收前后不变的特点，求出 吸收后惰性气体中吸收质A的含量分率，再乘以惰气的量
(vB-m3B, or nB-molB)，即可求吸收后气体中残存A的量，
进而求A被吸收的量。
惰性气体B中吸收质A的含量分率：
吸收前1：nA1/nB=(nA1/n总1)/(nB/n总1)= yA1/yB1 =YA1
Dl AC A Dl CT N A(Ci C ) =klA(Ci-C) k Dl CT l CS C l S l CS l CT
所以，可用界面附近气膜中的扩散速率： NA=kgA(p-pi)
kl -液膜吸收分系数
或液膜中的扩散速率：
NA=klA(Ci-C) 计算吸收速率。
（1）喷淋塔
（2）填料塔
（3）鼓泡塔
六、吸收剂的选取原则：
高选择性、 低蒸气压、 低粘度、 低价格、 无毒无污染。
七、要解决的问题： 1. 吸收极限—相平衡理论 2. 吸收速率—双膜理论。 3. 填料塔吸收面积的计算。 4. 强化吸收的途径。
八、常见的吸收体系溶解度
易溶：NH3, SO3, NO2, HCl—H2O 中等： SO2 , Cl2 , H2S — H2O 难溶：O2, H2, CO, CO2 —H2O