第4章_气体吸收

1、第第4 4章章 吸吸 收收 1、掌握的内容、掌握的内容 相组成的表示法及换算；亨利定律各种表达式相组成的表示法及换算；亨利定律各种表达式 及相互间的关系；分子扩散、菲克定律及其在等及相互间的关系；分子扩散、菲克定律及其在等 分子反向扩散和单向扩散的应用；对流传质概念；分子反向扩散和单向扩散的应用；对流传质概念； 双膜理论要点；吸收的物料衡算、操作线方程及双膜理论要点；吸收的物料衡算、操作线方程及 图示方法；最小液气比概念及吸收剂用量的确定；图示方法；最小液气比概念及吸收剂用量的确定； 填料层高度的计算，传质单元高度与传质单元数填料层高度的计算，传质单元高度与传质单元数 的定义、物理意义，传质单

2、元数的计算（平推动的定义、物理意义，传质单元数的计算（平推动 力法和吸收因数法）；吸收塔的设计计算力法和吸收因数法）；吸收塔的设计计算 本章学习要求本章学习要求 本章学习要求本章学习要求 2、熟悉的内容、熟悉的内容 各种形式的传质速率方程、传质系数和各种形式的传质速率方程、传质系数和 传质推动力的对应关系；各种传质系数间传质推动力的对应关系；各种传质系数间 的关系；气膜控制与液膜控制；吸收剂的的关系；气膜控制与液膜控制；吸收剂的 选择；吸收塔的操作型分析；解吸的特点选择；吸收塔的操作型分析；解吸的特点 及计算。及计算。 3、了解的内容、了解的内容 分子扩散系数及影响因素；塔高计算基分子扩散系数

3、及影响因素；塔高计算基 本方程的推导。本方程的推导。 利利用用气气体体混混合合物物中中各各组组分分在在液液体体溶溶剂剂中中溶溶解解度度的的差差异异来来分分 离离气气体体混混合合物物的的操操作作称称为为吸吸收收。 一、什么是吸收？一、什么是吸收？ 4.1 概述概述 吸收：溶质吸收：溶质气相气相 液相液相 解吸（脱吸）：溶质解吸（脱吸）：溶质液相液相 气相气相 溶质溶质 A；惰性气体；惰性气体 B（未（未溶解的组份）溶解的组份）； S溶剂溶剂； 吸收液吸收液S+AS+A；吸收尾气；吸收尾气（A A）+B+B。 二、吸收的目的二、吸收的目的 1制取产品制取产品 例如，用例如，用94.3%的硫酸吸收的

4、硫酸吸收SO3气体制取发烟硫酸，气体制取发烟硫酸， 用水吸收氯化氢制取用水吸收氯化氢制取37%的工业盐酸，的工业盐酸， 用氨水吸收用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等生产碳酸氢铵等。 2从气体中回收有用的组分从气体中回收有用的组分 例如，用硫酸从废气中回收氨生成硫酸铵；例如，用硫酸从废气中回收氨生成硫酸铵； 用洗油从煤气中回收粗苯等。用洗油从煤气中回收粗苯等。 3除去有害组分以净化气体除去有害组分以净化气体 主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。 例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳， 燃煤锅

5、炉烟气、冶炼废气脱燃煤锅炉烟气、冶炼废气脱SO2等等。 4.14.1概述概述 三、三、 吸收的依据吸收的依据 为达到吸收分离气体混合物的目的，要用什么物为达到吸收分离气体混合物的目的，要用什么物 质（溶剂，吸收剂），其分离的依据是什么？质（溶剂，吸收剂），其分离的依据是什么？ 气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同，若气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同，若 各组分在吸收剂中的溶解度差异越大，吸收的选各组分在吸收剂中的溶解度差异越大，吸收的选 择性越好择性越好 例如例如 欲分离氨气空气的混合物，可选择水做溶欲分离氨气空气的混合物，可选择水做溶 剂，因为氨水在水中的溶解度很大，而空气几乎剂，因

6、为氨水在水中的溶解度很大，而空气几乎 不溶于水。不溶于水。 密闭容器密闭容器 水水（溶剂）（溶剂） 氨气氨气(浓度高浓度高)空气空气(惰性气体惰性气体) ( (溶质，被吸收组分溶质，被吸收组分) ) 氨气（浓度低）空气氨气（浓度低）空气 总压总压 溶质（溶质（A）分压）分压 与溶液中与溶液中A的浓度成的浓度成 平衡的气相分压平衡的气相分压 p A p e p 吸收，吸收， 解吸，解吸， 平平 衡，衡， 吸收总推动力吸收总推动力 eA pp eA pp eA pp eA pp 图4-1 多组分吸收多组分吸收 单组分吸收单组分吸收 非等温吸收非等温吸收 等温吸收等温吸收 化学吸收化学吸收 物理吸收

7、物理吸收 四、吸收分类四、吸收分类 1吸吸收收设设备备-塔塔设设备备 填料塔填料塔 板式塔板式塔 吸收剂吸收剂 吸收尾气吸收尾气 吸吸 收收 塔塔 混合气混合气 吸收液吸收液 逆流吸收操作示意图逆流吸收操作示意图 气体气体溶剂溶剂 1 n 被吸收气体被吸收气体 板式塔板式塔 气体气体溶剂溶剂 填料填料 被吸收气体被吸收气体 填料塔填料塔 五、吸收设备和流程五、吸收设备和流程 板式塔和填料塔板式塔和填料塔 (1) 单单一一吸吸收收塔塔流流程程 （a）气、液串联（逆流）（b）气体串联、液体并联（逆流） 多塔吸收流程多塔吸收流程 2吸收流程吸收流程 (2) 多多塔塔吸吸收收流流程程 吸收剂再循环流程

8、吸收剂再循环流程 吸吸 解解 收收 吸吸 塔塔 塔塔 吸收吸收-解吸流程解吸流程 (3) 吸收剂在吸收塔内再循环流程吸收剂在吸收塔内再循环流程 (4) 吸收吸收-解吸流程解吸流程 从合成氨原料气中回收CO2的流程 在工业上，两种形式的塔设备大多情况均在工业上，两种形式的塔设备大多情况均 为连续操作，即设备内的参数都不随时间变为连续操作，即设备内的参数都不随时间变 化，称为化，称为定态连续过程定态连续过程。当然也可以间歇操。当然也可以间歇操 作的作的非定态过程非定态过程，很少见，故后面除特殊说，很少见，故后面除特殊说 明外，均指明外，均指连续定态操作连续定态操作。 采用吸收操作实现气体混合物的分

9、离必须解决下列采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列 问题：问题： 选择合适的溶剂选择合适的溶剂，能选择性地溶解某个（或某，能选择性地溶解某个（或某 些）被分离组分；些）被分离组分； 提供适当的传质设备提供适当的传质设备（多为填料塔，也有板式（多为填料塔，也有板式 塔）以实现气液两相的接触，使被分离组分得以从塔）以实现气液两相的接触，使被分离组分得以从 气相转移到液相（吸收）或液相转移到气相气相转移到液相（吸收）或液相转移到气相(解吸解吸)； 溶剂的再生溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离，即脱除溶解于其中的被分离 组分以便循环使用。除了直接制取溶液产品只需组分以便循环使用。除了直接制取

10、溶液产品只需 单独吸收外，一般都要进行解吸操作，使溶剂再单独吸收外，一般都要进行解吸操作，使溶剂再 生循环使用。生循环使用。 总之，一个完整的吸收分离过程一般包括吸总之，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。收和解吸两个组成部分。 溶剂的选择溶剂的选择 溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解 度，度，或者说或者说在一定的温度与浓度下，溶质的平衡在一定的温度与浓度下，溶质的平衡 分压要低。分压要低。这样，从平衡角度来说，处理一定量这样，从平衡角度来说，处理一定量 混合气体所需溶剂量较少，气体中溶质的极限残混合气体所需溶剂量较少，气体中溶质的

11、极限残 余浓度亦可降低；就过程速率而言，溶质平衡分余浓度亦可降低；就过程速率而言，溶质平衡分 压压，过程推动力大，传质速率快，所需设备尺，过程推动力大，传质速率快，所需设备尺 寸小。寸小。 溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶剂应具备溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶剂应具备 较高的选择性较高的选择性。若溶剂的选择性不高，将同时吸收混合物中。若溶剂的选择性不高，将同时吸收混合物中 的其他组分，只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较的其他组分，只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较 为完全的分离。为完全的分离。 溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感溶质在溶剂中的溶解度应对

12、温度的变化比较敏感，即不仅，即不仅 在低温下溶解度要大，平衡分压要小，而且随着温度升高，在低温下溶解度要大，平衡分压要小，而且随着温度升高， 溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升。这样，被吸收的溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升。这样，被吸收的 气体容易解吸，溶剂再生方便。气体容易解吸，溶剂再生方便。 溶剂的蒸汽压要低，不易挥发溶剂的蒸汽压要低，不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸。一方面是为了减少溶剂在吸 收和再生过程的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂收和再生过程的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂 质质 溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质溶剂应有较好的化学稳定性

13、，以免使用过程中发生变质； 溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好，以实现吸收塔内良好 的气液接触和塔顶的气液分离。的气液接触和塔顶的气液分离。 溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济和安等经济和安 全条件。全条件。 吸收操作的经济性吸收操作的经济性 吸收总费用设备吸收总费用设备(塔、换热器等塔、换热器等)折旧费折旧费 操作费操作费(占比重大占比重大) 操作费用主要包括：操作费用主要包括： 气、液两相流经吸收设备的能量消耗；气、液两相流经吸收设备的能量消耗； 溶剂的挥发损失和变质损失；溶剂的挥发损

14、失和变质损失； 溶剂的再生费用，即解吸操作费用溶剂的再生费用，即解吸操作费用 (在三者中占比例最大在三者中占比例最大)。 本章所作的基本假定本章所作的基本假定 单组分吸收单组分吸收, ,其余组分可视为一个惰性组分。其余组分可视为一个惰性组分。 溶剂的蒸汽压很低，因此气相中不含溶剂溶剂的蒸汽压很低，因此气相中不含溶剂 蒸汽蒸汽 。 4.24.2气液相平衡气液相平衡 吸收（传质）与传热两个过程的相似处：吸收（传质）与传热两个过程的相似处： 传热与吸收过程均由三步构成（传热与吸收过程均由三步构成（解释三步相似解释三步相似），但），但 两个过程也有不同处：传热的推动力是两流体的温度两个过程也有不同处：

15、传热的推动力是两流体的温度 差，过程的极限是两流体的温度相等；吸收的推动力差，过程的极限是两流体的温度相等；吸收的推动力 不是两相的浓度差，过程的极限也不是两相的浓度相不是两相的浓度差，过程的极限也不是两相的浓度相 等。这是由于气液之间的相平衡不同于冷热流体之间等。这是由于气液之间的相平衡不同于冷热流体之间 的热平衡，气液相平衡关系是吸收过程的重要基础，的热平衡，气液相平衡关系是吸收过程的重要基础， 4.2.14.2.1平衡溶解度平衡溶解度 在一定的温度在一定的温度 T T 与总压与总压 P P 下，使一定量的溶剂与溶质下，使一定量的溶剂与溶质 接触，溶质便由气相向液相转移，随着溶液浓度的逐渐

16、增高，接触，溶质便由气相向液相转移，随着溶液浓度的逐渐增高， 传质速率将逐渐减慢，最后降为零，此时液相中溶质达到饱和，传质速率将逐渐减慢，最后降为零，此时液相中溶质达到饱和， 浓度达到一最大限度浓度达到一最大限度XeXe（为液相中溶质（为液相中溶质A A的摩尔分数，下标的摩尔分数，下标e e代代 表平衡），这时称气液两相达到相平衡，表平衡），这时称气液两相达到相平衡， 称为平衡溶解度，称为平衡溶解度， 简称为简称为溶解度溶解度 注意：注意：此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间 进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，进入液相

17、的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等， 在宏观上过程就象是停止了。这种状态称为相际动态平衡，简在宏观上过程就象是停止了。这种状态称为相际动态平衡，简 称相平衡。称相平衡。 4.2.14.2.1平衡溶解度平衡溶解度 溶质在气、液相间的平衡关系是分析判断溶质在溶质在气、液相间的平衡关系是分析判断溶质在 相间传递过程中的方向、极限以及确定传递过程推动力相间传递过程中的方向、极限以及确定传递过程推动力 大小的依据。大小的依据。 总压总压P不很高时，溶解度只取决于该气体在气相中的分压，与不很高时，溶解度只取决于该气体在气相中的分压，与 P无关无关。 溶解度曲线与物系、溶解度曲线与物系、温度、压力

18、等因素有关，温度、压力等因素有关， 溶解平衡溶解平衡动态平衡动态平衡 气相分压气相分压平衡分压平衡分压 （饱和分压）；液相中溶质的组成（饱和分压）；液相中溶质的组成 平衡组成平衡组成 （溶解度：以单位质量（体积）溶剂中的溶质）（溶解度：以单位质量（体积）溶剂中的溶质） 图图4-5 几种气体在水中的溶解度曲线几种气体在水中的溶解度曲线 易溶气体易溶气体 溶解度大的气体如溶解度大的气体如NH3 难溶气体难溶气体 溶解度小的气体如溶解度小的气体如O2、CO2 溶解度适中的气体溶解度适中的气体 介乎其间的如介乎其间的如SO2 2）一定温度下，气体溶解度随气相分压增）一定温度下，气体溶解度随气相分压增

19、加而增大；加而增大； 3）稀溶液的溶解度曲线为直线。）稀溶液的溶解度曲线为直线。 1）同样温度、压力下，不同物质的溶解度不同；）同样温度、压力下，不同物质的溶解度不同； 加压对吸收过程有利。加压对吸收过程有利。 结论：结论： 加压和降温有利于吸收操作过程；加压和降温有利于吸收操作过程； 而减压和升温则有利于解吸操作过而减压和升温则有利于解吸操作过 程。程。 4.2.14.2.1平衡溶解度平衡溶解度 亨利定律亨利定律 总压不高（不超过总压不高（不超过5105Pa）时，在一定温）时，在一定温 度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压度下，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，

20、其比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。例系数为亨利系数。 ExpeAA Exp * HCpe H C p A A * mxye AA mxy * 4.2.14.2.1平衡溶解度平衡溶解度 为溶液的总摩尔浓度， mxx p E yx p E p p e e p E m HC C C EExp M e M HCE M C M M M M C 1.判别过程的方向判别过程的方向 y ye 或 x PA 吸收） y xe 解吸 （ PA Pe 解吸） 4.2.2相平衡和吸收过程的关系相平衡和吸收过程的关系 4.2.24.2.2相平衡吸收过程的关系相平衡吸收过程的关系 2.2.指明过

21、程的极限指明过程的极限 2x 2x exx11 1y eyy22 1y 1x 2y m y xx e 1 1max, 1 22 min, 2mxyy e 3.3.计算过程的推动力计算过程的推动力 推动力推动力 y-ye 或或 xe-x 注意推动力不等于注意推动力不等于y-x！ 【例例】在总压在总压101.3kPa，温度，温度30的条件下的条件下, SO2摩尔摩尔 分率为分率为0.3的混合气体与的混合气体与SO2摩尔分率为摩尔分率为0.01的水溶液的水溶液 相接触，试问相接触，试问: 1.从液相分析从液相分析SO2的传质方向；的传质方向； 2.从气相分析，其它条件不变，温度降到从气相分析，其它条

22、件不变，温度降到0SO2的传的传 质方向；质方向； 3.其它条件不变，从气相分析，总压提高到其它条件不变，从气相分析，总压提高到 202.6kPa时时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率的传质方向，并计算以液相摩尔分率 差及气相摩尔分率差表示的传质推动力。差及气相摩尔分率差表示的传质推动力。 p E m 3 .101 4850 00627. 0 88.47 3 . 0 * m y x 解：解：(1)查得在总压查得在总压101.3kPa，温度，温度30条件下条件下SO2 在水中的亨利系数在水中的亨利系数E=4450kPa 所以所以 47.44 从液相分析从液相分析 x=0.01 故故SO2必然

23、从液相转移到气相，进行解吸过必然从液相转移到气相，进行解吸过 程。程。 （2）查得在总压查得在总压101.3kPa，温度，温度0的条件下，的条件下， SO2在水中的亨利系数在水中的亨利系数E=1670kPa 从气相分析从气相分析 y*=mx=16.490.01=0.16y=0.3 故故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过必然从气相转移到液相，进行吸收过 程。程。 p E m 3 .101 1670 =16.49 p E m 6 .202 4850 （3）在总压）在总压202.6kPa，温度，温度30条件下，条件下，SO2在在 水中的亨利系数水中的亨利系数E=4450kPa 从气相分析从气相分

24、析 y*=mx=23.94 0.01=0.24y=0.3 故故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过必然从气相转移到液相，进行吸收过 程。程。 =23.94 0125. 0 94.23 3 . 0 * m y x 以液相摩尔分数表示的吸收推动力为以液相摩尔分数表示的吸收推动力为: x=x*x=0.01250.01=0.0025 以气相摩尔分数表示的吸收推动力为以气相摩尔分数表示的吸收推动力为: y= y y*=0.30.24=0.06 结论：结论： 1.降低操作温度，降低操作温度，E 、m ，溶质在液相中的溶解度，溶质在液相中的溶解度 增加，有利于吸收；增加，有利于吸收； 2.压力不太高时，压

25、力不太高时，P , E变化忽略不计；但变化忽略不计；但m 使溶质使溶质 在液相中的溶解度增加，有利于吸收。在液相中的溶解度增加，有利于吸收。 4.3 4.3 吸收速率吸收速率 吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步 骤：骤： 溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递； 溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发 生的溶解过程生的溶解过程 溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。 传质

26、阻力 传质推动力 传质速率 通常，第步即界面上发生的溶解过程通常，第步即界面上发生的溶解过程 很容易进行，其阻力很小，故认为相界很容易进行，其阻力很小，故认为相界 面上的溶解推动力亦很小，面上的溶解推动力亦很小， 无论是气相还是液相，物质传递的机理包括以下两种。无论是气相还是液相，物质传递的机理包括以下两种。 分子扩散分子扩散。类似于传热中的热传导，是分子微。类似于传热中的热传导，是分子微 观运动的宏观统计结果。本章仅讨论因浓度梯度而造观运动的宏观统计结果。本章仅讨论因浓度梯度而造 成的分子扩散速率。发生在静止或层流流体里的扩散成的分子扩散速率。发生在静止或层流流体里的扩散 就是分子扩散。就是

27、分子扩散。 对流传质对流传质。是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起。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。子扩散外更主要的是对流传质。 费克定律费克定律 只要流体内部有浓度梯度，就会产生分子扩散，只要流体内部有浓度梯度，就会产生分子扩散， 在恒温恒压下，一维分子扩散速率可用费克定律表达在恒温恒压下，一维分子扩散速率可用费克定律表达 如下如下 ： 浓度梯度浓度梯度 指向浓度增加的方向，而扩散向浓指向浓度增加的方向，而扩散向浓 度降低的方度降低的方 向进行，故式中加负号。向进行，故式中

28、加负号。DABDAB为组分为组分A A在双在双 组分混合物组分混合物A A、B B中的扩散系数。中的扩散系数。 d dC DJ A ABA d dCA sm Kmol 2 4 m Kmol s m 2 总浓度总浓度 ii CCCCC BABAM 层流气层（气膜） 气相主体 液相主体 4.3.24.3.2扩散系数扩散系数 扩散系数是物质的一种传递性质。它在传质中的作用扩散系数是物质的一种传递性质。它在传质中的作用 与导热系数在传热中的作用相类似，但比导热系数更为复与导热系数在传热中的作用相类似，但比导热系数更为复 杂：一种物质的扩散总是相对于其他物质而言的，所以它杂：一种物质的扩散总是相对于其他

29、物质而言的，所以它 至少要涉及两种物质，同一组分在不同混合物中的扩散系至少要涉及两种物质，同一组分在不同混合物中的扩散系 数是不一样的；扩散系数还与体系的温度、总压（气相）数是不一样的；扩散系数还与体系的温度、总压（气相） 或浓度（液相）有关。目前，扩散系数可由以下或浓度（液相）有关。目前，扩散系数可由以下3 3种途径获种途径获 得：得： 由试验测得。试验测定是求物质扩散系数的根本途径由试验测得。试验测定是求物质扩散系数的根本途径 从现有的手册中查得。从现有的手册中查得。 借助某些经验的或半经验的公式进行估算（查不到借助某些经验的或半经验的公式进行估算（查不到D D 又缺乏进行试验测定的条件时

30、）。又缺乏进行试验测定的条件时）。 4.3.24.3.2扩散系数扩散系数 (1)(1) 组分在气体中的扩散系数组分在气体中的扩散系数 表表4-14-1列出总压在列出总压在101.3kpa101.3kpa下某些气体在空气中下某些气体在空气中 的扩散系数数值，由表可见气体扩散系数的值约为的扩散系数数值，由表可见气体扩散系数的值约为 经分子运动论的理论推导与试验修正，可以得到经分子运动论的理论推导与试验修正，可以得到 估算气体扩散系数的半经验式，如式（估算气体扩散系数的半经验式，如式（4-114-11）所示。）所示。 对一定物系气体对一定物系气体D D与绝对温度与绝对温度T T的的1.811.81次

31、方成正比，与次方成正比，与 压强压强p p成反比。成反比。 12 101/cms (2) (2) 组分在液体中的扩散系数组分在液体中的扩散系数 表表4-24-2列出了某些物质在液体中的扩散系数，由于液体中的列出了某些物质在液体中的扩散系数，由于液体中的 分子要比气体中的分子密集的多，可以预计其扩散系数要比分子要比气体中的分子密集的多，可以预计其扩散系数要比 气体中气体中的扩的扩 散系数小的多散系数小的多, ,由表由表4-24-2知，知，液体中的扩散系数液体中的扩散系数 的数量级约为的数量级约为1010-5 -5cm cm2 2/s/s，为气相中的万分之一（气相约，为气相中的万分之一（气相约10

32、10- - 1 1 1cm1cm2 2/s/s）。）。 由于液体中的扩散在理论上还不成熟，用半经验式估算流由于液体中的扩散在理论上还不成熟，用半经验式估算流 体扩散系数不如气体可靠。此外，液体中组分的浓度对扩散体扩散系数不如气体可靠。此外，液体中组分的浓度对扩散 系数有很大的影响。系数有很大的影响。 对很稀的非电解溶液可按（对很稀的非电解溶液可按（4-124-12）估算。此式亦不须记）估算。此式亦不须记 住，但须记住式，住，但须记住式，D D与与T T成正比，与黏度成反比。成正比，与黏度成反比。 4.3.34.3.3对流传质对流传质 （1 1）对流对传质的贡献）对流对传质的贡献 通常传质设备中

33、的流体都是流动的，流动流体与相界通常传质设备中的流体都是流动的，流动流体与相界 面之间的物质传递称为对流传质（如前述溶质由气相主体面之间的物质传递称为对流传质（如前述溶质由气相主体 传到相界面及由相界面传到液相主体）。流体的流动加快传到相界面及由相界面传到液相主体）。流体的流动加快 了相内的物质传递，层流及湍流两种流动加快传质的原因了相内的物质传递，层流及湍流两种流动加快传质的原因 如下：如下： 溶质溶质A A组分在垂直于流动方向上的传质机理仍为分子扩散，但组分在垂直于流动方向上的传质机理仍为分子扩散，但 流动改变了横截面流动改变了横截面MNMN上的浓度分布，以气相和相界面的传上的浓度分布，以

34、气相和相界面的传 质为例，组分质为例，组分A A的浓度分布由静止气体的直线的浓度分布由静止气体的直线1 1变为曲线变为曲线2 2， 根据分子扩散速率方程式根据分子扩散速率方程式: : 层流流动层流流动 溶质溶质A A组分在垂直于流动方向上的传质机理仍为分子组分在垂直于流动方向上的传质机理仍为分子 扩散，但流动改变了横截面扩散，但流动改变了横截面MNMN上的浓度分布，以气相和上的浓度分布，以气相和 相界面的传质为例，组分相界面的传质为例，组分A A的浓度分布由静止气体的直线的浓度分布由静止气体的直线 1 1变为曲线变为曲线2 2，根据分子扩散速率方程式，根据分子扩散速率方程式: : A A W

35、d d c JD z 由于相界面处浓度梯度由于相界面处浓度梯度 变大，变大， AW (dd )cz AA ,JN强化了传质。强化了传质。 4.3.34.3.3对流传质对流传质 湍流流动湍流流动 湍流主体中流体产生大量的漩涡，引起流湍流主体中流体产生大量的漩涡，引起流 体质点间的剧烈混合，促进了横向（传质方向）体质点间的剧烈混合，促进了横向（传质方向） 的物质传递，流体主体的浓度分布被均化，浓度的物质传递，流体主体的浓度分布被均化，浓度 分布如曲线分布如曲线3 3所示。界面处的所示。界面处的浓度梯度浓度梯度进一步变大，进一步变大， 在主体浓度与界面浓度差相等在主体浓度与界面浓度差相等的情况下，传

36、质速的情况下，传质速 率得到进一步的提高。率得到进一步的提高。 （2 2）传质速率）传质速率 对流传质现象极为复杂，以湍流流动为例：在湍对流传质现象极为复杂，以湍流流动为例：在湍 流主体中存在大量漩涡，传质只要靠涡流扩散；靠近界流主体中存在大量漩涡，传质只要靠涡流扩散；靠近界 面附近有一层很薄的层流底层，传质主要靠分子扩散；面附近有一层很薄的层流底层，传质主要靠分子扩散； 在湍流主体和层流底层之间的过渡区漩涡扩散和分子扩在湍流主体和层流底层之间的过渡区漩涡扩散和分子扩 散都存在。对流扩散速率可仿照分子扩散的速率写成：散都存在。对流扩散速率可仿照分子扩散的速率写成： 不像不像 D D那样是物性参

37、数，它与流体的湍动程度有关，那样是物性参数，它与流体的湍动程度有关， 也与流体质点的位置有关，难于用试验的方法测定，它的表也与流体质点的位置有关，难于用试验的方法测定，它的表 达式形式好看但不好用，因而不能将代入的表达式中积分求达式形式好看但不好用，因而不能将代入的表达式中积分求 出对流传质速率、怎么办？目前一般是仿照对流给热，将对出对流传质速率、怎么办？目前一般是仿照对流给热，将对 流传质速率方程写成类似于牛顿冷却定律流传质速率方程写成类似于牛顿冷却定律 或或 的形式，即认为的形式，即认为 正正 比于流体主体浓度与界面浓度之差，但与对流传热不同的是比于流体主体浓度与界面浓度之差，但与对流传热

38、不同的是 气液两相的浓度都可用不同的单位表示，所以气液两相的浓度都可用不同的单位表示，所以 可写成多可写成多 种形式：种形式： 气相与界面间的气相与界面间的 式中：式中： 以分压差表示推动力的气相传质系数以分压差表示推动力的气相传质系数 E D W ()QA TT W ()qTT A N A N AGAA () i Nkpp G 2 kmol k ms kpa 4.3.34.3.3对流传质对流传质 Ay () i Nkyy y 2 kmol k ms ALAA () i Nkcc L 2 kmolm k ms kpas Ax () i Nkxx x 2 kmol k ms 4.3.3对流传质

39、上述处理方法实际上是将一组流体主体浓度和界面上述处理方法实际上是将一组流体主体浓度和界面 浓度之差作为对流传质的推动力，而将影响对流传质的众浓度之差作为对流传质的推动力，而将影响对流传质的众 多因素包括到气相（或液相）传质系数中。多因素包括到气相（或液相）传质系数中。现在问题归结现在问题归结 到如何得到各种具体条件下的传质系数（用试验测定的方到如何得到各种具体条件下的传质系数（用试验测定的方 法），法）， yG kpk xML kc k 4.3.34.3.3对流传质对流传质 然而，实际使用的传质设备形式各样（各种填料塔和然而，实际使用的传质设备形式各样（各种填料塔和 板式塔），塔内流动情况十分

40、复杂，两相的接触面液往往板式塔），塔内流动情况十分复杂，两相的接触面液往往 难以确定，这使对流传质分系数（气相或液相）的一般准难以确定，这使对流传质分系数（气相或液相）的一般准 数关联式远不及传热那样完善和可靠。同学们以后设计塔数关联式远不及传热那样完善和可靠。同学们以后设计塔 设备时要查阅有关的文献资料找出自己的设计条件相近的设备时要查阅有关的文献资料找出自己的设计条件相近的 传质系数关联式，有条件应通过试验测定。传质系数关联式，有条件应通过试验测定。 4.3.54.3.5对流传质理论对流传质理论 为了揭示对流传质系数的物理本质，从理论上说明各因素为了揭示对流传质系数的物理本质，从理论上说明

41、各因素 对它的影响，不少研究者采用数学模型法加以研究，提出了对它的影响，不少研究者采用数学模型法加以研究，提出了 多种传质模型。我们先简要回顾数学模型法的主要研究步骤：多种传质模型。我们先简要回顾数学模型法的主要研究步骤： 将复杂的真实过程本省简化成易于用数学方程式描述的物将复杂的真实过程本省简化成易于用数学方程式描述的物 理模型；理模型； 对所得到的物理模型进行数学描述即建立数学模型；对所得到的物理模型进行数学描述即建立数学模型； 通过试验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数。通过试验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数。 4.3.54.3.5对流传质理论对流传质理论 不同的研究者对

42、过程的理解不同从而导出不同的模型，不同的研究者对过程的理解不同从而导出不同的模型， 下面简要介绍三个重要的产值模型。下面简要介绍三个重要的产值模型。 （1 1）有效膜理论（惠特曼）有效膜理论（惠特曼 WhitmanWhitman，19231923年）年） a 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、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，其厚度分别为膜，其厚度分别为 和和 ，气相或液相主体内由于流体高度湍，气相或液相主体内由于流体高度湍 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

43、和液相的传质阻力也全部集中于该两层有效膜内；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 b、静止或层流有效、静止或层流有效 膜中的传质是定态的分子扩散膜中的传质是定态的分子扩散。 G L 4.3.54.3.5对流传质理论对流传质理论 （2 2）溶质渗透理论（希格比）溶质渗透理论（希格比 HigbieHigbie，19351935年）年） 希格比认为液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完希格比认为液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完 全的混合，使液体的浓度均匀化，在全的混合，使液体的浓度均匀化，在 时间内，液相中时间内，液相中 发生的不再是定态的扩散过程，而是非定态的扩散过程

44、。发生的不再是定态的扩散过程，而是非定态的扩散过程。 根据上述假设经数学描述得到：根据上述假设经数学描述得到： 0 0.5 L 0 2 D kD 与试验结果较吻合，但与试验结果较吻合，但 难以测定。难以测定。 0 4.3.54.3.5对流传质理论对流传质理论 （3 3）表面更新理论（丹克沃茨）表面更新理论（丹克沃茨 Danckwerts,1951Danckwerts,1951年）年） 丹克沃茨认为液体在流动过程中表面不断更新，即不断地丹克沃茨认为液体在流动过程中表面不断更新，即不断地 有液体从主体转为界面而暴露于气相中，这种界面不断更新有液体从主体转为界面而暴露于气相中，这种界面不断更新 传质

45、过程大大强化，其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程传质过程大大强化，其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程 才能将溶质传至液体深处，现通过表面更新，深处的液体就有才能将溶质传至液体深处，现通过表面更新，深处的液体就有 机会直接与气体接触以接受传质。定义机会直接与气体接触以接受传质。定义S S为表面更新频率，经过为表面更新频率，经过 数学描述并求解得到：数学描述并求解得到： 0.5 L kDSD 与试验结果较吻合，但与试验结果较吻合，但S S难求。难求。 综上所述，溶质渗透理论和表面更新理论比有效膜理论更综上所述，溶质渗透理论和表面更新理论比有效膜理论更 接近实际情况，但接近实际情况，但 或或S

46、S难以测定，将它们用于传质过程的设难以测定，将它们用于传质过程的设 计仍有一段距离，故目前用于传质设备设计主要还是有效膜计仍有一段距离，故目前用于传质设备设计主要还是有效膜 理论。理论。 0 4.4 4.4 相际传质相际传质 溶质从一个相转移到另一个相称为相际传质或两相间的传质。吸溶质从一个相转移到另一个相称为相际传质或两相间的传质。吸 收过程的相际传质是由气相与界面间的对流传质、界面上溶质组分的收过程的相际传质是由气相与界面间的对流传质、界面上溶质组分的 溶解、液相与界面间的对流传质三个过程串联而成。解决吸收过程相溶解、液相与界面间的对流传质三个过程串联而成。解决吸收过程相 际传质速率问题目

47、前是用双膜模型。际传质速率问题目前是用双膜模型。 （1 1）双膜模型）双膜模型 在相互接触的气液两相间存在着稳定的相界面，界面两侧分别在相互接触的气液两相间存在着稳定的相界面，界面两侧分别 存在着一个很薄的有效层流气膜和液膜，被吸收的溶质组分只能存在着一个很薄的有效层流气膜和液膜，被吸收的溶质组分只能 分子扩散的方式通过这两层膜，气相和液相的浓度变化（即推动分子扩散的方式通过这两层膜，气相和液相的浓度变化（即推动 力）及阻力均分别几种在这两层膜中，故力）及阻力均分别几种在这两层膜中，故 气相与界相气相与界相 Ay y () 1/ i i yy Nkyy k 界面与液相界面与液相 Ax x ()

48、 1/ i i xx Nkxx k 4.4 4.4 相际传质相际传质 相界面上不存在传质阻力，所需传质推动力等零，即在相界面上不存在传质阻力，所需传质推动力等零，即在 界面上气、液两相浓度成平衡，界面上气、液两相浓度成平衡， 。 ( ) ii yf x 对稀溶液：对稀溶液： （通过原点的直线）（通过原点的直线） ii ymx 或在计算范围内平衡线近似为直线：或在计算范围内平衡线近似为直线： ii ymxa 4.4 4.4 相际传质相际传质 （2 2）相际传质速率方程）相际传质速率方程 我们讨论的是定态传质问题，气相与界面间的传质速率我们讨论的是定态传质问题，气相与界面间的传质速率 应等于界面与

49、液相的传质速率，即应等于界面与液相的传质速率，即 A 1/1/ ii yx yyxx N kk A yx 1 ii yyxx m N m kk 4.4 4.4 相际传质相际传质 对稀溶液对稀溶液 e , ii ymx ymx e () ii m xxyy e A yx 1/ yy N km k y yx 1 1/ K km k yyx 11m Kkk ( (总阻力气膜阻力液膜阻力，符合双膜模型总阻力气膜阻力液膜阻力，符合双膜模型) ) Aye ()NKyy 4.4 4.4 相际传质相际传质 e ymxa ii ymxa思考题：若平衡关系为思考题：若平衡关系为 ， 上式成立否？上式成立否？ 为什

50、么？为什么？ 为得到以为得到以 为总推动力的总传质（相对传质）速率方程，为总推动力的总传质（相对传质）速率方程， 该如何处理？该如何处理？ () e xx e A yxyx /() 1111 ii yymxxxx N mkkmkk Axe ()NKxx x yx 1 1/1/ K mkk xyx 111 Kmkk xy KmK 4.4 4.4 相际传质相际传质 你能导出解吸时的总传质（相际传质）速率方程吗？若能你能导出解吸时的总传质（相际传质）速率方程吗？若能 请导出其表达式，并与吸收的方程比较。请导出其表达式，并与吸收的方程比较。 Aye ()NKyy Axe ()NKxx 解吸时总推动力与

51、吸收相反，但总传质系数与吸收相同。解吸时总推动力与吸收相反，但总传质系数与吸收相同。 4.4.2 4.4.2 传质阻力的控制步骤传质阻力的控制步骤 总传质阻力为气膜传质阻力与液膜传质阻力之和，即总传质阻力为气膜传质阻力与液膜传质阻力之和，即 yyx 11m Kkk xyx 111 Kmkk (1)(1)气膜阻力控制气膜阻力控制 1 yx m kk ，此时的传质阻力主要集中于，此时的传质阻力主要集中于 yy Kk yy 11 Kk 气膜，气膜， 称这种情况为称这种情况为“气膜阻力控制气膜阻力控制”。 4.4.2 4.4.2 传质阻力的控制步骤传质阻力的控制步骤 (2)(2)液膜阻力控制液膜阻力控

52、制 yx 11 mkk 当当 时，时， xx 11 Kk xx Kk 即即 此时的传质阻力只要集中于液膜此时的传质阻力只要集中于液膜 称这种情况为称这种情况为“液膜阻力控制液膜阻力控制”。 4.5 4.5 低含量气体吸收（进塔混合气中溶质含量）低含量气体吸收（进塔混合气中溶质含量） 以逆流填料吸收塔为例以逆流填料吸收塔为例 （1 1）低含量气体吸收的特点）低含量气体吸收的特点 G G、L L可视为常量可视为常量 吸收过程时等温吸收过程时等温 传质系数为常量传质系数为常量 在吸收过程中在吸收过程中G、L没有变化，当稳定操作时，吸收没有变化，当稳定操作时，吸收 质在气相中减少的量应等于在液相中增加

53、的量，则可列出质在气相中减少的量应等于在液相中增加的量，则可列出 下列物料衡算式：下列物料衡算式： 在塔内任一截面在塔内任一截面M-MM-M；的气液两相中，吸收质的浓度分；的气液两相中，吸收质的浓度分 别为别为y y和和x x，则可以在，则可以在与塔顶截面之间作物料衡算得出与塔顶截面之间作物料衡算得出 22 GyLxGyLx (2) 吸收塔中的物料衡算吸收塔中的物料衡算-操作线方程操作线方程 22 )(YXX G L Yy2y 操作线方程操作线方程 22 LL yxyx GG 操作线在操作线在X-Y坐标图上为一直线坐标图上为一直线 1.通过通过(xA1 ,yA1)和和(xA2,yA2)两点两点

54、 2.斜率斜率=L / G . 3.操作线上的任一点操作线上的任一点,表示相应于吸收塔某一截面上气液两相的表示相应于吸收塔某一截面上气液两相的yA与与xA的关系的关系. 4.操作线与平衡线间的操作线与平衡线间的距离距离是吸收的是吸收的推动力推动力 y-ye(两线在纵轴间的距离两线在纵轴间的距离).或或X- Xe(两线在横轴间的距离两线在横轴间的距离). y1 y2 22 )(YXX G L Yy2y 11 (3)吸收剂的用量吸收剂的用量 A、液气比、液气比:L/ G 不同液气比对吸收推动力的不同液气比对吸收推动力的 影响和吸收所得溶液浓度的影响影响和吸收所得溶液浓度的影响 如如 L/G=(x1

55、-x2)/(y1-y2) y1,y,2,G,x2常由工艺条件所常由工艺条件所 决定决定,此时此时: 吸收的吸收的液气比越大液气比越大,液相中液相中 吸收质的吸收质的浓度浓度X1越小越小,吸收吸收 的的推动力越大推动力越大. 反之反之,液气比降低液气比降低, X1提高提高, 推动力下降推动力下降. B B、最小液气比、最小液气比 当当 减小到图中的减小到图中的C C时，操作线与平衡线时，操作线与平衡线 相交与相交与C C点，塔底的气、液两相组成达到点，塔底的气、液两相组成达到 平衡，此时塔底推动力为零，所需塔高平衡，此时塔底推动力为零，所需塔高 将为无穷大，显然这是液气比的下限，将为无穷大，显然

56、这是液气比的下限， 通常称之为吸收设计的最小液气比，可通常称之为吸收设计的最小液气比，可 按物料衡算求得：按物料衡算求得： L G 12 min 1e2 () yyL Gxx 最小液气比是一种极限状态，用最小液气比是一种极限状态，用 表示，其相应的吸收剂的用量为最小吸收剂的表示，其相应的吸收剂的用量为最小吸收剂的 用量，用用量，用(L/G)min表示。表示。 吸收剂最小液气比为吸收剂最小液气比为: G 最小液气比是一种极限状态最小液气比是一种极限状态,其相应的吸其相应的吸 收剂的用量为最小吸收剂的用量，用收剂的用量为最小吸收剂的用量，用 min表示。表示。 吸收剂最小液气比为吸收剂最小液气比为

57、: L G 12 min 1e2 () yyL Gxx 吸收剂用量减少吸收剂用量减少,推动力随之减小推动力随之减小,要达到要要达到要 求的吸收速率求的吸收速率,需要增大气液接触面积需要增大气液接触面积,增大吸收增大吸收 塔尺寸塔尺寸.反之反之,增大吸收剂用量增大吸收剂用量,推动力增大推动力增大,可减小可减小 接触面积接触面积,但出塔液体吸收质浓度降低但出塔液体吸收质浓度降低. 最小液气比时，虽然吸收剂用量为最小，最小液气比时，虽然吸收剂用量为最小， 但塔底吸收推动力为零，所需吸收接触面积但塔底吸收推动力为零，所需吸收接触面积 无穷大，设备投资加大；反之，增大吸收剂无穷大，设备投资加大；反之，增

58、大吸收剂 用量，吸收推动力随之增大，可减小接触面用量，吸收推动力随之增大，可减小接触面 积，但操作费用增加。通常吸收剂的实际用积，但操作费用增加。通常吸收剂的实际用 量：量：L/G适宜 适宜 = 1.12.0(L/G)最小。最小。 实际计算中，先通过气液平衡关系实际计算中，先通过气液平衡关系y=m xe 由由y1求出求出x1最大 最大(xe)，继而求出最小液气比 ，继而求出最小液气比，再求再求 出适宜液气比出适宜液气比，以确定适宜的吸收剂用量以确定适宜的吸收剂用量。 吸收塔中的传质速率吸收塔中的传质速率 接触面接触面 传质量传质量dGA 浓度变化浓度变化 dy G y1 y2 dA X2 X1

59、 (4)填料层高度的计算 如图，取一微元填料层，其高 度为dh,气液接触面积为dA,依据 物料衡算，该微元段内气液之 间吸收质的传递量dGA为： dGA=GdyA=LcdXA 又根据吸收速率方程，经过该微元 填料层内气相和液相吸收质的变化量 分别为： dGA=NAdA=KY(y-ye)dA dGA=NAdA=KX(Xe- XA)dA 该微元填料层的气液接触面积 dA=adh GdyA= KY(yA-ye)adh LdX=KX(Xe-X) adh 填料塔稳定操作时，G、L、a、S均为定值。对 低浓度气体吸收，KY、KX均可视为常数，因而经整 理积分可得 填料层高度的基本计算式 G L a a 将

60、上式的常数项与积分项分开，并令 y1 OGOG y2 ey d , yG NH yyK a x1 OLOL x2 ex d , xL NH xxK a 当吸收塔两截面间吸收质的浓度变化等于该范围内的当吸收塔两截面间吸收质的浓度变化等于该范围内的 吸收推动力时吸收推动力时,该区域就称为一个传质单元该区域就称为一个传质单元,整个填料层就由整个填料层就由 这些传质单元组成这些传质单元组成. 传质单元高度是指在填料比表面和塔径一定的条件下，传质单元高度是指在填料比表面和塔径一定的条件下， 与一个传质单元所需的传质面积相当的填料层的高度。与一个传质单元所需的传质面积相当的填料层的高度。 OGOGOLOL