ch8 气体吸收

1、第八章第八章 气体吸收气体吸收化工原理化工原理本章要点：本章要点： 吸收过程的气液相平衡关系吸收过程的气液相平衡关系吸收速率方程吸收速率方程吸收塔的计算：吸收塔的计算： 物料衡算，物料衡算， 吸收剂用量计算，吸收剂用量计算， 塔径，塔径， 填料层高度计算填料层高度计算 化工原理化工原理8.1 概概 述述例如：例如：煤气中煤气中H2S的净化，工业废气的净化，工业废气SO2吸收。吸收。 合成氨厂空气中氨回收、合成氨厂空气中氨回收、DMF回收、回收、 HCl、NOx、SO3气体制酸。气体制酸。气体混合物气体混合物分分 离离净化净化回收回收物化性质差异物化性质差异化工原理化工原理吸收的应用（目的）吸收

2、的应用（目的）1. 原料气的净化：天然气中原料气的净化：天然气中H2S的净化的净化2. 有用组分回收：有用组分回收：硫酸处理焦炉气回收氨硫酸处理焦炉气回收氨, 洗油处理焦炉气回收芳烃，液态洗油处理焦炉气回收芳烃，液态烃处理裂解气回收乙烯、丙烯烃处理裂解气回收乙烯、丙烯3. 某些产品的制取：某些产品的制取： HCl +H2ONO2 +H2O HCHO +H2O 4. 废气的治理废气的治理 ：用碱液吸收工业废气中的：用碱液吸收工业废气中的SO2。 丙酮吸收裂解气中的乙炔。丙酮吸收裂解气中的乙炔。盐酸盐酸HNO3福尔马林溶液福尔马林溶液8.1 概概 述述化工原理化工原理 吸收的定义吸收的定义 使使混

3、合气体混合气体与选择的某种与选择的某种液体液体相相接触时接触时, ,利用混合气体中各组分在该利用混合气体中各组分在该液体中液体中溶解度的差异溶解度的差异, ,有选择的有选择的使混使混合气体中一种或几种组分溶于此液体合气体中一种或几种组分溶于此液体而形成溶液而形成溶液, ,其它未溶解的组分仍保其它未溶解的组分仍保留在气相中留在气相中, ,以达到从混合气体中分以达到从混合气体中分离出某些组分的目的。离出某些组分的目的。 吸收塔吸收塔混合气体混合气体溶液溶液尾气尾气吸收剂吸收剂8.1 概概 述述化工原理化工原理需要了解的几个概念需要了解的几个概念 吸收操作的依据：吸收操作的依据：混合物各组分在某种溶

4、剂（吸收剂）混合物各组分在某种溶剂（吸收剂）中溶解度（或化学反应活性）的差异。中溶解度（或化学反应活性）的差异。溶质：溶质：混合气体中，能够显著溶解的组分称为溶质或吸混合气体中，能够显著溶解的组分称为溶质或吸收质；收质；惰性组分：惰性组分：不被溶解的组分称为惰性组分（惰气）或载不被溶解的组分称为惰性组分（惰气）或载体；体；吸收剂：吸收剂：吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂或溶剂；吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂或溶剂；吸收液：吸收液：吸收操作中所得到的溶液称为吸收液或溶液，吸收操作中所得到的溶液称为吸收液或溶液，其成分为溶质其成分为溶质A A和溶剂和溶剂S S；8.1 概概 述述化工原理化工原理吸收

5、：吸收：气相中吸收质的实际分压高于与液相成平衡的吸收气相中吸收质的实际分压高于与液相成平衡的吸收质分压，吸收质由气相向液相转移。质分压，吸收质由气相向液相转移。解吸：解吸：吸收的反过程，吸收质与吸收剂分离吸收的反过程，吸收质与吸收剂分离-纯物质纯物质的获取，吸收剂的反复利用。的获取，吸收剂的反复利用。气相中吸收质的实际分压低于与液相成平衡的吸收质分压，气相中吸收质的实际分压低于与液相成平衡的吸收质分压，吸收质由液相向气相转移。吸收质由液相向气相转移。吸收和解吸吸收和解吸：原理一致，装置均为吸收塔，传质方向相反。：原理一致，装置均为吸收塔，传质方向相反。8.1 概概 述述化工原理化工原理一、工业

6、吸收过程一、工业吸收过程必须解决问题必须解决问题1 1、选择合适的吸收剂；、选择合适的吸收剂；2 2、提供合适的气液传质设备；、提供合适的气液传质设备；3 3、吸收剂的再生循环使用。、吸收剂的再生循环使用。吸收塔吸收塔解吸塔解吸塔8.1 概概 述述化工原理化工原理例：乙醇胺法脱硫例：乙醇胺法脱硫吸收与解吸操作流程吸收与解吸操作流程 吸收塔吸收塔解吸塔解吸塔加加热热器器冷冷却却器器回收回收H2S过热蒸汽过热蒸汽含硫气体含硫气体乙醇胺乙醇胺脱硫气体脱硫气体8.1 概概 述述化工原理化工原理二、吸收二、吸收( (传质传质) )设备设备 板式塔板式塔降液管降液管填料层填料层气体气体液体液体气体气体液体

7、液体塔板塔板气体气体液体液体气体气体液体液体 填料塔填料塔8.1 概概 述述化工原理化工原理三、吸收操作的分类三、吸收操作的分类按是否有化学反应分按是否有化学反应分: :物理吸收物理吸收、化学吸收、化学吸收按有无明显温度变化分按有无明显温度变化分: :等温吸收等温吸收、非等温吸收、非等温吸收按组分数分按组分数分: :单组分吸收单组分吸收、多组分吸收、多组分吸收按浓度分按浓度分: :低浓度气体吸收低浓度气体吸收（溶质在气液相中的摩尔分（溶质在气液相中的摩尔分率均小于率均小于0.1，流率为常数，流率为常数）、高浓度气体吸收）、高浓度气体吸收 本章主要讨论本章主要讨论: :低浓度、单组分、等温的物理

8、吸收。低浓度、单组分、等温的物理吸收。8.1 概概 述述化工原理化工原理(1)(1)吸收一般采用气液逆流接触：气体从塔底吸收一般采用气液逆流接触：气体从塔底进入，液体从塔顶喷淋而下，可使全塔平均传进入，液体从塔顶喷淋而下，可使全塔平均传质推动力最大（类似传热）。质推动力最大（类似传热）。(2)(2)若所需的吸收塔高度太高，可采用若所需的吸收塔高度太高，可采用串联串联或或并联并联操作操作. .8.1 概概 述述 注意注意 工业上一般工业上一般吸收吸收和和解吸解吸作为一个整体：作为一个整体：化工原理化工原理吸收塔吸收塔1 1吸收塔吸收塔2 2串联串联吸收塔吸收塔1 1吸收塔吸收塔2 2并联并联8.

9、1 概概 述述化工原理化工原理四、吸收剂的选用四、吸收剂的选用溶解度溶解度 溶质在溶剂中的溶解度要大，即在一定的温度溶质在溶剂中的溶解度要大，即在一定的温度和浓度下，溶质的平衡分压要低，这样可以提高吸收和浓度下，溶质的平衡分压要低，这样可以提高吸收速率并减小吸收剂的耗用量，气体中溶质的极限残余速率并减小吸收剂的耗用量，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低。浓度亦可降低。选择性选择性 吸收剂对混合气体中的溶质要有良好的吸收能吸收剂对混合气体中的溶质要有良好的吸收能力，而对其它组分应不吸收或吸收甚微。力，而对其它组分应不吸收或吸收甚微。蒸气压蒸气压 操作温度下吸收剂的蒸气压要低，因为离开吸操作温度下吸

10、收剂的蒸气压要低，因为离开吸收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。8.1 概概 述述化工原理化工原理粘性粘性 吸收剂粘度要低，流体输送功耗小。吸收剂粘度要低，流体输送功耗小。化学稳定性化学稳定性 避免因吸收过程中条件变化而引起吸避免因吸收过程中条件变化而引起吸 收剂变质。收剂变质。腐蚀性腐蚀性 吸收剂腐蚀性应尽可能小。吸收剂腐蚀性应尽可能小。其它其它 所选用吸收剂应尽可能满足价廉、易得、易所选用吸收剂应尽可能满足价廉、易得、易再生、无毒、无害、不易燃烧、不易

11、爆等要求。再生、无毒、无害、不易燃烧、不易爆等要求。四、吸收剂的选用四、吸收剂的选用8.1 概概 述述化工原理化工原理8.1 概概 述述化工原理化工原理从合成氨原料气中回收从合成氨原料气中回收CO2的流程的流程 8.1 概概 述述化工原理化工原理五、吸收操作的经济性五、吸收操作的经济性 吸收操作费用：吸收操作费用： 气液两相流经吸收设备的能量消耗，指泵送液体、风机送气的能耗。气液两相流经吸收设备的能量消耗，指泵送液体、风机送气的能耗。 溶剂的挥发损失和变质损失。溶剂的挥发损失和变质损失。 溶剂的再生费用，即解吸操作费，此项所占的比例最大。溶剂的再生费用，即解吸操作费，此项所占的比例最大。 吸收

12、设备费用：吸收设备费用： 吸收塔及辅助设备（泵、风机、加热器、冷却器等）的费用。吸收塔及辅助设备（泵、风机、加热器、冷却器等）的费用。 吸收操作的经济性：吸收操作的经济性：由总费用（即操作费用加设备费用）来衡量的。最经济的吸收操由总费用（即操作费用加设备费用）来衡量的。最经济的吸收操作应是操作费用与设备费用之和即总费用为最小。作应是操作费用与设备费用之和即总费用为最小。 8.1 概概 述述化工原理化工原理吸收过程中气体、液体两相的接触方式吸收过程中气体、液体两相的接触方式8.1 概概 述述化工原理化工原理级式接触级式接触 在每一板上与溶剂接触，其中可溶组分被部分地溶解。在此类设备在每一板上与溶

13、剂接触，其中可溶组分被部分地溶解。在此类设备中，气体每上升一块塔板，其可溶组分的浓度阶跃式地降低；溶剂逐板中，气体每上升一块塔板，其可溶组分的浓度阶跃式地降低；溶剂逐板下降，其可溶组分的浓度则阶跃式地升高。下降，其可溶组分的浓度则阶跃式地升高。 微分接触微分接触 气体中的可溶组分不断地被吸收，其浓度自下而上连续地降低；液气体中的可溶组分不断地被吸收，其浓度自下而上连续地降低；液体则相反，其中可溶组分的浓度则由上而下连续地增高，此乃微分接触体则相反，其中可溶组分的浓度则由上而下连续地增高，此乃微分接触式的吸收设备。式的吸收设备。8.1 概概 述述化工原理化工原理定态和非定态操作定态和非定态操作

14、上述两种不同接触方式的传质设备中所进行的吸收或上述两种不同接触方式的传质设备中所进行的吸收或其他传质过程可以是定态的连续过程，即设备内的过程参其他传质过程可以是定态的连续过程，即设备内的过程参数都不随时间而变；也可以是非定态的，即间歇操作或脉数都不随时间而变；也可以是非定态的，即间歇操作或脉冲式的操作。以下除特别说明外，均指冲式的操作。以下除特别说明外，均指连续定态操作连续定态操作。8.1 概概 述述化工原理化工原理本章所作的基本假定本章所作的基本假定 气体混合物中只有一个组分溶于溶剂，其气体混合物中只有一个组分溶于溶剂，其余组分在溶剂中的溶解度极低而可忽略不计，余组分在溶剂中的溶解度极低而可

15、忽略不计，因而可视为一个惰性组分。因而可视为一个惰性组分。 溶剂的蒸气压很低，其挥发损失可以忽略，溶剂的蒸气压很低，其挥发损失可以忽略，即气体中不含溶剂蒸气。即气体中不含溶剂蒸气。 8.1 概概 述述化工原理化工原理8.2气液相平衡气液相平衡气体吸收过程气体吸收过程实质上是溶质组分自气相通过相界面转移实质上是溶质组分自气相通过相界面转移（迁移）到液相的过程。（迁移）到液相的过程。现将气体吸收中的传质过程与传热过程进行对比现将气体吸收中的传质过程与传热过程进行对比传递对象传递对象 推动力推动力极限极限传热传热 热量热量 温差温差 T=t T=t吸收吸收 质量质量 ? ? ? ?化工原理化工原理

16、在一定温度下气液两相长期或充分接触后，在一定温度下气液两相长期或充分接触后，两相趋于平衡。此时溶质组分在两相中的浓两相趋于平衡。此时溶质组分在两相中的浓度服从某种确定的关系，即相平衡关系。度服从某种确定的关系，即相平衡关系。相平衡关系相平衡关系 8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理8.2.1 平衡溶解度平衡溶解度 在在一定温度一定温度下，使某下，使某一定量一定量气体与气体与一定量一定量液体溶剂在密液体溶剂在密闭容器中接触，溶质向溶剂中转移。经过足够长的时间，闭容器中接触，溶质向溶剂中转移。经过足够长的时间，气、液相浓度不再改变，气、液相浓度不再改变，宏观上传质过程停止宏观上传质过程停止,

17、 ,达成平衡。达成平衡。微观上是气体进出液体的分子数相等，微观上是气体进出液体的分子数相等，故称相际动平衡，故称相际动平衡，简称相平衡。简称相平衡。 达到平衡时，气相中溶质的压力称当时条件下的达到平衡时，气相中溶质的压力称当时条件下的平衡分平衡分压压p pA,eA,e，而液相中所含溶质气体的浓度既为当时条件下的气，而液相中所含溶质气体的浓度既为当时条件下的气体在液体中的体在液体中的溶解度溶解度。 8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理8.2气液相平衡气液相平衡道尔顿分压定律：道尔顿分压定律： 低压下气体混合物的总压低压下气体混合物的总压P等于组成该气体混合物的各组等于组成该气体混合物的各组

18、分的分压力之和。分的分压力之和。 分压分压是指气体混合物中任一组分是指气体混合物中任一组分A单独存在于气体混合物单独存在于气体混合物所处的温度、体积条件下所产生的压力所处的温度、体积条件下所产生的压力pA。例例:101.325的干燥空气中，的干燥空气中，氮氮的分压是的分压是79.193kPa，氧氧的分压的分压是是21.198kPa。 PPyAA 化工原理化工原理8.2气液相平衡气液相平衡阿玛格分体积定律：阿玛格分体积定律： 低压下气体混合物的总体积低压下气体混合物的总体积V等于组成该气体混合物的各等于组成该气体混合物的各组分的分体积之和。组分的分体积之和。 分体积分体积是指气体混合物中任一组分

19、是指气体混合物中任一组分A单独存在于气体混合单独存在于气体混合物所处的温度、压力条件下所产生的压力物所处的温度、压力条件下所产生的压力VA。例例:1L的干燥空气中，的干燥空气中，氮氮的分压是的分压是0.79L，氧氧的分压是的分压是0.21L。 VVyAA 化工原理化工原理8.2.1 平衡溶解度平衡溶解度溶质在两相中的浓度表示：溶质在两相中的浓度表示：气相中的组成：气相中的组成：P Pe, e, y ye,e,液相中的组成：液相中的组成：x, cx, c 气体在液体中的气体在液体中的平衡溶解度平衡溶解度表明一定条件下吸收过程可表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。能达到的极限程度。 8.2气

20、液相平衡气液相平衡化工原理化工原理实验测定实验测定若固定温度、总压力不变，测得某动平衡下，溶若固定温度、总压力不变，测得某动平衡下，溶液上方氨的分压为液上方氨的分压为p1，此时溶于水的氨的浓度为，此时溶于水的氨的浓度为x1；再改变浓；再改变浓度为度为x2 ，测得上方氨分压为，测得上方氨分压为p2, 依次类推，改变氨的浓度依次类推，改变氨的浓度为为xn，测得溶液上方氨的分压为，测得溶液上方氨的分压为pn ，如图，如图 所示。将这个点所示。将这个点(xn,Pn)，标绘在图上，即得在一定温度、压力下的溶解度曲线。，标绘在图上，即得在一定温度、压力下的溶解度曲线。 实测p-x曲线示意图一、溶解度曲线一

21、、溶解度曲线8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理分压与溶解度的关系分压与溶解度的关系 同种溶质：同种溶质：温度一定：温度一定：气相分压愈大，溶解度愈大（？）；气相分压愈大，溶解度愈大（？）；气相分气相分压一定：压一定：温度愈低，溶解度愈大（？）（与液体区分）。温度愈低，溶解度愈大（？）（与液体区分）。不同溶质：不同溶质：溶质本身的性质不同，比如极性，溶解度不同。溶质本身的性质不同，比如极性，溶解度不同。溶解度一定时，易溶气体溶液上方分压小，难溶气体溶解度一定时，易溶气体溶液上方分压小，难溶气体上方分压大。上方分压大。 注注加压、降温加压、降温有利

22、于吸收操作的进行，易溶气体有利于吸收操作的进行，易溶气体 仅需较小的分压就能达到一定溶解度。仅需较小的分压就能达到一定溶解度。8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理总压对溶解度的影响总压对溶解度的影响 在溶质的分压没有改变的情况下，总压对溶解度没有影响。在溶质的分压没有改变的情况下，总压对溶解度没有影响。溶解度仅与溶质的分压有关；溶解度仅与溶质的分压有关；若若y y为定值，总压改变意味着分压的改变。为定值，总压改变意味着分压的改变。？8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理 二、亨利定律二、亨利定律“在一定温度和压力下，某种气体在溶液中的浓度与液面在一定温度和压力下，某种气体在溶液中的浓

23、度与液面上该气体的平衡压力成正比上该气体的平衡压力成正比”-”- W. Henry,1803实验表明实验表明，只有当气体在液体中的溶解度不很高时该定律，只有当气体在液体中的溶解度不很高时该定律才是正确的，此时的气体实际上是稀溶液中的挥发性溶质，才是正确的，此时的气体实际上是稀溶液中的挥发性溶质，气体压力则是溶质的蒸汽压。气体压力则是溶质的蒸汽压。所以亨利定律还可表述为：在一定温度下，所以亨利定律还可表述为：在一定温度下，稀溶液稀溶液中溶质中溶质的蒸气分压与溶液浓度成正比。的蒸气分压与溶液浓度成正比。 P=Kx 8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理 只有溶质在气相中和液相中的分子状态相同时

24、，亨利定律才能适只有溶质在气相中和液相中的分子状态相同时，亨利定律才能适用。若溶质分子在溶液中有离解、缔合等，则不适用；在用。若溶质分子在溶液中有离解、缔合等，则不适用；在总压力不大总压力不大时，时，若多种气体同时溶于同一个液体中，亨利定律可分别适用于其中的任一若多种气体同时溶于同一个液体中，亨利定律可分别适用于其中的任一种气体；一般来说，溶液越稀种气体；一般来说，溶液越稀,亨利定律愈准确，在亨利定律愈准确，在x0时溶质能严格时溶质能严格服从定律。服从定律。 亨利定律亨利定律 注意注意 8.2气液相平衡气液相平衡 亨利系数与温度，溶质和溶剂的本性有关，亨利系数基本不受压亨利系数与温度，溶质和溶

25、剂的本性有关，亨利系数基本不受压力影响。力影响。化工原理化工原理表达式表达式: : 分压与摩尔分数的关系形式：分压与摩尔分数的关系形式：pe=ExE:亨利系数亨利系数,由实验测定，单位与压强单位一致。由实验测定，单位与压强单位一致。T E 溶解度溶解度 E含义：含义：表示气体溶解趋势表示气体溶解趋势在同一溶剂中，难溶气体的在同一溶剂中，难溶气体的E值很大，易溶气体的值很大，易溶气体的E值则值则很小。很小。分压与浓度的关系形式：分压与浓度的关系形式：pe=HcH:溶解度系数溶解度系数,单位单位:kmol/(kN m) 气液相摩尔分数的形式：气液相摩尔分数的形式：ye=mx m: :相平衡常数，相

26、平衡常数，T p m 溶解度溶解度 8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理亨利定律各系数之间的关系亨利定律各系数之间的关系 pe=Ex=Hcx=c/cM E=HcM cM= m/Mm E=HcM=H m/Mm H与与E 之间的关系之间的关系cM : 混合物的总浓度混合物的总浓度, Kmol/m3 m ：混合液的平均密度：混合液的平均密度, Kg/m3Mm ：混合液的平均摩尔质量：混合液的平均摩尔质量, Kg/Kmol8.2气液相平衡气液相平衡对于稀溶液对于稀溶液，cM s /Ms E H s/Ms s , Ms 分别为溶剂的密度和摩尔质量分别为溶剂的密度和摩尔质量化工原理化工原理 H、m与

27、与E 之间的关系之间的关系E=mp H s/Ms 8.2气液相平衡气液相平衡 m与与E 之间的关系之间的关系m=E/Pye=pe/P=(E/P)x=mxP: 总压总压化工原理化工原理xpEppe=亨利定律（亨利定律（Henry law）小结）小结ExHxccHpMe 与液相溶质浓度与液相溶质浓度cA 成平衡关成平衡关系的气相中溶质的分压系的气相中溶质的分压亨利系数，亨利系数，Pa适用稀溶液适用稀溶液ye=8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理 【例例5-1】总压为总压为101.325kPa、温度为、温度为20时，时，1000kg水中溶解水中溶解15kg NH3，此时溶液上方气相中，此时溶液

28、上方气相中NH3的平衡的平衡分压为分压为2.266kPa。试求。试求:溶解度系数溶解度系数H、亨利系数、亨利系数E、相、相平衡常数平衡常数m。【水的密度取水的密度取1000kg/m3】0156018100017151715./nnnnnxBAAA 0224.0325.101266.2 ppyee4361=0156002240=. . . .xyme8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理 E=Pm=101.3251.436=145.5kPa或者：或者：3145=015602662=. . . .xpEe615. 21000183 .145SsEMH 溶剂水的密度溶剂水的密度s=1000kg/

29、m3，摩尔质量，摩尔质量Ms=18kg/kmol， 计算计算H8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理 869010001000151715./mmM/mVncssAAAAA 61. 2869. 0266. 2AAcpH H值也可直接由亨利定律算出，溶液中值也可直接由亨利定律算出，溶液中NH3的浓度为的浓度为所以所以kmol/m3kmol/（m3kPa）8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理c= pe/H pe= P yH = E s / Ms 8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理8.2.2 相平衡关系在吸收过程中的应用相平衡关系在吸收过程中的应用（一）判断传质方向与传质推动力（一

30、）判断传质方向与传质推动力: : 1.判断传质方向判断传质方向: : ye=mx xe= y/m若若 y ye，吸收过程，吸收过程 若若 x xe，解吸过程，解吸过程 y = ye，平衡过程，平衡过程 x = xe，平衡过程，平衡过程 y ye，解吸过程，解吸过程 x pep=pepyey=yeyYeY=YeYYe液液相相ccexxeXXeyxABCxAyA,exA,eyAxe/xyCxxc,eye结论结论组成点组成点A在平衡线上方，为吸收过程在平衡线上方，为吸收过程组成点组成点B在平衡线上，为平衡过程在平衡线上，为平衡过程组成点组成点C在平衡线下方，为解吸过程在平衡线下方，为解吸过程8.2气

31、液相平衡气液相平衡y=mxexcyc,e化工原理化工原理2. 确定传质的推动力确定传质的推动力当传质进行时，其速率与传质的推动力大小有关，传质过程是否容易当传质进行时，其速率与传质的推动力大小有关，传质过程是否容易进行取决于实际组成偏离平衡组成的程度，因而推动力可用一相的实际进行取决于实际组成偏离平衡组成的程度，因而推动力可用一相的实际组成与其对应的平衡组成之差来表示组成与其对应的平衡组成之差来表示 。说明说明 实际组成偏离平衡组成的实际组成偏离平衡组成的程度愈大，过程的推动力愈程度愈大，过程的推动力愈大，其传质速率愈大，吸收大，其传质速率愈大，吸收/ /解吸过程愈容易进行。解吸过程愈容易进行

32、。吸收吸收平衡平衡解吸解吸气气相相p-pe0p-pey-ye0y-yeY-Ye0Y-Ye液液相相c-ce0c-cex-xe0 x-xeX-Xe0X-Xe8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理O(x,y)xe-xy-yeyyexex平衡曲线平衡曲线吸收：吸收： y - ye 0 y x（不是传质推动力，因为不同相（不是传质推动力，因为不同相) xe - x 0 , p- pe 0， ce - c 0 8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理yeyO(x,y)x-xeye -yxex平衡曲线平衡曲线解吸：解吸： ye - y 0 ， x - xe 0 ， pe - p 0， c - ce 0

33、 8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理3. 确定过程的极限确定过程的极限: : y1x1 x1ex2y2即使吸收塔很高，吸收剂量很小，即使吸收塔很高，吸收剂量很小，x1 x1,max= x1e= y1/m（1）吸收液的最大组成吸收液的最大组成8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理y1x1x2y2 y2e当吸收剂用量很大而气流很小，当吸收剂用量很大而气流很小，即使吸收塔无限高时即使吸收塔无限高时y1 y2,min= y2e= mx2（2 2）吸收尾气的最小组成）吸收尾气的最小组成8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理x1 y1/m y1 mx2 相平衡关系限制了相平衡关系限制了吸收

34、溶剂离塔时的最高含量吸收溶剂离塔时的最高含量& &气体混合物离塔时的最低含量气体混合物离塔时的最低含量8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理吸收相平衡关系吸收相平衡关系【例例】已知在总压已知在总压101.3kPa及温度及温度20下，液相中氨的摩尔浓度为下，液相中氨的摩尔浓度为0.582kmol/m3，气相中氨的平衡分压为，气相中氨的平衡分压为800Pa，若在此浓度范围内的相，若在此浓度范围内的相平衡关系符合亨利定律，试求：平衡关系符合亨利定律，试求：H、E、m。 【例例】在总压在总压1200kPa、温度、温度303K下，含下，含CO2 5%（体积分数）的气体与含（体积分数）

35、的气体与含 CO2为为1.0g/L的水溶液相遇，问：的水溶液相遇，问： 会发生吸收还是会发生吸收还是解解吸？吸？ 以分压差表示的推动力有多大？以分压差表示的推动力有多大？ 若要改变其传质方向可采取哪些措施？若要改变其传质方向可采取哪些措施？8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理【例例】在总压在总压101.3kPa，温度，温度30的条件下的条件下, SO2摩尔分率为摩尔分率为0.3的混的混合气体与合气体与SO2摩尔分率为摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问：的水溶液相接触，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

36、析，其它条件不变，温度降到0时时SO2的传质方向；的传质方向； (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的传质的传质 方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。SO2在在101.33kPa、0、30 时亨利系数时亨利系数E=1670kPa、4850kPa8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理 从液相分析从液相分析 故故SO2必然从液相转移到气相，进行解吸过程。必然从液相转移到气相，进行解吸过程。解解：(1) 查得在总压查得在总压101.3kPa，温

37、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=4850kPa 所以所以47.88pEm=31014850=. .0.01=x 006270=884730=. . . .myxe8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理420.167 10*0.010.16101.33*SOEymxxPyy传质过程为吸收，由气相向液相转移(2)8.2气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理(3) 在总压在总压202.6kPa，温度，温度30条件下，条件下，SO2在水中的亨利系在水中的亨利系数数E=4850kPa 23.94pEm=62024850=. .01250=942330=. . . .

38、myxe从气相分析从气相分析ye=mx=23.940.01=0.24cAi，在在PQ面：面：以以JA的速率由气相主体向界面扩散。的速率由气相主体向界面扩散。在气液相界面在气液相界面M-N：组分组分 以以JA的速率溶解并的速率溶解并传递到液相主体中去传递到液相主体中去, cAi 恒定。恒定。对于组分对于组分 B，cBicB，在在PQ面：面：以以JB的速率由界面向气相主体扩散。的速率由界面向气相主体扩散。如果：如果：在气液相界面，组分在气液相界面，组分 B以同一速率以同一速率JB由由液相主体传递到界面中去。液相主体传递到界面中去。 通过断面通过断面PQ的净的净物质量为零，这种现象称为物质量为零，这

39、种现象称为等分子反向扩散等分子反向扩散。定态过程：定态过程：气液界面气液界面M-N处没有物质积累处没有物质积累8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质NM化工原理化工原理单向扩散单向扩散PQJANMJBN(净物流净物流)主体流动主体流动气液界面气液界面扩散方向扩散方向z 实际：实际：气体吸收中，为被吸气体吸收中，为被吸收组分，为惰性组分。液相收组分，为惰性组分。液相中不存在中不存在B组分，组分，通过断面通过断面PQ的净物质量不为零，的净物质量不为零，等分子反等分子反向扩散不成立向扩散不成立。 组分组分 A被液体吸收及组分被液体吸收及组分 B的的反向扩散，导致界面处气体总反向扩散，导致界面处气体总浓

40、度降低，促使混合气体由气浓度降低，促使混合气体由气相向界面流动，此流动称为相向界面流动，此流动称为主主体流动体流动。 在定态条件下，主体流动所带组分的量必恰好等于组分在定态条件下，主体流动所带组分的量必恰好等于组分 的的反向扩散，以使反向扩散，以使cBi保持定态。保持定态。JA8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理问题：问题：发生发生扩散扩散以及以及主体流动主体流动的前提各是什么？的前提各是什么？ 发生单向扩散时，气相各处的总压仍可认为基本上是相发生单向扩散时，气相各处的总压仍可认为基本上是相等的，即等的，即JA=-JB 的前提依然成立。的前提依然成立。只要不满足等分子反向扩散条

41、件，都必然出现主体流动。只要不满足等分子反向扩散条件，都必然出现主体流动。8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理分子扩散和主体流动的关系分子扩散和主体流动的关系物料系统内的分子扩散是由物质物料系统内的分子扩散是由物质浓度（或分压）差浓度（或分压）差而引而引起的起的分子微观运动分子微观运动；主体流动是因系统内流体主体与相界面处存在主体流动是因系统内流体主体与相界面处存在总压差总压差引引起的起的流体宏观流动流体宏观流动，起因于分子扩散。，起因于分子扩散。 主体流动是一种分子扩散的伴生现象。主体流动是一种分子扩散的伴生现象。 8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理分子扩散

42、的速率方程分子扩散的速率方程 对平面对平面PQ 作总物料衡算：作总物料衡算：在平面在平面PQ处对组分处对组分A作物料衡算作物料衡算:主体流动主体流动贡献贡献扩散贡献扩散贡献PQJANMJB主体流动主体流动气液界面气液界面扩散方向扩散方向z8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质NMCA/CMNMCB/CMNA化工原理化工原理对双组分物系，净物流速率：对双组分物系，净物流速率：上式为组分上式为组分 A 的：的：分子扩散速率方程分子扩散速率方程（8-16）8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理分子扩散速率的积分式分子扩散速率的积分式 (1) 等分子反向扩散（等分子反向扩散（无主体流动无主

43、体流动）浓浓度度扩散距离扩散距离zcA1cA2图图8-11等分子反向扩散等分子反向扩散 在扩散方向在扩散方向z上相距上相距 取两个平面，组分取两个平面，组分 A在在两平面处的浓度分别为两平面处的浓度分别为cA1与与cA2（图（图-11）。）。在等分子反向扩散时，在等分子反向扩散时， NM = N = 0，或，或 NA+NB = 0 ，由式，由式 （8-16）得）得:8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理 定态扩散，定态扩散， 为一常数，故上式积分可得：为一常数，故上式积分可得： 表明在扩散方向上组分表明在扩散方向上组分 的浓度分布为一直线。的浓度分布为一直线。 对于理想气体，组分

44、的浓度与分压的关系为：对于理想气体，组分的浓度与分压的关系为：8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理(2) 单向扩散单向扩散浓浓度度扩散距离扩散距离zcA1cA2图图8-12 单向扩散单向扩散 在气体吸收中溶质在气体吸收中溶质A溶解于溶剂中，溶解于溶剂中，惰性气体惰性气体B不溶解于溶剂中，则液不溶解于溶剂中，则液相中不存在组分相中不存在组分B，此过程为组分，此过程为组分A通过另一通过另一“静止静止”组分组分B的单向的单向扩散。扩散。分子扩散：分子扩散：主体流动：主体流动：8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理NB=0在定态条件下在定态条件下 NA为常数，将上式积分可

45、得为常数，将上式积分可得210AAMccAAMAccdcDCdzN 1212BBMAMAMMAccDCccccDCNlnln 8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理BMAABMBBBBcccccccc211212ln )(21AABMMAccccDN 1212BBBBBMcclnccc 令令cA1-cA2=cB2-cB1cM=cA1+cB1=cA2+cB2单向扩散时单向扩散时的传质速率的传质速率方程式方程式组分组分B浓度的浓度的对数平均值对数平均值8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理 对气相和液相均适用，气相扩散时，混合物的总浓度对气相和液相均适用，气相扩散时，混

46、合物的总浓度cM 与总压与总压P的关系为的关系为cM=p/RT, 积分可写为积分可写为（8-22） 8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质1212BBBBBMPPlnPPP 210AAPPAAAPPdPRTPDdzN 化工原理化工原理 比较上两式可以发现：单向扩散时的传质速率比等分子反向扩散增大了比较上两式可以发现：单向扩散时的传质速率比等分子反向扩散增大了（cM/cBM）或者）或者（p/pBM） ，称为，称为“漂流因子漂流因子”。显然。显然P/pBM1，漂流因子的，漂流因子的大小直接反映了大小直接反映了 主体流动在传质中所占分量的大小，即主体流动在传质中所占分量的大小，即漂流因子体现了主体漂流

47、因子体现了主体流动对传质速率的影响。流动对传质速率的影响。单向扩散的传质速率单向扩散的传质速率)(21AABmMACCCCDN 等分子反向扩散的传质速率等分子反向扩散的传质速率)(21AABmAppppRTDN 8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理8.3.2 扩散系数扩散系数 D说明说明：扩散系数是物质的传递性质，与：扩散系数是物质的传递性质，与T, PT, P和混合物中和混合物中组分组分含量含量的有关的有关如何得到？如何得到？ 实验测定实验测定 查手册查手册组分在气体中的扩散系数半经验式组分在气体中的扩散系数半经验式8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理例例8.

48、2气相扩散系数的测定气相扩散系数的测定 在图在图8-13所示的垂直细管中盛以待测组分的液体，该组分通过静止气层所示的垂直细管中盛以待测组分的液体，该组分通过静止气层扩散至管口被另一股气流带走。紧贴液面上方组分扩散至管口被另一股气流带走。紧贴液面上方组分 的分压为液体的分压为液体 在一定温度下的饱和蒸气压，在一定温度下的饱和蒸气压，管口处管口处 的分压可视为零的分压可视为零。组分。组分 的的汽化使扩散距离不断增加，记录时间汽化使扩散距离不断增加，记录时间与的关系即可计算与的关系即可计算 在中在中的扩散系数。的扩散系数。z扩散距离扩散距离液体液体A气流气流B图图8-13 例例 8-2附图附图PA2

49、=0PA1=饱和蒸汽压（查手饱和蒸汽压（查手册）册） ，PA2=0 PA1+PB1=PA2+PB2=P化工原理化工原理 在在101.3 kPa、48下测定下测定CCl4在空气中的扩散系数，记录的时间在空气中的扩散系数，记录的时间与距与距离离 的关系见附表，试求扩散系数。的关系见附表，试求扩散系数。化工原理化工原理 解解: CCl4通过静止气体层的扩散为单向扩散，且为一非定态过程。但因通过静止气体层的扩散为单向扩散，且为一非定态过程。但因扩散距离的变化缓慢，故可作为拟定态处理。扩散距离的变化缓慢，故可作为拟定态处理。)(21AABmAppppRTzDN PB2+PA2=PB1+PA1 PA2=0

50、 PA1 - PA2=PB2 - PB1 = PA1 PBm112BB2BBPPlnPP a化工原理化工原理 设为细管的截面积，设为细管的截面积，L 为为 CCl4液体密度，在液体密度，在d时间内汽化的时间内汽化的CCl4量应等于量应等于CCl4扩散出管口的量，即：扩散出管口的量，即：或或b将式将式 () 代入式代入式 () 并积分可得并积分可得:其中：其中：化工原理化工原理 现以时间现以时间为横坐标，为横坐标，z2为纵坐标将实验数据作图（见图为纵坐标将实验数据作图（见图8-14），并），并以最小二乘法求得直线的斜率为以最小二乘法求得直线的斜率为: 在在321、101.3Pa下查得下查得 CC

51、l4的饱和蒸气压为的饱和蒸气压为pA密度密度并根并根据已知条件可求出据已知条件可求出pB、pB2。从从而求出扩散系数而求出扩散系数D。课后题课后题8-6，8-7化工原理化工原理组分在液体中的扩散系数组分在液体中的扩散系数一般手册中所载的数据均为稀溶液中的扩散系数；一般手册中所载的数据均为稀溶液中的扩散系数；当扩散组分为低摩尔质量的非电解质，其在稀溶液中的扩散系数可按当扩散组分为低摩尔质量的非电解质，其在稀溶液中的扩散系数可按下式估计：下式估计： 液体的扩散系数与液体的扩散系数与温度、黏度的关系温度、黏度的关系8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理8.3.3对流传质对流传质定义：定

52、义：流动流体流动流体与相界面之间的物质传递称为对流传质。与相界面之间的物质传递称为对流传质。(1) 层流流动层流流动溶组分溶组分 在垂直于流动方向上的传递机理仍为分子扩散，但流动改变在垂直于流动方向上的传递机理仍为分子扩散，但流动改变了横截面了横截面 上的浓度分布。上的浓度分布。 根据扩散速率式根据扩散速率式 由于界面浓度梯度由于界面浓度梯度 (dcA/dz)w 变大，变大， 强化了传质。强化了传质。8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理() 湍流流动湍流流动 流动核心湍化，横向的湍流脉动促进了横向的物质传递，流动核心湍化，横向的湍流脉动促进了横向的物质传递，流体主体浓度分布被均

53、化，界面处的浓度梯度进一步变流体主体浓度分布被均化，界面处的浓度梯度进一步变大。在主体与界面浓度差相等的情况下，传递速率得到大。在主体与界面浓度差相等的情况下，传递速率得到进一步的提高。进一步的提高。8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理对流传质速率对流传质速率 将流体与界面之间组分将流体与界面之间组分 A的传质速率的传质速率 NA 写成传质速率正比于界面浓写成传质速率正比于界面浓度与流体主体浓度之差的形式。度与流体主体浓度之差的形式。 气液两相的浓度都可用不同的单位表示，所以对流传质速率式可写成气液两相的浓度都可用不同的单位表示，所以对流传质速率式可写成多种形式。多种形式。 气

54、相与界面的传质速率式可写成：气相与界面的传质速率式可写成：p, pi- 溶质溶质A在气相主体与界面处的分压，在气相主体与界面处的分压，Kpay, yi-溶质溶质A在气相主体与界面处的摩尔分数在气相主体与界面处的摩尔分数kG-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，Kmol/(s m2 KPa)ky-以摩尔分数差表示推动力的气相传质系数，以摩尔分数差表示推动力的气相传质系数，Kmol/(s m2 )8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理液相与界面的传质速率式可写成：液相与界面的传质速率式可写成：c, ci- 溶质溶质A在液相主体与界面处的浓度，在液相主体

55、与界面处的浓度，Kmol/m3x, xi-溶质溶质A在液相主体与界面处的摩尔分数在液相主体与界面处的摩尔分数kG-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，Kmol/(s m2 KPa)ky-以摩尔分数差表示推动力的气相传质系数，以摩尔分数差表示推动力的气相传质系数，Kmol/(s m2 )8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理传质系数的无量纲关联式传质系数的无量纲关联式),(duDfk 影响传质系数的因素：影响传质系数的因素： 利用量纲分析法得利用量纲分析法得 ：)s,R(fshce Dkdsh 薛伍德准数薛伍德准数 udRe=雷诺数（流动影响）雷诺数

56、（流动影响） Dsc 施密特准数（物性影响）施密特准数（物性影响） 通过实验测定不同设备的经验关联式，如湿壁塔：通过实验测定不同设备的经验关联式，如湿壁塔：3308300230=. . . .cesRsh化工原理化工原理8.3.4物质传递与动量、热量传递的类比物质传递与动量、热量传递的类比牛顿流体层流时的动量传递速率用牛顿黏性定律表示；牛顿流体层流时的动量传递速率用牛顿黏性定律表示；静止物体中的热传导速率用傅里叶定律表示；静止物体中的热传导速率用傅里叶定律表示；分子扩散速率则用费克定律表示。分子扩散速率则用费克定律表示。对一维传递，可写成如下形式对一维传递，可写成如下形式: :8.3 扩散和单

57、相传质扩散和单相传质化工原理化工原理传热方式与传质方式的对比传热方式与传质方式的对比 化工原理化工原理8.3.5 对流传质理论对流传质理论物理模型物理模型数学描述数学描述数学模型数学模型传质系数的理论式传质系数的理论式解析求解解析求解研究者根据各自对过程的理解研究者根据各自对过程的理解对对流传质过程作理论上的探讨，提出不同的物理模型。对对流传质过程作理论上的探讨，提出不同的物理模型。三个重要的传质模型三个重要的传质模型8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理有效膜理论有效膜理论模型要点：模型要点： 相界面处存在一层虚拟的停滞膜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；

58、膜外为流体流动的湍流区； 停滞膜非常薄，膜内无物质累积，停滞膜非常薄，膜内无物质累积， 为稳态分子扩散为稳态分子扩散 ； 对流传质阻力全部集中于停滞膜内。对流传质阻力全部集中于停滞膜内。 基于停滞膜模型，可以利用分子扩散理论基于停滞膜模型，可以利用分子扩散理论描述对流传质问题。描述对流传质问题。相界面气相主体G 停滞膜模型8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理气液界面两侧各存在一层静止的气膜和液膜，其厚度为气液界面两侧各存在一层静止的气膜和液膜，其厚度为G 和和L，全部传，全部传质阻力集中于该两层静止膜中，膜中的传质是定态的分子扩散。质阻力集中于该两层静止膜中，膜中的传质是定态的

59、分子扩散。发生在流动着的流体与相界面之间的传质过程。在滞流内层主要是分子发生在流动着的流体与相界面之间的传质过程。在滞流内层主要是分子扩散。在过渡层既有分子扩散扩散。在过渡层既有分子扩散,也有对流扩散。在湍流主体中主要是对流也有对流扩散。在湍流主体中主要是对流扩散扩散,阻力很小阻力很小,可以忽略可以忽略,即认为浓度一致。即认为浓度一致。对流传质是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用对流传质是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和。的总和。8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理传质速率方程传质速

60、率方程 AiABmGApppPRTDN BmGGppRTDk AiAGAppkN- 对于气相对于气相对于液相对于液相 ccCDCNiBmLA 0BmMLLLccDk cckNiLA- 8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理则有：则有： iyAyykN xxkNixA 令令 ky=pkG kx=cMkL )(iGiGAyypkppkN xxckcckNiMLiLA 式中：式中：ky 以气相摩尔分数差为推动力的气膜传质系数；以气相摩尔分数差为推动力的气膜传质系数； kx 以液相摩尔分数差为推动力的液膜传质系数以液相摩尔分数差为推动力的液膜传质系数8.3 扩散和单相传质扩散和单相传质化工原理化工原理