1、第六章 吸 收 1 概述 一、化學(xué)工業(yè)或食品工業(yè)中的傳質(zhì)過程 1、氣體液體系統(tǒng)吸收：物質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)移到液相。脫吸（解吸）：物質(zhì)由液相轉(zhuǎn)移到氣相。氣體增濕；濕分由液相轉(zhuǎn)移到氣相。氣體減濕；濕分由氣相轉(zhuǎn)移到液相。水果儲藏溫度為4oC，相對濕度為85%。 2、蒸汽液體系統(tǒng)精餾 3、液體液體系統(tǒng) 液液萃取：物質(zhì)由某一液相轉(zhuǎn)移到互不相溶的另一液相。 4、液體固體系統(tǒng)結(jié)晶：物質(zhì)由液相向固相轉(zhuǎn)移。液固萃取（浸?。何镔|(zhì)由液相向固相轉(zhuǎn)移。液體吸附：物質(zhì)由液相轉(zhuǎn)移到固相表面。 5、氣體固體系統(tǒng)干燥：液體物質(zhì)由固相表面或內(nèi)部轉(zhuǎn)移到氣相。氣體吸附：物質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)移到固相表面。 二、相組成的表示方法 1、質(zhì)量分率a與摩爾

2、分率x質(zhì)量分率a：某組分的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分率。摩爾分率x：某組分的摩爾量占總摩爾量的百分率。 3）質(zhì)量分率a與摩爾分率x的換算 2、質(zhì)量比和摩爾比X Y1）質(zhì)量比： 2）摩爾比X；Y： 3、質(zhì)量濃度與摩爾濃度1）質(zhì)量濃度：單位體積均相混合物中某組分的質(zhì)量。單位：kg / m32) 摩爾濃度：單位體積均相混合物中某組分的摩爾量。單位：kmol / m3三、吸收概念吸收劑S 吸收尾氣 混合氣體A+B 吸收液A+S吸收質(zhì)或溶質(zhì)A：混合氣體中能夠溶解的組分。惰性組分或載體B：混合氣體中不能被溶解的組分。四、吸收操作的分類 1、單組分吸收與多組分吸收 2、物理吸收與化學(xué)吸收 3、等溫吸收與非等溫吸收五

3、、吸收劑的選擇1、溶解度2、易脫吸3、選擇性4、粘性5、揮發(fā)性6、其他 2 擴(kuò)散現(xiàn)象一、概念 1、擴(kuò)散：當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部存在濃度差時，物質(zhì)總要由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。 2、分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散 分子擴(kuò)散：只依靠微觀的分子運(yùn)動，而無宏觀的混合作用。 渦流擴(kuò)散：流體有宏觀流動，依靠流體質(zhì)點的不規(guī)則運(yùn)動（湍動）而進(jìn)行的擴(kuò)散。 分子擴(kuò)散與熱傳導(dǎo)過程相類似； 渦流擴(kuò)散與對流傳熱過程相類似。 3、對流擴(kuò)散熱傳導(dǎo)與對流傳熱過程的共同作用稱為對流給熱；分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散過程的共同作用稱為對流擴(kuò)散。 二、費(fèi)克定律 1855年，費(fèi)克通過實驗總結(jié)出計算物質(zhì)分子擴(kuò)散量的基本定律：當(dāng)物質(zhì)A在介質(zhì)B中發(fā)生分子

4、擴(kuò)散時，任一處的擴(kuò)散通量與該處的濃度梯度成正比。 液體混合物： 傳質(zhì)推動力為濃度差 氣體混合物： 傳質(zhì)推動力為分壓差 式中 ：物質(zhì)A在介質(zhì)B中z方向上的分子擴(kuò)散通量。 單位：kmol / m2 s : 物質(zhì)A的濃度在z方向的變化率，即濃度梯度。 單位：kmol / m4 ：物質(zhì)A在介質(zhì)B中的分子擴(kuò)散系數(shù)。 單位：m2 / s 三、等分子反向擴(kuò)散為了保持1、2兩室內(nèi)氣體總壓相等，連同管內(nèi)任一截面上單位時間、單位面積向左擴(kuò)散的B分子數(shù)與向右擴(kuò)散的A分子數(shù)必定相等，稱為等分子反 向擴(kuò)散。 所以，結(jié)論1：由A和B兩種氣體組成的理想氣體混合物，A在B中的分子擴(kuò)散系數(shù)與B在A中的分子擴(kuò)散系數(shù)相等。 積分后

5、得 結(jié)論2：分子擴(kuò)散速率與氣體分壓差成正比，與擴(kuò)散距離成反比。 結(jié)論3：等分子反向擴(kuò)散過程中，傳質(zhì)作用僅為分之?dāng)U散，所以傳質(zhì)通量NA等于分之?dāng)U散通量JA。 NA = JA NB = JB NA = NB四、組分A通過停滯組分B的穩(wěn)定擴(kuò)散 分子擴(kuò)散傳質(zhì)量：氨氣被水吸收形成濃度梯度產(chǎn)生分子擴(kuò)散?？傮w流動傳質(zhì)量：氨氣被水吸收液面形成空缺空氣和氨氣同時涌向液面補(bǔ)缺這種流動現(xiàn)象為總體流動?？傮w流動傳質(zhì)量N = 氨氣進(jìn)入液面的傳質(zhì)量NA 總體流動傳質(zhì)量N=氨氣的總體流動傳質(zhì)量NbA+空氣的總體流動傳質(zhì)量NBb 水不吸收空氣，所以 則 費(fèi)克定律 所以有 積分處理得： 傳質(zhì)速率方程1 式中： 為漂流因數(shù)，其值

6、大于1，反映總體流動的存在對分子擴(kuò)散的影響程度。 根據(jù)定義， （穩(wěn)定擴(kuò)散過程：） 傳質(zhì)速率方程2 1、2兩方程合用，即可求出完成一定擴(kuò)散量所需的擴(kuò)散時間例：柏油馬路積水2mm，水溫20oC，水面上方有一0.2mm厚的靜止空氣層，水通過此七層擴(kuò)散進(jìn)入大氣。大氣中的水蒸氣分壓為10mmHg，問多少時間后，路面上的水可以被蒸干。 例：水杯中初始水面離杯上緣1cm，水溫30 oC，水氣籍?dāng)U散進(jìn)入大氣。杯上緣處的空氣中水氣分壓可設(shè)為零，總壓1大氣壓。求液面下降4 cm需要多少天。 五、液相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散 （自學(xué)） 六、擴(kuò)散系數(shù) 物質(zhì)的物理常數(shù)，表示A物質(zhì)在B物質(zhì)中的擴(kuò)散能力。 影響因素：介質(zhì)的種類、操

7、作溫度、操作壓強(qiáng)、物料濃度。3吸收過程中的相平衡關(guān)系 一、氣體在液相中的溶解度 氣液平衡狀態(tài)下，氣相中溶質(zhì)的分壓稱為平衡分壓或飽和分壓；液相中溶質(zhì)的濃度稱為平衡濃度或飽和濃度，即氣體在液相中的溶解度。 氣體在液相中的溶解度是吸收過程的極限。 溶解度的影響因素主要有溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)、總壓和分壓及操作溫度。 二、氣液平衡關(guān)系 1、亨利定律1803年，英國人亨利（William Henry , 17751836）提出：在一定溫度下，氣體在液體中的溶解度與其氣相分壓力成正比。亨利定律適用條件：氣體的分壓不太大；所成的溶液不太濃；氣體溶質(zhì)與溶劑不起化學(xué)反應(yīng)。由于濃度的表示方法不同，亨利定律有如下形式：y

8、 x關(guān)系式在一定溫度下，氣體分壓不高時，稀溶液達(dá)到平衡時溶質(zhì)在氣相中的平衡摩爾分率與其在液相中的摩爾分率成正比。y* = m x式中：y* 溶質(zhì)在氣相中的平衡摩爾分率 x 溶質(zhì)在液相中的摩爾分率m 相平衡常數(shù)p x 關(guān)系式p* = E x式中：p* 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓 單位：N/m2 x 溶質(zhì)在液相中的摩爾分率E 亨利系數(shù) 單位：N/m2 p c 關(guān)系式p* = c / H式中：p* 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓 單位：N/m2 c 溶質(zhì)在液相中的摩爾濃度 單位：kmol/m3H 溶解度系數(shù) 單位：kmol/m3Pa2、相平衡常數(shù)m、亨利系數(shù)E、溶解度系數(shù)H的換算關(guān)系 E = m P ； E =

9、 C / H 三、傳質(zhì)方向的判斷1、由氣相組成y判斷已知氣相組成y、液相組成x及相平衡關(guān)系y* = m x，判斷傳質(zhì)方向。由液相組成x及相平衡關(guān)系y* = m x求出y*。y y* 氣相組成超平衡，傳質(zhì)方向為吸收。y = y* 氣液組成相平衡，不發(fā)生傳質(zhì)。y x* 液相組成超平衡（過飽和），傳質(zhì)方向為解吸。x = x* 氣液組成相平衡，不發(fā)生傳質(zhì)。x p* p = p* p c* c = c* c c* 例：101.3 kPa、30oC時so2-空氣-水系統(tǒng)的平衡關(guān)系為y = 44 x。同溫同壓下y = 0.30的so2 -空氣混合氣體與x = 0.010的so2水溶液接觸。問是否發(fā)生傳質(zhì)？傳

10、質(zhì)向何方向進(jìn)行？4吸收速率方程 一、對流擴(kuò)散的雙膜理論 1、雙膜理論模型 2、雙膜理論的基本論點 1）相互接觸的氣、液兩流體間存在穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一個靜止（層流）膜層。吸收質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過這兩膜層。 2）在相界面處，氣、液兩相傳質(zhì)平衡。 3）在膜層以外的氣、液兩相主體中，流體充分湍流，物料濃度均勻，濃度梯度為零，全部濃度變化集中在兩個膜層內(nèi)。二、對流擴(kuò)散傳質(zhì)通量的計算1、氣膜對流擴(kuò)散速率氣相與界面間的傳質(zhì)速率為： 設(shè) ; 則 式中 為氣相傳質(zhì)分系數(shù)。 單位：kmol/sm2(N/m2)2 、液膜對流擴(kuò)散速率 液相與界面間的傳質(zhì)速率為： 設(shè) ; 則 式中 為液相傳質(zhì)分系數(shù)。 單位：

11、kmol/sm2(kmol/m3) 三、氣膜吸收速率方程 設(shè) ; 則 式中：為與氣膜推動力相對應(yīng)的氣膜吸收分系數(shù)。 單位：kmol / m2sPa 為與氣膜推動力相對應(yīng)的氣膜吸收分系數(shù)。 單位：kmol / m2s 四、液膜吸收速率方程 設(shè) ; 則 式中：為與液膜推動力相對應(yīng)的氣膜吸收分系數(shù)。 單位：kmol / m2s(kmol/m3) 為與氣膜推動力相對應(yīng)的氣膜吸收分系數(shù)。 單位：kmol / m2s 五、總吸收系數(shù)及其相應(yīng)的吸收速率方程式 1、以（p - p*）表示總推動力的吸收速率方程式氣膜吸收速率方程為 所以：液膜吸收速率方程為 所以： 設(shè) 則 式中：為與總推動力相對應(yīng)的氣相總吸收系

12、數(shù)。 單位：kmol / m2sPa對于易溶氣體，H值很大，若kG與kL的數(shù)量級接近，則 ，即液膜阻力很小，傳質(zhì)總阻力及傳質(zhì)速率的大小取決于氣膜阻力，稱此過程位氣膜控制過程。對于難溶氣體，H值很小，若kG與kL的數(shù)量級接近，則 ，即氣膜阻力很小，傳質(zhì)總阻力及傳質(zhì)速率的大小取決于液膜阻力，稱此過程位液膜控制過程。2、以（y - y*）表示總推動力的吸收速率方程式 3、以（c* -c）表示總推動力的吸收速率方程式 4、以（x* -x）表示總推動力的吸收速率方程式 5、以（Y - Y*）表示總推動力的吸收速率方程式 6、以（X* -X）表示總推動力的吸收速率方程式6 吸收劑用量的計算 一、吸收塔的物

13、料衡算 V Y2 L X2 V： 單位時間內(nèi)通過吸收塔的惰性氣體量。 單位：kmol(B) / s L： 單位時間內(nèi)通過吸收塔的溶劑量。 單位：kmol(S) / s Y1、Y2 ：分別為入塔及出塔氣體中溶質(zhì)組分的摩爾比。 單位：kmol(A) / kmol(B) X1、X2 ：分別為出塔及入塔液體中溶質(zhì)組分的摩爾比。V Y1 L X1 單位：kmol(A) / kmol(B)對溶質(zhì)進(jìn)行物料衡算：VY1 + LX2 = VY2 + LX1 V（Y1Y2）= L（X1X2） 二、吸收塔的操作線方程 1、逆流進(jìn)料 V Y2 L X2 Y X V Y1 L X1 任一截面與塔底間的物料衡算VY1 +

14、 LX = VY + LX1 任一截面與塔頂間的物料衡算VY2 + LX = VY + LX2 通過點（X1，Y1）、（X2，Y2）；斜率為L/V的直線即逆流吸收塔的操作線。 2、并流進(jìn)料 V Y2 L X2 Y X V Y1 L X1 任一截面與塔底間的物料衡算VY + LX = VY 1+ LX1 任一截面與塔頂間的物料衡算VY + LX = VY 2+ LX2 通過點（X1，Y1）、（X2，Y2）；斜率為L/V的直線即并流吸收塔的操作線。 3、操作線方程的作用 吸收塔操作線由物料衡算得到，它決定于液氣比及塔設(shè)備兩端的濃度。操作線方程有如下作用1）求吸收劑用量L及物料進(jìn)出口濃度。2）與平衡

15、線一起，揭示吸收過程中傳質(zhì)推動力的變化規(guī)律。逆流操作，塔頂、塔底兩端傳質(zhì)推動力相差較小，總推動力較大。并流操作，塔頂、塔底兩端傳質(zhì)推動力相差較大，總推動力較小。 3） 操作線在平衡線以上為吸收；操作線在平衡線以下為解吸。4、吸收操作線的畫法 1） Xa Ya 1 2Yb YC Xb XC2) Xa Ya 1 2Yb YC Xb1 Xb23) Xa Ya1 Ya2 1 Yb 2 Xb XC4) Xa YC Yb 1 2 Ya Xb XC三、吸收劑的用量及液氣比 液氣比L / G即吸收塔操作線的斜率吸收操作線沿Y = Y1線左移 吸收操作推動力增加 吸收速率增加 設(shè)備費(fèi)降低 吸收操作線斜率L /

16、G增大操作費(fèi)增加吸收操作線沿Y = Y1線右移 吸收操作推動力減小 吸收速率降低 設(shè)備費(fèi)增加 吸收操作線斜率L/G減小 操作費(fèi)降低適宜的液氣比取經(jīng)驗值：L/G = （1.1 2.0）（L/G）min由操作線圖 對于稀溶液平衡關(guān)系可近似為 Y * = m X7 填料層高度的計算 一、填料層高度的基本計算式 用氣相吸收速率方程計算： 用液相吸收速率方程計算：二、討論：1、：單位體積填料所提供的有效傳質(zhì)面積。 影響因素：填料類型；填料尺寸；填充方式；流體的物性及流動狀態(tài)。2、體積吸收系數(shù) 物理意義：當(dāng)吸收推動力為一單位時，單位體積填料在單位時間內(nèi)的溶質(zhì)傳質(zhì)量。 ：氣體總體積吸收系數(shù)：液體總體積吸收系

17、數(shù)3、傳質(zhì)單元高度 1）概念式中的單位： 氣相傳質(zhì)單元高度： 液相傳質(zhì)單元高度： 2）影響因素 傳質(zhì)阻力增加，則傳質(zhì)單元高度增加； 填料性能好，則傳質(zhì)單元高度降低； 填料潤濕性好，則傳質(zhì)單元高度降低； 3）取值資料查取或經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取值范圍：0.151.5m。4、傳質(zhì)單元數(shù) 式中的單位： 氣相傳質(zhì)單元數(shù)： 液相傳質(zhì)單元數(shù)： 所以，填料層高度 = 傳質(zhì)單元高度 傳質(zhì)單元數(shù) 三、傳質(zhì)單元數(shù)的求法對數(shù)平均推動力法使用條件：吸收過程中操作濃度范圍內(nèi)平衡線為直線。 氣相傳質(zhì)單元數(shù)： 液相傳質(zhì)單元數(shù)： 例1 25oC、1atm下0.4 kg/sm2的空氣混合氣體中含氨2%（體積），密度為1.20 kg/m3。擬用逆流吸收以回收其中95%的氨，塔頂淋入濃度為0.0004（摩爾分率）的稀氨水。設(shè)計采用的液氣比為最小液氣比的1.5倍，