1、,重點：雙膜理論、傳質(zhì)基本方程、操作線方程 難點：雙膜理論,第六章 吸 收,傳質(zhì)分離操作在生產(chǎn)中的應(yīng)用,在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，如果存在濃度梯度，某一組分（或某些組分）將有高濃度區(qū)向地濃度區(qū)移動的趨勢，該移動過程稱為傳質(zhì)過程。,分離過程包括機械分離和傳質(zhì)分離。,機械分離：過濾、沉降等,傳質(zhì)分離：吸收、蒸餾、干燥、萃取、膜分離等,第一節(jié) 物質(zhì)傳遞原理,1 擴散物質(zhì)從一相的主體擴散到兩相界面（單相中的擴散）；,2 在界面上的擴散物質(zhì)從一相進入另一相（相際間傳質(zhì)）；,3 進入另一相的擴散物質(zhì)從界面向該相的主體擴散（單相中的擴散）；,物質(zhì)傳遞的三個步驟：,物質(zhì)在單相中的傳遞靠擴散，發(fā)生在

2、流體中的擴散有分子擴散和渦流擴散兩種。,分子擴散：依靠分子的無規(guī)則熱運動，主要發(fā)生在靜止或 層流流體中。,渦流擴散：依靠流體質(zhì)點的湍動和旋渦而傳遞物質(zhì)，主要 發(fā)生在湍流流體中。,物質(zhì)在單相中的擴散,分子擴散：在一相內(nèi)部存在濃度差或濃度梯度的情況下，由于分子的無規(guī)則運動而導(dǎo)致的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。分子擴散是物質(zhì)分子微觀運動的結(jié)果。,擴散通量：單位時間內(nèi)單位面積上擴散傳遞的物質(zhì)量，其單位為mol/(m2s)。,一、分子擴散與菲克定律 1 分子擴散,式中 JA物質(zhì)A在z方向上的分子擴散通量，kmol/(m2s) dCA/dz物質(zhì)A的濃度梯度，kmol/m4 DAB物質(zhì)A在介質(zhì)B中的分子擴散系數(shù)，m2/s

3、負(fù)號表示擴散是沿著物質(zhì)A濃度降低的方向進行的。,當(dāng)物質(zhì)A在介質(zhì)B中發(fā)生擴散時，任一點處物質(zhì)A的擴散通量與該位置上A的濃度梯度成正比，即：,2 菲克（Fick）定律,假定：pA1 pA2 pB11，漂流因子的大小直接反映了總體流動在傳質(zhì)中所占分量的大小，即漂流因子體現(xiàn)了總體流動對傳質(zhì)速率的影響。,單向擴散的傳質(zhì)通量,在液相中以單向擴散多見，仿氣相中的擴散速率關(guān)系，則有,連續(xù)等價離子交換和理想溶液精餾時的擴散過程屬于等分子反向擴散模型，連續(xù)結(jié)晶、吸附、浸提、吸收等擴散過程屬于單向擴散模型。,式中 NA溶質(zhì)A在液相中的傳遞速率，kmol/m2s D溶質(zhì)A在溶劑中的擴散系數(shù)，m2/s C溶液的總濃度，

4、C=CA+CS，kmol/m3 Csm擴散初、終截面上溶劑S的對數(shù)平均濃度， kmol/m3,三、液相中的穩(wěn)定分子擴散,分子擴散系數(shù)是物質(zhì)的特征系數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴散能力；,擴散系數(shù)取決于擴散質(zhì)和介質(zhì)的種類及溫度等因數(shù)。,對于氣體中的擴散，濃度的影響可以忽略；,對于液體中的擴散，濃度的影響可以忽略，而壓強的影響不顯著。,物質(zhì)的擴散系數(shù)可由實驗測得，或查有關(guān)資料，或借助于經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式進行計算。,四、分子擴散系數(shù),式中 D擴散系數(shù)，m2/s； P總壓強，kPa； MA、MB分別為A、B兩種物質(zhì)的分子量，g/mol； vA、vB分別為A、B兩種物質(zhì)的分子體積，cm3/mol,1 氣相中

5、的擴散系數(shù),式中 D物質(zhì)在其稀溶液中的擴散系數(shù)，m2/s； T溫度，K； 液體的粘度，Pas A擴散物質(zhì)的分子體積，cm3/mol； o常數(shù)。在水、甲醇或苯中的稀溶液，其值為8,14.9,22.8 cm3/mol,2 液相中的擴散系數(shù)(非電解質(zhì)),物質(zhì)在湍流的流體中傳質(zhì)，主要憑藉湍流流體質(zhì)點的湍動和旋渦引起流體各部分之間的劇烈混合，在有濃度差存在的條件下，物質(zhì)朝著濃度降低的方向進行傳遞，這種現(xiàn)象稱為渦流擴散（eddy diffusion）。,五、湍流流體中的對流傳質(zhì) 1 渦流擴散,在湍流流體中同時存在渦流擴散 和分子擴散（渦流擴散占主導(dǎo)地位 ），其總擴散通量為,式中 D分子擴散系數(shù)，m2/s；

6、 DE渦流擴散系數(shù)，m2/s； dCA/dZ沿z方向的濃度梯度，kmol/m4； J總擴散通量kmol/(m2s),注：渦流擴散系數(shù)DE不是物性常數(shù)，它與湍動有關(guān)，且隨位置而不同。由于其難以測定，常將分子擴散和渦流擴散結(jié)合在一起考慮。,對流傳質(zhì)是指發(fā)生在運動著的流體與相截面之間的傳質(zhì)過程。在實際生產(chǎn)中，傳質(zhì)操作多發(fā)生在流體湍流的情況下，此時的對流傳質(zhì)是湍流主體與相界面之間的渦流擴散與分子擴散兩種傳質(zhì)作用的總和。,以吸收為例：吸收劑沿壁面自上而下流動，混合氣體自下而上流過液體表面。考察穩(wěn)定操作狀況下吸收塔設(shè)備任一截面m-n處相界面的氣相一側(cè)溶質(zhì)A濃度分布情況。,2 對流傳質(zhì),流體主體與相界面之間

7、存在三個流動區(qū)域，即湍流主體、過度層和滯流層。,過渡層 同時存在分子擴散和渦流擴散，分壓梯度逐漸變小，曲線逐漸平緩。,滯流層 溶質(zhì)的傳遞主要依靠分子擴散作用，由于D值較小，在該區(qū)域內(nèi)分壓梯度較大，曲線陡峭。,湍流主體 主要依靠渦流擴散，大量旋渦引起的混合作用使得氣相主體內(nèi)溶質(zhì)的分壓趨于一致，分壓線為直線。,流動區(qū)域,延長滯流內(nèi)層的分壓線和氣相主體 的分壓線交于H點，此點與相界面的距離為zG， 在zG以內(nèi)的流動為滯流，其物質(zhì)傳遞純屬分子擴散，此虛擬的膜層稱為有效滯流膜。,整個有效滯流層的傳質(zhì)推動力為氣相主體與相界面處的分壓之差，即全部傳質(zhì)阻力都包含在有效滯流膜層內(nèi)。,由氣相主體至相界面的對流傳質(zhì)

8、速率為（按有效滯流膜層內(nèi)的分子擴散速率計算）,在液相中的傳質(zhì)速率為,式中 zL液相有效滯流膜層厚度，m； C液相主體中的溶質(zhì)A濃度，kmol/m3； ci相界面處的溶質(zhì)A濃度， kmol/m3； cSm溶劑S在液相主題與相界面處的濃度的對數(shù)均 值， kmol/m3； kL液膜吸收系數(shù)或液膜傳質(zhì)系數(shù),當(dāng)氣液兩相接觸時，兩相之間有一個相界面，在相界面兩側(cè)分別存在著呈層流流動的穩(wěn)定膜層（有效層流膜層）。溶質(zhì)必須以分子擴散的形式連續(xù)的通過這兩個膜層，膜層的厚度主要隨流速而變，流速愈大厚度愈小。,在相界面上氣液兩相相互成平衡。,在膜層以外的主體內(nèi)，由于流體的充分湍動，溶質(zhì)的濃度分布均勻，可認(rèn)為兩相主體中

9、的濃度梯度為零，即濃度梯度全部集中在兩個有效膜層中。,用雙膜理論解釋具有固定相界面的系統(tǒng)及速度不高的兩流體間的傳質(zhì)過程（如濕壁塔），與實際情況是大致相符合的。,六、雙膜理論（two-film theory）,(1) 按吸收過程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分類：物理吸收、化學(xué)吸收 (2) 按吸收過程中體系的溫度變化分類：等溫吸收、非等溫吸收 (3) 按被吸收組分的數(shù)目分類：單組分吸收、多組分吸收,本章主要討論低濃度氣體混合物的單組分等溫物理吸收。,第二節(jié) 氣體吸收 一、 吸收的定義 吸收是氣體混合物與作為吸收劑的液體接觸，使氣體中的某一或某些組分溶于液體的操作。吸收是分離氣體混合物的重要單元操作之一。 1

10、吸收操作的類型,2 吸收操作流程,3 氣液相平衡關(guān)系,氣體在液體中的溶解度,(1) 在一定溫度下，氣體組分的溶解度隨該組分在氣相中的平衡分壓的增大而增大；而在相同平衡分壓條件下，氣體組分的溶解度則隨溫度的升高而減小。,(2) 在同一溫度下，對于不同種類的氣體組分，欲得到相同濃度的溶液，易溶氣體僅需控制較低的分壓，而難溶氣體則需較高分壓。,(3) 加壓和降溫對吸收操作有利；反之，升溫和減壓有利于解吸。,氣-液相平衡關(guān)系 一、氣體在液體中的溶解度,當(dāng)總壓不高（5105Pa）時，在一定溫度下，稀溶液上方溶質(zhì)的平衡分壓與其在液相中的濃度之間存在著如下的關(guān)系：,上式表示溶液的濃度低于一定數(shù)值時溶質(zhì)的平衡

11、分壓與它在溶液中的摩爾分率成正比。亨利系數(shù)E值較大表示溶解度較小。一般E值隨溫度的升高而增大。,二、亨利定律,溶液的密度, kg/m3 ； M溶液的平均分子量, kg/kmol,在亨利定律適用的范圍內(nèi),H是溫度的函數(shù),而與Pe或C無關(guān)。對于一定的溶質(zhì)和溶劑，H值一般隨溫度升高減小。易溶氣體H值較大，難溶氣體H值較小。,亨利定律的其它形式 (1) 氣相用平衡分壓，液相用物質(zhì)的量濃度表示,m=E/P 上式中P為系統(tǒng)總壓，值越大，表示溶解度越小。,(2) 溶質(zhì)在液相和氣相中的濃度分別用摩爾分率x、y表示,當(dāng)溶液濃度很低時,上式右端分母約等于1,于是上式可簡化為:,Ye=mX,(3) 對于低濃度氣體吸

12、收，兩相的組成通常用物質(zhì)的量比來表示,三、吸收速率方程 吸收過程中的吸收速率是指單位時間內(nèi)，在單位面積上被吸收的溶質(zhì)量。表明吸收速率與吸收推動力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式稱為吸收速率方程。 1 氣膜 吸收速率方程式 2 液膜吸收速率方程式,上式表明，在分壓濃度圖上，pi-ci關(guān)系為過定點D（c，p），斜率為-kG/kL的直線。根據(jù)雙膜理論，界面處的氣液濃度符合平衡關(guān)系，所以該直線與氣液平衡線的交點即為點（ ci，pi ）,對于定態(tài)傳質(zhì)，氣液兩膜中的傳質(zhì)速率應(yīng)當(dāng)相等，即,3 界面濃度,吸收過程的總推動力可采用任何一相的主體濃度與其平衡濃度的差值來表示。,(1) 以（p-pe）表示總推動力,液相吸收速率方程

13、,NA=kL(ci-c),NA=kLH(pi-pe),氣相吸收速率方程,NA=kG(p-pi),代入,4 總吸收速率方程,令,式中 KG氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2skPa),對于易溶氣體，H值很大，則有：1/HkL1/kG ，此時傳質(zhì)阻力的絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可以忽略。,NA=KG(p-pe),1/KG 1/kG 或 KG kG,對于氣膜控制的吸收，要提高總吸收系數(shù)，應(yīng)該加大氣相湍動程度。,即氣膜阻力控制著整個吸收過程的速率，吸收總推動力的絕大部分用于克服氣膜阻力，此種情況稱為 “氣膜控制”（gas-film control）。如：水吸收氨，濃硫酸吸收水蒸氣等過程。,(2)以

14、（Ce-C）表示總推動力,令,代入,NA=KL(ce-c),KL液相總吸收系數(shù)，m/s,對于難溶氣體，H值很小，則有：H/kG1/kL ，此時傳質(zhì)阻力的絕大部分存在于液膜之中，氣膜阻力可以忽略。,1/KL 1/kL 或 KL kL,即液膜阻力控制著整個吸收過程的速率，吸收總推動力的絕大部分用于克服液膜阻力，此種情況稱為 “液膜控制”（ liquid-film control ）。如：水吸收氧或氫。,對于中等溶解度的氣體，氣膜阻力和液膜阻力都不可忽略，要提高總吸收系數(shù)，必須同時增大氣相和液相的湍動程度。,液膜控制,(3) 以（Y-Ye）表示總推動力,分壓定律：p=Py,Y=y/（1-y）,y=Y

15、/（1+Y）,NA=KG(p-pe),當(dāng)吸收質(zhì)在氣相中的濃度很小時，Y和Ye都很小，則有,KY KGP,(4) 以（Xe-X）表示傳質(zhì)總推動力,液相濃度以X表示，與氣相濃度成平衡的液相濃度以Xe表示。,當(dāng)吸收質(zhì)濃度在液相中很小時，Xe和X都很小，則有,KX KLC,傳質(zhì)速率方程式的各種形式,假設(shè)：,吸收塔計算的內(nèi)容主要是通過物料衡算及操作線方程，確定吸收劑的用量和塔設(shè)備的主要尺寸（塔徑和塔高）。,吸收操作多采用逆流； 低濃度氣體吸收； 吸收是在等溫下進行； 傳質(zhì)分系數(shù)kG、kL在全塔為常數(shù)； 傳質(zhì)總系數(shù)KG或KL也可認(rèn)為是常數(shù)。,四、吸收塔的計算,1 吸收塔的物料衡算,對全塔來說，氣體混合物經(jīng)

16、過吸收塔后，吸收質(zhì)的減少量等于液相中吸收質(zhì)的增加量，即：,現(xiàn)取塔內(nèi)任一截面與塔底（圖中的虛線范圍）作溶質(zhì)的物料衡算， 即：,V(Y1 - Y) = L(X1 - X),式中： Y、Y1 分別為m-n截面和塔底氣相中溶質(zhì)的比摩爾分率， Kmol(溶質(zhì))/Kmol(惰性氣體)； X、X1分別為m-n截面和塔底液相中溶質(zhì)的比摩爾分率， Kmol(溶質(zhì))/Kmol(溶劑)。,同理，可得,上兩式稱為吸收操作線方程式。,在任一截面上的氣相濃度Y與液相濃度X之間成直線關(guān)系，直線的斜率為L/V，過點B（X1，Y1）和T（X2，Y2）兩點。端點B代表塔底端面，稱為“濃端”，端點T代表塔頂端面，稱為“稀端”。,說

17、明：,(1) 在進行實際吸收操作時，在塔內(nèi)任一截面上，溶質(zhì)在氣相中的實際分壓總高于與其接觸的液相平衡分壓，故吸收操作線總位于平衡線上方；若在下方，則為脫吸。,(2) 吸收操作線方程是從溶質(zhì)的物料平衡關(guān)系出發(fā)而推得的關(guān)系式，它取決于氣液兩相和流量、，以吸收塔內(nèi)某截面上的氣液濃度有關(guān)，而與相平衡關(guān)系、塔的類型、相際接觸情況及操作條件無關(guān)。此式應(yīng)用的唯一必要條件是穩(wěn)定狀態(tài)下連續(xù)逆流操作。,操作線的斜率V/L稱為“液氣比”，是溶劑與惰性氣體摩爾流量的比值。它反映單位氣體處理量的溶劑耗用量大小。,如左圖所示，在V、Y1、Y2及X2已知的情況下，吸收操作線的一個端點T已固定，另一個端點B則在Y=Y1上移動

18、，點B的橫坐標(biāo)由操作線的斜率V/L決定。,2 吸收劑的用量與最小液氣比,當(dāng)塔底流出的吸收液與剛進塔的混合氣體呈平衡狀態(tài)時，吸收的推動力為零。此種狀況下，吸收操作線的斜率稱為最小液氣比，以(L/V)min。相應(yīng)的吸收劑用量為最小吸收劑用量，用Lmin表示。,增大吸收劑用量可以使吸收推動力增大，達到一定限度后，效果變得不明顯，而溶劑的消耗、輸送及回收等項操作費用急劇增加。,吸收劑用量的選擇：應(yīng)從設(shè)備費與操作費兩方面綜合考慮，選擇適宜的液氣比，使兩種費用之和最小。,L/V=(1.11.2)(L/V)min 或 L= (1.11.2) Lmin,(1) 平衡線為凹形,根據(jù)水平線Y=Y1與平衡線的交點B

19、 的橫坐標(biāo)Xe1求出。,3 圖解法求最小液氣比,(2) 平衡線為凸形,步驟：過點T作平衡線的切線，找出水平線Y=Y1與切線的交點B，讀出B的橫坐標(biāo)X1，再按下式計算。,若氣液濃度都很低，平衡關(guān)系符合亨利定律，可用Ye=mX表示，可直接用下式計算出最小液氣比，即,例 在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合氣體中的SO2。氣體處理量為1.20m3（標(biāo)準(zhǔn)）s-1，進塔氣體中含SO2 8%（體積百分?jǐn)?shù)），要求SO2的吸收率為85%，在該吸收操作條件下的相平衡關(guān)系Ye=26.7X，用水量為最小用量的1.5倍。試求： （1）用水量為多少？ （2）若吸收率提高至90%，用水量又為多少？,解：惰性氣體量為,例

20、題,（1）當(dāng)吸收率為85%時,實際液氣比,最小液氣比,Y2=Y1（1-A）=0.087(1-0.85)=0.0131 Xe1=Y1/26.7=0.087/26.7=3.258 10-3 X2=0（清水）,L=34.02V=34.02 49.29=1677mols-1=0.03m3 s-1,L/V=1.5(L/V)min =1.5 22.68=34.02,實際用水量,（2）若吸收率提高至90%，出塔氣體濃度為Y2，則最小液氣比,實際液氣比,L =36.05V=36.05 49.29=1777mols-1=0.032m3 s-1,從計算結(jié)果可知，在其他條件相同時，吸收率提高，最小液氣比增大，所需的吸收劑用量也增大。,(L/V)=1.5(L/V) min =1.5 24.03=36.05,實際用水量,建立和不斷更新兩相接觸表面，使之