第8章-傳質(zhì)導(dǎo)論與吸收

第八章吸收第二節(jié)傳質(zhì)基礎(chǔ)理論第三節(jié)吸收第四節(jié)吸收塔的計(jì)算第五節(jié)吸收塔及其吸收操作應(yīng)用舉例第一節(jié)概述一、概述-----在濃度差、溫度差、壓力差等推動(dòng)力作用下，從一處向另一處的轉(zhuǎn)移過(guò)程。包括相內(nèi)傳質(zhì)和相際傳質(zhì)兩類(lèi)。分離過(guò)程在全廠的設(shè)備投資費(fèi)和操作費(fèi)上占很大比重。對(duì)一典型的化工廠，分離設(shè)備的投資占60-70％，分離過(guò)程的能耗約占30％。

（一）化工生產(chǎn)中的常規(guī)分離方法（二）相平衡與熱平衡不同之處：▲達(dá)到相平衡時(shí)，一般兩相

濃度不相等。▲相平衡屬動(dòng)態(tài)平衡------達(dá)到相平衡時(shí)，傳質(zhì)過(guò)程仍在進(jìn)行，只不過(guò)通過(guò)相界面的某一組分的凈傳質(zhì)量為零。---相際間傳質(zhì)的最終狀態(tài)

（三）相組成的表示方法雙組分均相物系（A、B）的摩爾分?jǐn)?shù)之和等于多少？質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和呢？

xA與wA的關(guān)系？

雙組分均相物系中，x與X的關(guān)系？w與的關(guān)系？xA與cA的關(guān)系？wA與

A的關(guān)系？

cA與

A的關(guān)系？

對(duì)理想氣體，c與p的關(guān)系？y與p？

與p？（四）傳質(zhì)方式傳質(zhì)的兩種方式分子擴(kuò)散對(duì)流傳質(zhì)（給質(zhì)過(guò)程）---發(fā)生在靜止流體、層流流動(dòng)的流體中，

靠分子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的。---發(fā)生在湍流流動(dòng)的流體中，

靠流體微團(tuán)的脈動(dòng)進(jìn)行的。一分子擴(kuò)散與菲克定律二分子擴(kuò)散速率三小結(jié)第二節(jié)傳質(zhì)基礎(chǔ)理論一、分子擴(kuò)散與菲克定律

（一）菲克定律對(duì)照：牛頓粘性定律：傅立葉定律：----又稱(chēng)菲克第一定律，適用于

雙組分體系。AAAAAAAABBBBBBBB質(zhì)量中心面組分A的擴(kuò)散量JA,z組分B的擴(kuò)散量JB,z

菲克定律的其它表達(dá)形式：AAAAAAAABBBBBBBB質(zhì)量中心面組分A的擴(kuò)散量JA,z組分B的擴(kuò)散量JB,z菲克定律說(shuō)明：（1）JA,z、JB,z是相對(duì)擴(kuò)散通量（絕對(duì)擴(kuò)散通量用NA,z表示）組分A移走后，出現(xiàn)空位，其他分子（可能是A也可能是B）將會(huì)補(bǔ)位，若A、B分子量不等，那么質(zhì)量中心會(huì)局部發(fā)生漂移。JA,z、JB,z是為了使JA,z＋JB,z＝0而定義的，即JA,z、JB,z是相對(duì)于一個(gè)移動(dòng)的擴(kuò)散面而定義的擴(kuò)散通量。（2）JA,z＝－JB,z由JA,z＋JB,z＝0可證得。菲克定律（3）DA,B是物性。DA,B（氣）

10-5m2/sDA,B（液）

10-9m2/sDA,B（固）

<10-10m2/s每cm3所具有的分子個(gè)數(shù)：氧氣：2.5×1019

水：3.3×1022銅：7.3×1022

說(shuō)明：（4）對(duì)二元體系，擴(kuò)散系數(shù)的下標(biāo)可去掉。即對(duì)氣體體系有：DA,B＝DB,A

對(duì)液體體系有：DA,B

DB,A對(duì)氣體體系由JA,z＝－JB,z可證得。對(duì)液體體系當(dāng)

＝常數(shù)時(shí)可證得。菲克定律二、分子擴(kuò)散速率

（一）等摩爾相互擴(kuò)散由前面的介紹可知，還有cA2cA1-----cA（或pA）隨z呈線(xiàn)性變化

（二）單向擴(kuò)散所謂單向擴(kuò)散是指組分A通過(guò)停滯（或不擴(kuò)散）組分B的分子擴(kuò)散。

由前面的介紹可知，還有漂流因數(shù)（均>1）代表總體流動(dòng)的影響或?qū)懗伤伎迹簽槭裁磫蜗驍U(kuò)散比等摩爾相互擴(kuò)散多一個(gè)大于1的漂流因數(shù)？在等分子相互擴(kuò)散中，組分A移走后，出現(xiàn)的空位會(huì)由組分B補(bǔ)位，故Nz＝0，即無(wú)總體流動(dòng)。在單向擴(kuò)散中，組分A移走后，出現(xiàn)的空位會(huì)由周?chē)旌衔铮ˋ＋B）補(bǔ)位，故Nz

0，即有總體流動(dòng)?？紤]到這部分由總體流動(dòng)引起的組分A的擴(kuò)散通量，因而單向擴(kuò)散的擴(kuò)散通量要比等分子相互擴(kuò)散的大。思考：混合物中A組分的濃度愈高，漂流因數(shù)則如何變化？為什么？前面已推得：若將式中帶有下標(biāo)2的各項(xiàng)的下標(biāo)去掉，可得：-----cB（或cA）隨z呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化（三）分子擴(kuò)散系數(shù)

菲克定律中的擴(kuò)散系數(shù)D代表單位濃度梯度（kmol·m-4）下的擴(kuò)散通量(kmol·m2·s)，表達(dá)某個(gè)組分在介質(zhì)中擴(kuò)散的快慢表8-1101.3kPa下，某些氣體及蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)物質(zhì)T/KD/cm2·s-1物質(zhì)T/KD/cm2·s-1H22730.661CO22730.138He3170.756CO22980.164O22730.178SO22980.122Cl22730.124甲醇2730.132H2O2730.220乙醇2730.102H2O2980.256正丁醇2730.0703H2O3320.305苯2980.0962NH32730.198甲苯2980.0844三、小結(jié)

(一)重要概念

分子擴(kuò)散、對(duì)流傳質(zhì)、擴(kuò)散通量、絕對(duì)擴(kuò)散通量、總體流動(dòng)通量、漂流因數(shù)、膜模型要點(diǎn)、對(duì)流傳質(zhì)機(jī)理、影響對(duì)流傳質(zhì)的因素。

(二)公式菲克定律：對(duì)流傳質(zhì)方程：(三)雙組分、一維穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散舉例等分子相互擴(kuò)散單向擴(kuò)散特點(diǎn)一吸收的基本概念二氣液相平衡三吸收傳質(zhì)速率第三節(jié)吸收一、吸收的基本概念（一）吸收定義相界面ABCD氣體混合物液體S惰性組分

吸收劑

溶質(zhì)

利用氣體混合物中各組分在液體溶劑中溶解度的差異來(lái)分離氣體混合物的操作稱(chēng)為吸收。（二）吸收的目的1．制取產(chǎn)品例如，用98%的硫酸吸收SO3氣體制取98%硫酸；用水吸收氯化氫制取31%的工業(yè)鹽酸；用氨水吸收CO2生產(chǎn)碳酸氫銨等。2．從氣體中回收有用的組分例如，用硫酸從煤氣中回收氨生成硫胺；用洗油從煤氣中回收粗苯等。3．除去有害組分以?xún)艋瘹怏w主要包括原料氣凈化和尾氣、廢氣的凈化以保護(hù)環(huán)境。例如用水或堿液脫除合成氨原料氣中的二氧化碳；

燃煤鍋爐煙氣、冶煉廢氣等脫SO2等。（三）吸收分類(lèi)相界面ABCD氣體混合物液體S惰性組分

吸收劑

溶質(zhì)

本章要介紹的（四）吸收設(shè)備及流程1、吸收設(shè)備-----塔設(shè)備2．吸收流程單一吸收塔流程：

吸收劑常常需要回收再利用多塔吸收流程

（五）收劑的選擇5．其它-----無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、不易燃燒、不發(fā)泡、價(jià)廉易得，并具有化學(xué)穩(wěn)定性等要求。1．溶解度-----對(duì)溶質(zhì)組分有較大的溶解度2．選擇性-----對(duì)溶質(zhì)組分有良好的選擇性，即對(duì)其它組分基本不吸收或吸收甚微，3．揮發(fā)性-----應(yīng)不易揮發(fā)4．粘性-----粘度要低二、氣液相平衡（一）溶解度及溶解度曲線(xiàn)(對(duì)雙組分氣體)

氣液達(dá)到相平衡時(shí)，液相中的溶質(zhì)濃度稱(chēng)為溶解度，記作對(duì)雙組分氣體吸收，所有變量共4個(gè)：溫度T、總壓P、氣相組成、溶解度----獨(dú)立變量只有3個(gè)，例如：T、P、pA在幾個(gè)大氣壓以?xún)?nèi)、溫度T一定條件下，（溶解平衡）溶解度曲線(xiàn)上述具體函數(shù)關(guān)系目前尚無(wú)法理論推得，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)具體物系進(jìn)行測(cè)定。如下圖示出了四種氣體在20

C下在水中溶解度曲線(xiàn)。

難溶體系溶解度適中體系

易溶體系說(shuō)明：（1）不同氣體的溶解度差異很大（2）對(duì)于稀溶液或極稀溶液，溶解度曲線(xiàn)近似為直線(xiàn)，即-----亨利定律pA=723cApA=25.5cApA=0.36cApA=0.0136cA（二）亨利定律通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定,可從有關(guān)手冊(cè)中查得。如圖，H越大，表明在相同的pA下cA*越大，故越易溶。T

，H

P在幾個(gè)大氣壓范圍內(nèi)對(duì)H影響可忽略。其他情況下，一般P，H

屬物性獲取方法：影響因素：-----亨利定律溶解度系數(shù)，kmol/(m3

Pa)思考：H越大，表明越易溶還是越難溶？-----亨利定律亨利定律的其他形式：E越大，越難溶；亨利系數(shù)，Pa相平衡常數(shù)，無(wú)量綱思考：E越大，表明越易溶還是越難溶？E的影響因素：T

，E

；P對(duì)E影響可忽略。m的影響因素：T

，m

；P

，m

思考：m越大，表明越易溶還是越難溶？m越大，越難溶；三、吸收傳質(zhì)速率三個(gè)串聯(lián)傳質(zhì)環(huán)節(jié)：

氣體液體氣體側(cè)的對(duì)流傳質(zhì)界面溶解（一）吸收過(guò)程模型NAGNAL液體側(cè)的對(duì)流傳質(zhì)----雙膜模型（二）吸收速率方程類(lèi)似地：---分吸收速率方程

NAGNALNAG=NAL對(duì)流傳質(zhì)方程：（二）吸收速率方程----以分壓差為推動(dòng)力的氣相總吸收速率方程（二）吸收速率方程------以摩爾濃度差為推動(dòng)力的

氣相總吸收速率方程-----以摩爾分率差為推動(dòng)力的

氣相總吸收速率方程-----以摩爾分率差為推動(dòng)力的

液相總吸收速率方程（二）吸收速率方程液相總傳質(zhì)推動(dòng)力氣相總傳質(zhì)推動(dòng)力氣相分傳質(zhì)推動(dòng)力液相分傳質(zhì)推動(dòng)力吸收速率方程的分析：關(guān)于傳質(zhì)推動(dòng)力操作點(diǎn)P離平衡線(xiàn)越近，

則總推動(dòng)力就越小（二）吸收速率方程氣膜控制故----如圖，氣膜較厚，液膜較薄，即阻力主要由氣

膜決定。2、關(guān)于傳質(zhì)阻力

易溶體系屬于這種情況。（二）吸收速率方程液膜控制----如圖，液膜較厚，氣膜較薄，即阻力主要由液

膜決定。難溶體系屬于這種情況。故（二）吸收速率方程雙膜控制----如圖，液膜、氣膜厚度相當(dāng)，氣膜阻力和液膜

阻力均不可忽略。溶解度適中的體系屬于這種情況。（二）吸收速率方程影響傳質(zhì)阻力的因素：即影響傳質(zhì)系數(shù)k的因素（第八章）流動(dòng)狀況如降膜濕壁塔、圓盤(pán)塔等：kG

G0.75，kL

L0.7，填料塔：kL

L0.75

0.95物性操作溫度和壓力傳質(zhì)面幾何特性等。一

物料衡算和操作線(xiàn)方程二低濃度氣體吸收塔填料層高度的計(jì)算第四節(jié)吸收塔的計(jì)算一、物料衡算和操作線(xiàn)方程計(jì)算項(xiàng)目主要有：吸收劑用量La、液相出塔濃度xb塔的主要工藝尺寸：塔徑D、填料層高度H或塔板數(shù)N（一）物料衡算GBYa

LSXa

GBYb

LSXbGB-----kmolB/sorkmolB/(m2s)；LS-----kmolS/sorkmolS/(m2s)；

Y（或X）-----摩爾比；全塔物料衡算-----可求解液相出塔濃度xb-------此式使用不方便，因?yàn)槟柗致蕏、y的定義基準(zhǔn)從塔底到塔頂均在變化。將x、y換成摩爾比X、Y可解決這個(gè)問(wèn)題。回收率

為：

對(duì)塔上部任一段作質(zhì)量衡算（A組分）-----可求解全塔濃度分布-------操作線(xiàn)方程操作線(xiàn)斜率越小，越靠近平衡線(xiàn)，傳質(zhì)推動(dòng)力越小，對(duì)傳質(zhì)越不利。操作點(diǎn)XYOXbYb塔底XaYa塔頂直線(xiàn)，過(guò)塔頂點(diǎn)A(Xa，Ya)，塔底B(Xb，Yb)總是位于平衡線(xiàn)的上方；----液氣比斜率為-------操作線(xiàn)方程操作線(xiàn)方程：（二）操作線(xiàn)方程對(duì)于低濃氣體（通常yb<10%），（三）吸收劑用量的確定僅從能耗上看，希望吸收劑用量越小越好，但是--最小液氣比此時(shí)，塔內(nèi)必有一處達(dá)到相平衡，塔高需無(wú)窮高才行。最小液氣比只對(duì)設(shè)計(jì)型問(wèn)題有意義?？梢?，能，但達(dá)不到指定的吸收要求思考：實(shí)際操作時(shí)的液氣比可否小于或等于最小液氣比？此時(shí)吸收塔是否能操作？將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？（三）吸收劑用量的確定最小液氣比的計(jì)算：低濃時(shí)：低濃時(shí)：（四）塔徑的計(jì)算u為空塔氣速，m/s，Vs為混合氣體的體積流量，m3/s。二、低濃度氣體吸收塔填料層高度的計(jì)算（一）、填料層高度的一般計(jì)算式氣相中溶質(zhì)A的減少速率＝液相中溶質(zhì)A的增加速率＝從氣相到液相的傳質(zhì)速率注意：G、L----kmol/(m2

s)對(duì)微元段填料dh作物料衡算：填料層高度的計(jì)算將總吸收速率方程氣相、液相總體積傳質(zhì)系數(shù)（適用于高、低濃吸收）代入得：（二）低濃氣體吸收時(shí)的傳質(zhì)單元數(shù)與高度計(jì)算Ky、Kx可視為常數(shù)a也可視為常數(shù)：a與填料形狀、尺寸及填充狀況有關(guān)G、L為常數(shù)對(duì)于低濃氣體氣相總傳質(zhì)單元高度HTU

，m（HeightofTransferUnit）

流動(dòng)狀況、物系、填料特性和操作條件思考：影響傳質(zhì)單元高度HTU的因素？什么是傳質(zhì)單元？o相平衡關(guān)系如圖，將填料層分成若干段，1、2、……、N段。每一段填料均需滿(mǎn)足以下條件：＝該段氣相（或液相）總的平

均推動(dòng)力每一段氣相（或液相）組成的變化量這一段填料就是一個(gè)傳質(zhì)單元o相平衡關(guān)系傳質(zhì)單元高度？常用吸收設(shè)備的HTU約為0.2

1.5m-----每個(gè)傳質(zhì)單元對(duì)應(yīng)的填料層高度，m思考：HTU越大越好，還是越小越好？HTU越小越好傳質(zhì)單元數(shù)？-----傳質(zhì)單元的個(gè)數(shù)，如圖，為N個(gè)。為什么NOG就是傳質(zhì)單元數(shù)N？o相平衡關(guān)系每個(gè)傳質(zhì)單元具有：傳質(zhì)單元數(shù)NOG的幾何意義？越小越好思考：NOG越大越好，還是越小越好？---陰影部分面積思考：如何使NOG變?。咳鐖D所示，要使陰影面積變小，可以將傳質(zhì)推動(dòng)力變大，或?qū)⒎蛛x要求降低，即ya變大。（三）低濃氣體吸收時(shí)填料層高度的計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)NOG的兩種計(jì)算方法：吸收因數(shù)法對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法（1）平衡線(xiàn)為直線(xiàn)時(shí)圖解（或數(shù)值）積分法近似梯級(jí)法（2）平衡線(xiàn)非直線(xiàn)時(shí)傳質(zhì)單元數(shù)NOG的兩種計(jì)算方法：（1）平衡線(xiàn)為直線(xiàn)時(shí)代入中積分得：吸收因數(shù)法對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法-------吸收因數(shù)法類(lèi)似可推得：思考：當(dāng)S＝1時(shí)，NOG＝？根據(jù)洛畢達(dá)法則可得

yb=yb

yb

ya=ya

ya

yb

ya傳質(zhì)單元數(shù)NOG的兩種計(jì)算方法：（1）平衡線(xiàn)為直線(xiàn)時(shí)吸收因數(shù)法對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法

yb=yb

yb

ya=ya

ya

yb

ya------對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力------對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法同理，得：式中：對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法與吸收因數(shù)法的對(duì)比：相同點(diǎn)：都適用于低濃、平衡線(xiàn)為直線(xiàn)的情況不同點(diǎn)：前者涉及四個(gè)濃度，后者涉及三個(gè)濃度，故后者特別適用于操作型問(wèn)題的求解。傳質(zhì)單元數(shù)NOG的兩種計(jì)算方法：圖解（或數(shù)值）積分法近似梯級(jí)法（2）平衡線(xiàn)非直線(xiàn)時(shí)傳質(zhì)單元數(shù)NOG的兩種計(jì)算方法：圖解（或數(shù)值）積分法近似梯級(jí)法（2）平衡線(xiàn)非直線(xiàn)時(shí)作圖步驟如下：①在操作線(xiàn)AB和平衡線(xiàn)OE之間作曲線(xiàn)MM

，使該線(xiàn)恰好等分AB與OE兩線(xiàn)之間的垂直距離。②自A點(diǎn)起作一水平線(xiàn)，交MM

于M1，并延長(zhǎng)至D，使AM1=M1D。③過(guò)點(diǎn)D作垂線(xiàn)交AB于點(diǎn)F。至此完成一個(gè)梯級(jí)法ADF。MM

M1④如此類(lèi)推，可繼續(xù)作出第二個(gè)梯級(jí)，直至越過(guò)點(diǎn)B的橫坐標(biāo)xb為止。DFE梯級(jí)總數(shù)=NOG如圖所示，梯級(jí)數(shù)為2.8個(gè)。亦稱(chēng)為貝克（Baker）法近似梯級(jí)法亦稱(chēng)為貝克（Baker）法MM

M1DFCC

F

A

證明：為什么梯級(jí)數(shù)就是氣

相總傳質(zhì)單元數(shù)NOG？可見(jiàn)，每一個(gè)梯級(jí)都滿(mǎn)足：MM

M1DFCC

F

思考：根據(jù)近似梯級(jí)法判斷操作線(xiàn)距平衡線(xiàn)越近，則NOG如何變化？操作線(xiàn)越靠近平衡線(xiàn)，梯級(jí)數(shù)越多，故NOG越大。一填料吸收塔簡(jiǎn)介二吸收操作在食品工業(yè)中的應(yīng)用第八章吸收塔及其吸收操作應(yīng)用舉例一、填料塔簡(jiǎn)介（一）填料塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

填料塔示意圖填料塔的優(yōu)點(diǎn)：1、生產(chǎn)能力大2、分離效率高3、壓降小4、持液量小5、操作彈性大不足：1、填料造價(jià)高2、當(dāng)液體負(fù)荷較小時(shí)不能有效地潤(rùn)濕填料表面3、不能直接用于有懸浮物或容易聚合的4、物料對(duì)側(cè)線(xiàn)進(jìn)料和出料等復(fù)雜精餾不太適合（二）填料形狀環(huán)形（拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)）鞍形（矩鞍形、弧鞍形）波紋形（板波紋、網(wǎng)狀波紋）1、傳質(zhì)效率高2、填料表面易于被液體潤(rùn)濕3、填料層的空隙率大4、不移引起偏流和溝流5、經(jīng)久耐用具有良好的耐腐蝕性，較高的機(jī)械強(qiáng)度和必要的耐熱性6、取材容易，價(jià)格便宜陶瓷、金屬、塑料等材料制成對(duì)填料的基本要求：幾種常見(jiàn)的填料（三）填料塔的附屬結(jié)構(gòu)1.填料支承板柵板式升氣管式支承塔內(nèi)的填料，同時(shí)保證氣液兩相順利通過(guò)，其氣體通道面積應(yīng)大于填料層的自由截面積（數(shù)值上等于孔隙率）2.液體分布器a多孔管式分布器適應(yīng)較大的液體流量波動(dòng)，氣阻小，對(duì)安裝水平度要求不高，