化工原理吸收

化工原理吸收化工原理吸收化工原理吸收相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用1、判斷過程的方向xyx＊2020/11/22化工原理吸收化工原理吸收化工原理吸收相平衡關(guān)系在吸收過程中的1相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用

1、判斷過程的方向

xyx＊2024/4/2相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用1、判斷過程的方向xyx＊222、計(jì)算過程的推動(dòng)力

當(dāng)氣液相的組成均用摩爾分?jǐn)?shù)表示時(shí)，吸收的推動(dòng)力可表示為：

以氣相組成差表示的吸收推動(dòng)力；以液相組成差表示的吸收推動(dòng)力。

3、確定過程的極限

所謂過程的極限是指兩相充分接觸后，各相組成變化的最大可能性。

2024/4/22、計(jì)算過程的推動(dòng)力當(dāng)氣液相的組成均用摩爾3吸收過程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，包括三個(gè)步驟：溶質(zhì)由氣相主體傳遞到兩相界面，即氣相內(nèi)的物質(zhì)傳遞；溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即界面上發(fā)生的溶解過程；溶質(zhì)自界面被傳遞至液相主體，即液相內(nèi)的物質(zhì)傳遞。單相內(nèi)物質(zhì)傳遞的機(jī)理分子擴(kuò)散

渦流擴(kuò)散第二節(jié)傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率2024/4/2吸收過程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，包括三個(gè)步驟：單相內(nèi)物質(zhì)傳遞的4一、分子擴(kuò)散與菲克定律

1、分子擴(kuò)散：

一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由于分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。AB2024/4/2一、分子擴(kuò)散與菲克定律1、分子擴(kuò)散：一相內(nèi)部有濃度差異的52）菲克定律

與傅立葉定律以及牛頓粘性定律的區(qū)別及聯(lián)系。

3）分子擴(kuò)散系數(shù)間的關(guān)系對(duì)于雙組分物系：2．菲克定律

單位面積上單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量，單位：kmol/(m2.s)。1）擴(kuò)散通量：2024/4/22）菲克定律與傅立葉定律以及牛頓粘性定律的區(qū)別及聯(lián)6根據(jù)菲克定律：

由A、B兩種氣體所構(gòu)成的混合物中，A與B的擴(kuò)散系數(shù)相等。

3、用擴(kuò)散速度表示擴(kuò)散通量CA：該點(diǎn)處物質(zhì)A的濃度，kmol/m3uDA：該點(diǎn)處物質(zhì)A沿Z方向的擴(kuò)散速度，m/s2024/4/2根據(jù)菲克定律：由A、B兩種氣體所構(gòu)成的混合物中，A與B的擴(kuò)7二、氣相中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散

1．等摩爾反向擴(kuò)散1）等摩爾反向擴(kuò)散

例如精餾過程

分子擴(kuò)散的兩種形式氣相中的定態(tài)分子擴(kuò)散一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散2024/4/2二、氣相中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散1．等摩爾反向擴(kuò)散例如精餾過程分82）傳遞速率

在任一固定的空間位置上，單位時(shí)間通過單位面積的A物質(zhì)量，稱為A的傳遞速率，以NA表示。

分離變量并進(jìn)行積分，積分限為：

2024/4/22）傳遞速率分離變量并進(jìn)行積分，積分限為：2024/4/9傳質(zhì)速率為：2、一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散

1）一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散

2024/4/2傳質(zhì)速率為：2、一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散1）一組分通過102024/4/22024/4/111例如吸收2）傳遞速率設(shè)總體流動(dòng)通量為N，其中物質(zhì)A的通量為2024/4/2例如吸收2）傳遞速率2024/4/112總體流動(dòng)中物質(zhì)B向右傳遞的通量為

而即故單位時(shí)間通過單位膜層面積而進(jìn)入右側(cè)的物質(zhì)量NA應(yīng)等于連同管內(nèi)任意截面上A的擴(kuò)散通量JA與A在總體流動(dòng)中的傳遞通量之和連通管內(nèi)兩物質(zhì)擴(kuò)散通量為數(shù)值相等方向相反，即：JA=-JB

2024/4/2總體流動(dòng)中物質(zhì)B向右傳遞的通量為而即故單位時(shí)間通過單位膜層13將

和代入

若擴(kuò)散在氣相中進(jìn)行，則：

總體流動(dòng)通量等于組分A的傳質(zhì)通量2024/4/2將和代入若擴(kuò)散在氣相中進(jìn)行，則：總體流動(dòng)通量等于組分A14或分離變量后積分2024/4/2或分離變量后積分2024/4/115——漂流因數(shù)，無因次。反映總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響。

因p＞pBm，所以漂流因數(shù)

pBm：1、2兩截面上物質(zhì)B分壓的對(duì)數(shù)平均值，kPa2024/4/2——漂流因數(shù)，無因次。反映總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的因p＞pBm，16三、擴(kuò)散系數(shù)

分子擴(kuò)散系數(shù)簡稱擴(kuò)散系數(shù)，它是物質(zhì)的特性常數(shù)之一。同一物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)隨介質(zhì)的種類、溫度、壓強(qiáng)及濃度的不同而變化。物質(zhì)在不同條件下的擴(kuò)散系數(shù)一般需要通過實(shí)驗(yàn)測定。1、物質(zhì)在氣體中的擴(kuò)散系數(shù)氣體A在氣體B中（或B在A中）的擴(kuò)散系數(shù)，可按馬克斯韋爾—吉利蘭（Maxwell-Gilliland）公式進(jìn)行估算

2024/4/2三、擴(kuò)散系數(shù)分子擴(kuò)散系數(shù)簡稱擴(kuò)散系數(shù)，它是172、物質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)

物質(zhì)在液體中的散系數(shù)與組分的性質(zhì)、溫度、粘度以及濃度有關(guān)。

對(duì)于很稀的非電解溶液，物質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)

2024/4/22、物質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)物質(zhì)在液體中的散系數(shù)18擴(kuò)散系數(shù)物質(zhì)的特性常數(shù)，表示物質(zhì)分子擴(kuò)散能力的大小，D越大，分子擴(kuò)散越快。單位：m2/s物理意義：單位距離內(nèi)，擴(kuò)散組分降低一個(gè)濃度時(shí)單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的物質(zhì)量。不僅取決于物質(zhì)本身，還與介質(zhì)、介質(zhì)濃度、溫度、壓力有關(guān)液體的擴(kuò)散系數(shù)小，但由于液體濃度大，故在氣體中的擴(kuò)散通量只比液體大10-102倍擴(kuò)散只發(fā)生在A、B組成的混和氣中時(shí)，DAB=DBA2024/4/2擴(kuò)散系數(shù)物質(zhì)的特性常數(shù)，表示物質(zhì)分子擴(kuò)散能力的大小，D越大，19四、對(duì)流傳質(zhì)

1、渦流擴(kuò)散憑籍流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)和旋渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。擴(kuò)散通量：2、對(duì)流傳質(zhì)

流動(dòng)流體與兩相界面之間的傳質(zhì)1）固定界面氣固兩相或液固兩相間的界面

DE：渦流擴(kuò)散系數(shù)不是物性常數(shù)，與湍流狀況有關(guān)，并隨位置變化2024/4/2四、對(duì)流傳質(zhì)1、渦流擴(kuò)散2、對(duì)流傳質(zhì)DE：渦流擴(kuò)散系數(shù)不20

2）流動(dòng)界面氣液兩相和液液兩相間的界面氣相有效層流膜（傳質(zhì)邊界層)液相有效層流膜2024/4/22）流動(dòng)界面氣相有效層流膜（傳質(zhì)邊界層)2021對(duì)于氣體分子單向擴(kuò)散

故：kG:氣膜吸收系數(shù)或氣膜傳質(zhì)系數(shù)液相一側(cè)Csm：溶劑S在液相主體與相界面處的濃度的對(duì)數(shù)平均值kG：液膜吸收系數(shù)或液膜傳質(zhì)系數(shù)2024/4/2對(duì)于氣體分子單向擴(kuò)散故：kG:氣膜吸收系數(shù)或氣膜傳質(zhì)系數(shù)22基礎(chǔ)理論：

當(dāng)液體湍流流過固體溶質(zhì)表面時(shí)，固液間的全部阻力全部集中在液體內(nèi)緊靠兩相界面的一層停滯膜內(nèi)，此膜厚度大于層流內(nèi)層厚度，而它提供的分子傳質(zhì)阻力恰等于實(shí)際存在的對(duì)流傳質(zhì)阻力。五、吸收機(jī)理

（雙膜理論、溶質(zhì)滲透理論和表面更新理論）

1、雙膜理論（雙阻力理論）

2024/4/2基礎(chǔ)理論：五、吸收機(jī)理

（雙膜理論、溶質(zhì)滲透理論和23雙膜理論的模式理論相互接觸的氣液兩相間有一個(gè)穩(wěn)定的界面，界面上沒有傳質(zhì)阻力，氣液兩相處于平衡狀態(tài)。界面兩側(cè)分別存在著兩層停滯膜，氣膜和液膜。氣相一側(cè)叫氣膜，液相一側(cè)叫液膜，這兩層膜均很薄，膜內(nèi)的流體是滯流流動(dòng)，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的方式進(jìn)行傳質(zhì)。

膜外的氣液相主體中，流體流動(dòng)的非常劇烈，溶質(zhì)的濃度很均勻，傳質(zhì)的阻力可以忽略不計(jì)，傳質(zhì)阻力集中在兩層膜內(nèi)。2024/4/2雙膜理論的模式理論2024/4/1242024/4/22024/4/1252、雙膜理論的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)適用條件：用于描述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。優(yōu)缺點(diǎn)：教材2024/4/22、雙膜理論的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)適用條件：用于描述具有固定相界26六、吸收速率方程式

吸收速率：

單位相際傳質(zhì)面積上，單位時(shí)間內(nèi)吸收的溶質(zhì)A的量，用NA表示，單位通常用kmol/m2.s。吸收傳質(zhì)速率方程：吸收速率與吸收推動(dòng)力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式

吸收速率=傳質(zhì)系數(shù)×推動(dòng)力

1、氣膜吸收速率方程式

2024/4/2六、吸收速率方程式吸收速率：單位相際傳質(zhì)面積上，單位27令——?dú)饽の账俾史匠淌健獨(dú)饽の障禂?shù)，kmol/(m2.s.kPa)。

也可寫成：

2024/4/2令——?dú)饽の账俾史匠淌健獨(dú)饽の障禂?shù)，kmol/(m28當(dāng)氣相的組成以摩爾分?jǐn)?shù)表示時(shí)

—以

表示的氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

當(dāng)氣相組成以摩爾比濃度表示時(shí)

—以

表示推動(dòng)力的氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

2024/4/2當(dāng)氣相的組成以摩爾分?jǐn)?shù)表示時(shí)—以表示的氣膜吸收系數(shù)，km292、液膜吸收速率方程式

令

或

——液膜吸收速率方程—以

為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，m/s；

2024/4/22、液膜吸收速率方程式令或——液膜吸收速率方程—以為30當(dāng)液相的組成以摩爾分?jǐn)?shù)表示時(shí)

—以

為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

當(dāng)液相組成以摩爾比濃度表示時(shí)

—以

為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

2024/4/2當(dāng)液相的組成以摩爾分?jǐn)?shù)表示時(shí)—以為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，313、界面濃度當(dāng)已知兩相組成的平衡關(guān)系，如

和上式聯(lián)立便可

求出

2024/4/23、界面濃度當(dāng)已知兩相組成的平衡關(guān)系，如和上式聯(lián)立便可求32pcAIcipi2024/4/2pcAIcipi2024/4/133上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)一、分子擴(kuò)散：1、Fick定律2、等摩爾反向擴(kuò)散3、一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散

總體流動(dòng)促進(jìn)分子擴(kuò)散的進(jìn)行，分子擴(kuò)散的流量等于總體流動(dòng)通量2024/4/2上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)一、分子擴(kuò)散：2、等摩爾反向擴(kuò)散3、一組分通過另34二、擴(kuò)散系數(shù)物質(zhì)的特性常數(shù)，表示物質(zhì)分子擴(kuò)散能力的大小，D越大，分子擴(kuò)散越快。不僅取決于物質(zhì)本身，還與介質(zhì)、介質(zhì)濃度、溫度、壓力有關(guān)液體的擴(kuò)散系數(shù)小，但由于液體濃度大，故在氣體中的擴(kuò)散通量只比液體大10-102倍由A、B兩種氣體所構(gòu)成的混合物中，A與B的擴(kuò)散相等2024/4/2二、擴(kuò)散系數(shù)物質(zhì)的特性常數(shù)，表示物質(zhì)分子擴(kuò)散能力的大小，2035三、渦流擴(kuò)散：渦流擴(kuò)散系數(shù)DE四、對(duì)流傳質(zhì)：2024/4/2三、渦流擴(kuò)散：渦流擴(kuò)散系數(shù)DE四、對(duì)流傳質(zhì)：2024/4/136雙膜理論的模式理論相互接觸的氣液兩相間有一個(gè)穩(wěn)定的界面，界面上沒有傳質(zhì)阻力，氣液兩相處于平衡狀態(tài)。界面兩側(cè)分別存在著兩層停滯膜，氣膜和液膜。氣相一側(cè)叫氣膜，液相一側(cè)叫液膜，這兩層膜均很薄，膜內(nèi)的流體是滯流流動(dòng)，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的方式進(jìn)行傳質(zhì)。

膜外的氣液相主體中，流體流動(dòng)的非常劇烈，溶質(zhì)的濃度很均勻，傳質(zhì)的阻力可以忽略不計(jì)，傳質(zhì)阻力集中在兩層膜內(nèi)。五、吸收機(jī)理

2024/4/2雙膜理論的模式理論五、吸收機(jī)理

2024/4/137六、吸收速率方程式

吸收速率=傳質(zhì)系數(shù)×推動(dòng)力

1、氣膜吸收速率方程式

——?dú)饽の障禂?shù)，kmol/(m2.s.kPa)。

（1）（2）—以

表示的氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

2024/4/2六、吸收速率方程式吸收速率=傳質(zhì)系數(shù)×推動(dòng)力1、氣膜吸收38—以

表示推動(dòng)力的氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

（3）2024/4/2—以表示推動(dòng)力的氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。（392、液膜吸收速率方程式

—以

為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，m/s；

（1）（2）（3）—以

為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

—以

為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

2024/4/22、液膜吸收速率方程式—以為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，m/s403、總吸收系數(shù)及相應(yīng)的吸收速率方程式1）以氣相組成表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式a）以△p為推動(dòng)力的吸收速率方程

2024/4/23、總吸收系數(shù)及相應(yīng)的吸收速率方程式2024/4/141----以分壓差為推動(dòng)力的氣相總吸收速率方程2024/4/2----以分壓差為推動(dòng)力的氣相總吸收速率方程2024/4/142

b）以△y為推動(dòng)力的吸收速率方程2）以液相組成表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式

—以△y為推動(dòng)力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

a）以△c為推動(dòng)力的吸收速率方程

同乘以H，得：2024/4/2b）以△y為推動(dòng)力的吸收速率方程2）以液相組成表示總推動(dòng)43—以△c為推動(dòng)力的液相總吸收系數(shù)，m/s

令：則：b）以△x為推動(dòng)力的吸收速率方程

2024/4/2—以△c為推動(dòng)力的液相總吸收系數(shù)，m/s令：則：b）以△x44—以△x為推動(dòng)力的液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)

3）用摩爾比濃度為總推動(dòng)力的吸收速率方程式適用條件：溶質(zhì)濃度很低時(shí)

a）以

表示總推動(dòng)力的總吸收速率方程式據(jù)分壓定律2024/4/2—以△x為推動(dòng)力的液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)345代入

令

—以

為推動(dòng)力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)

2024/4/2代入令—以為推動(dòng)力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.46b）以

表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式

若XA、XA*很小2024/4/2b）以表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式若XA、XA*很小2047分別為總阻力、氣膜阻力和液膜阻力

即總阻力=氣膜阻力+液膜阻力

同理

4、各種吸收系數(shù)之間的關(guān)系1）總系數(shù)與分系數(shù)的關(guān)系

2024/4/2分別為總阻力、氣膜阻力和液膜阻力即總阻力=氣膜阻力+液膜阻48在溶質(zhì)濃度很低時(shí)

2）總系數(shù)間的關(guān)系

a）氣相總吸收系數(shù)間的關(guān)系

2024/4/2在溶質(zhì)濃度很低時(shí)2）總系數(shù)間的關(guān)系2024/4/149當(dāng)溶質(zhì)在氣相中的濃度很低時(shí)

b）液相總傳質(zhì)系數(shù)間的關(guān)系

c）氣相總吸收系數(shù)與液相總吸收系數(shù)的關(guān)系2024/4/2當(dāng)溶質(zhì)在氣相中的濃度很低時(shí)b）液相總傳質(zhì)系數(shù)間的關(guān)系c）50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)力增加氣相分壓或減小溶質(zhì)在液相中的濃度2024/4/2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51氣膜控制（易溶體系）：H很大，m值很小

故1）溶解度很大時(shí)的易溶氣體

2024/4/2氣膜控制（易溶體系）：H很大，m值很小故1）溶解度很大時(shí)52液膜控制（難溶體系）：故2024/4/2液膜控制（難溶體系）：故2024/4/153氣膜控制例：水吸收氨或HCl氣體

液膜控制例：水吸收氧、CO2

2024/4/2氣膜控制例：水吸收氨或HCl氣體液膜控制例：水吸收氧、CO54雙膜控制（中等溶解度體系）氣膜阻力和液膜阻力均不可忽略，稱其為雙膜控制。如用水吸收SO22024/4/2雙膜控制（中等溶解度體系）2024/4/155影響傳質(zhì)阻力的因素：氣液流動(dòng)狀況如降膜濕壁塔、圓盤塔等：

kGV0.75，kL

L0.7，填料塔：

kL

L0.75

0.95操作條件（降低溫度、增加壓力）物性（擴(kuò)散系數(shù)、粘度等）2024/4/2影響傳質(zhì)阻力的因素：氣液流動(dòng)狀況2024/4/156小結(jié)：吸收速率方程

與膜系數(shù)相對(duì)應(yīng)的吸收速率式與總系數(shù)對(duì)應(yīng)的速率式

用一相主體與界面的濃度差表示推動(dòng)力用一相主體的濃度與其平衡濃度之差表示推動(dòng)力2024/4/2小結(jié)：吸收速率方程與膜系數(shù)相對(duì)應(yīng)的吸收速率式與總系數(shù)對(duì)應(yīng)57五、傳質(zhì)速率方程小結(jié)NA=單相的分吸收（傳質(zhì)）推動(dòng)力×分傳質(zhì)系數(shù)

=雙相的總吸收（傳質(zhì)）推動(dòng)力×總傳質(zhì)系數(shù)基于不同形式的推動(dòng)力，可以寫出相應(yīng)的吸收速率方程式。使用吸收速率方程式應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：p30，表9-1（1）各吸收速率方程式是等效的。均可計(jì)算吸收過程的速率。（2）任何吸收系數(shù)的單位都是kmol/(m2·s·單位推動(dòng)力)。kmol/(m2·s)（3）注意各吸收速率方程式中的吸收系數(shù)與吸收推動(dòng)力的正確搭配及其單位的一致性。（4）上述各吸收速率方程式，都是以氣液組成保持不變?yōu)榍疤岬?，因此只適合于描述穩(wěn)態(tài)操作的吸收塔內(nèi)任一橫截面上的速率關(guān)系，而不能直接用來描述全塔的吸收速率。在塔內(nèi)不同橫截面上的氣液組成各不相同，其吸收速率也不相同。

（5）在使用與總吸收系數(shù)相對(duì)應(yīng)的吸收速率方程式時(shí)，在整個(gè)過程所涉及的組成范圍內(nèi)，平衡關(guān)系須為直線。否則，即使膜系數(shù)(如kG、kL)為常數(shù)，總吸收系數(shù)仍隨組成而變化，這將不便于吸收塔的計(jì)算。2024/4/2五、傳質(zhì)速率方程小結(jié)NA=單相的分吸收（傳質(zhì)）推動(dòng)力×58[補(bǔ)例1]：用煤油從苯–空氣混合氣體中吸收苯，入塔氣體中含苯2%（體積），吸收后濃度降為0.01%（體積），入塔煤油中含苯0.02%（摩爾分?jǐn)?shù)）。操作溫度為50℃，壓力為200kpa，操作條件下相平衡關(guān)系為pA*=80xkpa。求：（1）塔頂處氣相推動(dòng)力；（2）若改善操作條件，提高吸收率，則出口液體濃度極限是多少？解：（1）∴塔頂氣相推動(dòng)力為：（2）氣,p2液,x2液,x1氣,p12024/4/2[補(bǔ)例1]：