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、壓力差等推動力作用下，從一處向另一處的轉(zhuǎn)移過程。包括相內(nèi)傳質(zhì)和相際傳質(zhì)兩類。分離過程在全廠的設(shè)備投資費(fèi)和操作費(fèi)上占很大比重。對一典型的化工廠，分離設(shè)備的投資占60-70％，分離過程的能耗約占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。▲相平衡屬動態(tài)平衡------達(dá)到相平衡時(shí)，傳質(zhì)過程仍在進(jìn)行，只不過通過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)散對流傳質(zhì)（給質(zhì)過程）---發(fā)生在靜止流體、層流流動的流體中，

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

靠流體微團(tuán)的脈動進(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）菲克定律對照：牛頓粘性定律：傅立葉定律：----又稱菲克第一定律，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菲克定律說明：（1）JA,z、JB,z是相對擴(kuò)散通量（絕對擴(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）將會補(bǔ)位，若A、B分子量不等，那么質(zhì)量中心會局部發(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是相對于一個(gè)移動的擴(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

說明：（4）對二元體系，擴(kuò)散系數(shù)的下標(biāo)可去掉。即對氣體體系有：DA,B＝DB,A

對液體體系有：DA,B

DB,A對氣體體系由JA,z＝－JB,z可證得。對液體體系當(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呈線性變化

（二）單向擴(kuò)散所謂單向擴(kuò)散是指組分A通過停滯（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)的空位會由組分B補(bǔ)位，故Nz＝0，即無總體流動。在單向擴(kuò)散中，組分A移走后，出現(xiàn)的空位會由周圍混合物（A＋B）補(bǔ)位，故Nz

0，即有總體流動?？紤]到這部分由總體流動引起的組分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、對流傳質(zhì)、擴(kuò)散通量、絕對擴(kuò)散通量、總體流動通量、漂流因數(shù)、膜模型要點(diǎn)、對流傳質(zhì)機(jī)理、影響對流傳質(zhì)的因素。

(二)公式菲克定律：對流傳質(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分離氣體混合物的操作稱為吸收。（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．除去有害組分以凈化氣體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-----無毒、無腐蝕性、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-----對溶質(zhì)組分有較大的溶解度2．選擇性-----對溶質(zhì)組分有良好的選擇性，即對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(對雙組分氣體)

氣液達(dá)到相平衡時(shí)，液相中的溶質(zhì)濃度稱為溶解度，記作對雙組分氣體吸收，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)大氣壓以內(nèi)、溫度T一定條件下，（溶解平衡）溶解度曲線上述具體函數(shù)關(guān)系目前尚無法理論推得，需通過實(shí)驗(yàn)方法對具體物系進(jìn)行測定。如下圖示出了四種氣體在20

C下在水中溶解度曲線。

難溶體系溶解度適中體系

易溶體系說明：（1）不同氣體的溶解度差異很大（2）對于稀溶液或極稀溶液，溶解度曲線近似為直線，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)測定,可從有關(guān)手冊中查得。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)的對流傳質(zhì)界面溶解（一）吸收過程模型NAGNAL液體側(cè)的對流傳質(zhì)----雙膜模型（二）吸收速率方程類似地：---分吸收速率方程

NAGNALNAG=NAL對流傳質(zhì)方程：（二）吸收速率方程----以分壓差為推動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力的

氣相總吸收速率方程-----以摩爾分率差為推動力的

氣相總吸收速率方程-----以摩爾分率差為推動力的

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

則總推動力就越?。ǘ┪账俾史匠虤饽た刂乒?---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）流動狀況如降膜濕壁塔、圓盤塔等：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)問題?；厥章?/p>

為：

對塔上部任一段作質(zhì)量衡算（A組分）-----可求解全塔濃度分布-------操作線方程操作線斜率越小，越靠近平衡線，傳質(zhì)推動力越小，對傳質(zhì)越不利。操作點(diǎn)XYOXbYb塔底XaYa塔頂直線，過塔頂點(diǎn)A(Xa，Ya)，塔底B(Xb，Yb)總是位于平衡線的上方；----液氣比斜率為-------操作線方程操作線方程：（二）操作線方程對于低濃氣體（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，塔高需無窮高才行。最小液氣比只對設(shè)計(jì)型問題有意義?？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)對于低濃氣體氣相總傳質(zhì)單元高度HTU

，m（HeightofTransferUnit）

流動狀況、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。每一段填料均需滿足以下條件：＝該段氣相（或液相）總的平

均推動力每一段氣相（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??？如圖所示，要使陰影面積變小，可以將傳質(zhì)推動力變大，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)法對數(shù)平均推動力法（1）平衡線為直線時(shí)圖解（或數(shù)值）積分法近似梯級法（2）平衡線非直線時(shí)傳質(zhì)單元數(shù)NOG的兩種計(jì)算方法：（1）平衡線為直線時(shí)代入中積分得：吸收因數(shù)法對數(shù)平均推動力法-------吸收因數(shù)法類似可推得：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）平衡線為直線時(shí)吸收因數(shù)法對數(shù)平均推動力法

yb=yb

yb

ya=ya

ya

yb

ya------對數(shù)平均推動力------對數(shù)平均推動力法同理，得：式中：對數(shù)平均推動力法與吸收因數(shù)法的對比：相同點(diǎn)：都適用于低濃、平衡線為直線的情況不同點(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）積分法近似梯級法（2）平衡線非直線時(shí)傳質(zhì)單元數(shù)NOG的兩種計(jì)算方法：圖解（或數(shù)值）積分法近似梯級法（2）平衡線非直線時(shí)作圖步驟如下：①在操作線AB和平衡線OE之間作曲線MM

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

于M1，并延長至D，使AM1=M1D。③過點(diǎn)D作垂線交AB于點(diǎn)F。至此完成一個(gè)梯級法ADF。MM

M1④如此類推，可繼續(xù)作出第二個(gè)梯級，直至越過點(diǎn)B的橫坐標(biāo)xb為止。DFE梯級總數(shù)=NOG如圖所示，梯級數(shù)為2.8個(gè)。亦稱為貝克（Baker）法近似梯級法亦稱為貝克（Baker）法MM

M1DFCC

F

A

證明：為什么梯級數(shù)就是氣

相總傳質(zhì)單元數(shù)NOG？可見，每一個(gè)梯級都滿足：MM

M1DFCC

F

思考：根據(jù)近似梯級法判斷操作線距平衡線越近，則NOG如何變化？操作線越靠近平衡線，梯級數(shù)越多，故NOG越大。一填料吸收塔簡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、物料對側(cè)線進(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、塑料等材料制成對填料的基本要求：幾種常見的填料（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，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，氣阻小，對安裝水平度要求不高，