1、8.18.1概述概述n8 81 11 1化工生产中的传质过程化工生产中的传质过程n传质分离过程传质分离过程：利用物系中不同组分的：利用物系中不同组分的物理性质或化学性质的差异来造成一个物理性质或化学性质的差异来造成一个两相物系，使其中某一组分或某些组分两相物系，使其中某一组分或某些组分从一相转移到另一相，达到分离的目的，从一相转移到另一相，达到分离的目的，这一过程称为传质分离过程。这一过程称为传质分离过程。n以传质分离过程为特征的基本单元操作以传质分离过程为特征的基本单元操作在化工生产中很多，如：在化工生产中很多，如：第第2页页/共共197页页811化工生产中的传质过程化工生产中的传质过程n（
2、1 1）气体吸收）气体吸收 选择一定的溶剂（外界引入第二相）选择一定的溶剂（外界引入第二相）造成两相，以分离气体混合物。如用水作溶剂来吸收造成两相，以分离气体混合物。如用水作溶剂来吸收混合在空气中的氨，它是利用氨和空气在水中溶解度混合在空气中的氨，它是利用氨和空气在水中溶解度的差异，进行分离。的差异，进行分离。n（2 2）液体蒸馏）液体蒸馏 对于液体混合物，通过改变状态，对于液体混合物，通过改变状态，如加热气化，使混合物造成两相，它是利用不同组分如加热气化，使混合物造成两相，它是利用不同组分挥发性的差异，进行分离。挥发性的差异，进行分离。n（3 3）固体干燥）固体干燥 对含一定湿分（水或其它溶
3、剂）的固对含一定湿分（水或其它溶剂）的固体提供一定的热量，使溶剂汽化，利用湿分压差，使体提供一定的热量，使溶剂汽化，利用湿分压差，使湿分从固体表面或内部转移到气相，从而使含湿固体湿分从固体表面或内部转移到气相，从而使含湿固体物料得以干燥。物料得以干燥。第第3页页/共共197页页811化工生产中的传质过程化工生产中的传质过程n（4 4）液）液-液萃取液萃取 向液体混合物中加入某种溶剂，利向液体混合物中加入某种溶剂，利用液体中各组分在溶剂中溶解度的差异分离液体混合用液体中各组分在溶剂中溶解度的差异分离液体混合物，在其分离过程中，溶质由一液相转移到另一液相。物，在其分离过程中，溶质由一液相转移到另一
4、液相。n（5 5）结晶）结晶 对混合物（蒸汽、溶液或熔融物）采用降对混合物（蒸汽、溶液或熔融物）采用降温或浓缩的方法使其达到过饱和状态，析出溶质，得温或浓缩的方法使其达到过饱和状态，析出溶质，得到固体产品。到固体产品。n（6 6）吸附）吸附 利用多孔固体颗粒选择性地吸附混合物利用多孔固体颗粒选择性地吸附混合物（液体或气体）中的一个组分或几个组分，从而使混（液体或气体）中的一个组分或几个组分，从而使混合物得以分离。其逆过程为脱附过程。合物得以分离。其逆过程为脱附过程。n（7 7）膜分离）膜分离 利用固体膜对混合物中各组分的选择性利用固体膜对混合物中各组分的选择性渗透从而分离各个组分。渗透从而分离
5、各个组分。第第4页页/共共197页页第第5页页/共共197页页8 81 12 2气体吸收过程气体吸收过程n吸收过程：吸收过程：利用混合气中各组分在溶剂中溶解利用混合气中各组分在溶剂中溶解度差异而使气体混合物中各组分分离的单元操度差异而使气体混合物中各组分分离的单元操作称为吸收过程。作称为吸收过程。录相解说录相解说第第6页页/共共197页页 吸吸收收设设备备录相解说录相解说第第7页页/共共197页页第第8页页/共共197页页、为已知1提高吸收过程的推动力高浓度吸收：通常根据生产经验，规定当混合气中溶质组分A的摩尔分数大于0.定义S为表面更新频率，经过数学描述并求解得到：3）当 L，B B，落在平
6、衡线上，x1=x1max 最浓极限为消去界面浓度，上式最右端分子分母均乘以m，并将串联过程的推动力和阻力加和即得：我们先简要回顾上学期学过的数学模型法的主要研究步骤：混合气的流量为1000m3/h，其中含SO2体积百分数为9%，要求SO2的回收率为90%。1）提高流体流动的湍动程度式中：Pe 溶质在气相中的平衡分压，kPa；（3）由T作水平线交NM于F，延长TF到FF/使TF=FF/，由FF/作垂线交操作线于H成一个 梯级。在逆流与并流的气、液两相进口组成相等及操作条件相同的情况下，逆流操作可获得较高的吸收液浓度及较大的吸收推动力。3kPa下某些气体在空气中的扩散系数数值，由表可见气体扩散系数
7、的值约为 。（3）吸收塔的操作和调节为了求出组分A因分子扩散和主体流动而造成的传质速率 ,可在平面PQ处对组分A作物料衡算得：第167页/共197页第188页/共197页第189页/共197页第107页/共197页8 81 12 2气体吸收过程气体吸收过程n溶质溶质：混合气体中，能够显著溶解的组分称为溶质或：混合气体中，能够显著溶解的组分称为溶质或吸收质，吸收质，以以A A表示表示；n惰性组分惰性组分：不被溶解的组分称为惰性组分（惰气）或：不被溶解的组分称为惰性组分（惰气）或载体，载体，以以B B表示表示；n吸收剂吸收剂：吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂或溶剂，：吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂或
8、溶剂，以以S S表示表示；n吸收液吸收液：吸收操作中所得到的溶液称为吸收液或溶液，：吸收操作中所得到的溶液称为吸收液或溶液，其主要成份为其主要成份为溶质溶质A A和溶剂和溶剂S S；n吸收尾气吸收尾气：吸收后排出的气体称为吸收尾气，其主要：吸收后排出的气体称为吸收尾气，其主要成份是成份是惰性气体惰性气体B B及残余的溶质及残余的溶质A A。第第9页页/共共197页页8 81 12 2气体吸收过程气体吸收过程解吸：吸收的逆过程，使溶质从液相转移到气相的过程。解吸：吸收的逆过程，使溶质从液相转移到气相的过程。吸吸收收流流程程第第10页页/共共197页页8 81 13 3吸收操作必须解决的问题吸收操
9、作必须解决的问题n选择合适的溶剂，使能选择性地溶解某个（或选择合适的溶剂，使能选择性地溶解某个（或某些）被分离组分；某些）被分离组分；n提供适当的传质设备（多为填料塔，也有板式提供适当的传质设备（多为填料塔，也有板式塔）以实现气液两相的接触，使被分离组分得以塔）以实现气液两相的接触，使被分离组分得以从气相转移到液相（吸收）或气相从气相转移到液相（吸收）或气相(解吸解吸)；n溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离组分溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。以便循环使用。n一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和溶剂再一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和溶剂再生（如解吸）两个组成部分。生（
10、如解吸）两个组成部分。第第11页页/共共197页页你能导出解吸时的总传质（相际传质）速率方程吗？（2）单组分吸收与多组分吸收(2)组分在气体中的扩散系数以低含量逆流吸收塔为例，操作线AB为直线，若平衡线亦为直线，则 和 随y和x呈线性变化，其变化率为常数，可用塔底和塔顶的端值表示，即：表示浓度梯度为1时，溶质的扩散通量本节以连续接触操作的填料塔为例，介绍吸收塔的设计型和操作型计算。分别为气相、液相总传质单元数，无因次。混合气的流量为1000m3/h，其中含SO2体积百分数为9%，要求SO2的回收率为90%。主体流动中A所占的传递速率。漂流因子（数）（、，无量纲 ）质量分率与质量比的关系为：（4
11、）降低吸收剂入口溶质的浓度化学吸收：在吸收过程中，溶质与溶剂发生显著化学反应，如用K2CO3水溶液吸收CO2。818吸收过程的分类混合气的流量为1000m3/h，其中含SO2体积百分数为9%，要求SO2的回收率为90%。(2)平衡线为直线()时的对数平均推动力法3kPa下某些气体在空气中的扩散系数数值，由表可见气体扩散系数的值约为 。同学们以后设计塔设备时要查阅有关的文献资料找出自己的设计条件相近的传质系数关联式，有条件应通过试验测定。第186页/共197页1)物理意义：表征物质分子由于运动产生的扩散能力大小的物性参数。溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。（5）化学稳定性 溶剂应有
12、较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质；8 81 14 4气体吸收过程的应用气体吸收过程的应用n（1 1）制造成品：生产三酸）制造成品：生产三酸 (盐酸，硝酸，硫酸盐酸，硝酸，硫酸)n肥料：碳酸氢铵肥料：碳酸氢铵l（2 2）原料气净化）原料气净化:l 合成氨中水煤气：合成氨中水煤气：N N2 2+H+H2 2+COCO2 2第第12页页/共共197页页8 81 14 4气体吸收过程的应用气体吸收过程的应用n（3 3）环境保护（）环境保护（废气处理废气处理当今最热门的当今最热门的课题课题）n染料厂：臭皮蛋味染料厂：臭皮蛋味 HBrHBrn钢铁厂：红烟钢铁厂：红烟 SOSO2 2n化肥厂：黄烟化
13、肥厂：黄烟 NONO2 2n（4 4）回收有用物质：焦化厂焦炉煤气中苯的）回收有用物质：焦化厂焦炉煤气中苯的回收回收n注意：实际过程往往同时兼有净化与回收双重注意：实际过程往往同时兼有净化与回收双重目的。目的。第第13页页/共共197页页8 81 15 5吸收操作的依据吸收操作的依据n结论：若各组分在吸收剂中的溶解度差异越大，结论：若各组分在吸收剂中的溶解度差异越大，吸收的选择性越好。吸收的选择性越好。思考：吸思考：吸收操作的收操作的依据是什依据是什么？么？气体混合物各组分气体混合物各组分在某种溶剂在某种溶剂（吸收（吸收剂）剂）中溶解度中溶解度（或（或化学反应活性）化学反应活性）的的不同。不同
14、。第第14页页/共共197页页8 81 15 5吸收操作的依据吸收操作的依据密闭容器密闭容器水水（溶剂）（溶剂）氨气氨气(浓度高浓度高)空气空气(惰性气体惰性气体)(溶质，被吸收组分溶质，被吸收组分)氨气（浓度低）空气氨气（浓度低）空气 例子例子n气相：气相：n混合气体混合气体=氨氨+其它气体其它气体=溶质溶质+惰性气体惰性气体=A+B=A+Bn液相：液相：n溶液溶液=水水+氨氨=溶剂（吸溶剂（吸收剂）收剂）+溶质溶质=S+A=S+A第第15页页/共共197页页8 81 16 6吸收剂的选用吸收剂的选用n吸收剂性能往往是决定吸收效果的关键。吸收剂性能往往是决定吸收效果的关键。n在选择吸收剂时，
15、应从以下几方面考虑在选择吸收剂时，应从以下几方面考虑：n（1 1）溶解度）溶解度 溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解度，或者说在一定的温度与浓度下，溶质的平衡溶解度，或者说在一定的温度与浓度下，溶质的平衡分压要低；分压要低；n（2 2）选择性选择性 溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶剂应具备较高的选择性；小，即溶剂应具备较高的选择性；n（3 3）溶解度对操作条件的敏感性溶解度对操作条件的敏感性 溶质在溶剂中的溶溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感；解度应对温度的变化比较敏感；第第16页页/共共197页页8 8
16、1 16 6吸收剂的选用吸收剂的选用n（4 4）挥发度）挥发度 溶剂的蒸汽压要低，不易挥发；溶剂的蒸汽压要低，不易挥发；n（5 5）化学稳定性）化学稳定性 溶剂应有较好的化学稳定性，以免使溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质；用过程中发生变质；n（6 6）粘性）粘性 溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离；现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离；n（7 7）腐蚀性）腐蚀性 吸收剂腐蚀性应尽可能小，以减少设备费吸收剂腐蚀性应尽可能小，以减少设备费和维修费；和维修费；n（8 8）其它）其它 溶剂应尽可能满足
17、价廉、易的、无毒、不易溶剂应尽可能满足价廉、易的、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。燃烧等经济和安全条件。n实际上很难找到一个理想的溶剂能够满足上述所有要求，实际上很难找到一个理想的溶剂能够满足上述所有要求，应对可供选择的溶剂做全面的评价，以便作出经济、合应对可供选择的溶剂做全面的评价，以便作出经济、合理的选择。理的选择。第第17页页/共共197页页8 81 17 7吸收操作的经济性吸收操作的经济性n吸收总费用设备吸收总费用设备(塔、换热器等塔、换热器等)折旧费折旧费操作费操作费(占比重大占比重大)n操作费用主要包括：操作费用主要包括：n气、液两相流经吸收设备的能量消耗；气、液两相流经吸收设备的
18、能量消耗；n溶剂的挥发损失和变质损失；溶剂的挥发损失和变质损失；n溶剂的再生费用，即解吸操作费用。溶剂的再生费用，即解吸操作费用。优化设计优化设计第第18页页/共共197页页8 81 18 8吸收过程的分类吸收过程的分类（1 1）物理吸收和化学吸收）物理吸收和化学吸收n物理吸收：在吸收过程中溶质与溶剂不发生显著化学反应，物理吸收：在吸收过程中溶质与溶剂不发生显著化学反应，如洗油吸收苯，水吸收如洗油吸收苯，水吸收COCO2 2、SOSO2 2等。等。n化学吸收：在吸收过程中，溶质与溶剂发生显著化学反应，化学吸收：在吸收过程中，溶质与溶剂发生显著化学反应，如用如用K K2 2COCO3 3水溶液吸
19、收水溶液吸收COCO2 2。n作为化学吸收可被利用的化学反应一般都满足以下条件：作为化学吸收可被利用的化学反应一般都满足以下条件：a.a.可逆性。可逆性。b.b.较高的反应速率。较高的反应速率。第第19页页/共共197页页8 81 18 8吸收过程的分类吸收过程的分类（2 2）单组分吸收与多组分吸收）单组分吸收与多组分吸收n单组分吸收：在吸收过程中，混合气体中只有一个组分单组分吸收：在吸收过程中，混合气体中只有一个组分被吸收，其余组分可认为不溶于吸收剂。被吸收，其余组分可认为不溶于吸收剂。n多组分吸收：混合气体中有两个或多个组分进入液相。多组分吸收：混合气体中有两个或多个组分进入液相。（3 3
20、）等温吸收与非等温吸收）等温吸收与非等温吸收n等温吸收：气体溶于液体中时常伴随热效应，若热效应等温吸收：气体溶于液体中时常伴随热效应，若热效应很小，或被吸收的组分在气相中的浓度很低，而吸收剂很小，或被吸收的组分在气相中的浓度很低，而吸收剂用量很大，液相的温度变化不显著，则可认为是等温吸用量很大，液相的温度变化不显著，则可认为是等温吸收；收；n非等温吸收：若吸收过程中发生化学反应，其反应热很非等温吸收：若吸收过程中发生化学反应，其反应热很大，液相的温度明显变化，则该吸收过程为非等温吸收大，液相的温度明显变化，则该吸收过程为非等温吸收过程。过程。第第20页页/共共197页页8 81 18 8吸收过
21、程的分类吸收过程的分类（4 4）低浓度吸收与高浓度吸收）低浓度吸收与高浓度吸收n高浓度吸收：通常根据生产经验，规定当混合气中溶高浓度吸收：通常根据生产经验，规定当混合气中溶质组分质组分A A的摩尔分数大于的摩尔分数大于0.10.1，且被吸收的数量多时，且被吸收的数量多时，称为高浓度吸收；称为高浓度吸收；n低浓度吸收：如果溶质在气液两相中摩尔分数均小于低浓度吸收：如果溶质在气液两相中摩尔分数均小于0.10.1时，吸收称为低浓度吸收。时，吸收称为低浓度吸收。n低浓度吸收的特点：低浓度吸收的特点：n（1 1）气液两相流经吸收塔的流率为常数；）气液两相流经吸收塔的流率为常数；n（2 2）低浓度的吸收可
22、视为等温吸收。）低浓度的吸收可视为等温吸收。n本章重点研究低浓度、单组分、等温的物理吸收过程本章重点研究低浓度、单组分、等温的物理吸收过程。第第21页页/共共197页页8 81 19 9气、液两相接触方式气、液两相接触方式n按气、液两相的接触方式的不同可将吸按气、液两相的接触方式的不同可将吸收设备分为级式接触和微分接触。收设备分为级式接触和微分接触。n级式接触：气体与液体为逐级逆流接触，级式接触：气体与液体为逐级逆流接触，典型设备典型设备板式塔。板式塔。n微分接触：液体自塔顶均匀淋下并沿填微分接触：液体自塔顶均匀淋下并沿填料表面下流，气体通过填料间的空隙上料表面下流，气体通过填料间的空隙上升与
23、液体作连续的逆流接触，典型设备升与液体作连续的逆流接触，典型设备填料塔。填料塔。第第22页页/共共197页页化学吸收时：溶质从气相主体到气液相界面的传质机理和传质系数并未受影响，与物理吸收相同；第115页/共197页传质分离过程：利用物系中不同组分的物理性质或化学性质的差异来造成一个两相物系，使其中某一组分或某些组分从一相转移到另一相，达到分离的目的，这一过程称为传质分离过程。821相组成表示法物理意义：反映了主体流动对传质速率的影响，其大小反映了主体流动对传质速率的影响程度，其值为主体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。3）根据图确定 的变化情况，随之确定 的变化趋势；为了揭示对流传质系
24、数的物理本质，从理论上说明各因素对它的影响，不少研究者采用数学模型法加以研究，提出了多种传质模型。吸收总费用设备(塔、换热器等)折旧费操作费(占比重大)已知气相传质系数ky=5.1，丙酮的回收率为95%。混合物液相的密度，。第130页/共197页（1）气液两相流经吸收塔的流率为常数；814气体吸收过程的应用又若题目给用纯溶剂（如清水）吸收，则 ，故：反 之 故A越大，对吸收越有利，故称A为吸收因素。表示浓度梯度为1时，溶质的扩散通量815吸收操作的依据中等溶解度气体（双膜控制），例如水吸收SO2，平衡线为曲线，m为变量，此时用下式求H：在下列两种情况下采用吸收剂再循环将是有利的：（3）吸收塔的
25、操作和调节x液相中溶质的摩尔分率 第第23页页/共共197页页8 110定态和非定态操作定态和非定态操作n在工业上，两种形式的塔设备大多情况均为连续操作，在工业上，两种形式的塔设备大多情况均为连续操作，即设备内的参数都不随时间变化，称为定态连续过程。即设备内的参数都不随时间变化，称为定态连续过程。当然也可以是间歇操作的非定态过程，很少见，故后当然也可以是间歇操作的非定态过程，很少见，故后面除特殊说明外，均指连续定态操作。面除特殊说明外，均指连续定态操作。n本章所作的基本假定：本章所作的基本假定：n单组分吸收单组分吸收,其余组分可视为一个惰性组分。其余组分可视为一个惰性组分。n溶剂的蒸汽压很低，
26、因此气相中不含溶剂蒸溶剂的蒸汽压很低，因此气相中不含溶剂蒸汽汽 。第第24页页/共共197页页本节小结第第25页页/共共197页页8.2气液相平衡 n吸收（传质）与传热两个过程的相似处吸收（传质）与传热两个过程的相似处传热传热与吸收过程均由三步构成。与吸收过程均由三步构成。n两个过程也有不同处两个过程也有不同处传热的推动力是两流体传热的推动力是两流体的温度差，过程的极限是两流体的温度相等；吸的温度差，过程的极限是两流体的温度相等；吸收的推动力不是两相的浓度差，过程的极限也不收的推动力不是两相的浓度差，过程的极限也不是两相的浓度相等。是两相的浓度相等。气液之间的相平气液之间的相平衡不同于冷热流衡
27、不同于冷热流体之间的热平衡体之间的热平衡第第26页页/共共197页页821相组成表示法（1 1）质量分率与摩尔分率）质量分率与摩尔分率n质量分率：质量分率是指在混合物中某组分的质量分率：质量分率是指在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分率。对于混合物中的质量占混合物总质量的分率。对于混合物中的A A组分有组分有:AAmwm=第第27页页/共共197页页821相组成表示法n摩尔分率：摩尔分率是指在混合物中某摩尔分率：摩尔分率是指在混合物中某组分的摩尔数组分的摩尔数n nA A占混合物总摩尔数占混合物总摩尔数n n的分的分率。对于混合物中的率。对于混合物中的A A组分有：组分有：n气相：气相：A
28、Anyn=AAnxn=液相：液相：第第28页页/共共197页页821相组成表示法n质量分率与摩尔分率的关系为：质量分率与摩尔分率的关系为：Aw/Mw/Mw/Mw/MAAAABBNNx=+鬃第第29页页/共共197页页821相组成表示法（2 2）质量比与摩尔比）质量比与摩尔比 n质量比：混合物中某组分质量比：混合物中某组分A A的质量与惰性组分的质量与惰性组分B B（不参（不参加传质的组分）的质量之比，其定义式为加传质的组分）的质量之比，其定义式为:AmamAB=AABnYn=AABnXn=摩尔比：混合物中某组分摩尔比：混合物中某组分A A的摩尔数与惰性组分的摩尔数与惰性组分B B（不参加传质的
29、组分）的摩尔数之比，其定义式为（不参加传质的组分）的摩尔数之比，其定义式为 ：第第30页页/共共197页页821相组成表示法n质量分率与质量比的关系为：质量分率与质量比的关系为：AAA1+awa=AAA1-waw=摩尔分率与摩尔比的关系为：摩尔分率与摩尔比的关系为：1XxX=+1YyY=+1xX-x=1yY-y=第第31页页/共共197页页821相组成表示法（3 3）质量浓度与摩尔浓度）质量浓度与摩尔浓度n质量浓度定义为单位体积混合物中某组分质量浓度定义为单位体积混合物中某组分的质量。的质量。AA mGV=摩尔浓度是指单位体积混合物中某组分的摩尔浓度是指单位体积混合物中某组分的摩尔数。摩尔数。
30、AA ncV=第第32页页/共共197页页821相组成表示法n质量浓度与质量分率的关系为：质量浓度与质量分率的关系为：AAGwr=摩尔浓度与摩尔分率的关系为：摩尔浓度与摩尔分率的关系为：AAMcx c=c cM M混合物在液相中的总摩尔浓度，混合物在液相中的总摩尔浓度，；3kmol/m 混合物液相的密度，混合物液相的密度，。3kg/m 第第33页页/共共197页页821相组成表示法（4 4）气体的总压与理想气体混合物中组分的分压）气体的总压与理想气体混合物中组分的分压AAppy=摩尔比与分压之间的关系为：摩尔比与分压之间的关系为：AAApYpp=-摩尔浓度与分压之间的关系为：摩尔浓度与分压之间
31、的关系为：AAAnpcVRT=总压与某组分的分压之间的关系为：总压与某组分的分压之间的关系为：第第34页页/共共197页页pe x图直接反映了相平衡的本质（气相组成用分压表示直观），可直截了当地用以思考与分析。自由度数F=C-+2（2）相际传质速率方程等温吸收：气体溶于液体中时常伴随热效应，若热效应很小，或被吸收的组分在气相中的浓度很低，而吸收剂用量很大，液相的温度变化不显著，则可认为是等温吸收；级式接触：气体与液体为逐级逆流接触，典型设备板式塔。双组分混合物中的分子扩散既然我们讨论的是定态传质问题，气相与界面间的传质速率应等于界面与液相的传质速率，即摩尔比与分压之间的关系为：所以吸收剂进口浓
32、度的选择是一个总费用的优化问题，通常往往结合解吸过程确定。然后用图解法或数值积分法求出 ,此法误差大821相组成表示法在一逆流操作的吸收塔中用水吸收氨-空气混合气中的氨，混合气流量为0.三传之间彼此有些类似的规律可进行类比研究（自学）。2）操作线通过塔顶（稀端）A（x2，y2）及塔底（浓端）B（x1，y1）。02，出塔含氨摩尔分数为0.吸收塔的气相入口条件通常由上一操作（工序）决定，不能变动。工业吸收过程多数是定态过程，以下仅讨论定态条件下双组分物系的分子扩散和对流传质。第156页/共197页降低吸收剂入口浓度，必然使吸收操作线左移，同样使平均推动力增大，传质单元数减小。第162页/共197页
33、3kPa，20下稀氨水的相平衡方程为ye=0.降低吸收剂入口浓度，必然使吸收操作线左移，同样使平均推动力增大，传质单元数减小。关于相平衡的几个基本概念n平衡状态平衡状态：在一定压力和温度下，使一定量的在一定压力和温度下，使一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质便吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质便向液相溶剂中转移，经长期充分接触之后，液向液相溶剂中转移，经长期充分接触之后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡，此状态为平衡状态。相达到平衡，此状态为平衡状态。n饱和浓度饱和浓度：气液平衡时，溶质在液相中的浓度气液平衡时，溶质在液
34、相中的浓度为饱和浓度（溶解度）。为饱和浓度（溶解度）。n平衡分压平衡分压：气液平衡时，气相中溶质的分压为气液平衡时，气相中溶质的分压为平衡分压。平衡分压。n相平衡关系相平衡关系：平衡时溶质组分在：平衡时溶质组分在气液两相气液两相中的中的浓度关系为相平衡关系。浓度关系为相平衡关系。第第35页页/共共197页页关于相平衡的几个基本概念n溶解度曲线溶解度曲线：气液相平衡关系用二维坐标绘成：气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度曲线。的关系曲线称为溶解度曲线。n易溶气体易溶气体：溶解度大的气体如：溶解度大的气体如NHNH3 3等称为易溶等称为易溶气体；气体；n难溶气体难溶气体：溶解度小的气体
35、如：溶解度小的气体如O O2 2、COCO2 2等气体称等气体称为难溶气体；为难溶气体；n溶解度适中的气体：溶解度适中的气体：介乎其间的如介乎其间的如SOSO2 2等气体等气体称为溶解度适中的气体。称为溶解度适中的气体。第第36页页/共共197页页平衡溶解度溶解度曲线溶解度曲线n对单组分物理吸收的物系，根据相律有：对单组分物理吸收的物系，根据相律有：n自由度数自由度数F=C-+2F=C-+2nC=3,C=3,溶质溶质A A，惰性组分，惰性组分B,B,溶剂溶剂S S n2 2，气、液两相，气、液两相()epg tpx=、n 即在温度即在温度t t，总压，总压p p ，气、液相组成共，气、液相组成
36、共4 4个变量中，有个变量中，有3 3个自变量（独立变量），另个自变量（独立变量），另1 1个是它们的函数，故可将平衡个是它们的函数，故可将平衡时溶质在气相中的分压时溶质在气相中的分压p pe e表达为温度表达为温度t t，总压，总压p p和溶解度和溶解度x x的的函数：函数：F=3-2+2=3F=3-2+2=3第第37页页/共共197页页平衡溶解度n有关气液相平衡关系的理论还不够完善，故上有关气液相平衡关系的理论还不够完善，故上述平衡关系的具体函数形式还不能从理论上推述平衡关系的具体函数形式还不能从理论上推出，一般是出，一般是针对具体物系进行实验测定针对具体物系进行实验测定。()epg tp
37、x=、n实验表明，当总压不太高（一般实验表明，当总压不太高（一般 p 0.5MPa 0.5MPa）时，时，p对平衡的影响可以忽略，而温度对平衡的影响可以忽略，而温度t t对平衡对平衡的影响颇大。温度一定时，有：的影响颇大。温度一定时，有：()epg x=第第38页页/共共197页页平衡溶解度p p0.5MPa0.5MPa时总压对时总压对 p pe e x 的的对应关系的影响可略去。对应关系的影响可略去。ntt同一同一p pe e下下xx或同一或同一x下下p pe e 。p pe e x图直接反映了相平图直接反映了相平衡的本质（气相组成用分衡的本质（气相组成用分压表示直观），可直截了压表示直观）
38、，可直截了当地用以思考与分析。当地用以思考与分析。思考：图思考：图8-3 8-3 p pe e x关系关系曲线为何不指定总压？曲线为何不指定总压？第第39页页/共共197页页平衡溶解度n当总当总p p、气相中溶质、气相中溶质y y一定一定时，吸收温度下降，溶解时，吸收温度下降，溶解度大幅度提高。度大幅度提高。n吸收剂常常经冷却后进入吸收剂常常经冷却后进入吸收塔。吸收塔。np p变，变，y=y=p pe e /p p变，变，y yx x溶解度曲线的位置不同。溶解度曲线的位置不同。思考：图思考：图8-4y8-4yx x关系关系曲线为何要指定总压曲线为何要指定总压？第第40页页/共共197页页平衡溶
39、解度n在一定的温度下，气在一定的温度下，气相中溶质组成相中溶质组成y y不变，不变，当总压当总压p p增加时，在增加时，在同一溶剂中溶质的溶同一溶剂中溶质的溶解度解度x x随之增加。随之增加。n这将有利于吸收，故这将有利于吸收，故吸收操作通常在加压吸收操作通常在加压条件下进行。条件下进行。图8-5 20下SO2在水中的溶解度结论：加压和降温有利于吸收操作过程；而减压和结论：加压和降温有利于吸收操作过程；而减压和升温则有利于解吸操作过程。升温则有利于解吸操作过程。第第41页页/共共197页页溶剂的挥发损失和变质损失；以逆流填料吸收塔为例，如右图所示主体流动与扩散流（或 ）的区别：815吸收操作的
40、依据线上任意一点M的坐标代表塔内某一截面上气、液两相的组成。传质单元数的计算方法摩尔分数差表示推动力的气相传质系数第110页/共197页与试验结果较吻合，但S难求。D与T成正比，与粘度成反比。负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反；（1）G、L沿塔高变化，操作线在y-x图上为曲线（p35图8-32）。05，液相摩尔分数为x=0.等分子反向扩散时没有净物流（因而也无主体流动）质量比：混合物中某组分A的质量与惰性组分B（不参加传质的组分）的质量之比，其定义式为:2）降低吸收剂入口浓度第132页/共197页在一个低浓逆流吸收塔操作中，若其他操作条件不变，而液量与气量成比例增加，试定性分析出塔气体浓度
41、y2、出塔液体浓度 x1的变化趋势，并请在xy图上示意画出变化前后的操作线和平衡线。，为传质面积；等温吸收：气体溶于液体中时常伴随热效应，若热效应很小，或被吸收的组分在气相中的浓度很低，而吸收剂用量很大，液相的温度变化不显著，则可认为是等温吸收；、为已知另一方面，吸收剂的最小用量也存在着技术上的限制。平衡溶解度 亨利定律亨利定律n内容内容：总压不高（譬如不超过总压不高（譬如不超过5 510105 5PaPa）时，在一定温）时，在一定温度下，度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。相中的摩尔分率成正比，其比
42、例系数为亨利系数。n数学表达式数学表达式：epHc=eymx=epEx=式中：式中：PePe 溶质在气相中的平衡分压，溶质在气相中的平衡分压，kPakPa；E E亨利系数，亨利系数，kPakPa；x x溶质在液相中的摩尔分率。溶质在液相中的摩尔分率。不同的表达形式不同的表达形式：第第42页页/共共197页页平衡溶解度npe=Exn讨论：讨论：n1 1）E E值随物系和温度而变化值随物系和温度而变化n tt，则，则EE而溶解度而溶解度 n 对不同气体，对不同气体，E E愈大，则愈难溶。愈大，则愈难溶。n2 2）该公式也可表示为：）该公式也可表示为：x xe e=p=pA A/E/En3 3）对理
43、想溶液，符合拉乌尔定律，）对理想溶液，符合拉乌尔定律，p pA A=p=pA A0 0 x xn此时此时E=pE=pA A0 0第第43页页/共共197页页平衡溶解度npe=Hcn p pe e溶质在气相中的平衡分压，溶质在气相中的平衡分压，kPakPan c c单位体积溶液中溶质的摩尔数（摩单位体积溶液中溶质的摩尔数（摩尔浓度），尔浓度），kmol/mkmol/m3 3n H H溶解度系数，溶解度系数，kPakPam m3 3/kmol/kmol n讨论：讨论：n1 1）H H值随物系和温度而变化值随物系和温度而变化n t t 则则 H H ，则溶解度减小，则溶解度减小n 对不同气体，对不同
44、气体，H H小者，则易溶。小者，则易溶。n2 2）该公式也可表示为：该公式也可表示为：c ce e=p=pA A/H/H第第44页页/共共197页页平衡溶解度n3 3）H H和和E E的关系：的关系：E=HcE=HcM Mn c cM M混合液的混合液的总浓度，总浓度，kmol/mkmol/m3 3n c cM M=m m /M/Mm m n m m混合液的混合液的平均密度，平均密度，kg/mkg/m3 3n M Mm m溶液摩尔溶液摩尔质量，质量，kg/kmolkg/kmol(1)mmsMmxsscMM xMxMrrr=+-第第45页页/共共197页页平衡溶解度ny ye e=mx=mxny
45、 ye e 与液相成平衡的气相中溶质摩尔分率与液相成平衡的气相中溶质摩尔分率nx x液相中溶质的摩尔分率液相中溶质的摩尔分率nm m相平衡常数，无因次相平衡常数，无因次n讨论：讨论：1 1）m m 随物系、温度、压强而变化随物系、温度、压强而变化n t,m t,m，则溶解度，则溶解度 n 对不同气体，对不同气体，m m大者，难溶大者，难溶n2 2）该式也可表示为：）该式也可表示为：x xe e=y/m=y/m第第46页页/共共197页页平衡溶解度n3 3）m和和E的关系：的关系：n由分压定律：由分压定律：pe=pyen而而 pe=Ex 代入代入 pye=Exnye=xE/pn m=E/pn故故
46、p则则 m m，有利于吸收。，有利于吸收。第第47页页/共共197页页平衡溶解度n【练习练习】n某系统温度为某系统温度为1010，总压，总压101.3kPa101.3kPa，试求此条，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水中溶解了多少克氧气？中溶解了多少克氧气？n【例例8-1 8-1】n注意点：注意点：平衡数据平衡数据a a换算成换算成x x；n y yx x曲线与总压有关。曲线与总压有关。第第48页页/共共197页页相平衡与吸收过程的关系相平衡与吸收过程的关系判别过程的方向判别过程的方向n问题：设在问题：设在101.3kPa101.3kPa，
47、2020下稀氨下稀氨水的相平衡方程为水的相平衡方程为y ye e=0.94x=0.94x，使含，使含氨摩尔分数氨摩尔分数0.10.1的混合气与的混合气与x=0.05x=0.05的氨水接触，会发生什么？的氨水接触，会发生什么？思考：若使思考：若使y=0.048y=0.048的混合的混合气与气与x=0.05x=0.05的氨的氨水接触，情况又水接触，情况又将如何？将如何？第第49页页/共共197页页相平衡与吸收过程的关系相平衡与吸收过程的关系第第50页页/共共197页页小结：小结：相平衡与吸收过程的关系相平衡与吸收过程的关系第第51页页/共共197页页相平衡与吸收过程的关系相平衡与吸收过程的关系 指
48、明过程的极限指明过程的极限2xeyy221y1x2xexx111y2y塔高 ，吸收剂用量 ，即使塔无限高，吸收剂用量很少，也不会无限增大，1x1x11,max1eyxxm=反之，当塔高 ，吸收剂用量 ，即使塔高无限高，吸收剂用量很大，也不会无限减小，2y2y2,min22eyymx=图图8-78-7吸收过程的极限吸收过程的极限第第52页页/共共197页页计算过程的推动力计算过程的推动力 推动力注意推动力注意推动力（y-xy-x）！）！第第53页页/共共197页页仍要以解吸操作是否还能满足要求为考虑的重点第143页/共197页3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水中溶解了多少
49、克氧气？第153页/共197页摩尔比与分压之间的关系为：第149页/共197页然后用图解法或数值积分法求出 ,此法误差大821相组成表示法1/A的意义：反映了吸收过程推动力的大小，第143页/共197页由于化学吸收速率 并非以 为推动力，难以定义化学吸收的液相传质系数。x液相中溶质的摩尔分率1，丙酮的回收率为95%。又若题目给用纯溶剂（如清水）吸收，则 ，故：质量比：混合物中某组分A的质量与惰性组分B（不参加传质的组分）的质量之比，其定义式为:815吸收操作的依据第105页/共197页818吸收过程的分类（1）获得所需的较纯的气体溶质；（1）分压差造成分子扩散流，总压差造成总体流动；与试验结果
50、较吻合，但溶质渗透时间 难以测定。吸收总费用设备(塔、换热器等)折旧费操作费(占比重大)例题：例题：n在总压在总压101.3kPa101.3kPa，温度，温度3030的条件下，的条件下，SOSO2 2摩尔分率为摩尔分率为0.30.3的混合气体与的混合气体与SOSO2 2 摩尔分率为摩尔分率为0.010.01的水溶液相接触，的水溶液相接触，试问：试问：n（1 1）从液相分析）从液相分析SOSO2 2 的传质方向；的传质方向；n（2 2）从气相分析，其它条件不变，温度降到）从气相分析，其它条件不变，温度降到00时时SOSO2 2 的传质方向；的传质方向；n（3 3）其它条件不变，从气相分析，总压提
