第七章吸收与蒸馏

不受任何阻力 分子扩散 气膜边界 气膜→相界面(Pi,Ci)
分子扩散 湍流扩散 →液膜 液膜边界 液相主体
传质设备简介
气体 气体 液体 降液管 塔板
降液管
液体
填料层
气体 液体
气体 液体

填料塔

板式塔
7-2 吸收与解吸
吸收(absorption)是依据不同组分在溶剂中溶 解度不同，让混合气体与适当的液体溶剂相接 触，使气体中的一个或几个组分溶解于溶剂中 形成溶液，难以溶解的组分保留在气相中,从 而达到混合气体初步分离的操作。 所用液体称为吸收剂(或溶剂)。气体中能被溶 解的组分称为溶质或吸收质。不被溶解的组分 称为惰性气体或载体。
pA
pA2
z (a) (b) (c)
单向扩散
p pB pA 气 相 主 体 0 NBM NAM JB JA z 总压p 界面 在气体吸收中溶质A溶
解于溶剂中，惰性气体B不
pB,i 溶解于溶剂中，则液相中 不存在组分B，此过程为组 分A通过另一“静止”组分 pA,i B的单向扩散。 液相

气体
NA D p ( p A1 p A2 ) RTZ pBm
流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即湍流主
体、过渡层和滞流层。
滞流层 过渡层
溶质的传递主要依靠分子扩散作用，由于D值
较小，在该区域内分压梯度较大，曲线陡峭。
同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐
渐变小，曲线逐渐平缓。
湍流主体
线。
主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合
层流层 缓冲层 湍流主体 气 液 界 面
扩散系数
一些组分在水中的扩散系数值（20℃）
物质 D／m2·-1 s 物质 D／m2·-l s 物质 D／m2·-1 s
乳糖 麦芽糖 葡萄糖 棉子糖 蔗糖
4.3×10-10 4.3×10-10 6.0×10-10 3.7×10-10 4.5×10-10
甘露醇 甘油 氨基甲酸酯 醋酸 氯化钠
5.8×10-10 7.2×10-10 9.2×10-10 1.92×10-9 1.35×10-9
3 进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的扩散）；
界面
气相 主体
组分
组分
液相 主体

混合物组成的表示方法
名称 符号 ρA cA aA
气—yA、 液—xA 气—YA、 液—XA
定义 mA/V nA/V mA/(mA+mB) nA/(nA+nB) nA/nB
单位 kg/m3 kmol/m3 无因次 无因次 无因次
7.1.1扩散现象与分子扩散速率

分子扩散：由浓度（或温度）不均引起，依靠微观分 子运动产生传质的现象。

湍流扩散（涡流扩散）：发生在湍流体中依靠质点宏 观不规则运动的碰撞混合，而进行传质的现象。
物质传递的三个步骤：
1 扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）； 2 在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；

在食品工业生产中，有时需要将吸收得到的 溶质气体从液体中取出来，如天然油类的脱 臭，液体食品的脱气等，这种使溶质从溶液 里脱除的过程称为解吸或脱吸。 它是吸收操作的逆过程，常常是一个工业吸 收操作不可分割的步骤。

化学吸收，物理吸收
等温吸收，非等温吸收
低浓度吸收，高浓度吸收 单组分吸收，多组分吸收
质量浓度
物质的量浓度
质量分率 摩尔分率 摩尔比
A分子扩散
扩散通量：单位时间内单位面积上扩散传递的物质的量， 其单位为mol/(m2· s)。
均相二元物系，由A，B两组分组成，在恒定的温度和压力下，均相混 合物中，分子扩散服从费克定律，对于A组分来说

Fick 定律
dcA J A DAB dz
数量必定相等，此现象称为等摩尔逆向扩散。
dp B dp A dz dz
等 摩 尔 扩 散

J A J B
在任一固定的空间位臵垂直于扩散方向的 截面上，单位时间内通过单位截面积的A的 净物质量，称为A的传递速率，以NA表示。 在等摩尔逆向扩散中，物质A的传递速率应 等于它的扩散通量.
式中JA——A组分在z方向上的扩散通量kmol/m2· s; cA——A组分的摩尔浓度kmol/m3； DAB——A组分在A、B的混合物中扩散时的扩散系数m2/s “—”——表示散沿着浓度降低方向进行。
对于B组分
dc B J B DBA dz
当扩散为气相或是两组分性质相似的液相时 DAB DBA ，用D来表示双组分物系的扩散系数。
作用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直
传质方向
延长滞流内层的分压线和气相主体的分压线交于H点，
此点与相界面的距离为δG′， 在δG′以内的流动为滞流，
其物质传递纯属分子扩散，此虚拟的膜层称为有效滞流 膜。 整个有效滞流层的传质推动力为气相主体与相界面 处的分压之差，即全部传质阻力都包含在有效滞流膜层内。
A 对流传质
在湍流流体中同时存在涡流扩散 和分子扩散（涡流扩散
占主导地位 ），其总扩散通量为
dC A J A ( D DE ) dZ
式中 D——分子扩散系数，m2/s； DE——涡流扩散系数，m2/s； dCA/dZ——沿z方向的浓度梯度，kmol/m4； J——总扩散通量kmol/(m2•s)
dcA D dpA N A J A D dz RT d z
等摩尔扩散速率

对于气体
D NA ( p A1 p A 2 ) RTz

对于液体
D N A (c A1 c A2 ) z
单 向 扩 散
气相主体 JA 气相A+B NM A 液相S+A JA NA 气 液 相 界 面 pB2 pB pB1 pA1
注： D分子扩散系数温度、压力不变时为常数。
涡流扩散系数DE不是物性常数，它与湍动有关，且随位
臵而不同。由于其难以测定，常将分子扩散和涡流扩散 结合在一起考虑。
气体
层流层 缓冲层 湍流主体 气 液 界 面
液体 传质方向
以吸收为例：吸收剂沿壁面自上而下流动，混合气体 自下而上流过液体表面。考察稳定操作状况下吸收塔设备 任一截面处相界面的气相一侧溶质A浓度分布情况。
对于气体，Z方向上等温扩散时：
nA PA D dPA CA JA V RT RT dz
PA－A组分分压，kpa R－8.314 kJ/(kmol﹒k)
扩散现象与分子扩散速率
涡流扩散通量
dc A J A DE dz
De－涡流扩散系数，m2/s（不是物性常数，由流体 的动力状况决定）
气液相界面 气相主体 液相主体
传质方向 气 膜 边 界
液 膜 边 界

在气、液两相接触面附近，分别存在着呈滞流流动 的稳态气膜与液膜。在此滞膜层内传质严格按分子 扩散方式进行，膜的厚度随流体流动状态而变化；
气液相界面 气相主体 液相主体
传质方向
气 膜 边 界 液 膜 边 界
湍流扩散 溶质(气相主体)
二氧化碳 氯 氧 氨 氮
1.77×10-9 1.22×U-9 1.80×10 -9 1.76×10-9 1.64×10-9
7.1.2 对流传质与相间传质
对流传质是指发生在运动着的流体与相截面之间
的传质过程。
在实际生产中，传质操作多发生在流体湍流的情
况下，此时的对流传质是湍流主体与相界面之间
的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和。
层流层 缓冲层 湍流主体
PA
气 液 界 面
传质方向
PAi
δG′
按分子扩散速率方程来描述对流扩散速率
NA
DG RT
' G
p pBM
( p A p Ai )
令
DG p kG ' RT G pBM
气相 液相
N A kG ( PA PAi ) N A k L (cAi cA )
cA——液相中溶质的浓度kmol／m3； H——溶解度系数，kmol／(m3﹒kPa)。 溶解度系数H可视为在一定温度下溶质气体分压为 lkPa的平衡浓度。
易溶气体的E值大 难溶气体的E值小
T↑H↓
2.气、液两相组成分别用溶质A的摩尔分数y与x 表示，则亨利定律可表示为
y﹡＝mx
式中 y﹡——溶质在气相中的平衡摩尔分率； m——相平衡常数。m值大，则表示溶解度小。
p Ex
p —— 溶质A在气相中的平衡分压，kPa； A
A
x——液相中溶质的摩尔分数； E——比例系数，称为亨利系数，kPa。
易溶气体的E值小 难溶气体的E值大
T↑E↑
亨利定律的三种表达形式
1.气相组成用溶质A的分压，液相组成用溶质的 浓度cA表示时，亨利定律可表示为
cA p H
A
p BM p B2 p B1 p B2 ln p B1
单向扩散时的传质速率比等分子反向扩散时多了一个因子
（P/pBM），称为“漂流因子”。显然P/pBM>1，漂流因子的
大小直接反映了总体流动在传质中所占分量的大小，即漂 流因子体现了总体流动对传质速率的影响。

液体
D c NA (c A1 c A2 ) Z c Bm
第 七 吸 章 收
与 蒸 馏
7-1 传质学基础
组分由高浓度区传向低浓度区,自一相传 入另一相中，这种现象称为质量传递， 简称传质。 传质过程：物质由一处向另一处转移的 过程。

质量传递的方式分为： 分子扩散（molecular diffusion） 对流扩散（convection diffusion） 传质过程的分类 两相直接接触 （1）按相接触情况不同分: 膜过程 稳态操作 （2）按操作方式不同分: 非稳态操作 级式操作 （3）按实现反复相接触方式分： 连续接触操作 并流操作 (4 ) 按两相流动方向的不同分： 逆流操作