第二章 吸收(下册)

2-2-5 对流传质
对流传质包括分子扩散和湍流扩散（也称涡流扩散）。
将全部分压差集中在ZG中，假设其内只有层流。即，全部扩 散(D+DE)都集中在该ZG层中以分子扩散的形式传质。
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吸收时，气侧“对流传质”的传质速率：
NA
D RTZ G
P PBm
(PA
PAi )
kG (PA
PAi )
用液体吸收气体中某一组分，是该组分从气相转移到液相的传 质过程。它包括：
（1）该组分从气相主体传递到气、液两相的界面。
（2）在相界面上溶解而进入液相。
（3）从液相一侧界面向液相主体传递。
在相内（气相或液相）传质方式包括分子扩散和湍流扩散。
分子扩散：当流体内部某一组分存在浓度差时，因微观的分子 热运动使组分从浓度高处传递到较低处，这种现象称为分子扩 散。
湍流扩散：当流体流动或搅拌时，由于流体质点的宏观运动 （湍流），使组分从浓度高处向低处移动，这种现象称为湍流 扩散。在湍流状态下，流体内部产生旋涡，故又称为涡流扩散。
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2-2-1 分子扩散与费克定律
A、B分子在浓度差的作用下，向低浓区作分子 扩散。由于容器中P始终恒定，可知: 右移的A分子数=左移的B分子数。
NA
D Z
c cSm
(c A1
cA2 )
2-2-4 扩散系数
分子扩散系数简称扩散系数是物质的特性常数之一， 是介质种类、T、P及浓度的函数。
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获取途径： （1）查手册、资料等。P94表2-2、2-3列出了某些组分在空气 和水中分子扩散系数。
（2）实测
（3）估算P94
通常组分在气体中的扩散，浓度的影响可以忽略。在液体中的 扩散，浓度的影响不可忽略，而压力的影响不显著。
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L
L
V
(1.1
~
2.0)( V
)m
in
（重要）
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例1 在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦炉气中的 芳烃。吸收塔压强为105kPa ，温度为27℃ ，焦 炉气流量为1000m3/h ，其中所含芳烃组成为0.02 （摩尔分数,下同），吸收率为95%，进塔洗油中 所含芳烃组成为0.005。若取吸收剂用量为最小用 量的1.5倍。试求进入塔顶的洗油摩尔流量及出塔 吸收液组成。（操作条件下气液平衡关系为 Y*=0.125X ）
求：(1)完成分离任务所需吸收剂的用量L (2)出塔液体中溶质的摩尔比X1 (3)所需的填料层高度Z (4)填料塔塔径D
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2.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程
L Y1 Y2 （重要） V X1 X2
Y
L V
X
(Y1
L V
X1)
出塔气体摩尔比Y2 的给出形式（1） 如果溶质是有害 气体，一般直接规定Y2的值。（2）如果吸收的目的是 回收有用物质，则以回收率的形式给出
溶解度随温度和溶质气体的分压不同而不同，平衡时溶质在气 相中的分压称为平衡分压。溶质组分在两相中的组成服从相平 衡关系。
加压和降温有利于吸收操作，反之，升温和减压对解吸有利。 但加压、减压费用太高一般不采用。
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2-1-2 亨利定律 （适用于稀溶液）
第2章 吸收
本章重点：填料吸收塔的工艺计算
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吸收 ：利用气体中各组分在溶剂中溶解度的差异而分离气体 混合物的操作称为吸收。
所用溶剂称为吸收剂（S）。气体中被溶解的组分称为吸收质 或溶质（A） 。不被溶解的组分称为惰性气体或载体（B） 。
吸收操作的依据：混合气体中各组分溶解度的不同。 吸收操作的目的
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被吸收的溶质量
A 进塔气体的溶质量
Y1 Y 2 Y1
2.3.2 吸收剂的用量的决定
Y2 Y1 (1A)
（重要）
(L V
)m
in
Y1 Y2
X
1
X
2
若平衡关系可用 Y mX
L
( V
) m in
Y1 Y2
Y1 m
X
2
（重点）
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吸收剂用量的大小从设备费和操作费两方面影响生产过 程的经济效益，应权衡利弊，选择适宜液气比，使总费 用为最小。一般情况下
i
p i
H
i
i
i
i （重点）
液相中溶质的摩尔数 x
X
液相中溶剂的摩尔数
1 x
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Y
气相中溶质的摩尔数 气相中惰性气体的摩尔
数
y 1 y
亨利定律各系数之间的关系: 2.1.3 吸收剂的选择：P85
H s
EM s
m E P
１.对被吸收的组分要有较大的溶解度，且有较好的选择性。
２.要有较低的蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失
大，其极限是与进塔气相组成成平衡 当吸收剂用量大，气体流量小时，即使
X 1,max
Y1 m
填料层很高，出塔气体组成也不会低于 与吸收剂入口组成成平衡的气相组成
Y2,m in
mX 2
相平衡关系限制了吸收剂出塔时的最高浓度和气体混合物出 塔时的最低浓度。
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2.2 传质机理与吸收速率
是降低液膜层的厚度 ,即增大液相的湍动程度。用水吸收
氧气可视为气膜控制的吸收过程。
NA
KX
(
X
A
X A)
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2.3 吸收塔的计算（本章重点）
已知：V-----惰性气体的摩尔流量, kmol/S Y1 -----进塔气体中溶质摩尔比 Y2 ----- 离 塔气体中溶质摩尔比 X2 ----- 进塔吸收液中溶质的摩尔比
以气相表示的吸收过程推动力 Y Yi Yi
以液相表示的吸收过程推动力
X
X
i
Xi
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3 指明传质过程的极限
在一定的操作条件下，当气液两相达到平衡时，过程即行 停止，可见平衡是过程的极限 。
在工业生产的逆流填料吸收塔中，即使填料层很高，吸收剂
用量很少的情况下，离开吸收塔的吸收液组成也不会无限增
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该理论把气液相际间的传质过程转化为通过两个膜层的分子 扩散过程。
2-2-7 吸收速率方程式
气膜吸收速率方程式
NA
kG ( pA
pAi )
pA
pAi 1
气膜传质推动力 气膜传质阻力
液膜吸收速率方程k式G
NA
kL (cAi
cA)
cAi cA 1
液膜传质推动力 液膜传质阻力
kL
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以气相总传质系数表示的吸收速率方程式
NA
KG (pA
p
A
)
11 1
K G kG Hk L
K k 对于易溶气体,其溶解度H很大
G
G
易溶气体的吸收速率主要由气相一方即气膜作用来控制,这
种情况称为“气膜控制”。因此要提高吸收速率，关键是
降低气膜层的厚度 ,即增大气相的湍动程度。用水吸收氨可
pBm
pB2 ln
pB1 pB2
pB1
p
称为漂流因数，
pBm
反映总体移动 对传质速率的
影响。其值恒
大于1
p
值越大，总体移动
pBm 使组分A的传质速
率增加得越快，越
有利于传质。
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2-2-3 液相中的稳定分子扩散
由于对液体的分子运动规律远不及对于气体的研究，因此 只能仿效气相中的扩散速率关系式写出液相中的相应关系 式。
Yi
Yi
(或）X
i
Xi
平衡过程
Yi
Yi
(或）
X
i
Xi
解吸过程
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例题：在总压为101.3kPa，温度为30℃的条件下，二氧化硫 组成为Y=0.1的混合空气与二氧化硫组成分别为X=0.002和 X=0.003的水溶液接触，试判断过程进行的方向。已知操作条 件下气、液平衡关系为Y=47.9X。
若选择较高的空塔气速，则通过填料层的压降大，动力消 耗大，且操作不平稳，难以控制，但塔径小，设备投资小。 故塔径的确定应作多方案比较以求经济上优化。通常取泛 点气速的倍。
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2.3.4 填料层高度的计算
1、填料层高度的基本计算式
液侧N：A
D ZL
C CSm
(C Ai
CA ) kL (CAi
CA )
2-2-6 吸收过程的机理P101
双膜理论
⑴相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧 各有一层很薄的层流膜，溶质A以分子扩散的方式通两层膜， 由气相进入液相主体。
⑵在相界面处，气液两相互成平衡。
⑶在气液两相的主体中，由于流动充分湍动，物质浓度均匀。
Y 47.9X 47.9 0.002 0.0958 Y 吸收
X Y 0.1 0.0021 X 47.9 47.9
当液相组成 X 0.003 X X
该过程为解吸过程。
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2．确定传质的推动力
在吸收过程中，通常以实际 的气、液相组成与其平衡组 成的偏离程度来表示吸收过 程推动力。实际组成偏离平 衡组成越远，过程推动力越 大，过程速率也越快。
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2.1 气体吸收的相平衡关系