气体吸收主要内容吸收过程相平衡基础吸收过程模型及传质Word格式文档下载.docx

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2.溶剂蒸汽压低，挥发损失少

3.溶剂粘度低，操作中不易起泡沫

4.溶剂化学稳定性好，不易变质

5.溶剂易得、价廉、无毒、难燃等经济安全条件

6.溶剂易再生回收，循环使用——解吸操作（使溶质从溶液中脱除的过程）

四、吸收过程分类

物理吸收——溶剂与溶质结合力弱，但解吸容易。

例：

H2O吸收CO2

化学吸收——溶剂溶液由化学键力结合，不易解系。

k2CO3溶液吸收CO2，

NaOH溶液吸收CO2，H2S，SO2等

多组合吸收

单组分吸收

等温吸收——当溶质量少，溶剂量多，吸收时温度变化小

变温吸收——吸收过程由有溶解热、反应热产生，使温度升高

本章研究的是单组分、等温、物理吸收

五、吸收装置

吸收是溶质从气相转移到液相的过程，一般在塔设备中进行。

条件：

1.要求推动力大，传质速度快——一般要求逆流操作；

2.要求气液接触面积大，在塔内可充分接触。

板式塔——气液两相在塔板上错流接触（逐级接触式）

填料塔——气液两相在塔内逆流接触（微分接触式）

第二节吸收过程的相平衡关系

本节主要讨论气液两相的平衡关系，通过平衡关系可以指出吸收过程能否进行，判定进行的方向及过程的极限。

一、平衡溶解度

平衡分压——气液两相达到平衡时，溶质在气相中的分压，pA*

溶解度曲线——在一定温度下，溶质的平衡分压与在液相中浓度间的关系。

由上图可知，要得到一定浓度的溶液，易溶气体所需分压低，难溶气体所需分压高，即p*O2>

p*SO2>

p*NH3，溶解程度NH3>

SO2>

O2

1．判别过程的方向

气体溶解于液相，关键在于气相中被吸收组分的分压pA

当pA>

pA*，CA*>

CA吸收操作

pA<

pA*，CA*<

CA解析操作

过程的推动力：

气相推动力pApA*

液相推动力CA*CA

过程的极限：

气液两相达到相平衡关系（动态平衡，即吸收速率=解吸速率）

2．相律：

自由度F=C-ф+2

对于吸收操作，组分数C=3，相数ф=2

∴F=3-2+2=3

独立变量数为3——压力P，温度T，气相中溶液分压pA或液相浓度CA

实验发现在总压为几个大气压范围内，对平衡关系影响不大；

而温度升高，溶解度降低。

二、亨利定律

1．相组成表示法

气相组成表示——y，Y，p,P，C`M

液相组成表示——x，X,，CA，CM

摩尔浓度——单位体积混合物中所含溶质的kmol数

CA=[kmol/m3]

CM=[kmol/m3]

摩尔分数——xA=（液相中）

yA=（气相中）

比摩尔分数——（液相中）

（气相中）

X，，，

道尔顿定律pA=yAP

CA=xACM

CM=（液相中）

当稀溶液，xA很小时，

2．亨利定律——对多数气体稀溶液的溶解度曲线，在气压不高的情况下（一般约小于500kPa）是为一直线。

也即溶质在液相中的浓度与气相中的平衡分压成正比。

（1）p*=Ex

E-亨利系数，kPa

（2）p*=

H-溶解度系数，kmol/m3·

kPa

（3）y*=mx

m-相平衡常数

（4）

对于稀溶液，X很小，分母趋于1，

∴

各常数E，H，m都是表示溶解度的程度，

对易溶溶质：

E小，m小，H大，

对难溶溶质：

E大，m大，H小。

第三节吸收过程的速率关系

吸收过程的三个步骤：

（对比传热过程）

1溶质由气相主体传递到相界面气相一侧（气相内物质传递）

2溶质跨越相界面——溶解而进入液相

3溶质由界面液相一侧转移到液相主体（液相内物质传递）

由传质角度来考虑，为二种情况

1物质在一相内部传递——单相中的物质传递。

2界面上的溶解——一般溶解阻力很小，界面两侧的浓度满足相平衡关系。

单相内传质的基本方式

1分子扩散——由于流体内部存在着浓度差，分子的微观运动使组分由高浓度向低浓度转移，直到相等；

一般体现在静止流体、以及流体作层流时与流体流动相垂直的方向上。

2湍流扩散——流体的宏观流动导致质点位移，伴有漩涡；

流体与某一界面之间的传质，其中包括分子扩散和湍流扩散，统称对流扩散。

一、双组分混合物中的分子扩散

分子扩散实质是分子的微观随机运动。

对恒温恒压下双组分（A、B）的一维定态扩散，其统计规律可表达如下——

1．费克定律

——扩散速率，kmol/m2·

s

———A在双组分混合物中扩散系数，m2/s

——组分A在扩散方向Z上的浓度梯度，kmol/m4

负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反

对于理想气体：

，

R——摩尔气体常数，8.314kJ/kmol·

K

比较：

表明三个传递的相似性。

费克定律

牛顿粘性定律

傅立叶定律

对于双组分混合物，在产生A的扩散流的同时，必定伴有大小相同、方向相反的B的扩散流，按费克定律：

分子扩散系数D——表示物质在介质中扩散能力，是物质的一种传递性质。

其值受温度、压强、组分浓度的影响。

气相扩散系数D=0.1~1.0cm2/s

液相扩散系数D=1×

10-5~5×

10-5cm2/s

2．分子扩散和主体流动（整体移动）

在定态传质过程中，气液界面气相一侧

有一厚度为的静止（或层流）内层。

气层内各处总压相等

>

存在，由于界面上无积累，

A必以相同速率溶解并传递到液相中去。

同理的存在，必有一反向的由界面向气相主体扩散。

组分B何处来？

下面对界面上B的供应进行讨论。

（1）等分子反方向扩散

设液相能以同一速率供应组分B，使界面上保持定值。

例如：

蒸馏过程，只要A、B气化潜相等时，此时在任一断面上，

存在着二股扩散流：

且

前提——界面能等速地向气相提供组分B。

（2）一组分A通过另一静止组分B的扩散（单向扩散）

在吸收过程中，B为惰性气体，液相中不存在B，不可能向界面提供B。

但由于A的溶解和组份B的反向扩散，使界面处的总压稍有下降，这一压差导致混合气体由气相主体向界面流动。

此一流动称为主流流动（整体移动）NM。

主体流动时，携带着A，B两组分流向界面。

在定态条件下，主体流动所带B的量（NBM）必定恰好等于，以保持界面上CBi的定态。

同时由于各处压强相等，依然存在。

严格地讲，不满足等分子反方向扩散条件的，都必然会产生主体流动。

3．分子扩散速率方程

在任一断面上，存在着三个物流：

和NM

其净物流：

N=+NM

（表明净物流的量=主体流动的量）

在断面处，对A作物料运算：

表明在扩散方向上A的传递速率NA为分子扩散流与主体流动中A量之和。

NM=N=

因为主体流动乃因分子扩散而引起的一种伴生流动，因此包括主体流动在内的A的传递速率NA仍可理解为分子扩散所造成的宏观结果。

（1）等分子反向扩散

没有净物流N=0

对定态扩散，NA=常数

对理想气体

表明在扩散方向上，组分浓度与扩散距离的关系为一直线。

（2）单向扩散

B的净物流

在定态扩散时，

其中：

同理，在气相扩散中：

*比较以上这两种扩散方式，由于主体流动的存在，使单向扩散的比等分子反向扩散增大或倍，此倍数恒大于1，称漂流因子。

二、单相内的对流传质

1.涡流扩散——借助于流体在流动中产生的漩涡所引起的物质之间的

剧烈混合。

其速率远大于分子扩散。

*与对流传传热类似，对流传质指流体与界面之间的传质，同时包括分子扩散和涡流扩散的存在。

仿照费克定律：

JA=JA分子+JA涡流

=－（D分子+D涡流）dCA/dZ

在层流时，分子扩散为主，D分子占主要地位；

在湍流时，涡流扩散为主，D涡流占主要地位。

2.传质边界（有效膜）模型

以湿壁塔为例

气液两相逆流接触

在左图上取一截面分析，分析气相浓度的变化，气相湍流，在相界面处有一层流内层（），湍流程度越大，越小。

层内——分子扩散为主，传质速率小，浓度差大，

层外——涡流扩散为主，由过渡区转变到湍流区，浓度差小，在主体流动区无浓度梯度。

仿照传热边界层理论，将层外涡流扩散折合成一定厚度的层流内层的分子扩散——传质边界层（有效膜），集中全部传质阻力。

气相

同理，液相

3.传质速率方程

由于ZG、ZL难以测定，仿对流传热，写出类牛顿冷却定律形式：

气相

液相类似传热Q/A=αΔt

气相传质分系数，kmol/m2·

s.·

kPa

液相传质分系数，kmol/m2·

s·

（kmol/m3）

气相推动力，kPa气膜阻力

液相推动力，kmol/m3液膜阻力

4.传质分系数关联式

使用量纲分析法，可得k=f（ρ，μ，u，d，D）

Sherwood准数：

，对照传热

Reynolds准数：

Schmidt准数：

对降膜式吸收器：

在，0.6~3000

Sh=0.023

三、两相间传质的双膜理论

基本论点：

1.当气液两相接触时，两相之间有一稳定的相界面。

在界面两侧各有一很薄的有效层流膜层，吸收质以分子扩散方式通过此两膜层。

2.在相界面上，气液两相成平衡。

3.在膜层外的主体中，由于充分湍动，溶质的浓度基本上是均匀的。

即两相主体浓度中浓度梯度为零

——换句话说，浓度梯度全部集中在两膜层内

——膜层内包括了吸收的全部阻力，膜外不存在阻力。

通过此模型假设，将相间传质简化为气液两膜层的分子扩散。

双膜理论适用于具有固定传质面的吸收设备，例如低气速填料塔。

当气速较高，相界面不再稳定，双膜理论与实验结果不符。

其它传质理论：

溶质渗透理论，表面更新理论

四、总系数传质速率方程式

由于界面参数（Ci，pi）难以确定，以及kG、kL试验测定困难，故建立以总推动力为基准的总传质速率方程式。

1.总传质速率方程式

ppiCiC

（C*）（P*）

总推动力：

以气相表示，kPa

以液相表示，kmol/m3

总传质系数：

气相kmol/m2·

液相kmoj/m2·

（kmoL/m3）

总阻力：

以气相表示1/

以液相表示1/

2.总系数与分系数的关系

应用加和性法则

总阻力=气膜阻力+液膜阻力

同样，用液相来表示

3.气液两相界面浓度

由传质份速率方程得：

即

由图上可见，由O点（）引斜率为的直线，交平衡线之点即为界面状态（）

4.溶解度影响——气膜控制和液膜控制

（1）易溶系统——溶质溶解度大，H大，平衡线斜率小

对

当时，

表示传质阻力集中在气膜中，称气膜控制。

在气膜控制时，要提高吸收速率，应考虑减少气膜厚度ZG，增强气流湍流程度。

（