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1、气体吸收的原理本讲稿第一页，共一百二十八页5.1 5.1 概述概述一一.传质分离过程简介传质分离过程简介二二.吸收与传质吸收与传质三三.物理吸收和化学吸收物理吸收和化学吸收四四.吸收与解吸吸收与解吸五五.溶剂的选择溶剂的选择一一.传质分离过程简介传质分离过程简介1 1、传质分离过程的研究对象、传质分离过程的研究对象 混合物的分离是化工类生产中的重混合物的分离是化工类生产中的重要过程。要过程。混合物的分类：混合物的分类：a a）非均相混合物，其分离主要依靠）非均相混合物，其分离主要依靠力学力学力学力学的的的的，即质点运动与流体力学原理进，即质点运动与流体力学原理进行分离，已在第三章中进行了讨论；
2、行分离，已在第三章中进行了讨论；b b）均相混合物，其分离特点主要依靠）均相混合物，其分离特点主要依靠物质的传递（分子传递和涡流传递）物质的传递（分子传递和涡流传递）特性来实现混合物中各组分的分离。特性来实现混合物中各组分的分离。对对b b）均相混合物的分离称为传）均相混合物的分离称为传质分离过程质分离过程 另外，对干燥和浸取等一类过程另外，对干燥和浸取等一类过程也列入传质分离过程。如：湿物也列入传质分离过程。如：湿物料的干燥，也是依靠水分传递到料的干燥，也是依靠水分传递到气相来达到分离目的。气相来达到分离目的。本讲稿第二页，共一百二十八页5.1 5.1 概述概述2 2、传质分离过程的分类、传
3、质分离过程的分类bb平衡分离过程：根据混合物中诸平衡分离过程：根据混合物中诸组分在两相间的平衡分配不同来组分在两相间的平衡分配不同来实现混合物的分离，这类方法称实现混合物的分离，这类方法称为。例如：蒸馏、吸收、萃取、为。例如：蒸馏、吸收、萃取、吸附、干燥吸附、干燥 etcetc。bb速率分离过程：根据混合物中各组分速率分离过程：根据混合物中各组分在某种力场的作用下扩散速度不同的在某种力场的作用下扩散速度不同的性质来实现混合物的分离，这类方法性质来实现混合物的分离，这类方法称为。例如：气体扩散、电泳、喷称为。例如：气体扩散、电泳、喷嘴扩散嘴扩散 etcetc。bb在一般化工生产中主要应用平衡分离
4、在一般化工生产中主要应用平衡分离过程。过程。3 3、根据生产目的来分类、根据生产目的来分类bb化工生产中遇到的混合物多种多样化工生产中遇到的混合物多种多样的，它们可以是的，它们可以是g g、l l、s s，可以均相，可以均相，可以非均相，其中各组分的性质可以可以非均相，其中各组分的性质可以相差很大，也可以是十分相似，各组相差很大，也可以是十分相似，各组分的含量可以相差很大，也可以相差分的含量可以相差很大，也可以相差不大（处一个量级）分离目的也不尽不大（处一个量级）分离目的也不尽相同。相同。bb一般分为四类：一般分为四类：分离：将混合物中各组分完全分开，分离：将混合物中各组分完全分开，得到各个纯
5、组分或若干种产品。得到各个纯组分或若干种产品。egeg：air-Nair-N2 2、O O2 2 、各种稀有气体；、各种稀有气体；原油原油-汽油、煤油、柴油汽油、煤油、柴油etcetc。本讲稿第三页，共一百二十八页5.1 5.1 概述概述 提取和回收：从提取和回收：从混合物中提取混合物中提取某种或某几种有用的组分。某种或某几种有用的组分。egeg：从矿石中提取有用金属；从工厂：从矿石中提取有用金属；从工厂排放的废料中，回收有价值的物质，排放的废料中，回收有价值的物质，除去污染环境的物质；另外在医药除去污染环境的物质；另外在医药上中成药的提取上中成药的提取etcetc。纯化：除去混合物中少量杂质
6、。纯化：除去混合物中少量杂质。egeg：合成氨原料气中含有：合成氨原料气中含有COCO、COCO2 2 等有害气体，易使等有害气体，易使cat.cat.中毒，中毒，现一般采用铜氨液洗涤法、深冷现一般采用铜氨液洗涤法、深冷分离法和甲烷化法，这些方法在分离法和甲烷化法，这些方法在经济性、选择性等方面都在不同经济性、选择性等方面都在不同程度上存在着缺点，吸附分离，程度上存在着缺点，吸附分离，特别是特别是PSAPSA方法是新的发展方向。方法是新的发展方向。浓缩：将含有组分少的稀溶液增浓，浓缩：将含有组分少的稀溶液增浓，称为。称为。egeg：在医药上中成药的提在医药上中成药的提取，可以通过膜过程对此进行
7、浓缩。取，可以通过膜过程对此进行浓缩。4 4、根据组分在两相间的分配差大小、根据组分在两相间的分配差大小来分：来分：相配很大：吸收、萃取、浸取、相配很大：吸收、萃取、浸取、干燥蒸馏、吸附干燥蒸馏、吸附etcetc。其特点为：其特点为：只须引一股流，两相接触即可。只须引一股流，两相接触即可。相配不大：精馏、回流萃取分相配不大：精馏、回流萃取分馏吸附馏吸附etcetc。其特点为：其特点为：须引两股流，分段形成两相接触。须引两股流，分段形成两相接触。本讲稿第四页，共一百二十八页5.1 5.1 概述概述二二.吸收与传质吸收与传质1 1、引子、引子bb均相混合物分离特点：均相混合物分离特点：主要依靠物质
8、主要依靠物质的分子、涡流传递特性来实现混合物的分子、涡流传递特性来实现混合物中各组分的分离。中各组分的分离。bb气体混合物分离特点：总是根据混气体混合物分离特点：总是根据混合物中各组分间某种物理化学性质合物中各组分间某种物理化学性质差异而进行的。差异而进行的。bb气体混合物的分离方法：气体混合物的分离方法：膜分离膜分离-主要依靠筛分作用，尺主要依靠筛分作用，尺寸差异寸差异 ；精馏精馏-主要依据沸点差异，主要依据沸点差异，egeg：空：空分得到分得到N N2 2和和 O O2 2 ；吸附分离吸附分离-主要依靠筛分作用，主要依靠筛分作用，尺寸差异尺寸差异 ；也有络合作用，；也有络合作用，egeg：
9、CuCuCOCO；吸收吸收-主要依靠混合物中各组主要依靠混合物中各组分在某种溶剂中的溶解度的不同分在某种溶剂中的溶解度的不同得到分离目的。得到分离目的。egeg：用水吸收用水吸收混合气体中的混合气体中的NHNH3 3能使能使NHNH3 3、airair加以分离，并回收加以分离，并回收NHNH3 3，其原因，其原因为：它们在水中的溶解度差异很大，为：它们在水中的溶解度差异很大，将它们通入水中，将它们通入水中，NHNH3 3很容易溶解很容易溶解于水中，于水中，形成氨水溶液，而形成氨水溶液，而airair几乎几乎不溶于水中。不溶于水中。本讲稿第五页，共一百二十八页5.1 5.1 概述概述2 2、吸收
10、、吸收bb定义：气体溶解于液体的过程，称定义：气体溶解于液体的过程，称之为。之为。bb气体吸收在工业及环保中的应用气体吸收在工业及环保中的应用 回收产品：用洗油（焦化厂副产品，回收产品：用洗油（焦化厂副产品，数十种数十种C C、H H化合物的混合物）吸化合物的混合物）吸收焦炉煤气中的苯、甲苯、二甲收焦炉煤气中的苯、甲苯、二甲苯。苯。有机合成八大基础原料：三有机合成八大基础原料：三苯、三稀（苯、三稀（1,3-1,3-丁二稀、乙稀、丁二稀、乙稀、丙稀）、一萘一炔。丙稀）、一萘一炔。气体净化：合成氨原料气中含有气体净化：合成氨原料气中含有COCO、COCO2 2、COCO2 2 S S、H H2 2
11、 S S等有害气体，等有害气体，易使易使cat.cat.中毒。中毒。对微量对微量COCO、COCO2 2现一般采用铜氨现一般采用铜氨液洗涤法、深冷分离法和甲烷液洗涤法、深冷分离法和甲烷化法，但净化度和能耗高，目化法，但净化度和能耗高，目前正开发络合变压吸附（前正开发络合变压吸附（PSAPSA）的技术是的技术是 无热源技术无热源技术，是非，是非常节能的发展方向。常节能的发展方向。制备某种气体的溶液：制备某种气体的溶液：HClHCl（g)g)H H2 2 O-HCl(L)O-HCl(L)3 NO 3 NO2 2 H H2 2O=2HNOO=2HNO3 3 NONO SO SO2 2-SO-SO3
12、3 H H2 2O-HO-H2 2 SO SO4 4 一般一般采用采用92.5%H92.5%H2 2 SO SO4 4吸收成为吸收成为98%-98%-105%H-105%H2 2 SO SO4 4。实际过程往往同时兼有净化和回收实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。双重目的。本讲稿第六页，共一百二十八页5.1 5.1 概述概述3 3、传质、传质bb气体吸收是传质分离过程。气体吸收是传质分离过程。前面提到的传质分离过程中，重点前面提到的传质分离过程中，重点是要讲述平衡分离过程，是组分在是要讲述平衡分离过程，是组分在两相间的分配不同（平衡）来实现两相间的分配不同（平衡）来实现分离。分离。气体吸收
13、过程包含有组分从一相到气体吸收过程包含有组分从一相到另一相的转移。另一相的转移。过程的推动力为：浓度差过程的推动力为：浓度差 C Cbb过程简介过程简介 以以NHNH3 3和和airair用水吸收为例：用水吸收为例：示意图如右侧图一所示示意图如右侧图一所示 过程过程 1)1)NHNH3 3易溶解于水中，其浓易溶解于水中，其浓度为度为C C0 0，而，而airair难溶于水，液，而难溶于水，液，而airair几乎不溶于水中；几乎不溶于水中；液面处浓度液面处浓度CC 液相主体浓度液相主体浓度C CL0 L0，故在液相中从界面，故在液相中从界面向深处移动；向深处移动；3)3)随着吸收的进行，气相随着
14、吸收的进行，气相中中NHNH3 3浓度减少，浓度减少，液相中液相中NHNH3 3浓度增加，推浓度增加，推动力动力 C C减少；减少；4)4)当气液相达到平衡时，当气液相达到平衡时，C C0 0，NHNH3 3的转移速率的转移速率0 0。本讲稿第七页，共一百二十八页5.1 5.1 概述概述bb气体吸收过程的特点气体吸收过程的特点 需加入另一物质，使该物质与原需加入另一物质，使该物质与原均相混合物接触构成并存的两相；均相混合物接触构成并存的两相；判断是否发生组分的相际转移？判断是否发生组分的相际转移？可以假想：每一相中各组分的浓可以假想：每一相中各组分的浓度都均匀一致，若转移的组分在度都均匀一致，
15、若转移的组分在两相中的浓度偏离两相中的浓度偏离平衡态平衡态越远，则越远，则该组分的转移速率越大；该组分的转移速率越大；当转移的组分在两相中呈当转移的组分在两相中呈平衡态平衡态，则，则该组分的转移速率为零。该组分的转移速率为零。bb相关术语介绍相关术语介绍 溶质气体或吸收质：混合气体中容溶质气体或吸收质：混合气体中容易溶解的组份称为，用易溶解的组份称为，用A A表示，表示，egeg：NHNH3 3；惰惰性性成成分分或或载载体体：混混合合气气体体中中很很难难溶溶解解的的组组份份称称为为，用用B B表表示示，egeg：空气（空气（air);air);吸吸收收剂剂或或溶溶剂剂：吸吸收收中中所所用用的的
16、能能够够溶溶解解某某一一组组分分的的物物质质称称为为，用用S S表示，表示，egeg：水；：水；吸吸收收液液：吸吸收收操操作作中中溶溶剂剂吸吸收收了了溶溶质质气气体体后后所所得得的的溶溶液液称称为为，用用S+AS+A表表示示;吸吸收收尾尾气气：吸吸收收操操作作中中排排除除的的气气体称为，用（体称为，用（A A）+B+B表示表示 单单组组分分吸吸收收：溶溶质质气气体体为为单单组组分分的的吸收过程，称为吸收过程，称为 单单组组分分吸吸收收：溶溶质质气气体体为为多多组组分分的吸收过程，称为。的吸收过程，称为。本讲稿第八页，共一百二十八页5.1 5.1 概述概述三三.物理吸收和化学吸收物理吸收和化学吸
17、收bb物理吸收物理吸收 定义：定义：溶质气体溶于液相中不溶质气体溶于液相中不发生显著化学反应的吸收过程，发生显著化学反应的吸收过程，称之为称之为 例如：例如：COCO2 2 H H2 2O O H H2 2 COCO3 3 HClHCl（g g）H H2 2O O HClHCl（L L）丙酮（丙酮（g g）H H2 2O O丙酮（丙酮（L L）bb化学吸收化学吸收 定义：定义：液相中有某种组分，能液相中有某种组分，能够与溶质气体（溶解于够与溶质气体（溶解于L L）进行）进行化学反应的吸收过程，促进了吸收化学反应的吸收过程，促进了吸收过程的进行速率；过程的进行速率；例如：例如：NaNa2 2 C
18、OCO3 3（K K2 2COCO3 3)COCO2 2 H H2 2O=NaO=Na2 2HCOHCO3 3 （K KHCOHCO3 3)四四.吸收与解吸吸收与解吸bb一个完整的吸收分离过程一般包括一个完整的吸收分离过程一般包括吸吸收和解吸收和解吸两部分。两部分。bb解吸：从溶液中释放出溶解吸收解吸：从溶液中释放出溶解吸收的溶质气体的操作，称为的溶质气体的操作，称为bb解吸的方法：解吸的方法：加热，因温度升高，溶解度降低；加热，因温度升高，溶解度降低；减压，因压力降低，溶解度降低；减压，因压力降低，溶解度降低；惰性气体与溶液逆流接触，一般惰性气体与溶液逆流接触，一般采用过热蒸汽，一方面由于较
19、高采用过热蒸汽，一方面由于较高温度，另一方面由于惰性气体可温度，另一方面由于惰性气体可以降低溶质气体的分压，从而带以降低溶质气体的分压，从而带出溶质气体。出溶质气体。本讲稿第九页，共一百二十八页5.1 5.1 概述概述bb吸收与解吸联合操作吸收与解吸联合操作 图图5-1 5-1 吸收与解吸联合操作吸收与解吸联合操作本讲稿第十页，共一百二十八页5.1 5.1 概述概述 从焦炉煤气中回收粗苯（苯、甲苯、从焦炉煤气中回收粗苯（苯、甲苯、二甲苯等）的生产流程图如图二甲苯等）的生产流程图如图 5-15-1所所示。示。在吸收塔内：焦炉煤气与洗油在吸收塔内：焦炉煤气与洗油（焦化厂副产品，数十种（焦化厂副产品
20、，数十种C C、H H化合物的混合物）逆流接触，气化合物的混合物）逆流接触，气相中粗苯蒸汽被洗油吸收，脱苯相中粗苯蒸汽被洗油吸收，脱苯煤气从吸收塔顶排出；吸收粗苯煤气从吸收塔顶排出；吸收粗苯后的洗油，称为富油；后的洗油，称为富油；在解吸塔内：利用过热蒸汽对其解在解吸塔内：利用过热蒸汽对其解吸，在解吸塔顶排出的气相为过热吸，在解吸塔顶排出的气相为过热水蒸汽和粗苯蒸汽混合物；水蒸汽和粗苯蒸汽混合物；相分离器的原理是两种液体不互相分离器的原理是两种液体不互溶，且密度有差异。溶，且密度有差异。在相分离器内：过热水蒸汽和粗苯在相分离器内：过热水蒸汽和粗苯蒸汽混合物冷凝后因两种凝液不互蒸汽混合物冷凝后因两
21、种凝液不互溶，并依据密度不同而分层，粗苯溶，并依据密度不同而分层，粗苯在上，水在下。分别引出则可以得在上，水在下。分别引出则可以得到粗苯产品，从而实现混合物的分到粗苯产品，从而实现混合物的分离；离；解吸后的液相成为贫油，经过解吸后的液相成为贫油，经过冷却器降温后，再进入吸收塔冷却器降温后，再进入吸收塔循环使用；循环使用；如此循环往复，从而实现吸收如此循环往复，从而实现吸收和解吸的联合操作过程。和解吸的联合操作过程。本讲稿第十一页，共一百二十八页5.1 5.1 概述概述五五.溶剂的选择溶剂的选择bb溶剂又称吸收剂，选择良好的吸收溶剂又称吸收剂，选择良好的吸收剂是设计吸收过程的重要一环；剂是设计吸
22、收过程的重要一环；bb选择原则选择原则 吸收剂对溶质应有较大的溶解度，吸收剂对溶质应有较大的溶解度，以提高吸收速率，减少吸收剂的用以提高吸收速率，减少吸收剂的用量；量；同时为了便于吸收剂的再生回用，同时为了便于吸收剂的再生回用，其溶解度应随操作条件的改变有显其溶解度应随操作条件的改变有显著的差异；著的差异；吸收剂对溶质应有良好的选择性，即对吸收剂对溶质应有良好的选择性，即对于混合气中待吸收组分的溶解度要大，于混合气中待吸收组分的溶解度要大，对其余组分的溶解度要小；对其余组分的溶解度要小；溶剂的挥发性要小，即蒸气压低，溶剂的挥发性要小，即蒸气压低，以减少溶剂的损失量；以减少溶剂的损失量；溶剂的粘
23、度要低，这样有利于气、溶剂的粘度要低，这样有利于气、液接触，提高吸收速率，也便于输液接触，提高吸收速率，也便于输送；送；无毒；无毒；难燃；难燃；腐蚀性小；腐蚀性小；易得价廉；易得价廉；易于再生利用；易于再生利用；不污染环境。不污染环境。本讲稿第十二页，共一百二十八页5.2 5.2 气液相平衡气液相平衡一一.气液平衡关系气液平衡关系二二.亨利定律亨利定律三三.过程方向判断与过程推动力过程方向判断与过程推动力引子：引子：溶质在气、液相间的平衡关溶质在气、液相间的平衡关系是分析判断溶质在相间传递过系是分析判断溶质在相间传递过程中的方向、极限以及确定传递程中的方向、极限以及确定传递过程推动力大小的依据
24、。过程推动力大小的依据。一一.气液平衡关系气液平衡关系 本节只讨论单组分物理吸收本节只讨论单组分物理吸收的气液平衡关系，即：的气液平衡关系，即：气相中只有溶质气相中只有溶质 A A 和惰性气体和惰性气体B B两个组分，液相中只有溶质两个组分，液相中只有溶质A A和和吸收剂（溶剂）吸收剂（溶剂）S S 两个组分。两个组分。单组分物理吸收的气液平衡单组分物理吸收的气液平衡关系如图关系如图5-25-2所示。所示。图图5-2 5-2 单组分物理吸收气液平衡单组分物理吸收气液平衡本讲稿第十三页，共一百二十八页5.2 5.2 气液相平衡气液相平衡1 1、气液平衡关系的确定、气液平衡关系的确定（1 1）根据
25、相律，单组分物理吸收体系的）根据相律，单组分物理吸收体系的自由度自由度F F应为：应为：F FC C2 23 32 22 23 3式中：相数式中：相数 2 2 （为（为G G、L L）组分数组分数C C3 3（分别为（分别为 A A、B B、S S）（2 2）由）由F F3 3知：三组分气液两知：三组分气液两相平衡时，在温度相平衡时，在温度t t和总压和总压P P和气、和气、液组成四个变量中，有三个是独液组成四个变量中，有三个是独立变量，另一个是它们的函数。立变量，另一个是它们的函数。（3 3）约束条件说明：）约束条件说明：G:yG:yA A y yB B 1 L:1 L:X XA A X X
26、S S 1 1所以所以:P:P、t t、y yA A、X XA A中知道三个中知道三个,气、液平衡就确定了。气、液平衡就确定了。（4 4）小结：在温度）小结：在温度t t和总压和总压P P一一定的条件下，气液相平衡时，气定的条件下，气液相平衡时，气相组成是液相组成的单值函数。相组成是液相组成的单值函数。（5 5）平衡时气液相组成的表示）平衡时气液相组成的表示 气相中溶质的分压，称为平衡分压气相中溶质的分压，称为平衡分压 或饱和分压；或饱和分压；液相中溶质的组成，称为平衡组成液相中溶质的组成，称为平衡组成 ，或者称为气体在液体中的溶解度；，或者称为气体在液体中的溶解度；（6 6）实际上，对于多数
27、体系，在）实际上，对于多数体系，在总压总压P P不很高的情况下，可以认为不很高的情况下，可以认为气体在液相中的溶解度只取决于气体在液相中的溶解度只取决于该气体在气相中的分压，与该气体在气相中的分压，与P P无关无关。本讲稿第十四页，共一百二十八页5.2 5.2 气液相平衡气液相平衡2 2、气液平衡关系的测定、气液平衡关系的测定 气液平衡关系一般通过实验气液平衡关系一般通过实验测出。前人做了很多的工作，故测出。前人做了很多的工作，故我们可以查阅文献和有关手册得我们可以查阅文献和有关手册得到部分需要的气液平衡数据。到部分需要的气液平衡数据。3 3、气液平衡关系的表示方法、气液平衡关系的表示方法 列
28、表列表 关系式关系式-如：如：HeryHery定律定律 图线。图线。用二维坐标绘成的气液相平衡关用二维坐标绘成的气液相平衡关系曲线，又称为溶解度曲线。系曲线，又称为溶解度曲线。参见参见化工原理化工原理P204P204图图5-35-3、5-4 5-4、5-55-5所示。所示。分别从这三图中查得在分别从这三图中查得在P P 60kPa60kPa、t t2020 时时NHNH3 3、SOSO2 2、O O2 2在水中在水中的溶解度为：的溶解度为：390g/390g/1 000g1 000g 、68g 68g/1 000g1 000g 、0.025g 0.025g/1 000g/1 000g 。3 3
29、、溶质浓度的表示方法、溶质浓度的表示方法1 1）对气相）对气相(Gas Phase)(Gas Phase)采用两种采用两种:分压分压 P P 摩尔分率摩尔分率 y y 2 2）对液相）对液相(Liquid Phase)(Liquid Phase)采用三种采用三种:溶质溶质A A与溶剂与溶剂S S质量比质量比 xx，其单，其单位为：位为：g A/1000g sg A/1000g s 体积摩尔浓度体积摩尔浓度 C Ckmol/mkmol/m3 3 摩尔分率摩尔分率 x xmol/molmol/mol本讲稿第十五页，共一百二十八页5.2 5.2 气液相平衡气液相平衡二二.亨利定律亨利定律1.1.内容
30、内容1 1）定义：对于稀溶液或难溶气体，在一定温）定义：对于稀溶液或难溶气体，在一定温度度t t和总压不大的情况下，溶质在液和总压不大的情况下，溶质在液相中的溶解度与它在气相中的分压相中的溶解度与它在气相中的分压呈正比，这一关系称为亨利定律呈正比，这一关系称为亨利定律（HeryHery）。）。2 2）数学表达式：）数学表达式：P P*A A=Ex=ExA A式中式中p p*A A-溶质溶质A A在气相中的平衡分压，单在气相中的平衡分压，单位：位：mmHgmmHg，atmatm，Pa etcPa etc；E-Hery E-Hery 系数系数,与与P P*A A单位一致单位一致;x xA A-溶质
31、溶质A A在液相中的摩尔分数。在液相中的摩尔分数。4 4、不同溶质浓度间的关系：、不同溶质浓度间的关系：x=(x/Mx=(x/MA A)/(x/M)/(x/MA A+1000/M+1000/MS S)C=(x/MC=(x/MA A)/(x)/(x +1000)/+1000)/C=x/x MC=x/x MA A+(1+(1x)Mx)MS S /说明：说明：（1 1）在公式的转换过程中主）在公式的转换过程中主 要要利用的基本原理是化学中的相关利用的基本原理是化学中的相关内容，即：内容，即：质量物质的量质量物质的量 摩尔质量摩尔质量 物质的量质量物质的量质量 摩尔质量摩尔质量 溶液体积质量溶液体积质
32、量/溶液密度溶液密度（2 2）x gx g1000 g1000 g x-mol x-mol，（，（1 1x x）溶剂）溶剂本讲稿第十六页，共一百二十八页5.2 5.2 气液相平衡气液相平衡3 3）亨利）亨利系数特性系数特性bb亨利系数的值决定于物系的特性亨利系数的值决定于物系的特性及及 体系的温度。溶质或溶液不体系的温度。溶质或溶液不同，体系不同，同，体系不同，E E也就不同。也就不同。bbE E的大小反映了气相组分在该溶的大小反映了气相组分在该溶剂中溶解度的大小。剂中溶解度的大小。E E越大，溶越大，溶解度越小。解度越小。因为：气体在液体中的溶解度随温度的因为：气体在液体中的溶解度随温度的升
33、高而降低，升高而降低，故：故：E E随着温度随着温度T T升高而升高而E E升高。升高。2.2.亨利定律的不同表示方法亨利定律的不同表示方法1)1)原因：原因：由于气液相中溶质由于气液相中溶质A A的组成有的组成有各种不同的表示方法，因此：各种不同的表示方法，因此：HeryHery定律有不同的表示方法。定律有不同的表示方法。2)2)采用摩尔浓度时的采用摩尔浓度时的HeryHery形式形式 P P*A A=C=CA A/H /H C CA A溶质溶质A A在溶液中的摩尔浓度在溶液中的摩尔浓度 kmol/mkmol/m3 3HH溶解度系数其单位为：溶解度系数其单位为：(kmol/m(kmol/m3
34、 3)/(mmHg)/(mmHg或或atmatm或或kPa)kPa)本讲稿第十七页，共一百二十八页5.2 5.2 气液相平衡气液相平衡3)3)浓度采用摩尔分数时浓度采用摩尔分数时HeryHery形式形式 y y*A A=mx=mxA Ay y*与组成为与组成为X XA A的溶解呈平衡的的溶解呈平衡的 气相中溶质气相中溶质A A的摩尔分数的摩尔分数 mm相平衡常数相平衡常数4)4)常数常数H H、mm的特性的特性bbH H与与E E相反，相反，H H愈大，溶解度愈愈大，溶解度愈大，且随大，且随温度温度T T的升高的升高H H而降低；而降低；bbmm与与E E类似，类似，mm愈大，溶解度愈小，愈大
35、，溶解度愈小，且随且随温度温度T T升高而升高而mm升高。升高。3.Hery3.Hery定律中定律中E E、H H、mm间关系间关系1 1）确定依据）确定依据 根据组成之间关系及道尔顿根据组成之间关系及道尔顿分压定律，即可确定分压定律，即可确定E E、H H、mm之之间的关系。间的关系。2)2)确定过程确定过程bb因为：因为：P P*A A=Ex=ExA A代入代入y y*A A=P=P*A A/P/P得得:y y*A A=(E/P)X=(E/P)XA A与与y y*A A=mx=mxA A对照得对照得:m=E/Pm=E/Pbb因为因为:X XA A=C=CA A/C/C代入代入P P*A A
36、=C=CA A/H/H得得:P:P*A A=CX=CXA A/H/H 与与P P*A A=Ex=ExA A对照得对照得:E=C/HE=C/Hbbm=C/H*Pm=C/H*P式中：式中：CC溶液的总摩尔浓度溶液的总摩尔浓度本讲稿第十八页，共一百二十八页5.2 5.2 气液相平衡气液相平衡3)3)注意事项注意事项bb对于稀溶液，对于稀溶液，C CA A很小，很小，C=C=/M/MS Sbb一般认为总压在一般认为总压在5atm5atm以下，以下，E E、H H值值与总压无关。与总压无关。4)4)参考文献参考文献bbR H Perry.C H Chilton.R H Perry.C H Chilton
37、.Chemical Chemical Engineers HandbookEngineers Handbook 5th ed.New 5th ed.New York,McGrawHill.Inc.1973York,McGrawHill.Inc.1973bbR C Weast.R C Weast.Handbook of Chemical Handbook of Chemical and Physicsand Physics59th ed.CRC.Press,Inc.59th ed.CRC.Press,Inc.1997197819971978三三.过程方向判断与过程的推动力过程方向判断与过程的推动
38、力1 1、过程方向的判断、过程方向的判断 01x1 xy1y1*b(y1,x1)aca)ya)y1 1=mx=mx1 1,g-Lg-L平衡，推动力平衡，推动力=0=0b)yb)y1 1 mxmx1 1,y,y1 1 yy1 1*,*,吸收吸收,=y=y1 1-y y1 1*c)yc)y1 1 mxmx1 1,y,y1 1 yCCA AC CB B J JA A N NMMJ JB B C CB0B0CCBLBLI I I I zz NGLC CBGBGCCBLBLA A吸收吸收形成局部真空形成局部真空已知已知此截面上组分此截面上组分A A、B B的的浓度梯度分浓度梯度分别为：别为：(dC(dC
39、A A/dz)/dz)和和(dC(dCB B/dz)/dz)。本讲稿第二十九页，共一百二十八页5.3 5.3 分子扩散分子扩散（传质分离过程的动力学）（传质分离过程的动力学）则通过则通过I-II-I的组分的组分A A的传质通量为的传质通量为分分A A的分子扩散通量的分子扩散通量J JA A和流体主体和流体主体流动引起的组分流动引起的组分A A的通量的通量N NMAMA之和。之和。即：即：N NA A=J=JA A+N+NMM(C(CA A/C/CMM)式中：式中：N NA A组分组分A A的传质通量，的传质通量，单位为：单位为：kmol/(s.mkmol/(s.m2 2)；N NM M 通过主
40、体流动经过通过主体流动经过 I-II-I面的通量面的通量 。同理：同理：N NB B=J=JB B+N+NMM(C(CB B/C/CMM)通过主体流动经过通过主体流动经过I-II-I面组分面组分A A 和和B B的总通量：的总通量：N=NN=NMM+J+JA A+J+JB B四四.组分在气相中的分子扩散系数组分在气相中的分子扩散系数1.1.扩散系数扩散系数（1 1）定义：扩散系数是物质很重要的传）定义：扩散系数是物质很重要的传递特性，它表示物质分子扩散速度的递特性，它表示物质分子扩散速度的大小，扩散系数大，表示分子扩散快。大小，扩散系数大，表示分子扩散快。（2 2）单位：）单位：mm2 2/s
41、 /s 或或 cmcm2 2/s/s；扩散系数的单位可由式扩散系数的单位可由式 J JA A=D DABAB(dC(dCA A/dz)/dz)导出。导出。NBNB：这与热传导中的导温系数这与热传导中的导温系数 和和流体的运动粘度流体的运动粘度 /的的单位相单位相同。其中同。其中 又称为热扩散系数又称为热扩散系数 /(/(C CP P)本讲稿第三十页，共一百二十八页5.3 5.3 分子扩散分子扩散（传质分离过程的动力学）（传质分离过程的动力学）（3 3）影响因素：）影响因素：不仅取决于组分本身；不仅取决于组分本身；而且还与介质而且还与介质(与它共存的其与它共存的其他物质他物质)；组分的浓度以及温
42、度、压力组分的浓度以及温度、压力等因素有关。等因素有关。（4 4）获取方法：）获取方法：物质在不同条件下的扩散系数一般物质在不同条件下的扩散系数一般需要通过实验测定；需要通过实验测定；P210P210例例5-25-2说说明了如何用实验法求取物质在气体中明了如何用实验法求取物质在气体中扩散系数。扩散系数。常见物系的常见物系的D D可在手册中查取可在手册中查取;当查不到数据时，可用实验测，当查不到数据时，可用实验测，或用适当的或用适当的(半半)经验公式估算。经验公式估算。2.2.组分在气相中的分子扩散系数经验公组分在气相中的分子扩散系数经验公式介绍式介绍(1)(1)物质在气体中的扩散系数主要取决于
43、物质在气体中的扩散系数主要取决于温度温度T T、压力、压力P P和气体组分的性质，和气体组分的性质，当压力当压力P P不高时，扩散系数基本上与不高时，扩散系数基本上与物质在气体中的浓度无关。大致范物质在气体中的浓度无关。大致范围为：围为：1010-1-11 cm1 cm2 2/s or 10/s or 10-5-5-10-10-4-4 m m2 2/s./s.(2)(2)当没有扩散系数的实验数据时，可当没有扩散系数的实验数据时，可应用文献上介绍的半经验公式。这应用文献上介绍的半经验公式。这些公式都是根据气体分子动力理论，些公式都是根据气体分子动力理论，先经理论推导，然后加以适当修正先经理论推导
44、，然后加以适当修正而得，式中的特性常数由实验确定。而得，式中的特性常数由实验确定。本讲稿第三十一页，共一百二十八页5.3 5.3 分子扩散分子扩散（传质分离过程的动力学）（传质分离过程的动力学）(3)(3)经验公式：经验公式：bb椐分子动力论而得：椐分子动力论而得：D DbTbT3/2 3/2(1/M(1/MA A+1/M+1/MB B)1/2 1/2/P/(V/P/(VA A 1/3 1/3+V+VB B 1/3 1/3)2 2 Gilliland Gilliland（19341934年）用实验确定了常数年）用实验确定了常数b b，得，得b b4.364.36 1010-5-5 式中式中:D
45、:D 分子扩散系数，分子扩散系数，mm2 2/s /s ；P P 总压，总压，kPa kPa ；MMA A、MMB B A A、B B的分子量；的分子量；T T 温度，温度，K K；V VA A 、V VB B A A、B B正常沸点正常沸点(bp.)(bp.)下的分子体积，下的分子体积，cmcm2 2/mol/mol bb组分的分子体积可根据正常组分的分子体积可根据正常bp.bp.下液态纯组分的密度求得，下液态纯组分的密度求得，P212P212表表5-25-2和表和表5-35-3列列出的是分子体积和原子体积。出的是分子体积和原子体积。分子体积可据原子体积按柯普（分子体积可据原子体积按柯普（k
46、oopkoop）加和）加和法则近似估算。误差达法则近似估算。误差达20%20%。bbHirschbelder etc(1948,1949)Hirschbelder etc(1948,1949)提出，适用中等提出，适用中等P P和和T(T(接近常压室温接近常压室温):):D D4.364.36 1010-5-5T T3/2 3/2(1/M(1/MA A+1/M+1/MB B)1/2 1/2/P/P/（ABAB 2 2 Q QD D)式中式中:AB AB 碰撞直径碰撞直径,Q,QD D 碰撞积分碰撞积分,是是kT/kT/ABAB函数函数,AB AB(A A B B)1/1/2 2bbNBNB：当变
47、化：当变化T T、P P时，可据上式得到：时，可据上式得到：D D D D0 0 (P(P0 0/P)(T/T/P)(T/T0 0)1.51.5本讲稿第三十二页，共一百二十八页5.3 5.3 分子扩散分子扩散（传质分离过程的动力学）（传质分离过程的动力学）五五.组分在液相中的分子扩散系数组分在液相中的分子扩散系数1.1.研究现状研究现状 物质在液体中的扩散系数与组物质在液体中的扩散系数与组分的性质、温度以及浓度有关。分的性质、温度以及浓度有关。对其研究不如气体那么广泛，对其研究不如气体那么广泛，这主要是由于液体中分子之间这主要是由于液体中分子之间的作用比较复杂，理论分析不的作用比较复杂，理论分
48、析不够成熟，所以现有估算液相够成熟，所以现有估算液相D DL L的关系式可靠性不如气体。的关系式可靠性不如气体。2.2.液相中分子扩散系数的量级液相中分子扩散系数的量级 液体中的分子比气体中密集液体中的分子比气体中密集,分分 子运动不如在气体中自由，子运动不如在气体中自由，所以：可以通过预计物质在液体所以：可以通过预计物质在液体中的扩散系数中的扩散系数D DL L要比在气体中小要比在气体中小的多，一般两者相差约的多，一般两者相差约10104 4-10-105 5倍，倍，但由于气体中组分的摩尔浓度比但由于气体中组分的摩尔浓度比liquidliquid中小，所以气体中的扩散通中小，所以气体中的扩散
49、通量只比量只比liquid liquid 大大10-1010-102 2倍。倍。3.3.经验公式经验公式bb对于很稀的非电解质溶液，对于很稀的非电解质溶液，D DABAB可由下式估算可由下式估算(Wilke-Chang)(Wilke-Chang)：D DABAB7.47.4 1010-8-8T T (M MB B)1/2 1/2/(/(V VA A 0.60.6)式中：式中：D DABAB 分子扩散系数分子扩散系数,m,m2 2/s;/s;M MB B 溶剂溶剂B B的分子量；的分子量；本讲稿第三十三页，共一百二十八页5.3 5.3 分子扩散分子扩散（传质分离过程的动力学）（传质分离过程的动力
50、学）T T 温度，温度，K K；溶液粘度，溶液粘度，cPcP；V VA AAA在在正常沸点正常沸点(bp.)(bp.)下的分下的分 子体积，子体积，cmcm2 2/mol/mol 溶剂的缔溶剂的缔合因子；合因子；值：值：H H2 2O O为为2.62.6，甲醇为，甲醇为1.91.9，乙醇为，乙醇为1.51.5，苯、乙醚非，苯、乙醚非缔合缔合溶剂为溶剂为1.0 1.0。bb 对电解质溶液的扩散系数，扩散对电解质溶液的扩散系数，扩散是离子而不是分子。然而，在无是离子而不是分子。然而，在无电势的情况下，纯（单一）盐的电势的情况下，纯（单一）盐的扩散可按分子扩散来处理。它可扩散可按分子扩散来处理。它可