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1、第九章第九章 传质吸收传质吸收本讲稿第一页，共七十四页u 食品工程单元操作的理论基础是三大传递原理，即食品工程单元操作的理论基础是三大传递原理，即热热量传递、动量传递和质量传递量传递、动量传递和质量传递。在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓度梯在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将由高浓度区向低浓度区移动的度，某一组分（或某些组分）将由高浓度区向低浓度区移动的趋势，该移动过程称为传质过程。趋势，该移动过程称为传质过程。u 分离过程包括机械分离和传质分离。分离过程包括机械分离和传质分离。机械分离：过滤、沉降等机械分离：过滤、沉降等;对于非均相
2、物系的分离，通常是利用多相对于非均相物系的分离，通常是利用多相物质在物理性质上的差异来实现。物质在物理性质上的差异来实现。传质分离：吸收、蒸馏、干燥、萃取、吸附、离子交换等传质分离：吸收、蒸馏、干燥、萃取、吸附、离子交换等；对于均相混合对于均相混合物的分离，一般是引入另一相，利用各组分物质在两相中性质（如溶解度、挥发度、物的分离，一般是引入另一相，利用各组分物质在两相中性质（如溶解度、挥发度、表面张力等）的差异而由一相向另一相转移的方法实现分离。表面张力等）的差异而由一相向另一相转移的方法实现分离。本讲稿第二页，共七十四页第一节第一节 质量传递原理质量传递原理9.1 9.1 传质概述传质概述
3、1.传质与扩散传质与扩散 物质传递的三个步骤：物质传递的三个步骤：扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相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）中的扩散）传质是一个速率过程，其推动力本身是组分的化学势差，传质是一个速率过程，其推动力本身是组分的化学势差，本讲稿第三页，共七十四页包括温度差、浓度差、压力差等。包括温度差、浓度差、压力差等。传质的微观机理是物质质点的扩散运动，
4、质量传递的方式分为传质的微观机理是物质质点的扩散运动，质量传递的方式分为分子扩散和对流扩散。分子扩散和对流扩散。分子扩散分子扩散 由分子运动而引起的质量传递由分子运动而引起的质量传递 对流扩散对流扩散 伴随流体质点或微团的宏观对流运动引起的质伴随流体质点或微团的宏观对流运动引起的质 量传递量传递2.传质过程的分类传质过程的分类 按相的接触情况不同，分为两相直接接触和膜过程。按相的接触情况不同，分为两相直接接触和膜过程。本讲稿第四页，共七十四页9.2A 分子扩散速度和通量分子扩散速度和通量 1.扩散速度扩散速度 组组分分i因因分分子子扩扩散散相相对对于于运运动动着着的的混混合合物物的的运运动动速
5、速度度，称称为为扩扩散散速度。速度。按操作方式不同，分为稳态操作和非稳态操作。按操作方式不同，分为稳态操作和非稳态操作。按实现反复相接触的方式，分为级式操作和连续接按实现反复相接触的方式，分为级式操作和连续接 触操作（微分接触）。触操作（微分接触）。按两相流动方向的不同，分为并流操作和逆流操作。按两相流动方向的不同，分为并流操作和逆流操作。9.2 9.2 分子扩散分子扩散Ui组分组分i相对于静止坐标系的宏观运动速度；相对于静止坐标系的宏观运动速度；v混合物的平均速度混合物的平均速度本讲稿第五页，共七十四页气液两相的接触方式气液两相的接触方式连连续续接接触触(也也称称微微分分接接触触)：气气、液
6、液两两相相的的浓浓度度呈呈连连续续变变化化。如如填填料料塔。塔。级级式式接接触触：气气、液液两两相相逐逐级级接接触触传传质质，两两相相的的组组成成呈呈阶阶跃跃变变化化。如如板板式塔。式塔。散装填料塑料鲍尔环填料规整填料规整填料 塑料丝网波纹填料塑料丝网波纹填料 本讲稿第六页，共七十四页 混合物的平均速度：混合物的平均速度：2.2.扩散通量扩散通量混合物中某组分在单位时间内通过单位面积的量，称为流量密混合物中某组分在单位时间内通过单位面积的量，称为流量密度，又称作通量。因扩散而形成的通量，即扩散通量度，又称作通量。因扩散而形成的通量，即扩散通量扩散通量有两种表示方法：扩散通量有两种表示方法：相对
7、于静止坐标，扩散通量以相对于静止坐标，扩散通量以N Ni i表示：表示：相对于平均速度，相对于平均速度，扩散通量以扩散通量以Ji表示：表示：本讲稿第七页，共七十四页 对于对于A-B二元混合物：二元混合物：9.2B Fick扩散定律扩散定律 当物质当物质A在介质在介质B中发生扩散时，任一点处物质中发生扩散时，任一点处物质A的扩散通量与该的扩散通量与该位置上位置上A的浓度梯度成正比，即：的浓度梯度成正比，即：本讲稿第八页，共七十四页式中式中 JA,z 物质物质A在在z方向上的分子扩散通量，方向上的分子扩散通量，kmol/(m2s)dCA/dz物质物质A的浓度梯度，的浓度梯度，kmol/m4 DAB
8、物质物质A在介质在介质B中的分子扩散系数，中的分子扩散系数，m2/s 负号负号表示扩散是沿着物质表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。浓度降低的方向进行的。以上两式中，组分以上两式中，组分A的扩散通量是相对于随混合物平均速度运动的坐标的扩散通量是相对于随混合物平均速度运动的坐标而言，而组分而言，而组分A在静止坐标内的传质通量式为在静止坐标内的传质通量式为本讲稿第九页，共七十四页上式为上式为FickFick定律的另一种形式。可见，组分相对静止坐标系定律的另一种形式。可见，组分相对静止坐标系的传质通量由两部分组成：等式右方第一项是随混合物整体的传质通量由两部分组成：等式右方第一项是随混合物整体
9、运动被携带的对流通量，第二项是因浓度梯度引起的分子扩运动被携带的对流通量，第二项是因浓度梯度引起的分子扩散通量。散通量。由由A、B两种气体所构成的混合物中，两种气体所构成的混合物中，A与与B的扩散系数相等。的扩散系数相等。9.2C 稳态分子扩散稳态分子扩散在食品生产过程中，广泛存在着稳态的传质过程。下面讨论两种一在食品生产过程中，广泛存在着稳态的传质过程。下面讨论两种一位稳态分子扩散。位稳态分子扩散。本讲稿第十页，共七十四页假定：假定：pA1 pA2 pB1 pB2 pA1+pB1=pA2+pB2=PpA1pB1pA2pB2pPAB12 在总压相同的情况下，联通管内任一截面上单位时间单位面在总
10、压相同的情况下，联通管内任一截面上单位时间单位面积上向右传递的积上向右传递的A分子的数量与向左传递的分子的数量与向左传递的B分子的数量必定相分子的数量必定相等，此现象称为等，此现象称为等摩尔对向扩散等摩尔对向扩散。1.稳态下气体的等摩尔对向扩散稳态下气体的等摩尔对向扩散本讲稿第十一页，共七十四页 在任一固定的空间位置垂直于扩散方向的截面上，单位时间通过单在任一固定的空间位置垂直于扩散方向的截面上，单位时间通过单位面积的位面积的A物质的量，称为物质的量，称为A的的传递速率传递速率，以，以NA表示。表示。对于等摩尔对向扩散对于等摩尔对向扩散 JA=-JB 对于单纯的等摩尔对向扩散，物质对于单纯的等
11、摩尔对向扩散，物质A的传递速率应等于的传递速率应等于A的的扩扩散通量散通量。本讲稿第十二页，共七十四页分离变量并进行积分，积分限为：传质速率为：本讲稿第十三页，共七十四页2、稳稳态态下下气气体体通通过过另另一一静止气体的扩散静止气体的扩散 截截面面2上上有有一一层层只只允允许许A组组分分通通过过但但不不允允许许B组组分分通通过过的的膜膜。由由于于在在气气相相主主体体与与液液面面处处存存在在A组组分分的的分分压压差差，所所以以组组分分A将将不不断断向向右右进进行行分分子子扩扩散散，并并进进入入液液相相中中去去，而而液液相相中中无无任任何何组组分分进进入入气气相相，使使得得液液面面处处总总压压低低
12、于于气气相相主主体体，在在此此压压差差的的作作用用下下，混混合合气气体体(A+B)便便会会自自动动向向2截截面面发发生生宏宏观观运动，称为总体流动。运动，称为总体流动。本讲稿第十四页，共七十四页总体流动的结果又使得液面附近总体流动的结果又使得液面附近B组分的分压大于气组分的分压大于气相主体中相主体中B的分压，因而组分的分压，因而组分B又将以分子扩散的方式又将以分子扩散的方式向气相主体移动。这样实际的净结果是向气相主体移动。这样实际的净结果是A组分不断向组分不断向液面移动，对于液面移动，对于B组分来讲，随总体流动向液面运动组分来讲，随总体流动向液面运动的的同同时时又又以以相相反反方方向向进进行行
13、分分子子扩扩散散到到气气相相主主体体，实实际际上上等等于于没没有有运运动动，故称为故称为A组分组分通过静止组分通过静止组分B的扩散。的扩散。本讲稿第十五页，共七十四页本讲稿第十六页，共七十四页前面讨论的是在静止介质中组分存在浓度梯度时发生分前面讨论的是在静止介质中组分存在浓度梯度时发生分子扩散，因分子运动而产生的质量传递。在运动的流体子扩散，因分子运动而产生的质量传递。在运动的流体混合物中，除分子扩散外，还存在因流体质点和微团的宏观运动混合物中，除分子扩散外，还存在因流体质点和微团的宏观运动而产生的组分的质量传递，称为对流传质。在生产实践中，对流而产生的组分的质量传递，称为对流传质。在生产实践
14、中，对流传质起到很重要的作用。传质起到很重要的作用。对流传质是由于流体的运动而引起，因而流体的运动状态必然对其对流传质是由于流体的运动而引起，因而流体的运动状态必然对其有影响。实验结果表明，层流和湍流时，对流传质的机理不同。有影响。实验结果表明，层流和湍流时，对流传质的机理不同。9.3 9.3 对流传质对流传质9.3A 对流传质机理对流传质机理1、层流中的扩散、层流中的扩散 层流时流体质点平行运动，相邻液层间不发生混合，所以在垂层流时流体质点平行运动，相邻液层间不发生混合，所以在垂直于流动方向上的传质只能依靠分子扩散。可以用直于流动方向上的传质只能依靠分子扩散。可以用Fick定律计定律计算组分
15、的扩散通量。算组分的扩散通量。本讲稿第十七页，共七十四页 实际生产中流体运动的形态常常是湍流。湍流时流体实际生产中流体运动的形态常常是湍流。湍流时流体质点相互碰撞和混合，流体内形成大量漩涡，在垂直质点相互碰撞和混合，流体内形成大量漩涡，在垂直于主流的方向上会造成流体的强烈混合，这种混合称于主流的方向上会造成流体的强烈混合，这种混合称为涡流扩散。为涡流扩散。2、湍流中的传质、湍流中的传质 对流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，此时的际生产中，传质操作多发生在流体湍流的情况下，
16、此时的对流传质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。的总和。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液体表面。考察稳定操作状况下吸收塔设备任一截面m-n处相界面的气处相界面的气相一侧溶质相一侧溶质A浓度分布情况。浓度分布情况。本讲稿第十八页，共七十四页液相液相mn相界面相界面气相滞流内层气相滞流内层气相气相 0 zG zG距离距离zpHpi气气相相分分压压p气相有效气相有效膜层厚度膜层厚度
17、滞流内滞流内层厚度层厚度本讲稿第十九页，共七十四页 流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即湍流流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即湍流主体、过渡层和层流内层。主体、过渡层和层流内层。过渡层过渡层 同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐变小，曲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。线逐渐平缓。层流内层层流内层 流体质点平行运动，溶质的传递主要依靠分子扩流体质点平行运动，溶质的传递主要依靠分子扩散作用，在该区域内分压梯度较大，传质阻力较大，曲线陡峭。散作用，在该区域内分压梯度较大，传质阻力较大，曲线陡峭。湍流主体湍流主体 主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合作用主要依
18、靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合作用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。流动区域本讲稿第二十页，共七十四页 在湍流流体中同时存在涡流扩散在湍流流体中同时存在涡流扩散 和分子扩散（涡流和分子扩散（涡流扩散占主导地位扩散占主导地位），其总扩散通量为），其总扩散通量为式中式中 D分子扩散系数，分子扩散系数，m2/s；DE涡流扩散系数，涡流扩散系数，m2/s；dCA/dz沿沿z方向的浓度梯度，方向的浓度梯度，kmol/m4；J总扩散通量总扩散通量kmol/(m2s)注：涡流扩散系数注：涡流扩散系数DE不是物性常数，它与湍动有关，且随位置而不同。
19、不是物性常数，它与湍动有关，且随位置而不同。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。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。本讲稿第二十一页，共七十四页9.3B 9.3B 传质系数传质系数 是以相对于混合物平均速度的扩散通量是以相对于混合物平均速度的扩散通量JA为基准定义的传为基准定义的传质系数。传质系数还可以用以静止坐标的传质通量质系数。传质系数还可以用以静止坐标的传质通量NA为基准来为基准来定义：定义：和和 与流体性质、流动状况和表面几何因素等有关，所以须由实与流体性质、流动状况和表面几何因素等有关，所以须由实验测定。只是简单的稳定扩散中，传质系数才可以从理论上
20、求出。验测定。只是简单的稳定扩散中，传质系数才可以从理论上求出。1.和和本讲稿第二十二页，共七十四页u 在等摩尔对向扩散中，在等摩尔对向扩散中，NA=-NBu 在单组分通过静止组分的气体扩散中，在单组分通过静止组分的气体扩散中，NB=0本讲稿第二十三页，共七十四页因为2.kG本讲稿第二十四页，共七十四页3.kx9.3C 对流传质关系式对流传质关系式9.3D 三传类似三传类似 动量传递动量传递将将Newton粘性定律写成粘性定律写成 ：本讲稿第二十五页，共七十四页q指单位时间通过单位面积传递的热量指单位时间通过单位面积传递的热量，即热流密度或热量通量，即热流密度或热量通量，为热扩散率，为热扩散率
21、，的的单单位：位：可可视为单视为单位位时间时间通通过单过单位面位面积积传递传递的的动动量，量，热量传递热量传递将将Fourier定律写成定律写成 ：本讲稿第二十六页，共七十四页JA指单位时间通过单位面积传递的质量指单位时间通过单位面积传递的质量，即质量通量，即质量通量，D DABAB为扩为扩散系数，散系数，质量传递质量传递将将Fick定律写成定律写成 ：动量、热量、质量传递的方程式很相似，三个方程式的左边动量、热量、质量传递的方程式很相似，三个方程式的左边都是传递通量，分别为指单位时间通过单位面积传递的都是传递通量，分别为指单位时间通过单位面积传递的动量、动量、热量和热量和质量质量，表示传递特
22、征的，表示传递特征的、D DABAB都为流体的以都为流体的以m m2 2/s/s为单为单位的物性参量，传递推动力分别为单位体积的位的物性参量，传递推动力分别为单位体积的动量、热量和质动量、热量和质量梯度，三式右边都有一负号，表示传递向动量、热量和质量梯量梯度，三式右边都有一负号，表示传递向动量、热量和质量梯度的反向进行。度的反向进行。本讲稿第二十七页，共七十四页不相容的相态互相接触时，一种或几种组分穿过相界不相容的相态互相接触时，一种或几种组分穿过相界面传递进入另一相中，形成相间传质。影响传质速率面传递进入另一相中，形成相间传质。影响传质速率的因素中，两相接触面积和两相偏离平衡状态程度等是重要
23、的。的因素中，两相接触面积和两相偏离平衡状态程度等是重要的。一、湿度H(湿含量)9.4 9.4 相间传质相间传质9.4A 稳态相间传质稳态相间传质1.相平衡曲线相平衡曲线如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，
24、氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进入液相的速率便等于速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为浓度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡相际动平衡，简称相平衡或平衡。本讲稿第二十八页，共七十四页 达到相平衡时，宏观上传质已停止。可测得一组氨气在达到相平衡时，宏观上传质已停止。可测得一组氨气在气相和液相平衡浓度的数据。气相和液相平衡浓度的数据。如果向容器中加入更多氨气，平衡破坏，吸收速率增大，但最后如果向
25、容器中加入更多氨气，平衡破坏，吸收速率增大，但最后会达到新平衡，可测得又一组平衡浓度数据，就可在图纸上会出会达到新平衡，可测得又一组平衡浓度数据，就可在图纸上会出相平衡曲线。见书相平衡曲线。见书305页图页图9-3。不同的体系，有不同的相平衡曲线，两相平衡浓度数据，可从有关的手册不同的体系，有不同的相平衡曲线，两相平衡浓度数据，可从有关的手册中查到中查到。当两相处在理想状态时，液相可应用拉乌尔（当两相处在理想状态时，液相可应用拉乌尔（Raoult）定律）定律 气相可应用道尔顿（气相可应用道尔顿（Dalton）定律）定律本讲稿第二十九页，共七十四页 两相平衡浓度的关系两相平衡浓度的关系相关系还可
26、用其他浓度形式表示，如气相用分压相关系还可用其他浓度形式表示，如气相用分压pA，液相用摩尔，液相用摩尔浓度浓度cA。2.双阻理论（双阻理论（two-film theory）吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤：吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤：u 溶质由气相主体传递到两相界面，即溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递气相内的物质传递；u 溶溶质质在在相相界界面面上上的的溶溶解解，由由气气相相转转入入液液相相，即即界界面面上上发发生生的的溶溶解解过过程；程；u 溶质自界面被传递至液相主体，即溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递液相内的物质传递。本讲稿第三十页，
27、共七十四页气相主体气相主体 液相主体液相主体 相界面相界面溶解溶解气相扩散气相扩散 液相扩散液相扩散 本讲稿第三十一页，共七十四页当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧分别存在着呈层流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必须以两侧分别存在着呈层流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必须以分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度主要随流速而变，分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度主要随流速而变，流速愈大厚度愈小。流速愈大厚度愈小。在相界面上气液两相相互成平衡。在相界面上气液两相相互成平衡。在膜层以外的主体内，由于流体的
28、充分湍动，溶质的浓度分布均匀，可认在膜层以外的主体内，由于流体的充分湍动，溶质的浓度分布均匀，可认为两相主体中的浓度梯度为零，即浓度梯度全部集中在两个有效膜层中。为两相主体中的浓度梯度为零，即浓度梯度全部集中在两个有效膜层中。用双膜理论解释具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质过用双膜理论解释具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质过程（如湿壁塔），与实际情况是大致相符合的。程（如湿壁塔），与实际情况是大致相符合的。双膜理论观点双膜理论观点本讲稿第三十二页，共七十四页pAcA pA,i cA,i气气膜膜液液膜膜相界面相界面气相主体气相主体液相主体液相主体传质方向传质方向图图 双膜
29、理论示意图双膜理论示意图溶溶质质A在在气气相相中中的的分分压压溶溶质质A在在液液相相中中的的摩摩尔尔浓浓度度本讲稿第三十三页，共七十四页界面浓度界面浓度定态传质定态传质pAi、cAi 3.总传质系数总传质系数本讲稿第三十四页，共七十四页气膜阻力气膜阻力液膜阻力液膜阻力操作点操作点OI（界面）（界面）cA/kmol/m3cApA/kPa0本讲稿第三十五页，共七十四页按亨利定律，有如下相平衡关系按亨利定律，有如下相平衡关系本讲稿第三十六页，共七十四页 KG以气相浓度为基准的总传质系数，以气相浓度为基准的总传质系数，mol/(m2.s.kPa)；1/KG总总阻阻力力(m2.s.kPa)/mol，为为
30、气气膜膜阻阻力力1/kG与与液液膜膜阻阻力力m/kL之之和。和。用同样的方法可以得到：用同样的方法可以得到：KL以液相浓度为基准的以液相浓度为基准的总传质系数，总传质系数，mol/s本讲稿第三十七页，共七十四页9.4B 工业装置中的传质工业装置中的传质 1.有效相间传质面积有效相间传质面积填料塔内传质有效面积并不等于填料的表面积，而与填料的形状、填料塔内传质有效面积并不等于填料的表面积，而与填料的形状、尺寸和材质，液相流速和塔径等都有关系。尺寸和材质，液相流速和塔径等都有关系。单位体积有效传质界面面积为单位体积有效传质界面面积为av，塔的截面积为，塔的截面积为A，在微分塔高，在微分塔高dh内内
31、，有效相间传质面积即为，有效相间传质面积即为av A dh。2.容积传质系数容积传质系数 将将av 与传质系数结合起来，可得到容积传质系数与传质系数结合起来，可得到容积传质系数本讲稿第三十八页，共七十四页 3.传质单元的概念传质单元的概念在塔中微分高度在塔中微分高度dh内内，若液相浓度变化为，若液相浓度变化为dcA，则传质则传质流量为流量为L液相体积流量，液相体积流量，m3/s，对稀溶液，可认为对稀溶液，可认为L为常量为常量在工程上，定义在工程上，定义为传质单元数，无因次为传质单元数，无因次本讲稿第三十九页，共七十四页传质单元数传质单元数NOL中所含的变量只与物系的相平衡和进出口浓度有关。中所
32、含的变量只与物系的相平衡和进出口浓度有关。若要求传质浓度变化越大，过程平均推动力越小，则传质过程分离难度若要求传质浓度变化越大，过程平均推动力越小，则传质过程分离难度越大。所需的传质单元数越多。反之，则分离难度小，需传质单元数少。越大。所需的传质单元数越多。反之，则分离难度小，需传质单元数少。所以所以NOL反映了分离的难易。反映了分离的难易。为传质单元高度，为传质单元高度，m，h塔的有效高度，对填料塔，塔的有效高度，对填料塔，h为填料层高度。为填料层高度。HOL和和NOL的意义：在一个传质单元高度的意义：在一个传质单元高度HOL内，传质可使液相浓度发生内，传质可使液相浓度发生相当于推动力相当于
33、推动力 的平均值的变化，要使液相浓度发生总变化的平均值的变化，要使液相浓度发生总变化 ，需要，需要NOL个串联传质单元个串联传质单元上面的公式也适用于气相，即气相传质单元数上面的公式也适用于气相，即气相传质单元数NOG和传质单元高度和传质单元高度HOG，并且并且本讲稿第四十页，共七十四页传质单元高度传质单元高度HOL表示完成一个传质单元操作所需填表示完成一个传质单元操作所需填料层高度。料层高度。HOL中包含的容积传质系数反应传质阻力的中包含的容积传质系数反应传质阻力的大小、填料性能的优劣等。所以大小、填料性能的优劣等。所以HOL与设备型式和操作与设备型式和操作条件有关，是传质设备效能高低的反映
34、。条件有关，是传质设备效能高低的反映。HOL越小，设越小，设备传质效能越高。备传质效能越高。第二节第二节 吸收吸收 吸收是气体混合物与作为吸收剂的液体接触，使气体中的某一或某些组吸收是气体混合物与作为吸收剂的液体接触，使气体中的某一或某些组分溶于液体的操作。吸收是分离气体混合物的重要单元操作之一。分溶于液体的操作。吸收是分离气体混合物的重要单元操作之一。(1)按吸收过程是否发生化学反应分类：物理吸收、化学吸收按吸收过程是否发生化学反应分类：物理吸收、化学吸收(2)按吸收过程中体系的温度变化分类：等温吸收、非等温吸收按吸收过程中体系的温度变化分类：等温吸收、非等温吸收(3)按被吸收组分的数目分类
35、：单组分吸收、多组分吸收按被吸收组分的数目分类：单组分吸收、多组分吸收本讲稿第四十一页，共七十四页 在液体和气体接触过程中，如发生液体组分向气体在液体和气体接触过程中，如发生液体组分向气体传递，则称为解吸或脱吸，解吸是吸收的逆过程。传递，则称为解吸或脱吸，解吸是吸收的逆过程。本节以讨论吸收为主，着重讨论单组分的等温物理吸收本节以讨论吸收为主，着重讨论单组分的等温物理吸收气体吸收的工业应用气体吸收的工业应用：（1 1）制取液体产品制取液体产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如稀硫酸吸收品。如稀硫酸吸收SOSO3 3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，用水制
36、浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，用水吸收氯化氢制盐酸吸收氯化氢制盐酸，用水吸收，用水吸收NO2气体制硝酸，用水吸收气体制硝酸，用水吸收NH3气气制氨水制氨水等等 。（2 2）分离混合气体分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯，还与到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯，还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来吸收，使与甲烷、氢分离开来 。本讲稿第四十二页，共七十四页1.1.亨利定律亨利定律2.
37、2.在一定条件下，使气体和液体接触，气体中可溶组分被液体在一定条件下，使气体和液体接触，气体中可溶组分被液体3.3.吸收而溶解于液体中。经过相当长的接触时间，组分由气相吸收而溶解于液体中。经过相当长的接触时间，组分由气相4.4.传递到液相的吸收速率与由液相传递到气相的解吸速率相等传递到液相的吸收速率与由液相传递到气相的解吸速率相等5.5.时，就达到了吸收时，就达到了吸收解吸平衡，简称为吸收平衡，在宏观解吸平衡，简称为吸收平衡，在宏观6.6.上，气液相间传质已停止，组分在两相中的浓度都不再变化。上，气液相间传质已停止，组分在两相中的浓度都不再变化。7.7.达到气液相平衡时，组分在两相中的化学势相
38、等，组分在两达到气液相平衡时，组分在两相中的化学势相等，组分在两9.5 9.5 吸收平衡和吸收速率吸收平衡和吸收速率9.5A 吸收平衡吸收平衡（3）气体净化气体净化 一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱质，如合成氨原料气脱H2S、脱、脱CO2等；另一类是尾气处理和废等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除硝酸尾气脱除NO2等。等。（4）回收有用物质）回收有用物质 如用洗油从焦炉气中回收粗苯如用洗油从焦炉气中回收粗苯(苯、甲苯、二甲苯
39、苯、甲苯、二甲苯)等等本讲稿第四十三页，共七十四页l吸收质或溶质吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组：混合气体中的溶解组分，以分，以A表示。表示。l惰性气体惰性气体(inert gas)或载体：不溶或难溶组分，或载体：不溶或难溶组分，以以B表示。表示。l吸收剂吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶：吸收操作中所用的溶剂，以剂，以S表示。表示。l吸收液吸收液(strong liquor)：吸收操作后得到的：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂溶液，主要成分为溶剂S和溶质和溶质A。l吸收尾气吸收尾气(dilute gas)：吸收后排出的气体，：吸收后排出的气体，主要成分为惰性
40、气体主要成分为惰性气体B和少量的溶质和少量的溶质A。l吸收过程在吸收过程在吸收塔吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示中进行，逆流操作吸收塔示意图如右图所示。意图如右图所示。吸收质惰性组分吸收尾气溶剂吸收液本讲稿第四十四页，共七十四页吸收流程吸收流程 吸收与解吸流程吸收与解吸流程含苯煤气含苯煤气脱苯煤气脱苯煤气洗油洗油苯苯水水过热蒸汽过热蒸汽加加热热器器冷冷却却器器本讲稿第四十五页，共七十四页相的浓度之间必存在一定的函数关系。当平衡溶液是稀相的浓度之间必存在一定的函数关系。当平衡溶液是稀溶液时，被吸收组分在液相中的浓度与它在气相中的浓溶液时，被吸收组分在液相中的浓度与它在气相中的浓度成正比，此关系称为
41、度成正比，此关系称为亨利定律亨利定律。因浓度表示方式的不。因浓度表示方式的不同，亨利定律常有下列几种形式：同，亨利定律常有下列几种形式：组分组分A在气相中的平衡分压在气相中的平衡分压cA组分组分A在液相中的浓度在液相中的浓度m溶解度系数溶解度系数cA常称为组分常称为组分A的溶解度。的溶解度。u 溶解度的大小与溶解度的大小与气体溶质气体溶质和和溶剂溶剂本性有关，本性有关，不同气体在同一溶不同气体在同一溶剂中的溶解度有很大差异剂中的溶解度有很大差异，同一气体在不同溶剂中的溶解度也不同同一气体在不同溶剂中的溶解度也不同。u 气体的溶解度还与气体的溶解度还与温度温度和和总压总压有关，但总压若在低压范围
42、内变化，有关，但总压若在低压范围内变化，对气体溶解度影响较小，常常可以忽略总压变化的影响。一般对气体溶解度影响较小，常常可以忽略总压变化的影响。一般随温度随温度升高，气体溶解度减小升高，气体溶解度减小。形式形式1 本讲稿第四十六页，共七十四页以上这些因素的影响都反映在溶解度系数以上这些因素的影响都反映在溶解度系数m m上，即上，即m m 随随物系、温度和压力而变化，通常用实验方法测定。物系、温度和压力而变化，通常用实验方法测定。m m值越大，气体溶解度越小。值越大，气体溶解度越小。xA组分组分A在液相中的摩尔分数在液相中的摩尔分数H亨利系数亨利系数u 亨利系数亨利系数H的大小表示组分的大小表示
43、组分A解吸而回到气相的能力解吸而回到气相的能力 形式形式2 形式形式3 以摩尔分数表示的组分以摩尔分数表示的组分A在气相中的平衡浓度在气相中的平衡浓度E相平衡因数相平衡因数u 亨利系数亨利系数H与相平衡因数与相平衡因数E的关系：的关系：H=pE本讲稿第四十七页，共七十四页YA、XA组分组分A在气、液相中的摩尔比在气、液相中的摩尔比u 摩尔比与摩尔分数概念不同，二者的关系为摩尔比与摩尔分数概念不同，二者的关系为 形式形式4 两式中的两式中的E值不相等，但对稀溶液，两式中的相平衡因数值不相等，但对稀溶液，两式中的相平衡因数E可使用相可使用相同的值。在吸收过程中，因气相中的惰性组分的量以及液相中溶剂
44、同的值。在吸收过程中，因气相中的惰性组分的量以及液相中溶剂的量不变，所以以摩尔比的量不变，所以以摩尔比YA、XA表表示浓度是方便的。示浓度是方便的。本讲稿第四十八页，共七十四页相相对对于于气气相相浓浓度度 p p 而而言言，液液相相浓浓度度欠欠饱饱和和(xx*xp*pp*)，溶溶质质 A A 由由气气相相向向液液相相转移。转移。气气、液液相相浓浓度度(p,xp,x)在在平平衡衡线上方线上方(P P点点)：pxop*=f(x)Ppxp*x*释放溶质吸收溶质2.2.相平衡与吸收过程的关系相平衡与吸收过程的关系不平衡的气液两相接触后所发生的传质过程，是吸收还不平衡的气液两相接触后所发生的传质过程，是
45、吸收还是解吸，要视组分在两相中的是解吸，要视组分在两相中的浓度与平衡浓度的关系而定。浓度与平衡浓度的关系而定。结结论论：若若系系统统气气、液液相相浓浓度度(p,x)在在平平衡衡线线上上方方，则则体体系系将将发发生生从从气气相相到到液液相的传质，即吸收过程相的传质，即吸收过程本讲稿第四十九页，共七十四页相相对对于于气气相相浓浓度度而而言言实实际际液液相相浓浓度度过过饱饱和和(xx*xx*)，故故液液相相有有释释放放溶溶质质 A A 的能力。的能力。相相对对于于液液相相浓浓度度 x x 而而言言气气相相浓浓度度为为欠欠饱饱和和(pp*pp*)，溶溶质质 A A 由由液液相相向向气气相相转移。转移。
46、气气、液液相相浓浓度度(p,xp,x)在在平平衡衡线下方线下方(Q Q点点)：pxop*=f(x)Qpxp*x*释放溶质吸收溶质结结论论：若若系系统统气气、液液相相浓浓度度(p,x)在在平平衡衡线线下下方方，则则体体系系将将发发生生从从液相到气相的传质，即解吸过程。液相到气相的传质，即解吸过程。本讲稿第五十页，共七十四页1.1.吸收速率方程式吸收速率方程式2.2.吸收是典型的相间传质过程，吸收速率可用吸收的传质通量吸收是典型的相间传质过程，吸收速率可用吸收的传质通量3.3.表示。表示。9.5B 吸收速率吸收速率本讲稿第五十一页，共七十四页YAL*与液相浓度平衡的组分与液相浓度平衡的组分A在气相
47、中的摩尔比在气相中的摩尔比KY以气相摩尔比作基准的总传质系数，以气相摩尔比作基准的总传质系数，mol/m2s同样也有：同样也有：XAG*与气相浓度平衡的组分与气相浓度平衡的组分A在液相中的摩尔比在液相中的摩尔比KX以液相摩尔比作基准的总传质系数，以液相摩尔比作基准的总传质系数，mol/m2s1.吸收阻力吸收阻力表示吸收速率的传质通量式中的总传质系数的倒数如表示吸收速率的传质通量式中的总传质系数的倒数如 1/KX，吸收阻吸收阻力由气相阻力和液相阻力加和构成。力由气相阻力和液相阻力加和构成。本讲稿第五十二页，共七十四页.YAIYAiXAXAi表表明明易易溶溶气气体体吸吸收收时时，传传质质总总阻阻力
48、力的的绝绝大大部部分分集集中中气气膜膜中中，气气膜膜阻阻力力控控制制着着整整个个吸吸收收过过程程的的速速率率；传传质质总总推推动动力力的的绝绝大大部部分分集集中中在在气气膜膜中中；吸吸收收总总推推动动力力的的绝绝大大部部分分用用于于克克服服气气膜膜阻阻力力，这这种种情情况况称为气膜控制。称为气膜控制。本讲稿第五十三页，共七十四页.表表明明难难溶溶气气体体吸吸收收时时，传传质质总总阻阻力力的的绝绝大大部部分分集集中中液液膜膜中中，液液膜膜阻阻力力控控制制着着整整个个吸吸收收过过程程的的速速率率；传传质质总总推推动动力力的的绝绝大大部部分分集集中中在在液液膜膜中中；吸吸收收总总推推动动力力的的绝绝
49、大大部部分分用用于于克克服服液液膜膜阻阻力力，这种情况称为液膜控制。这种情况称为液膜控制。本讲稿第五十四页，共七十四页9.6 9.6 吸收塔的计算吸收塔的计算单元设备的计算，按给定条件、任务和要求的不同，单元设备的计算，按给定条件、任务和要求的不同，一般可分为设计型计算和操作型（校核型）计算两大类。一般可分为设计型计算和操作型（校核型）计算两大类。设设计计型型计计算算：按按给给定定的的生生产产任任务务和和工工艺艺条条件件来来设设计计满满足足任任务务 要求的单元设备要求的单元设备。操操作作型型计计算算：根根据据已已知知的的设设备备参参数数和和工工艺艺条条件件来来求求算算所所能能完完成成的的任务任
50、务。两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同，只是具体的计算方法两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同，只是具体的计算方法和步骤有些不同而已。本章着重讨论吸收塔的设和步骤有些不同而已。本章着重讨论吸收塔的设计型计算。计型计算。吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件（已知待分离气体的处吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件（已知待分离气体的处理量与组成，以及要达到的分离要求），设计出能完成此分离任务所需理量与组成，以及要达到的分离要求），设计出能完成此分离任务所需的吸收塔。的吸收塔。本讲稿第五十五页，共七十四页9.6A 吸收操作的物料衡算吸收操作的物料衡算1、物料衡算、物料衡算 目