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1、第5章 吸收第1页，本讲稿共105页5.1 5.1 概概 述述 除采用除采用机械方法机械方法分离外，一般是根据混合物中不同组分间某种物分离外，一般是根据混合物中不同组分间某种物理或物理化学性质的差异，采用适当的方法和装置使之形成两相物系，理或物理化学性质的差异，采用适当的方法和装置使之形成两相物系，并使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，这样的过程属并使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，这样的过程属于于物质传递过程或称传质过程物质传递过程或称传质过程。物质在一相内部由一处向另一处的。物质在一相内部由一处向另一处的转移也是传质过程。前者称为转移也是传质过程。前者称为相间传质
2、或相际传质相间传质或相际传质，后者称为，后者称为相内传相内传质质。由于传质主要依靠物质的扩散，所以又称为。由于传质主要依靠物质的扩散，所以又称为扩散过程扩散过程。第2页，本讲稿共105页吸收的依据和用途吸收的依据和用途依据：依据：吸收是分离气体混合物的单元操作。根据气体混合物中各组分在吸收是分离气体混合物的单元操作。根据气体混合物中各组分在某种溶剂中某种溶剂中溶解度的不同溶解度的不同而进行分离。而进行分离。化工生产中将溶质从吸收后的溶液中分离出来，这种使溶质与吸收化工生产中将溶质从吸收后的溶液中分离出来，这种使溶质与吸收剂分离的操作称为剂分离的操作称为解吸或脱吸解吸或脱吸。解吸是吸收操作的逆过
3、程。通过。解吸是吸收操作的逆过程。通过解吸可使溶质气体得到回收，并使吸收剂得以再生循环使用。解吸可使溶质气体得到回收，并使吸收剂得以再生循环使用。主要用途：主要用途：(1)(1)回收混合气体中的有用组分：焦炉气回收混合气体中的有用组分：焦炉气中氨回收中氨回收(2)(2)用以制取产品：用以制取产品：NOx、SO3气体制酸气体制酸(3)(3)废气的治理废气的治理：工业废气：工业废气SO2、NOx的吸收的吸收(4)(4)原料气的净化：煤气中原料气的净化：煤气中H2S的脱除的脱除第3页，本讲稿共105页5.1.1 5.1.1 吸收操作的分类吸收操作的分类1.1.根据溶质与溶剂是否反应：物理吸收（如水吸
4、收二氧化碳）和化根据溶质与溶剂是否反应：物理吸收（如水吸收二氧化碳）和化学吸收（如碱液吸收二氧化碳）学吸收（如碱液吸收二氧化碳）2.2.根据热效应：非等温吸收和等温吸收根据热效应：非等温吸收和等温吸收3.3.根据被吸收溶质的数目：单组分吸收和多组分吸收根据被吸收溶质的数目：单组分吸收和多组分吸收4.4.根据操作压力：常压吸收和加压吸收根据操作压力：常压吸收和加压吸收5.5.根据溶质的浓度不同：低浓度吸收和高浓度吸收根据溶质的浓度不同：低浓度吸收和高浓度吸收 本章主要研究：常压、等温、填料塔中的单组分、低浓度物理吸本章主要研究：常压、等温、填料塔中的单组分、低浓度物理吸收过程。收过程。并假设溶剂
5、的蒸汽压很低，其挥发损失可以忽略。这样，气相可并假设溶剂的蒸汽压很低，其挥发损失可以忽略。这样，气相可看作由一个溶质组分与惰性气体组成，液相中只有溶质组分和溶质，都可看作由一个溶质组分与惰性气体组成，液相中只有溶质组分和溶质，都可看成看成双组分均相混合物双组分均相混合物。第4页，本讲稿共105页5.1.2 5.1.2 工业吸收过程（流程）工业吸收过程（流程）第5页，本讲稿共105页 常用的吸收操作是通过一种具有选择性的吸收剂将常用的吸收操作是通过一种具有选择性的吸收剂将气气体混合物中的溶质溶解体混合物中的溶质溶解，然后通过解吸操作使，然后通过解吸操作使溶质从溶质从吸收剂中脱吸出来吸收剂中脱吸出
6、来，实现气体混合物中各组分的分离。，实现气体混合物中各组分的分离。对吸收流程几点补充说明：对吸收流程几点补充说明：（1 1）气液流向。一般采用逆流，即液体向下气体向上，）气液流向。一般采用逆流，即液体向下气体向上，以使全塔平均推动力最大。以使全塔平均推动力最大。（2 2）多塔吸收。若用一个塔吸收所需的高度过大时，就）多塔吸收。若用一个塔吸收所需的高度过大时，就需要分成几个塔串联起来。需要分成几个塔串联起来。（3 3）加压吸收。当总压增加时，溶质气体的分压和）加压吸收。当总压增加时，溶质气体的分压和溶解度都随之增大，有利于吸收。溶解度都随之增大，有利于吸收。第6页，本讲稿共105页 关于脱吸关于
7、脱吸（1）当溶质不是蒸汽而是不凝性气体时，就不需要分层器，）当溶质不是蒸汽而是不凝性气体时，就不需要分层器，塔底宜用间接蒸汽加热，冷却塔底宜用间接蒸汽加热，冷却冷凝器可以小很多。冷凝器可以小很多。（2）若下一工序有需要，可用某种惰性气体将溶质带出。）若下一工序有需要，可用某种惰性气体将溶质带出。（3）加压吸收，脱吸只需将溶液减至常压。）加压吸收，脱吸只需将溶液减至常压。一般必须解决三个方面的问题：一般必须解决三个方面的问题：(1)选择合适的吸收剂。选择合适的吸收剂。(2)适当的气液传质设备，气液两相充分接触，使溶质从气适当的气液传质设备，气液两相充分接触，使溶质从气相转移至液相。相转移至液相。
8、(3)吸收剂的再生和循环使用。吸收剂的再生和循环使用。一个完整的吸收过程一般包括一个完整的吸收过程一般包括吸收吸收和和解吸解吸两个部分。两个部分。第7页，本讲稿共105页5.1.3 5.1.3 吸收剂的选择吸收剂的选择1、溶解度大：、溶解度大：溶质平衡分压低，过程推动力大，传质溶质平衡分压低，过程推动力大，传质速率快，所需设备尺寸小。速率快，所需设备尺寸小。2、选择性高：、选择性高：否则不能实现较为完全的分离。否则不能实现较为完全的分离。3、挥发性难：、挥发性难：减少吸收和再生过程中溶剂的挥发损失。减少吸收和再生过程中溶剂的挥发损失。4、黏度小：、黏度小：吸收过程不易产生泡沫，必要时可加入少量
9、消吸收过程不易产生泡沫，必要时可加入少量消泡剂。泡剂。5、再生性易、再生性易6、稳定性好、稳定性好等进行考虑；此外，还有来源易得、价格便宜、等进行考虑；此外，还有来源易得、价格便宜、无毒性、不易燃烧等也要进行权衡。无毒性、不易燃烧等也要进行权衡。第8页，本讲稿共105页板式塔：在板式塔内，气流与液流依次在各层塔板上接触、传质，板式塔：在板式塔内，气流与液流依次在各层塔板上接触、传质，其浓度沿着塔高呈阶跃式变化。故称逐级接触式，内装塔板，气其浓度沿着塔高呈阶跃式变化。故称逐级接触式，内装塔板，气液传质在板上液层空间内进行。液传质在板上液层空间内进行。板式塔板式塔溶剂溶剂气体气体5.2 5.2 吸
10、收设备吸收设备5.2.1 5.2.1 填料塔和板式塔填料塔和板式塔第9页，本讲稿共105页填料塔：在塔内气液两相沿着塔高连续地接触、传质，故两相的浓填料塔：在塔内气液两相沿着塔高连续地接触、传质，故两相的浓度沿塔高连续变化，称为连续接触式。内装填料（作用除增大气液度沿塔高连续变化，称为连续接触式。内装填料（作用除增大气液接触的面积外，还使气流增强湍动，从而提供良好的传质条件），接触的面积外，还使气流增强湍动，从而提供良好的传质条件），气液传质在填料润湿表面进行。气液传质在填料润湿表面进行。溶剂溶剂填料塔填料塔气体气体第10页，本讲稿共105页5.2.2 5.2.2 填料特性与常用填料填料特性与
11、常用填料 填料应使气、液接触面大、传质系数高，通量大，阻力小。故填料填料应使气、液接触面大、传质系数高，通量大，阻力小。故填料层的比表面大，空隙率高，表面润湿性能好，结构上有利于两相密切层的比表面大，空隙率高，表面润湿性能好，结构上有利于两相密切接触，促进湍流。接触，促进湍流。（一）填料特性（一）填料特性 1.比表面积比表面积 a 单位体积填料层所具有的表面积单位体积填料层所具有的表面积(m2/m3)。被液体润湿的填料。被液体润湿的填料表面就是气液两相的接触面。大的表面就是气液两相的接触面。大的 a 和良好的润湿性能有利于传和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。对同种填料，填料尺寸越小，质速率
12、的提高。对同种填料，填料尺寸越小，a 越大，但气体越大，但气体流动的阻力也要增加。流动的阻力也要增加。2.空隙率空隙率 单位体积填料所具有的空隙体积单位体积填料所具有的空隙体积(m3/m3)。代表的是气液两相流。代表的是气液两相流动的通道，动的通道，大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。=0.450.95。第11页，本讲稿共105页（二）常用填料（二）常用填料 常常用用的的填填料料可可分分为为散散装装填填料料和和规规整整填填料料两两大大类类。散散装装填填料料在塔内可乱堆，也可以整砌。在塔内可乱堆，也可以整砌。常用的几种填料常用的几种填料第12页，本
13、讲稿共105页规整填料：规整填料：一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。使使用用时时根根据据填填料料塔塔的的结结构构尺尺寸寸，叠叠成成圆圆筒筒形形整整块块放放入入塔塔内内或或分分块拼成圆筒形在塔内砌装。块拼成圆筒形在塔内砌装。优优点点：空空隙隙大大，生生产产能能力力大大，压压降降小小。流流道道规规则则，只只要要液液体体初初始始分分布布均均匀匀，则则在在全全塔塔中中分分布布也也均均匀匀，因因此此规规整整填填料料几几乎乎无无放放大大效应，通常具有很高的传质效率。效应，通常具有很高的传质效率。缺缺点点：造造价价较较高高，易易堵堵塞塞难难清清洗洗，因因此此工工
14、业业上上一一般般用用于于较较难难分分离或分离要求很高的情况。离或分离要求很高的情况。第13页，本讲稿共105页Corrugated MetalPlates Packings 6400金属板波纹金属板波纹规整填料规整填料 300脉冲规整填料脉冲规整填料各种陶瓷规整填料各种陶瓷规整填料第14页，本讲稿共105页5.3 5.3 气液相平衡气液相平衡（1 1）平衡溶解度的概念）平衡溶解度的概念5.3.1 气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度 在恒定温度与压强下，气体与吸收剂接触，达到平在恒定温度与压强下，气体与吸收剂接触，达到平衡状态时气体在吸收剂中的饱和浓度（衡状态时气体在吸收剂中的饱和浓度（最
15、大浓度最大浓度 ）称）称为平衡溶解度（简称为平衡溶解度（简称溶解度溶解度）常以常以 kmol.m-3表示。表示。由由实验测定。此时在任何瞬间进入液相的溶质数量与从液相实验测定。此时在任何瞬间进入液相的溶质数量与从液相中逸出的溶质数量恰好相等，称为中逸出的溶质数量恰好相等，称为相际动平衡相际动平衡，简称，简称相平相平衡。衡。气液相平衡时，推动力气液相平衡时，推动力 0，cA cA*表示方法表示方法 单位质量或体积的液体中所含溶质的质量单位质量或体积的液体中所含溶质的质量第15页，本讲稿共105页（2 2）相律在吸收中的应用）相律在吸收中的应用T,p一定一定或或单组分物理吸收，变量：单组分物理吸收
16、，变量：p p、T T、p pA A、c cA A 三个组分：溶质三个组分：溶质A A、溶剂、溶剂S S、惰性气体、惰性气体B B两个相：气相、液相两个相：气相、液相自由度数：自由度数：F F=C C-+2=3-2+2=3+2=3-2+2=3（3 3个是自变量，另一个是自变量，另一个是它们的函数）个是它们的函数）吸收平衡时，各变量之间的关系可表示如下：吸收平衡时，各变量之间的关系可表示如下：第16页，本讲稿共105页（3 3）溶解度曲线）溶解度曲线:气液两相间组成关系的曲线。气液两相间组成关系的曲线。在在一一定定温温度度、压压力力下下，平平衡衡时时溶溶质质在在气气相相和和液液相相中中的的浓浓度
17、度的关系曲线。的关系曲线。T=293KNH3SO2CO2O2气体气体O2CO2SO2NH3n3210 T、pA相同时，不同气体相同时，不同气体溶解度区别很大：溶解度区别很大：难溶气体：难溶气体：O2、CO2 易溶气体：易溶气体：NH3 中等溶解度：中等溶解度：SO2在在低浓度低浓度范围内，可将溶范围内，可将溶解度曲线看作直线：即气液解度曲线看作直线：即气液两相的浓度成正比，这一关两相的浓度成正比，这一关系称为亨利定律。系称为亨利定律。第17页，本讲稿共105页 图中每一根线，分别给出在一定温度和总压下，单组分溶质的气图中每一根线，分别给出在一定温度和总压下，单组分溶质的气相组成与液相组成的相平
18、衡关系，只是两者表示方式不同，这些线统相组成与液相组成的相平衡关系，只是两者表示方式不同，这些线统称为称为平衡线平衡线。线上的点称为。线上的点称为状态点状态点，代表某种一定的气相和液相组，代表某种一定的气相和液相组成在相应的温度和压力下构成的体系。线上点说明体系达到平衡。成在相应的温度和压力下构成的体系。线上点说明体系达到平衡。第18页，本讲稿共105页(4)(4)影响平衡关系的主要因素影响平衡关系的主要因素吸收剂的性质、温度、压力影响气体的溶解度。吸收剂的性质、温度、压力影响气体的溶解度。第19页，本讲稿共105页规律规律不同气体在同一溶剂中溶解度不同，而且有显著差别不同气体在同一溶剂中溶解
19、度不同，而且有显著差别吸收剂对溶质的溶解度有极大的影响。吸收剂对溶质的溶解度有极大的影响。同样浓度的溶液，易溶气体在溶液上方的气相平衡分压低，同样浓度的溶液，易溶气体在溶液上方的气相平衡分压低，难溶气体在溶液上方的气相平衡分压高，即得到一定浓度难溶气体在溶液上方的气相平衡分压高，即得到一定浓度的溶液，易溶气体所需分压低。的溶液，易溶气体所需分压低。温度升高，溶解度减小温度升高，溶解度减小压强升高，溶解度增大压强升高，溶解度增大第20页，本讲稿共105页结论：结论：对一定的物系，对一定的物系，加压和降温对吸收有利；加压和降温对吸收有利；减压和升温对减压和升温对脱吸有利。脱吸有利。注意：注意：在选
20、择吸收剂和决定操作条件时，需要从工艺要求和综合的经济在选择吸收剂和决定操作条件时，需要从工艺要求和综合的经济核算来考虑，对于吸收、解吸联合操作系统，还需考虑到吸收剂的再生核算来考虑，对于吸收、解吸联合操作系统，还需考虑到吸收剂的再生问题。问题。第21页，本讲稿共105页5.3.2 亨利定律（亨利定律（Henry law）适用稀溶液适用稀溶液 描述当总压不高（描述当总压不高（P500kPa），温度恒定，稀溶液上），温度恒定，稀溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度之间的关系，方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度之间的关系，亨利定律是气液相平衡关系的一个亨利定律是气液相平衡关系的一
21、个特例特例。或或1.pAx关系关系1）E的影响因素：溶质、溶剂、温度的影响因素：溶质、溶剂、温度 物系一定，物系一定，2）E大大,溶解度小溶解度小,难溶气体难溶气体;E小小,溶解度大溶解度大,易溶气体易溶气体E亨利常数，单位同压强单位，亨利常数，单位同压强单位，kPa。第22页，本讲稿共105页2.yx关系关系(气、液两相组成用摩尔分数表示）气、液两相组成用摩尔分数表示）或或m相平衡常数，无因次。相平衡常数，无因次。m的讨论：的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体大，溶解度小，难溶气体;反之亦然。反之亦然。2）第23页，本讲稿共105页3.pAcA关系关系(气相组成用分压、液相组成用物质的量浓度
22、表气相组成用分压、液相组成用物质的量浓度表示）示）或或H溶解度系数，溶解度系数，kmol/（m3kPa），在一定温度下溶质气在一定温度下溶质气体分压为体分压为1kPa时液相的平衡物质的量浓度。时液相的平衡物质的量浓度。H的讨论：的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体大，溶解度大，易溶气体 2）P对对H影响小，影响小，H与与E的关系：的关系：稀溶液稀溶液：第24页，本讲稿共105页4.YX关系（气液相组成均用摩尔比表示）关系（气液相组成均用摩尔比表示）摩尔比表示相平衡关系（摩尔比表示相平衡关系（摩尔比的含义？摩尔比的含义？）若若 m=1或稀溶液，或稀溶液，X很小，则很小，则第25页，本讲稿共105
23、页【例1】某系统温度为某系统温度为10，总压，总压101.3kPa，试求此条，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？多少克氧气？解解:=101.30.21=21.27kPa 查得查得10时，氧气在水中的亨利系数时，氧气在水中的亨利系数E为为 3.31106kPa。第26页，本讲稿共105页3.5710-4kmol/m3W=3.5710-4321000=11.42g/m3第27页，本讲稿共105页5.3.3 相平衡在吸收过程中的应用相平衡在吸收过程中的应用根据实际组成与平衡组成的关系判断根据实际组成与平衡组成的关系判断(一
24、一)传质方向的判断传质方向的判断 y*=mx x*=y/m 若若 y y*，吸收过程，吸收过程 若若 x x*，解吸过程，解吸过程 （即：（即：PAPA*）（即：（即：CACA*）y=y*，平衡过程，平衡过程 x=x*，平衡过程，平衡过程 y y*，解吸过程，解吸过程 x p(co2),故进行的是脱吸。以分压差表示的故进行的是脱吸。以分压差表示的总推动力为总推动力为 p*(co2)-p(co2)=77.3-60=17.3kPa若要改变传质方向（即变脱吸为吸收），可以采取的措施是：若要改变传质方向（即变脱吸为吸收），可以采取的措施是：提高操作压力，提高提高操作压力，提高p(co2)；降低操作温度
25、，降低；降低操作温度，降低p*(co2)。第32页，本讲稿共105页5.4 5.4 传质机理与传质速率传质机理与传质速率5.4.1 分子扩散和费克定律分子扩散和费克定律分子扩散现象：分子扩散现象：分为三个步骤：气相内的传递，相间传递，液相内的传递。分为三个步骤：气相内的传递，相间传递，液相内的传递。第33页，本讲稿共105页分子扩散：分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在静止或滞流流体内部，若某一组分存 在在浓度差浓度差，则因分子无规则的热运动使，则因分子无规则的热运动使 该组分自发由该组分自发由浓度较高浓度较高处处传递传递至至浓度较低浓度较低 处，这种现象称为分子扩散。如果有流体处，
26、这种现象称为分子扩散。如果有流体 质点的不规则的运动即湍动来进行的扩散质点的不规则的运动即湍动来进行的扩散 称为称为湍流扩散或涡流扩散湍流扩散或涡流扩散。两者扩散的总。两者扩散的总 和称为和称为对流扩散或对流传质对流扩散或对流传质。扩散通量（或扩散速率）：扩散通量（或扩散速率）：单位时间内通过垂直于扩单位时间内通过垂直于扩 散方向的单位截面积扩散的物质量，散方向的单位截面积扩散的物质量，J表表 示，示，kmol/(m2s)。第34页，本讲稿共105页费克定律：费克定律：温度、总压一定，组分温度、总压一定，组分A在扩散方向上任在扩散方向上任 一点处的扩散通量与该处一点处的扩散通量与该处A的浓度梯
27、度成的浓度梯度成 正比。正比。组分组分A在扩散方向在扩散方向z上的浓度梯度上的浓度梯度kmol/m4；负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿 着浓度降低的方向进行着浓度降低的方向进行 。DAB组分组分A在在B组分中的扩散系数，组分中的扩散系数，m2/s。第35页，本讲稿共105页理想气体：理想气体：温度、总压恒定则总浓度恒定，温度、总压恒定则总浓度恒定，气体费克定律可表示为气体费克定律可表示为：=B组分：组分：由于系统总浓度不变，故产生物质由于系统总浓度不变，故产生物质A的扩散流的扩散流JA 的同时必然伴有方向相反、大小相等的物质的同时必然伴有
28、方向相反、大小相等的物质B的的 扩散流扩散流JB，由菲克定律知：，由菲克定律知：或或则则 JA=JB ，DAB=DBA=D 第36页，本讲稿共105页5.4.1.1 5.4.1.1 等物质的量相互扩散等物质的量相互扩散图图5-10 等物质的量相互扩散等物质的量相互扩散两容器中充有浓度不同两容器中充有浓度不同的的A、B混合气体混合气体(1)(1)等摩尔反向扩散：等摩尔反向扩散：在两容器的温度和总压相同，连通管内任一截在两容器的温度和总压相同，连通管内任一截面上单位时间、单位面积上向右传递的面上单位时间、单位面积上向右传递的A的摩尔数与向左传递的的摩尔数与向左传递的B的摩尔的摩尔数必定相等，这种情
29、况称为定常的等摩尔反向扩散。特点数必定相等，这种情况称为定常的等摩尔反向扩散。特点任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。JA=JBDAB=DBA=D 第37页，本讲稿共105页（2）等摩尔反向扩散传质速率方程：）等摩尔反向扩散传质速率方程：传质速率定义：传质速率定义：任一固定的空间位置上，任一固定的空间位置上，单位时间内通过单单位时间内通过单位面积的物质量，记作位面积的物质量，记作N,kmol/(m2 s)。等摩尔反向扩散中等摩尔反向扩散中物质物质A A的传质速率的传质速率NA等于分子扩散通量等于分子扩散通量J JA A。液相液相NA=
30、气相气相NA=对组分对组分B也有同样的结果。也有同样的结果。第38页，本讲稿共105页5.4.1.2 5.4.1.2 单向扩散单向扩散（A通过，通过，B不通过）不通过）（1）吸收中的单向扩散）吸收中的单向扩散12JAJBNMcA/cNMcB/c总体流总体流动动NM（2）总体流动：）总体流动：因溶质扩散到界面因溶质扩散到界面溶解于溶剂中，造溶解于溶剂中，造 成界面与主体的微成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流动。小压差，使得混合物向界面处的流动。总体流动的特点：总体流动的特点：1）因分子本身扩散引起的宏观流动。）因分子本身扩散引起的宏观流动。2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比
31、于摩尔在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔 分率。分率。第39页，本讲稿共105页单向扩散与等物质的量相互扩散的区别：单向扩散与等物质的量相互扩散的区别：分子对称面随总体流动向相界面推进，而不是空间的固定分子对称面随总体流动向相界面推进，而不是空间的固定面，故通过任一固定截面的传质速率应同时考虑分子扩散和摩尔面，故通过任一固定截面的传质速率应同时考虑分子扩散和摩尔扩散的总效应。扩散的总效应。（3）单向扩散传质速率方程）单向扩散传质速率方程液相液相气相气相第40页，本讲稿共105页（4）漂流因子）漂流因子漂流因子意义：漂流因子意义：其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其大小反映了总体流
32、动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。漂流因子的影响因素：漂流因子的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。，总体流动的影响小。第41页，本讲稿共105页5.4.2 扩散系数扩散系数扩散系数的意义：扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常 数之一；数之一；D，m2/s。D的
33、影响因素：的影响因素：T、P、浓度、浓度、扩散体系的性质扩散体系的性质D的来源：的来源：查手册；半经验公式估算；实验测定查手册；半经验公式估算；实验测定 在用经验关联式估其物性数值时，明确关联式在用经验关联式估其物性数值时，明确关联式的适用范围，了解物性的影响因素及校正关系是重的适用范围，了解物性的影响因素及校正关系是重要的。要的。第42页，本讲稿共105页5.4.3 吸收传质的机理和速率吸收传质的机理和速率吸收传质步骤：吸收传质步骤：(1)溶质由气相主体传递到气液溶质由气相主体传递到气液 界面，即气相内的物质传递；界面，即气相内的物质传递；(2)溶质在相界面上的溶解，溶质溶质在相界面上的溶解
34、，溶质 由气相进人液相；由气相进人液相；(3)溶质由液相侧界面向液相主体溶质由液相侧界面向液相主体 的传递，即液相内的物质传的传递，即液相内的物质传气液两相间传质示意图气液两相间传质示意图 脱吸传质过程类似，只是溶质由液脱吸传质过程类似，只是溶质由液相主体传递到气相主体。相主体传递到气相主体。第43页，本讲稿共105页5.4.3.1 5.4.3.1 传质理论传质理论双膜理论的三个基本要点：双膜理论的三个基本要点：(1)气液两相存在气液两相存在稳定的相界面稳定的相界面，界面两侧存在稳定的界面两侧存在稳定的气膜和液气膜和液膜膜。溶质以。溶质以分子扩散分子扩散 散散方式方式通过膜层通过膜层；(2)传
35、传质质阻阻力力集集中中在在两两层层膜膜中中，在在膜膜以以外外的的气气液液两两相相主主体体，流流体充分湍动，物质浓度均匀体充分湍动，物质浓度均匀；(3)相相界界面面处处pi、ci符符合合相相平平衡衡关关系，即相界面的传质阻力为零。系，即相界面的传质阻力为零。气液相界面两侧的浓度分布气液相界面两侧的浓度分布（双膜模型）（双膜模型）（一）双膜理论（一）双膜理论第44页，本讲稿共105页双膜理论的几点讨论双膜理论的几点讨论:1.1.该该理理论论提提出出的的双双阻阻力力概概念念，即即认认为为传传质质阻阻力力集集中中在在相相接接触触的的两两流流体体相相中中，而而界界面面阻阻力力可可忽忽略略不不计计的的概概
36、念念，在在传传质质过过程程的的计计算算中中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据。得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据。2.2.由由此此理理论论所所得得的的传传质质系系数数计计算算式式形形式式简简单单，但但等等效效膜膜层层厚厚度度 G G 和和 L L以及界面浓度以及界面浓度 p pi i 和和 c ci i 都难以确定；都难以确定；3.3.双双膜膜理理论论存存在在着着很很大大的的局局限限性性，例例如如对对具具有有自自由由相相界界面面或或高高度度湍湍动动的的两两流流体体间间的的传传质质体体系系，相相界界面面是是不不稳稳定定的的，因因此此界界面面两两侧侧存存在在稳稳定定的的等等效效
37、膜膜层层以以及及物物质质以以分分子子扩扩散散方式通过此两膜层的假设都难以成立方式通过此两膜层的假设都难以成立.第45页，本讲稿共105页5.4.3.2 5.4.3.2 传质与传热的比较传质与传热的比较传传 质质传传 热热传递对象传递对象质质 量量热热 量量过程极限过程极限相平衡相平衡(两相组成不等两相组成不等)热平衡热平衡(温度相等温度相等)推动力推动力浓浓度度差差(不不直直接接是是两两相相主体组成之差主体组成之差)两流体温度差两流体温度差界界 面面两两流流体体不不能能有有不不透透过过的的间壁，气液界面不固定间壁，气液界面不固定间间壁壁传传热热，传传热热界界面是固定的面是固定的传递过程传递过程
38、流体主体流体主体对流对流有效膜层有效膜层扩散扩散流体主体流体主体对流对流有效膜层有效膜层热传导热传导第46页，本讲稿共105页5.4.3.3 5.4.3.3 相内对流传质速率方程相内对流传质速率方程液相液相气相气相气相传质气相传质推动力推动力稳态下：稳态下：液相传质液相传质推动力推动力kG 气相传质系数（给质系数），气相传质系数（给质系数），kmol/(s m2 kPa)；kL 液相传质系数（给质系数），液相传质系数（给质系数），m/s；第47页，本讲稿共105页气相传质速率方程常用的其他表达形式有：气相传质速率方程常用的其他表达形式有：ky 推动力为摩尔分率之差的气相传质系数，推动力为摩尔分
39、率之差的气相传质系数，kmol/(s m2)；kY 推动力为摩尔比浓度差的气相传质系数，推动力为摩尔比浓度差的气相传质系数，kmol/(s m2)；pG、y、Y 溶质溶质A在气相主体的分压在气相主体的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比；、摩尔分率和摩尔比；Pi、yi、Yi 溶质溶质A在界面气相侧的分压在界面气相侧的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比。、摩尔分率和摩尔比。液相传质速率方程常用的其他表达形式有：液相传质速率方程常用的其他表达形式有：kx 推动力为摩尔分率之差的液相传质系数，推动力为摩尔分率之差的液相传质系数，kmol/(s m2)；kX 推动力为摩尔比之差的液相传质系数，推动力为摩尔比
40、之差的液相传质系数，kmol/(s m2)；cL、x、X 溶质溶质A在液相主体的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比；在液相主体的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比；ci、xi、Xi 溶质溶质A在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比。在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比。第48页，本讲稿共105页5.4.3.4 5.4.3.4 相际对流传质相际对流传质 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程（1）以）以pG-pL*为推动力表示的总传质速率方程为推动力表示的总传质速率方程以分压差表示推动力以分压差表示推动力的气相总传质系数，的气相总传质系数，kmol/（m2sPa）液膜
41、中的液膜中的传质阻力传质阻力气膜中的气膜中的传质阻力传质阻力以分压差表示的气以分压差表示的气液两相总推动力液两相总推动力第49页，本讲稿共105页（2）以）以cG*-cL 为推动力表示的总传质速率方程为推动力表示的总传质速率方程以浓度差表示的气以浓度差表示的气液两相总推动力液两相总推动力以浓度差表示推动力以浓度差表示推动力的液相总传质系数，的液相总传质系数，kmol/（m2sPa）气膜中的气膜中的传质阻力传质阻力液膜中的液膜中的传质阻力传质阻力第50页，本讲稿共105页掌握：上式适用条件（稀溶液、双膜理论的掌握：上式适用条件（稀溶液、双膜理论的3个要点）个要点）第51页，本讲稿共105页（3）
42、以摩尔分率表示气、液组成的总传质速率方程）以摩尔分率表示气、液组成的总传质速率方程 y*与与液相组成液相组成x呈平衡的气相组成，摩尔分率；呈平衡的气相组成，摩尔分率；x*与气与气相组成相组成y呈平衡的液相组成，摩尔分率；呈平衡的液相组成，摩尔分率；Ky、Kx气相、液相总传质系数气相、液相总传质系数,kmol/(m2.s)。同理同理第52页，本讲稿共105页（5-42）（5-44）（5-46）第53页，本讲稿共105页（4）以摩尔比表示气、液组成的总传质速率方程）以摩尔比表示气、液组成的总传质速率方程第54页，本讲稿共105页5.4.3.5 5.4.3.5 传质速率方程的几种表达形式传质速率方程
43、的几种表达形式（一）（一）相内传质速率方程相内传质速率方程1.气相传质速率方程气相传质速率方程气相传质速率方程常用的表达形式有三种：气相传质速率方程常用的表达形式有三种：kg 推动力为分压差的气相传质系数，推动力为分压差的气相传质系数，kmol/(s m2 kPa)；ky 推动力为摩尔分率之差的气相传质系数，推动力为摩尔分率之差的气相传质系数，kmol/(s m2)；kY 推动力为摩尔比浓度差的气相传质系数，推动力为摩尔比浓度差的气相传质系数，kmol/(s m2)；pG、y、Y 溶质溶质A在气相主体的分压在气相主体的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比；、摩尔分率和摩尔比；pi、yi、Yi 溶质
44、溶质A在界面气相侧的分压在界面气相侧的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比。、摩尔分率和摩尔比。第55页，本讲稿共105页2.液相传质速率方程液相传质速率方程液相传质速率方程常用的表达形式也有三种：液相传质速率方程常用的表达形式也有三种：kc 推动力为摩尔浓度差的液相传质系数，推动力为摩尔浓度差的液相传质系数，m/s；kx 推动力为摩尔分率之差的液相传质系数，推动力为摩尔分率之差的液相传质系数，kmol/(s m2)；kX 推动力为摩尔比之差的液相传质系数，推动力为摩尔比之差的液相传质系数，kmol/(s m2)；cL、x、X 溶质溶质A在液相主体的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比；在液相主体的摩尔浓度
45、、摩尔分率和摩尔比；ci、xi、Xi 溶质溶质A在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比第56页，本讲稿共105页（二）（二）相际传质速率方程相际传质速率方程（总传质速率方程）（总传质速率方程）1.气相总传质速率方程气相总传质速率方程相相平平衡衡关关系系为为直直线线,气气相相总总传传质质速速率率方方程程常常用用的的表表达达形形式式有有三三种：种：KG 推动力为分压差的气相总传质系数，推动力为分压差的气相总传质系数，kmol/(s m2 kPa)；Ky 推动力为摩尔分率之差的气相总传质系数，推动力为摩尔分率之差的气相总传质系数，kmol/(s m2)；KY
46、 推动力为摩尔比浓度差的气相总传质系数，推动力为摩尔比浓度差的气相总传质系数，kmol/(s m2)；p、y、Y 溶质溶质A在气相主体的分压在气相主体的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比；、摩尔分率和摩尔比；p*、y*、Y*与液相对应的气相平衡浓度与液相对应的气相平衡浓度 第57页，本讲稿共105页2.液相总传质速率方程液相总传质速率方程相相平平衡衡关关系系为为直直线线,液液相相总总传传质质速速率率方方程程常常用用的的表表达达形形式式也也有三种：有三种：Kc 推动力为摩尔浓度差的液相总传质系数，推动力为摩尔浓度差的液相总传质系数，m/s；Kx 推动力为摩尔分率之差的液相总传质系数，推动力为摩尔分
47、率之差的液相总传质系数，kmol/(s m2)；KX 推动力为摩尔比之差的液相总传质系数，推动力为摩尔比之差的液相总传质系数，kmol/(s m2)；c、x、X 溶质溶质A在液相主体的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度；在液相主体的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度；C*、x*、X*与气相对应的液相平衡浓度与气相对应的液相平衡浓度 第58页，本讲稿共105页（三）（三）传质速率方程的基本形式传质速率方程的基本形式式中式中 传质推动力传质推动力(以浓度差表示以浓度差表示)，其表达式，其表达式 随组成表示方式而变；随组成表示方式而变；R传质阻力，传质阻力，(相内或总传质阻力相内或总传质阻力)；K（k）相际
48、（相内）传质系数，）相际（相内）传质系数，R与与K（k）的表达式均应与传质推动力的表达式相对应）的表达式均应与传质推动力的表达式相对应第59页，本讲稿共105页传质速率方程的应用说明：传质速率方程的应用说明：1)对于定常的相际传质过程，使用任何一个传质速率对于定常的相际传质过程，使用任何一个传质速率 方程式描述都是等价的，以使用方便为准；方程式描述都是等价的，以使用方便为准；2)要特别注意传质系数与推动力之间的匹配关系，要特别注意传质系数与推动力之间的匹配关系，传质系数的单位可统一写为：传质系数的单位可统一写为：kmolkmol/(m2.s推动力推动力;3)各种传质系数之间的关系可以相互导出各
49、种传质系数之间的关系可以相互导出如：如：第60页，本讲稿共105页5.4.3.6 5.4.3.6 传质阻力分析（气膜控制与液膜控制）传质阻力分析（气膜控制与液膜控制）1.气膜控制气膜控制：对于易溶气体对于易溶气体,m很小很小,1/kym/kx，则，则 Ky=ky，吸收阻力主要集中在气膜中吸收阻力主要集中在气膜中气膜控制吸收气膜控制吸收。例如例如:用水吸收氨，氯化氢气体。用水吸收氨，氯化氢气体。2.液膜控制：液膜控制：对于难溶气体对于难溶气体,m很大很大,1/mky1/kx，则，则 Kx=kx，吸收阻力主要集中在液膜中，吸收阻力主要集中在液膜中液膜控制吸收液膜控制吸收。例如例如:用水吸收氧气用水
50、吸收氧气,二氧化碳等。二氧化碳等。3.双膜控制：双膜控制：中等溶解度气体，如水吸收中等溶解度气体，如水吸收SO2等。等。第61页，本讲稿共105页5.4.4 相界面浓度的求取相界面浓度的求取 若若气液平衡线为曲线，气液平衡线为曲线，则前面有关总传质系数的计算公式则前面有关总传质系数的计算公式不再适用，一般情况下只能通过相内传质速率方程计算不再适用，一般情况下只能通过相内传质速率方程计算NA。0EPQI相平衡线相平衡线气液相界面组成的图解气液相界面组成的图解pi=f(ci)稳态下：稳态下：第62页，本讲稿共105页已知：处理气量及初、终浓度、相平衡已知：处理气量及初、终浓度、相平衡 关系关系求：