化工原理-氣體吸收

強(qiáng)不息 知行合一 1、掌握的內(nèi)容 相組成的表示法及換算；氣體在液體中溶解度 ， 亨利定律各種表達(dá)式及相互間的關(guān)系；相平衡的應(yīng)用；分子擴(kuò)散 、 菲克定律及其在等分子反向擴(kuò)散和單向擴(kuò)散的應(yīng)用；對(duì)流傳質(zhì)概念；雙膜理論要點(diǎn)；吸收的物料衡算 、 操作線方程及圖示方法；最小液氣比概念及吸收劑用量的確定；填料層高度的計(jì)算 ， 傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的定義 、 物理意義 ， 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 （ 平推動(dòng)力法和吸收因數(shù)法 ） ；吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算 。 2、熟悉的內(nèi)容 各種形式的傳質(zhì)速率方程 、 傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)推動(dòng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系；各種傳質(zhì)系數(shù)間的關(guān)系；氣膜控制與液膜控制；吸收劑的選擇；吸收塔的操作型分析；解吸的特點(diǎn)及計(jì)算 。 3、了解的內(nèi)容 分子擴(kuò)散系數(shù)及影響因素；塔高計(jì)算基本方程的推導(dǎo) 。 本章學(xué)習(xí)要點(diǎn) ：利用物系中不同組分的物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)的差異來造成一個(gè)兩相物系，使其中某一組分或某些組分從一相轉(zhuǎn)移到另一相，達(dá)到分離的目的，這一過程稱為傳質(zhì)分離過程。以傳質(zhì)分離過程為特征的單元操作如下表。 工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程 氣體吸收 利用不同的氣體組分在液體溶劑中溶解度的差異，對(duì)其進(jìn)行選擇性溶解，從而將氣體混合物各組分分離的傳質(zhì)過程稱為吸收。 如用水作溶劑來吸收混合在空氣中的氨，它是利用氨和空氣在水中溶解度的差異，進(jìn)行分離。 液體精餾 對(duì)于液體混合物，通過改變狀態(tài)，如加熱氣化，使混合物造成兩相，它是利用不同組分揮發(fā)性的差異，進(jìn)行分離。 固體干燥 對(duì)含一定濕分（水或其它溶劑）的固體提供一定的熱量，使溶劑汽化，利用濕分壓差，使?jié)穹謴墓腆w表面或內(nèi)部轉(zhuǎn)移到氣相，從而使含濕固體物料得以干燥。 液 向液體混合物中加入某種溶劑，利用液體中各組分在溶劑中溶解度的差異分離液體混合物，在其分離過程中，溶質(zhì)由一液相轉(zhuǎn)移到另一液相。 結(jié)晶 對(duì)混合物（蒸汽、溶液或熔融物）采用降溫或濃縮的方法使其達(dá)到過飽和狀態(tài)，析出溶質(zhì)，得到固體產(chǎn)品。 吸附 利用多孔固體顆粒選擇性地吸附混合物（液體或氣體）中一個(gè)組分或幾個(gè)組分，從而使混合物得以分離。其逆過程為脫附過程。 膜分離 利用固體膜對(duì)混合物中各組分的選擇性滲透從而分離各個(gè)組分。 自強(qiáng)不息 知行合一 體吸收是混合氣體中某些組分在氣液相界面上溶解、在氣相和液相內(nèi)由 濃度差 推動(dòng)的 傳質(zhì)過程 。 吸收劑 氣體 y x 界面 氣相主體 液相主體 相界面 氣相擴(kuò)散 液相擴(kuò)散 （ 1）吸收的定義： 利用混合氣體中各組分在液體中 溶解度的差異 而分離氣體混合物的單元操作稱為 吸收 。吸收操作時(shí)某些易溶組分進(jìn)入液相形成溶液，不溶或難溶組分仍留在氣相，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離。 自強(qiáng)不息 知行合一 2）吸收操作的用途 制取產(chǎn)品 用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產(chǎn)品。如硫酸吸收 吸收甲醛制福爾馬林液，用水吸收氯化氫制鹽酸等 。 分離混合氣體 吸收劑選擇性地吸收氣體中某些組分以達(dá)到分離目的。例如石油餾分裂解生產(chǎn)出來的乙烯、丙烯，還與氫、甲烷等混在一起，可用分子量較大的液態(tài)烴把乙烯、丙烯吸收，使與甲烷、氫分離開來 。 氣體凈化 一類是原料氣的凈化，即除去混合氣體中的雜質(zhì)，如合成氨原料氣脫 脫 一類是尾氣處理和廢氣凈化以保護(hù)環(huán)境，如燃煤鍋爐煙氣，冶煉廢氣等脫除 硝酸尾氣脫除 自強(qiáng)不息 知行合一 吸收質(zhì)或溶質(zhì) ( 混合氣體中，能夠顯著溶解的組分稱為溶質(zhì)或吸收質(zhì)； 以 惰性氣體 (載體：不溶或難溶組分，以 吸收劑 (吸收操作中所用的溶劑，以 吸收液 (吸收操作后得到的溶液，主要成分為溶劑 。 吸收尾氣 (吸收后排出的氣體，主要成分為惰性氣體 。 吸收過程在 吸收塔 中進(jìn)行，逆流操作吸收塔示意圖如右所示。 吸收塔 混合尾氣 (A+B) 吸收液 (A+S) 吸收劑 (S) 吸收尾氣 (A+B) （ 3）吸收的相關(guān)要素 自強(qiáng)不息 知行合一 強(qiáng)不息 知行合一 脫 苯 煤 氣焦 爐 煤 氣吸 收 部 分脫 吸 部 分直 接 蒸 汽粗 苯水貧 油富 油水1234567891 0圖 從焦?fàn)t煤氣中回收粗苯的流程示意 1吸收塔； 2吸收液貯槽； 3， 9泵； 4換熱器； 5脫吸塔； 6冷卻 7液體分層器； 8脫吸液貯槽 10冷卻器 （ 4）吸收劑的選用 吸收劑 性能往往是決定吸收效果的關(guān)鍵。在選擇吸收劑時(shí)，應(yīng)從以下幾方面考慮： （ 1）溶解度 溶質(zhì)在溶劑中的溶解度要大，即在一定的溫度和濃度下，溶質(zhì)的平衡分壓要低，這樣可以提高吸收速率并減小吸收劑的耗用量，氣體中溶質(zhì)的極限殘余濃度亦可降低。當(dāng)吸收劑與溶質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，溶解度可大大提高。但要使吸收劑循環(huán)使用，則化學(xué)反應(yīng)必須是可逆的。 （ 2） 選擇性 吸收劑對(duì)混合氣體中的溶質(zhì)要有良好的吸收能力，而對(duì)其它組分應(yīng)不吸收或吸收甚微，否則不能直接實(shí)現(xiàn)有效的分離。 （ 3） 溶解度對(duì)操作條件的敏感性 溶質(zhì)在吸收劑中的溶解度對(duì)操作條件（溫度、壓力）要敏感，即隨操作條件的變化溶解度要顯著的變化，這樣被吸收的氣體組分容易解吸，吸收劑再生方便。 乙醇胺水溶液吸收 （ 4） 揮發(fā)度 操作溫度下吸收劑的蒸氣壓要低，因?yàn)殡x開吸收設(shè)備的氣體往往被吸收劑所飽和，吸收劑的揮發(fā)度愈大，則在吸收和再生過程中吸收劑損失愈大。 （ 5） 粘性 吸收劑粘度要低，流體輸送功耗小。 （ 6） 化學(xué)穩(wěn)定性 吸收劑化學(xué)穩(wěn)定性好可避免因吸收過程中條件變化而引起吸收劑變質(zhì)。 （ 7） 腐蝕性 吸收劑腐蝕性應(yīng)盡可能小，以減少設(shè)備費(fèi)和維修費(fèi)。 （ 8） 其它 所選用吸收劑應(yīng)盡可能滿足價(jià)廉、易得、易再生、無毒、無害、不易燃燒、不易爆等要求。 對(duì)吸收劑作全面評(píng)價(jià)后做出經(jīng)濟(jì)、合理、恰當(dāng)?shù)倪x擇。 自強(qiáng)不息 知行合一 5）氣液兩相的接觸方式 連續(xù)接觸 (也稱微分接觸 )：氣 、 液兩相的濃度呈連續(xù)變化 。 如填料塔 。 級(jí)式接觸：氣 、 液兩相逐級(jí)接觸傳質(zhì) ， 兩相的組成呈階躍變化 。 如板式塔 。 散裝填料 塑料鮑爾環(huán)填料 規(guī)整填料 塑料絲網(wǎng)波紋填料 圖 填料塔和板式塔 自強(qiáng)不息 知行合一 1）物理吸收和化學(xué)吸收 物理吸收：在吸收過程中溶質(zhì)與溶劑不發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)，稱為物理吸收。 化學(xué)吸收：如果在吸收過程中，溶質(zhì)與溶劑發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)，則此吸收操作稱為化學(xué)吸收。 （ 2）單組分吸收與多組分吸收 單組分吸收：在吸收過程中，若混合氣體中只有一個(gè)組分被吸收，其余組分可認(rèn)為不溶于吸收劑，則稱之為單組分吸收； 多組分吸收：如果混合氣體中有兩個(gè)或多個(gè)組分進(jìn)入液相，則稱為多組分吸收。 收過程的分類 自強(qiáng)不息 知行合一 3）等溫吸收與非等溫吸收 等溫吸收：氣體溶于液體中時(shí)常伴隨熱效應(yīng)，若熱效應(yīng)很小，或被吸收的組分在氣相中的濃度很低，而吸收劑用量很大，液相的溫度變化不顯著，則可認(rèn)為是等溫吸收； 非等溫吸收：若吸收過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)熱很大，液相的溫度明顯變化，則該吸收過程為非等溫吸收過程。 （ 4）低濃度吸收與高濃度吸收 高濃度吸收：通常根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定當(dāng)混合氣中溶質(zhì)組分 被吸收的數(shù)量多時(shí)，稱為高濃度吸收； 低濃度吸收：如果溶質(zhì)在氣液兩相中摩爾分?jǐn)?shù)均小于 吸收稱為低濃度吸收。 低濃度吸收的特點(diǎn)： 1） 氣液兩相流經(jīng)吸收塔的流率為常 數(shù)； 2）低濃度的吸收可視為等溫吸收。 本章重點(diǎn)研究低濃度、單組分、等溫的物理吸收過程。 自強(qiáng)不息 知行合一 1） 質(zhì)量分率與摩爾分率 質(zhì)量分率 ：質(zhì)量分率是指在混合物中某組分的質(zhì)量占混合物總質(zhì)量的分率 。對(duì)于混合物中的 （ 9 式中 組分 混合物中組分 混合物總質(zhì)量 ， （ 9 A / 組成表示法 自強(qiáng)不息 知行合一 爾分率： 摩爾分率是指在混合物中某組分的摩爾數(shù) 占混合物總摩爾數(shù) 的分率 。對(duì)于混合物中的 氣相： （ 9 液相： （ 9 式中 、 分別為組分 液相或氣相中組分 液相或氣相的總摩爾數(shù) 。 （ 9 （ 9 質(zhì)量分率與摩爾分率的關(guān)系為： 式中 分別為組分 A、 /A /A w/w/M 、（ 9 知行合一 2） 質(zhì)量比與摩爾比 質(zhì)量比 是指混合物中某組分 （ 不參加傳質(zhì)的組分 ） 的質(zhì)量之比 ， 其定義式為 摩爾比 是指混合物中某組分 （ 不參加傳質(zhì)的組分 ） 的摩爾數(shù)之比 ， 其定義式為 式中 、 分別為組分 X（ 9 （ 9 （ 9 自強(qiáng)不息 知行合一 量分率與質(zhì)量比的關(guān)系為 摩爾分率與摩爾比的關(guān)系為 （ 9 1 1 9 （ 9 （ 9 （ 9 （ 9 自強(qiáng)不息 知行合一 3）質(zhì)量濃度與摩爾濃度 質(zhì)量濃度 定義為單位體積混合物中某組分的質(zhì)量 。 式中 組分 ； 混合物的體積 ， ； 混合物中組分 摩爾濃度 是指單位體積混合物中某組分的摩爾數(shù)。 式中 組分 ； 混合物中組分 。 3kg/m m An 9 （ 9 3 知行合一 量濃度與質(zhì)量分率的關(guān)系為 摩爾濃度與摩爾分率的關(guān)系為 式中 混合物在液相中的總摩爾濃度 ， ； 混合物液相的密度 ， 。 A 3km m 3kg/m （ 9 （ 9 知行合一 4） 氣體的總壓與理想氣體混合物中組分的分壓 總壓與某組分的分壓之間的關(guān)系為 摩爾比與分壓之間的關(guān)系為 摩爾濃度與分壓之間的關(guān)系為 AA 自強(qiáng)不息 知行合一 9在一常壓 、 298 用水吸收混合氣中的 已知混合氣體中含 0%， 其余組分可看作惰性氣體 ， 出塔氣體中含 %， 試分別用摩爾分率 、 摩爾比和摩爾濃度表示出塔氣體中 解：混合氣可視為理想氣體 ， 以下標(biāo) 2表示出塔氣體的狀態(tài) 。 122A k m o l / 知行合一 節(jié)教學(xué)要求 1、 重點(diǎn)掌握的內(nèi)容：相平衡的影響因素及相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用； 2、 熟悉的內(nèi)容：溶解度 、 平衡狀態(tài) 、 平衡分壓 、 亨利定律 。 液相平衡關(guān)系 自強(qiáng)不息 知行合一 1） 溶解度曲線 平衡狀態(tài) ： 在一定壓力和溫度下 ， 使一定量的吸收劑與混合氣體充分接觸 ， 氣相中的 溶質(zhì)便向液相溶劑中轉(zhuǎn)移 ， 經(jīng)長(zhǎng)期充分接觸之后 ， 液相中溶質(zhì)組分的濃度不再增 加 ， 此時(shí) ， 氣液兩相達(dá)到平衡 ， 此狀態(tài)為平衡狀態(tài) 。 飽和濃度 ： 氣液平衡時(shí) ， 溶質(zhì)在液相中的濃度為飽和濃度 （ 溶解度 ） 平衡分壓 ： 氣液平衡時(shí) ， 氣相中溶質(zhì)的分壓為平衡分壓 相平衡關(guān)系 ：平衡時(shí)溶質(zhì)組分在氣液兩相中的濃度關(guān)系為相平衡關(guān)系 。 溶解度曲線 ： 氣液相平衡關(guān)系用二維坐標(biāo)繪成的關(guān)系曲線稱為溶解度曲線 自強(qiáng)不息 知行合一 氨在水中的溶解度 圖 自強(qiáng)不息 知行合一 圖可見 ， 在一定的溫度下 ， 氣相中溶質(zhì)組成 當(dāng)總壓 在同一溶劑中溶質(zhì)的溶解度 這將有利于吸收 ， 故吸收操作通常在加壓條件下進(jìn)行 。 由圖可知 ， 當(dāng)總 p、 氣相中溶質(zhì) 吸收溫度下降 ， 溶解度大幅度提高， 吸收劑常常經(jīng)冷卻后進(jìn)入吸收塔 。 結(jié)論： 加壓和降溫有利于吸收操作過程；而減壓和升溫則有利于解吸操作過程 。 易溶氣體 ：溶解度大的氣體如 難溶氣體 ： 溶解度小的氣體如 溶解度適中的氣體：介乎其間的如 自強(qiáng)不息 知行合一 2） 亨利定律 亨利定律的內(nèi)容 ： 總壓不高 （ 譬如不超過 5 105時(shí) ， 在一定溫度下 ， 稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平衡分壓與溶質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比 ， 其比例系數(shù)為亨利系數(shù) 。 亨利定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 （ 9 式中 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓， ； 亨利系數(shù)， ； ， 。 溶質(zhì)在液相中的摩爾分率 。 *A* E自強(qiáng)不息 知行合一 定律有不同的表達(dá)形式： 式中 溶質(zhì)在液相中的摩爾濃度， ； H 溶解度系數(shù)， ； 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓， 溶解度系數(shù) 的關(guān)系為： 式中 為溶劑的密度， 。 T， H *A * （ 9 （ 9 S3k m o l / m 3k m o l / m P kg/ 知行合一 中 x 液相中溶質(zhì)的摩爾分率； 與液相組成 m 相平衡常數(shù)，無因次。 相平衡常數(shù) 的關(guān)系為： 當(dāng)物系一定時(shí)， T或 P，則 m。 式中 X 液相中溶質(zhì)的摩爾比； 與液相組成 *Y（ 9 （ 9 2） （ 9 3） 自強(qiáng)不息 知行合一 9系統(tǒng)溫度為 10 ，總壓 求此條件下在與空氣充分接觸后的水中，每立方米水溶解了多少克氧氣？ 解：空氣按理想氣體處理，由道爾頓分壓定律可知，氧氣在氣相中的分壓為： 氧氣為難溶氣體，故氧氣在水中的液相組成 液相平衡關(guān)系服從亨利定律，由表 50 時(shí)，氧氣在水中的亨利系數(shù) 106 故 A = 1 0 1 . 3 0 . 2 1 = 2 1 . 2 7 k P ap p yA*A EM * - 4 3 0 0 2 1 . 2 7 3 . 5 7 1 0 k m o l / 3 1 1 0 1 8c - 4 3 3 . 5 7 1 0 3 2 1 0 0 0 = 1 1 . 4 2 g / m 自強(qiáng)不息 知行合一 相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用 （ 1） 判斷過程進(jìn)行的方向 發(fā)生吸收過程的充分必要條件是： y y* 或 x y*)， 溶質(zhì) A 由氣相向液相轉(zhuǎn)移 。 相對(duì)于氣相濃度 y 而言 ， 液相濃度欠飽和(， 故液相有釋放溶質(zhì) A 的能力 。 y x o y*=f(x) Q y x y* 結(jié)論：若系統(tǒng)氣 、 液相濃度 (y,x)在平衡線下方 ， 則體系將發(fā)生從液相到氣相的傳質(zhì) ， 即解吸過程 。 x* 釋放溶質(zhì) 吸收溶質(zhì) 自強(qiáng)不息 知行合一 質(zhì)過程的方向 氣 、 液相濃度 (y,x)處于平衡線上(： 相對(duì)于液相濃度 x 而言氣相濃度為平衡濃度 (y=y*)， 溶質(zhì) A 不發(fā)生轉(zhuǎn)移 。 相對(duì)于氣相濃度而言液相濃度為平衡濃度 (x=x*)， 故液相不釋放或吸收溶質(zhì) A。 y x o y*=f(x) R y x y* 結(jié)論：若系統(tǒng)氣 、 液相濃度 (y,x)處于平衡線上 ， 則體系從宏觀上講將不會(huì)發(fā)生相際間的傳質(zhì) ， 即系統(tǒng)處于平衡狀態(tài) 。 x* 自強(qiáng)不息 知行合一 質(zhì)過程的限度 對(duì)吸收而言： 若保持液相濃度 x 不變 ， 氣相濃度 y 最低只能降到與之相平衡的濃度 y*，即 y*； 若保持氣相濃度 y 不變 ， 則液相濃度 x 最高也只能升高到與氣相濃度 y 相平衡的濃度 x*， 即 x*。 y x o y*=f(x) P y x y* x* 自強(qiáng)不息 知行合一 質(zhì)過程的限度 y x o y*=f(x) Q y x y* x* 對(duì)解吸而言： 若保持液相濃度 x 不變 ， 氣相濃度 y 最高只能升到與之相平衡的濃度 y*， 即 y*； 若保持氣相濃度 y 不變 ， 則液相濃度 x 最高也只能降到與氣相濃度 y 相平衡的濃度 x*， 即 x*。 自強(qiáng)不息 知行合一 吸收過程： (： 以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力 ； (x* 以液相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力 。 傳質(zhì)推動(dòng)力的表示方法可以不同 ， 但效果一樣 。 傳質(zhì)過程的推動(dòng)力 未達(dá)平衡的兩相接觸會(huì)發(fā)生相際間傳質(zhì) (吸收或解吸 )， 離平衡濃度越遠(yuǎn) ， 過程傳質(zhì)推動(dòng)力越大 ， 傳質(zhì)過程進(jìn)行越快 。 方法：用氣相或液相濃度遠(yuǎn)離平衡的程度來表征氣液相際傳質(zhì)過程的推動(dòng)力 。 自強(qiáng)不息 知行合一 9總壓 溫度 30 的條件下 , 試問： （ 1） 從液相分析 （ 2） 從氣相分析 ， 其它條件不變 ， 溫度降到 0 時(shí) （ 3） 其它條件不變 ， 從氣相分析 ， 總壓提高到 并計(jì)算以液相摩爾分率差及氣相摩爾率差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力 。 自強(qiáng)不息 知行合一 ：（ 1） 查得在總壓 度 30 條件下 =4850所以 從液相分析 故 行解吸過程。 （ 2） 查得在總壓 度 0 的條件下， =1670從氣相分析 故 行吸收過程。 y*，則溶質(zhì)從氣相向液相傳遞，為吸收過程，該過程包括以下三個(gè)步驟： （ 1）溶質(zhì)由氣相主體向相界面?zhèn)鬟f，即在單一相（氣相）內(nèi)傳遞物質(zhì)； （ 2）溶質(zhì)在氣液相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即在相界面上發(fā)生溶解過程； （ 3）溶質(zhì)自氣液相界面向液相主體傳遞，即在單一相（液相）內(nèi)傳遞物質(zhì)。 不論溶質(zhì)在氣相或液相，它在單一相里的傳遞有兩種基本形式，一是分子擴(kuò)散，二是對(duì)流傳質(zhì)。 自強(qiáng)不息 知行合一 兩種氣體相互擴(kuò)散 （ 1）分子擴(kuò)散與菲克定律 分子擴(kuò)散 ：在靜止或滯流流體內(nèi)部，若某一組分存在濃度差，則因分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。 分子擴(kuò)散現(xiàn)象 ：如圖所示的容器中，用一塊隔板將容器分為左右兩室，兩室分別盛有溫度及壓強(qiáng)相同的 A、 抽出中間的隔板后，分子 理氣體 散過程進(jìn)行到整個(gè)容器里 A、 擴(kuò)散通量 ：擴(kuò)散進(jìn)行的快慢用擴(kuò)散通量來衡量，定義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積擴(kuò)散的物質(zhì)量，稱為擴(kuò)散通量（擴(kuò)散速率），以符號(hào) 位為 m2s) 態(tài)的一維分子擴(kuò)散 自強(qiáng)不息 知行合一 菲克定律 ： 由兩組分 組成的混合物 ， 在恒定溫度 、 總壓條件下 ， 若組分 濃度梯度為 ， 則任一點(diǎn)處組分 的濃度梯度成正比 ， 此定律稱為菲克定律 ， 數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中 為組分 ； 為組分 ； 為組分 中的擴(kuò)散系數(shù) ， 。 式中負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反 ， 擴(kuò)散沿著濃度降低的方向進(jìn)行 （ 9 2m o l / m 4 知行合一 合物的總濃度在各處是相等的 ， 即 常數(shù) 所以任一時(shí)刻 ， 任一處 ， （ 9 而且 ， （ 9 將式 （ 9和式 （ 9代入菲克定律式 （ 9， 得到： （ 9 式 （ 9說明 ， 在雙組分混合物中 ， 組分 中的擴(kuò)散系數(shù)等于組分 中的擴(kuò)散系數(shù) 。 BA A J A = A B B D = D 自強(qiáng)不息 知行合一 2）等分子反向擴(kuò)散 等分子反向擴(kuò)散 ：如圖所示 ， 當(dāng)通過連通管內(nèi)任一截面處兩個(gè)組分的擴(kuò)散速率大小相等時(shí) ， 此擴(kuò)散稱為等分子反向擴(kuò)散 。 傳質(zhì)速率 ：在任一固定的空間位置上， 單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于傳遞方向的單位面積傳遞的物質(zhì)量 ， 記作 N。 T p T p 2 C z 擴(kuò)散距離 z 圖 等 分 子 反 向 擴(kuò) 散 自強(qiáng)不息 知行合一 等分子反向擴(kuò)散中，組分 ： 邊界條件： z=0處， cA=z = z 處， cA=式（ 9積分 如果 A、 （ 9表示為 式（ 9式（ 9單純等分子反向擴(kuò)散速率方程積分式，從式（ 9以看出，在等分子反向擴(kuò)散過程中，擴(kuò)散距離 A )( )( （ 9 （ 9 （ 9 自強(qiáng)不息 知行合一 單向擴(kuò)散 （ 3）單向擴(kuò)散及速率方程 總體流動(dòng)： 如圖吸收過程，氣相主體中的組分 后通過界面進(jìn)入液相，而組分 由于相界面不能提供組分 B，造成在界面左側(cè)附近總壓降低，使氣相主體與界面產(chǎn)生一小壓差，促使 A、 流動(dòng)稱為總體流動(dòng)。 自強(qiáng)不息 知行合一 總體流動(dòng)而產(chǎn)生的傳遞速率分別為 和 。 組分 A，即： 同理 組分 代入式 （ 9，得到： 即： 將式（ 9及菲克定律 代入式 （ 9得： J N cN （ 9 （ 9 （ 9 即 自強(qiáng)不息 知行合一 z=0， cA=z =z， cA=式（ 9進(jìn)行積分得： 、 稱為 “漂流因子” 或 “移動(dòng)因子” ，無因次。 因 p 或 ，故 或 。將式 （ 9（ 9式（ 9（ 9比較，可以看出，漂流因子的大小反映了總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響程度，溶質(zhì)的濃度愈大，其影響愈大。其值為總體流動(dòng)使傳質(zhì)速率較單純分子擴(kuò)散增大的倍數(shù)。當(dāng)混合物中溶質(zhì) 或 很小時(shí)， p ， 。 即 ， 。總體流動(dòng)可以忽略不計(jì)。 )( ln )( z Sm式中 式中 或 1/ （ 9 （ 9 （ 9 自強(qiáng)不息 知行合一 9溫度為 20 、總壓為 氣不溶于 合氣體中 相界面上 知溫度 20 時(shí)， s。試求 解： 用式（ 9算。 已知： 擴(kuò)散距離 ，氣相總壓 氣相主體中溶質(zhì) 氣液界面上 所以，氣相主體中空氣（惰性組分）的分壓 z = 1 m m = 0 . 0 0 1 m = 1 0 1 .3 k P 5 2D = 0 . 1 8 c m / s = 1 . 8 1 0 m / sA 1 A 1= = 1 0 1 . 3 0 . 2 = 2 0 . 2 7 k P ap p y A 1= - = 1 0 1 . 3 2 0 . 2 7 = 8 1 . 0 6 P ap p p k自強(qiáng)不息 知行合一 液界面上的空氣（惰性組分）的分壓 空氣在氣相主體和界面上分壓的對(duì)數(shù)平均值為： 代入式（ 9得 k P )( z ) = = B 2 A 1= - = 1 0 1 . 3 0 = 1 0 1 . 3 P ap p p k - 4 2= 1 . 6 7 1 0 m o l / m 自強(qiáng)不息 知行合一 子擴(kuò)散系數(shù) ：?jiǎn)挝粷舛忍荻认碌臄U(kuò)散通量，單位為 m2/s。即： 擴(kuò)散系數(shù)反映了某組分在一定介質(zhì)（氣相或液相）中的擴(kuò)散能力，是物質(zhì)特性常數(shù)之一。其值隨物系種類、溫度、濃度或總壓的不同而變化。 （ 1）氣體中的擴(kuò)散系數(shù) 通常氣體中的擴(kuò)散系數(shù)在壓力不太高的條件下，僅與溫度、壓力有關(guān)。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論，分子本身運(yùn)動(dòng)速度很快，通?？蛇_(dá)每秒幾百米，但由于分子間劇烈碰撞，分子運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向不斷改變，使其擴(kuò)散速度很慢，一些氣體或蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)見表9表 9常壓下，氣體擴(kuò)散系數(shù)的范圍約為 1010s。通常氣體中的擴(kuò)散系數(shù)與溫度 p 成反比。 A自強(qiáng)不息 知行合一 2） 液體中的擴(kuò)散系數(shù) 溶質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)與物質(zhì)的種類 、 溫度有關(guān) ， 同時(shí)與溶液的濃度密切相關(guān) ， 溶液濃度增加 ， 其粘度發(fā)生較大變化 ， 溶液偏離理性溶液的程度也將發(fā)生變化 。 故有關(guān)液體的擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)多以稀溶液為主 ， 表 9 某些非電解質(zhì)在水中的擴(kuò)散系數(shù) 。 從表中的數(shù)據(jù)可以看出 ， 液體的擴(kuò)散系數(shù) ， 比氣體的擴(kuò)散系數(shù)小得多 ， 其值一般在 1 101 10這主要是由于液體中的分子比氣體中的分子密集得多的緣故 。 液體中的擴(kuò)散系數(shù)通常與溫度 與液體的粘度成反比 自強(qiáng)不息 知行合一 流傳質(zhì)： 流動(dòng)著的流體與壁面之間或兩個(gè)有限互溶的流動(dòng)流體之間發(fā)生的傳質(zhì)，通常稱為對(duì)流傳質(zhì)。 （ 1）渦流擴(kuò)散 渦流擴(kuò)散： 流體作湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于質(zhì)點(diǎn)的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，相互碰撞和混合，若存在濃度梯度的情況下，組分會(huì)從高濃度向低濃度方向傳遞，這種現(xiàn)象稱為渦流擴(kuò)散。 因質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)無規(guī)則，所以渦流擴(kuò)散速率很難從理論上確定，通常采用描述分子擴(kuò)散的菲克定律形式表示，即 式中 渦流擴(kuò)散速率， ； 渦流擴(kuò)散系數(shù)， 。 渦流擴(kuò)散系數(shù)與分子擴(kuò)散系數(shù)不同， 不是物性常數(shù)，其值與流體流動(dòng)狀態(tài)及所處的位置有關(guān)， 的數(shù)值很難通過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定。 A 2m o l / m 2m/ 知行合一 對(duì)流傳質(zhì)濃度分布圖 有效層流膜提出的意義： 有效膜厚 它與層流內(nèi)層厚度 存在一對(duì)應(yīng)關(guān)系。流體湍流程度愈劇烈，層流內(nèi)層厚度 愈薄，相應(yīng)的有效膜厚 流傳質(zhì)阻力愈小。 （ 2）有效膜模型 在大多數(shù)傳質(zhì)設(shè)備中，流體的流動(dòng)多屬于湍流。流體在作湍流流動(dòng)時(shí)，傳質(zhì)的形式包括分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散兩種，因渦流擴(kuò)散難以確定，故常將分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散聯(lián)合考慮。 有效層流膜： 對(duì)流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力全部集中在一層虛擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴(kuò)散。有效膜厚度 圖所示，層流內(nèi)層分壓梯度線延長(zhǎng)線與氣相主體分壓線 ， 自強(qiáng)不息 知行合一 1）氣相傳質(zhì)速率方程： 式中 以氣相分壓差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)， m2s； 以氣相摩爾分率差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)， m2s ）； 以氣相摩爾比差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)， m2s ）； 、 、 分別為溶質(zhì)在氣相主體中的分壓、摩爾分率和摩爾比； 、 、 分別為溶質(zhì)在相界面處的分壓、摩爾分率和摩爾比； )( )y(A)Y(y iy 9 （ 9 （ 9 y （ 9 （ 9 自強(qiáng)不息 知行合一 2）液相對(duì)流傳質(zhì)速率方程 （ 9 （ 9 式中 以液相摩爾濃度差表示推動(dòng)力的液相對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)， m/s； 以液相摩爾分率差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)， m2s ） ； 以液相摩爾比差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)， m2s ） ； 、 分別為溶質(zhì)在液相主體中的摩爾濃度、摩爾分率及摩爾比； 、 分別為溶質(zhì)在界面處的摩爾濃度、摩爾分率及摩爾比。 液相傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系 ： （ 9 當(dāng)吸收后所得溶液為稀溶液時(shí)： （ 9 )( )(A )(A ix x 自強(qiáng)不息 知行合一 節(jié)教學(xué)要求 1、 重點(diǎn)掌握的內(nèi)容：雙膜理論 、 吸收過程的控制步驟 （ 氣膜控制 、液膜控制 ） 2、 熟悉的內(nèi)容：吸收過程總傳質(zhì)速率方程 、 總傳質(zhì)系數(shù)及其相互間的關(guān)系； 3、 難點(diǎn)：吸收過程的控制 自強(qiáng)不息 知行合一 膜理論基于雙膜模型 ， 它把復(fù)雜的對(duì)流傳質(zhì)過程描述為溶質(zhì)以分子擴(kuò)散形式通過兩個(gè)串聯(lián)的有效膜 ， 認(rèn)為擴(kuò)散所遇到的阻力等于實(shí)際存在的對(duì)流傳質(zhì)阻力 。 其模型如圖所示 。 雙膜模型的基本假設(shè)： （ 1） 相互接觸的氣液兩相存在一個(gè)穩(wěn)定的相界面 ， 界面兩側(cè)分別存在著穩(wěn)定的氣膜和液膜 。膜內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)為層流 ， 溶質(zhì) 由氣相主體傳遞到液相主體 。 （ 2） 相界面處 ， 氣液兩相達(dá)到相平衡 ， 界面處無擴(kuò)散阻力 。 （ 3） 在氣膜和液膜以外的氣液主體中 ， 由于流體的充分湍動(dòng) ， 溶質(zhì) 溶質(zhì)主要以渦流擴(kuò)散的形式傳質(zhì) 。 圖 雙膜理論示意圖 自強(qiáng)不息 知行合一 吸收過程的總傳質(zhì)速率方程 (1) 用氣相組成表示吸收推動(dòng)力時(shí)，總傳質(zhì)速率方程稱為氣相總傳質(zhì)速率方程， 具體如下： （ 9 （ 9 （ 9 式中 以氣相分壓差 表示推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)， m2s 以氣相摩爾分率差 表示推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)， m2s) 以氣相摩爾比差 表示推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)， m2s)。 )( *)( *A y )( *A A *9. 吸收過程的總傳質(zhì)速率方程自強(qiáng)不息 知行合一 2) 用液相組成表示吸收推動(dòng)力時(shí)，總傳質(zhì)速率方程稱為液相總傳質(zhì)速率方程 ，具體如下： （ 9 （ 9 （ 9 式