页数：114页文件大小：1.85 MB来源： 化工原理ppt课件
本课件讲授气体吸收，从吸收目的与流程、气液相平衡关系入手，给出亨利定律与相平衡应用，系统推导吸收速率方程、吸收塔物料衡算与操作线方程，讲解吸收剂用量、填料层高度计算、传质系数与塔高计算方法。
第八章气体吸收
8.1概述密闭容器水（溶剂）氨气(浓度高)＋空气(惰性气体)(溶质，被吸收组分)氨气（浓度低）＋空气总压溶质（A）分压与溶液中A的浓度成平衡的气相分压吸收，解吸，平衡，——吸收总推动力亦可用其他浓度差表示动力图8-1
8.1概述⑶工业吸收设备及气、液两相接触方式我们已经了解了吸收的依据，下面再思考一个问题，上述密闭容器能否用作工业吸收设备？（可以，但吸收效果不好，原因在于气、液两相接触情况不好）对工业吸收设备有什么要求？（尽可能提供气、液两相有足够大的接触面积，尽可能使气、液两相接触充分，尽可能使气、液两相的传质推动力大（逆流））为达到上述要求，目前工业上常用的吸收设备使塔设备，按气、液两相在塔中的接触方式不同分为级式接触和微分接触两大类。在工业上，上述两种不同接触方式的传质设备不仅用于气体吸收，同样也可用于液体精馏、萃取等其他传质单元操作。两类设备可采用完全不同的计算方法，本章吸收主要讨论填料塔的计算方法，下章精馏主要讨论板式塔的计算方法，而两种方法之间的关系及具体的塔结构及其设计计算在塔设备一章中介绍。
8.1概述
8.1概述
8.1概述③溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。除了制取溶液产品只需单独吸收外，一般都要进行解吸操作，使溶剂再生循环使用。总之，一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和解吸两个组成部分。⑸溶剂的选择吸收操作的成功与否在很大程度上决定于溶剂的性质，特别是溶剂与气体混合物之间的相平衡关系。根据物理化学中有关相平衡的知识可知，评价溶剂优劣的主要依据应包括以下几点：
8.2气液相平衡吸收（传质）与传热两个过程的相似处：传热与吸收过程均由三步构成（解释三步相似），但两个过程也有不同处：传热的推动力是两流体的温度差，过程的极限是两流体的温度相等；吸收的推动力不是两相的浓度差，过程的极限也不是两相的浓度相等。这是由于气液之间的相平衡不同于冷热流体之间的热平衡，气液相平衡关系是吸收过程的重要基础，我们将详细讨论它。
8.2.1平衡溶解度在一定的温度与总压下，使一定量的溶剂与溶质接触，溶质便由气相向液相转移，随着溶液浓度的逐渐增高，传质速率将逐渐减慢，最后降为零，此时液相中溶质达到饱和，浓度达到一最大限度（为液相中溶质A的摩尔分数，下标e代表平衡），这时称气液两相达到相平衡，称为平衡溶解度，简称为溶解度（溶解度可以用不同的方式表示，相平衡关系亦可用不同的方式表示，如～、～、～、～等）。注意：此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，在宏观上过程就象是停止了。这种状态称为相际动平衡，简称相平衡。
8.2.1平衡溶解度
8.2.1平衡溶解度
8.2.2相平衡吸收过程的关系⑴判别过程的方向①>或<吸收（>吸收）②<或>解吸（<解吸）⑵指明过程的极限塔高，吸收剂用量，即使塔无限高，吸收剂用量很少，也不会无限增大，反之，当塔高，吸收剂用量，，即使塔高无限高，吸收剂用量很大，也不会无限减小，图8-5
8.2.2相平衡吸收过程的关系⑶计算过程的推动力推动力或注意推动力
扩散和单相传质
扩散和单相传质
小至可认为其推动力为零，则相界面上气、液组成满足相平衡关系，这样总过程的速率将由两个单相即①步气相和③步液相内的传质速率所决定。无论是气相还是液相，物质传递的机理包括以下两种。⑴分子扩散。类似于传热中的热传导，是分子微观运动的宏观统计结果。混合物中存在温度梯度、压强梯度及浓度梯度都会产生分子扩散，本章仅讨论因浓度梯度而造成的分子扩散速率。发生在静止或层流流体里的扩散就是分子扩散。⑵对流传质。是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为对流传质。发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是对流传质。将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水，则将甜得更快更均匀，那便是对流传质的结果。以下仅讨论定态条件下双组分物系的分子扩散和对流传质。
8.3.1双组分混合物中的分子扩散⑴费克定律只要流体内部有浓度梯度，就会产生分子扩散，在恒温恒压下，一维分子扩散速率可用费克定律表达如下：浓度梯度指向浓度增加的方向，而扩散向浓度降低的方向进行，故式中加－负号。为组分A在双组分混合物A、B中的扩散系数。
8.3.1双组分混合物中的分子扩散对双组分混合物，在总浓度（对气相也可说总压）各处相等及＝常数的前提下，也有(前提为常数，对气压为总压不变)也就是说费克定律中的“”为“分子对称面”，A、B两组分的分子扩散速率大小相等，方向相反，否则就不能保证总浓度（或总压）不变。
8.3.1双组分混合物中的分子扩散⑵分子扩散与主体流动气液相界面只允许溶质A溶解穿过，惰性气体B不能溶解穿过，也不允许溶剂S逆向汽化通过。由于界面处A组分不断地溶解被吸，，A组分存在浓度梯度，其方向指向A组分浓度高的方向为正，而A组分的分子扩散方向与其相反，朝界面扩散惰性气体B组分由于不能被液体吸收，故B组分在相界处的浓度高于气相主体，B组分存在浓度梯度，其方向指向B组分浓度高的方向为正，而B组分的分子扩散方向与其相反，朝气相主体扩散，
8.3.1双组分混合物中的分子扩散总浓度静止或层流气层（膜）气相主体液相主体
8.3.1双组分混合物中的分子扩散当液相能以同一速率向界面供应B组分时，界面处保持恒定，则，这种情况属于等分子反向扩散（下一章精馏属于这种情况）。吸收过程液相不存在B组分，不可能向截面提供B组分，故吸收过程所发生的是组分A的单向扩散，而不是等分子反向扩散。由于界面处组分A被液体吸收及组分B反向扩散离开界面，都将导致截面处气体总压降低，使气相主体与界面之间产生微小压差，这一压差必然促使混合气体向界面流动，此流动称为主体流动。主体流动不同于扩散流（或），扩散流是分子微观运动的宏观结果，它所传递的是纯组分A或纯组分B。主体流动系宏观运动，它同时携带组分A与B流向界面。在定态条件下，主体流动
8.3.1双组分混合物中的分子扩散上式说明，尽管主体流动与净物流的含义不同，但主体流动的速率与净物流速率N必相等。为了求出组分A因分子扩散和主体流动而造成的传质速率,可在平面PQ处组分A作物料衡算得：式中：——因组分A存在浓度梯度引起的分子扩散速率；——主体流动中A所占的传递速率。一般情况下，对双组分物系，净物流速率N即包括组分A也包括组分
8.3.1双组分混合物中的分子扩散＝0），则，故令，为扩散距离，积分上式得
8.3.1双组分混合物中的分子扩散此式表明等分子反向扩散时组分A的浓度分布为一直线。如图8-11所示。对气相
8.3.1双组分混合物中的分子扩散②单向扩散（吸收）前已述及，吸收过程主体流动所带组分B的量必等于组分B反向分子扩散的量，故惰性组分B的净传递速率，可改写为：令
8.3.1双组分混合物中的分子扩散则故此式表面单向扩散时组分A的浓度分布为一对数函数，如图8-12所示。对气相
8.3.1双组分混合物中的分子扩散
8.3.1双组分混合物中的分子扩散与等分子反向扩散速率方程相比，单向扩散时多了一个因子或，,我们称之为漂流因子（数），它反映了主体流动对传质速率的影响，，主体流动作用，对吸收愈好，这就如顺水推舟,水流使船速加大，故称之为漂流因子。若, ，主体流动的影响可略去。
8.3.2扩散系数求D必须知道,设汽化时间为，则的汽化速率也可用液面高度变化的速率表示，即
8.3.2扩散系数所以
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8.3.2扩散系数散系数小的多，由表8-3知，液体中的扩散系数的数量级约为10-5cm2/s，为气相中的万分之一（气相约10-1～1cm2/s）。由于液体中的扩散在理论上还不成熟，用半经验式估算流体扩散系数不如气体可靠。此外，液体中组分的浓度对扩散系数由很大的影响。对很稀的非电解溶液可按（8-25）估算。此式亦不须记住，但须记住式（8-26），D与T成正比，与成反比。
8.3.3对流传质
8.3.3对流传质不像D那样是物性参数，它与流体的湍动程度有关，也与流体质点的位置有关，难于用试验的方法测定，故的表达式形式好看但不好用，因而不能将代入的表达式中积分求出对流传质速率、怎么办？目前一般是仿照对流给热，将对流传质速率方程写成类似于牛顿冷却定律或的形式，即认为正比于流体主体浓度与界面浓度之差，但与对流传热不同的是气液两相的浓度都可用不同的单位表示，所以可写成多种形式：气相与界面间的式中：以分压差表示推动力的气相传质系数
8.3.3对流传质或式中：以摩尔分数差表示推动力的气相传质系数界面与液相间的式中：以浓度差表示推动力的液相传质系数或式中：以摩尔分数差表示推动力的液相传质系数注意：各有与相应的推动力一一对应，他们的单位是什么？
8.3.3对流传质比较以上各式可得出：上述处理方法实际上是将一组流体主体浓度和界面浓度之差作为对流传质的推动力，而将影响对流传质的众多因素包括到气相（或液相）传质系数中。现在问题归结到如何得到各种具体条件下的传质系数（用试验测定的方法），对这么复杂的问题，具体用何种试验研究方法比较适宜？（因次分析法）
8.3.3对流传质然而，实际使用的传质设备形式各样（各种填料塔和板式塔），塔内流动情况十分复杂，两相的接触面液往往难以确定，这使对流传质分系数（气相或液相）的一般准数关联式远不及传热那样完善和可靠。同学们以后设计塔设备时要查阅有关的文献资料找出自己的设计条件相近的传质系数关联式，有条件应通过试验测定。
8.3.4三传（质量、动量、热量传递）类比三传之间彼此有些类似的规律可进行类比研究（自学）。
8.3.5对流传质理论②数学模型。根据上述有效膜物理模型，通过膜的扩散为分子扩散，且吸收为单向扩散，故分别可用式（8-22）和式（8-20）描述气膜和液膜的传质情况：气膜式中：
8.3.5对流传质理论液膜式中
8.3.5对流传质理论③试验测定模型参数中分别包含了待定的参数与，既有效膜的厚度，称之为数学模型参数，需由试验测定。如果该模型能有效地反映过程的实质，那么，应主要取决于流体的流动状况（流体湍动越剧烈，膜厚度越薄，反之亦然）而与溶质组分A的扩散系数D无关，然而以上两式预示均正比于D，而试验结果表面，两者不符合。若为了与试验结果相吻合，有效膜厚度不仅与流动状况有关，而且与扩散系数D有关。这样，，不是实际存在的有效膜厚度，而是一种虚拟的或当量的膜厚，从而失去了该膜型应具有的理论含义。
8.3.5对流传质理论（2）表面更新理论（丹克沃茨Danckwerts,1951年）丹克沃茨认为液体在流动过程中表面不断更新，即不断地有液体从主体转为界面而暴露于气相中，这种界面不断更新传质过程大大强化，其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处，现通过表面更新，深处的液体就有机会直接与气体接触以接受传质。定义S为表面更新频率，经过数学描述并求解得到：与试验结果较吻合，但S难求。综上所述，溶质渗透理论和表面更新理论比有效膜理论更接近实际情况，但或S难以测定，将它们用于传质过程的设计仍有一段距离，故目前用于传质设备设计主要还是有效膜理论。
相际传质溶质
相际传质
②相界面上不存在传质阻力，所需传质推动力等零，即在界面上气、液两相浓度成平衡，。对稀溶液：（通过原点的直线）或在计算范围内平衡线近似为直线：（图8-19）
相际传质
（2）相际传质速率方程以上求的两个式子中可通过试验测定求得，但两式中的界面组成难求，实际使用时须设法从式中消去。如何消去呢？既然我们讨论的是定态传质问题，气相与界面间的传质速率应等于界面与液相的传质速率，即为消去界面浓度，上式最右端分子分母均乘以m，并将串联过程的推动力加和以及阻力加即得：
相际传质
对稀溶液，则，故上式成为：吸收总推动力/吸收总阻力令(总阻力＝气膜阻力＋液膜阻力，符合双膜模型)以气相摩尔分数差为总推动力的总传质系数，。
相际传质思考题
相际传质
③你能导出解吸时的总传质（相际传质）速率方程吗？若能请导出其表达式，并与吸收的方程比较。解吸时总推动力与吸收相反，但总传质系数与吸收相同。
相际传质
由于传质速率方程中的传质系数可用总传质系数或某一相的分传质系数两种方法表示，相应的推动力也有总推动力或某一相的推动力两种，而气液相的浓度又可以用不同的方法表示，相平衡方程亦有不同的表达形式，故传质速率方程也有多种形式。表8-4列出了几种常用的速率方程，使用时应特别注意不同的推动力应对应于不同的传质系数。在解题指南p267表15-2中列出了相平衡方程为所对应的传质速率方程。上标*代表平衡相当于教材下标e，Y、X为摩尔比，它们于y、x的关系为，，今后若题目给定的时该形式的相平衡方程，就要使用与之相应的传质速率方程。另外表15-2中的H与本教材表8-4中的H为倒数关系。
传质阻力的控制步骤
从前面根据双膜模型导出的结果可知总传质阻力为气膜传质阻力与液膜传质阻力之和，即，(1)气膜阻力控制传热传热速率需设法提高小的以减小传热阻力类似。易溶气体溶解度大，平衡线斜率m小，其吸收过程往往是气膜阻力控制，如用水吸收，用弄硫酸吸收水蒸汽等均为气膜控制。时，，即，此时的传质阻力主要集中于气膜，称这种情况为“气膜阻力控制”。显然，对于气膜阻力控制的吸收过程，欲提高传质速率，在选择设备形式及确定操作条件时需设法提高以减小气膜阻力，如气体流率，。这与对流传热时为提高
传质阻力的控制步骤
(2)液膜阻力控制当时，即，此时的传质阻力只要集中于液膜，称这种情况为“液膜阻力控制”。显然，对于液膜阻力控制的吸收过程，欲提高传质速率，在选择设备形式及确定操作条件时需设法提高以减小气膜阻力，如液体流率。难溶气体溶解度小，平衡线斜率m大，其吸收过程多为液膜控制，如用水吸收等均为液膜控制。用水吸收及丙酮蒸汽，气膜阻力和液膜阻力各占一定比例，此时应同时设法减小气膜阻力和液膜阻力，传质速率才会有明显提高，我们称这种情况为“双膜控制”。
低含量气体吸收
吸收过程的数学描述
（3）物料衡算和传递速率的微分表达式沿塔高（的正方向）气液浓度是连续变化的，传质推动力和传质速率也是沿塔高变化的，必须先列出无聊衡算和传质速率的微分表达式，然后沿塔高积分得到积分式才能用于吸收过程计算。取微元塔段作物料衡算得对气相式中：G——，为塔截面积；——，为传质面积；——，为传质面积，为填料体积；——，高度。对液相
吸收过程的数学描述
（4）传质速率积分式
吸收过程的数学描述
（5）传质单元数欲传质单元高度令式中：——分别为气相、液相总传质单元高度，m；——分别为气相、液相总传质单元数，无因次。
吸收过程的数学描述根据上述定义
吸收过程的数学描述
吸收过程的数学描述吸收
过程基本方程式或变量数：（或）共9个关系式：3个。还需给出5个独变量才能求出另1个因变量。通常、为已知量，（或）视不同的题型可以是已知量、亦可为待求量。
吸收
操作线
、最小液气比及吸收剂用量（1）操作线吸收塔内气、液组成沿塔高的变化受物料衡算式的约束，为求得逆流吸收塔任一截面上相互接触的气液组成与的关系，可在塔顶与任一截面间作溶质A的物料衡算，得或同理，在塔底与任一截面间作物料衡算，可得
操作线
操作线
、最小液气比及吸收剂用量（2）最小液气比在吸收操作中、（或）及都是根据生产工艺要求规定的，操作线的斜率反映处理单位气体量所耗用的溶剂量。当一定时，，操作费用（吸收剂费用或吸收剂再生费用）；另一方面，操作线向平衡线靠近，传质推动力塔高，设备折旧费。反之，操作费用，设备折旧费。故存在一使总费用＝（操作费用＋设备折旧费）最小，必须进行优化设计，确定最佳液气比。另一方面，吸收剂的最小用量也存在着技术上的限制。当减小到图中的时，操作线与平衡线相交与C点，塔底的气、液两相组成达到平衡，此时塔底推动力为零，所需塔高将为无穷大，显然这是液气比的下限，通常称之为吸收设计的最小液气比，可按物料衡算求得：
操作线
操作线
、最小液气比及吸收剂用量（3）收剂用量的确定最佳液气比须通过优化设计求出（在课程设计环节完成），为避免优化（须建立数学模型用最优化方法编程求解）计算，可按下式确定适宜液气比，然后求出吸收剂用量L：
8.5.3传质单元数的计算方法（1）操作线与推动力的变化规律（平衡线为直线）为了积分求出、,必须找到推动力和分别随气液组成和的变化规律。在吸收塔内推动力的变化规律式由操作线与平衡线共同决定的。以低含量逆流吸收塔为例，操作线AB为直线，若平衡线亦为直线，则和随和呈线性变化，其变化率为常数，可用塔底和塔顶的端值表示，即：
8.5.3传质单元数的计算方法（2）平衡线为直线时的对数平均推动力法令令思考题：以上对数平均推动力法均以逆流为例导出，对并流吸收塔是否适用？并流吸收塔操作线方程及在图上形式怎样？
8.5.3传质单元数的计算方法（3）吸收因数法除对数平均推动力法之外，为计算传质单元数，可将相平衡关系与操作线方程代入传质单元数的定义式中直接积分求解，以为例①若令代入中积分得到
8.5.3传质单元数的计算方法该式包括、三个数群，可将其绘制成图8-22（p32），由图可看出：a.当S一定时，（即吸收要求，），，b.若一定，，这说明S值大时对吸收不利，故称S为解吸因素。反之故A越大，对吸收越有利，故称A为吸收因素。c.定量计算不用该图（查阅不准确），但定性分析该图很有用，记住。
②若，再已知在这种情况下，不必知道m值用吸收因数法即可求出，若用对数平均推动力法则求不出。
，,故所以与,与有一定关系，计算时选用其中一套公式即可，一般常用。但吸收操作型问题定性分析时有时要判断的变化趋势，因上面、的表达式中均与无关，为判断的变化趋势，须导出与有关的（或）。记住：此定性结论在吸收操作型问题定性分析中有用思考题：若平衡关系为的形式，吸收因数法、的表达式形式如何？解题指南p272-273
8.5.3传质单元数的计算方法（1）操作线与推动力的变化规律（平衡线为直线）为了积分求出、,必须找到推动力和分别随气液组成y和x的变化规律。在吸收塔内推动力的变化规律式由操作线与平衡线共同决定的。以低含量逆流吸收塔为例，操作线AB为直线，若平衡线亦为直线，则和随y和x呈线性变化，其变化率为常数，可用塔底和塔顶的端值表示，即：
8.5.3传质单元数的计算方法(2)平衡线为直线时的对数平均推动力法令
8.5.3传质单元数的计算方法令思考题：以上对数平均推动力法均以逆流为例导出，对并流吸收塔是否适用？并流吸收塔操作线方程及在y~x图上形式怎样？
8.5.3传质单元数的计算方法（3）吸收因数法除对数平均推动力法之外，为计算传质单元数，可将相平衡关系与操作线方程代入传质单元数的定义式中直接积分求解，以为例①若令代入中积分得到
8.5.3传质单元数的计算方法（3）吸收因数法该式包括、三个数群，可将其绘制成图8-22（p32），由图可看出：a.当S一定时，（即吸收要求，），，b.若一定，，这说明S值大时对吸收不利，故称S为解吸因素。反之故A越大，对吸收越有利，故称A为吸收因素。c.定量计算不用该图（查阅不准确），但定性分析该图很有用，记住：
8.5.3传质单元数的计算方法（3）吸收因数法②若再已知
8.5.3传质单元数的计算方法为判断x1的变化趋势，须导出与x1有关的（或），以为例：若式中：——塔顶与任一截面间的物料衡算导出的操作线方程。代入中积分得到
8.5.3传质单元数的计算方法记住：此定性结论在吸收操作型问题定性分析中有用思考题：若平衡关系为的形式，吸收因数法、的表达式形式如何？解题指南p272-273(4)当或时对数平均推动力法和吸收因数法均不成立，此时、如何求？解题指南p273
8.5.3传质单元数的计算方法(5)平衡关系为曲线时传质单元数的求法图解积分法或数值积分法。平衡关系为曲线时，m为变量，教材介绍去一平均的m，将Ky视为常数，则为某一平均值移出积分号外然后用图解或数值积分法求出,此法误差大
8.5.3传质单元数的计算方法(5)平衡关系为曲线时传质单元数的求法①易溶气体（气膜控制），可视为常数移出积分号外，用图解或数值积分法求②难溶气体（液膜控制），，，可视为常数移至积分号外，用图解积分或数值积分求
8.5.3传质单元数的计算方法（5）平衡关系为曲线时传质单元数的求法③中等溶解度气体（双膜控制），例如水吸收，平衡线为曲线，m为变量，此时用下式求H在操作线上可以等分亦可不等分。联立解出值，然后图解积分或数值积分求
解吸塔计算解吸推动力
与吸收相反，操作线位于平衡线下发。注意：解题指南p275解吸部分（1）全塔物料衡算（2）操作线方程任一截面与塔底间或任一截面与塔顶间（3）最小气液比解吸L一定，则称为最小气液比。
解吸塔计算适宜气液比
（4）填料层高度的计算
解吸塔计算
（4）填料层高度的计算（x1塔顶，浓端；x2塔底，稀端）与吸收一样
8.5.5吸收（解吸）塔的设计型计算例15-5给定E，m不知道，m须先求。给定液相组成为x及可知平衡关系为的形式，故选等符号对应的公式。例15-7p290～292（5）讨论几个问题要求掌握。
8.7化学吸收液相物理吸收传质速率液相物理吸收传质速率称为增强因子，它取决于反应动力学（反应的类型、反应速率常数等）和物性，使化学吸收研究中所需要解决的主要课题，有兴趣的同学可看教材介绍或查阅文献资料。由于化学吸收速率并非以为推动力，难以定义化学吸收的液相传质系数。只有在条件下，表示化学吸收速率与物理吸收速率之比，即
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