1、第第1 1章章 氣體吸收氣體吸收2015年年8月月12日晚日晚23時時30分左右，天津濱海新區分左右，天津濱海新區開發區發生劇烈爆炸，爆炸火光沖天。國家地震開發區發生劇烈爆炸，爆炸火光沖天。國家地震臺網清晰記錄到了臺網清晰記錄到了12日晚間天津發生的爆炸事故，日晚間天津發生的爆炸事故，從記錄結果看，共有兩次爆炸，間隔約從記錄結果看，共有兩次爆炸，間隔約30秒，第秒，第二次震級更高，相當于二次震級更高，相當于21噸噸TNT。等值換算，戰。等值換算，戰斧式巡航導彈的斧式巡航導彈的TNT當量約為當量約為454千克，即第一千克，即第一次爆炸相當于近次爆炸相當于近7個戰斧式巡航導彈的能量，第個戰斧式巡航

2、導彈的能量，第二次爆炸的能量則接近于二次爆炸的能量則接近于46個戰斧式巡航導彈落個戰斧式巡航導彈落地爆炸。地爆炸。目前已檢測到氰化氫、甲苯、三氯甲烷和環氧目前已檢測到氰化氫、甲苯、三氯甲烷和環氧乙烷等有毒氣體。乙烷等有毒氣體。氰化氫在空氣中的含量達到氰化氫在空氣中的含量達到5.6%12.8%時，具時，具有爆炸性。氫氰酸屬于劇毒類。急性氰化氫中毒有爆炸性。氫氰酸屬于劇毒類。急性氰化氫中毒的臨床表現為患者呼出氣中有明顯的苦杏仁味，的臨床表現為患者呼出氣中有明顯的苦杏仁味，輕度中毒主要表現為胸悶、心悸、心率加快、頭輕度中毒主要表現為胸悶、心悸、心率加快、頭痛、惡心、嘔吐、視物模糊。重度中毒主要表現痛

3、、惡心、嘔吐、視物模糊。重度中毒主要表現呈深昏迷狀態，呼吸淺快，陣發性抽搐，甚至強呈深昏迷狀態，呼吸淺快，陣發性抽搐，甚至強直性痙攣。二次世界大戰中納粹德國常把氰化氫直性痙攣。二次世界大戰中納粹德國常把氰化氫作為毒氣室的殺人毒氣使用。作為毒氣室的殺人毒氣使用。氰化氫廢氣吸收塔氰化氫廢氣吸收塔用用Na2CO3溶液吸收氫氰酸，再加入溶液吸收氫氰酸，再加入Fe與與CN-離子反應生離子反應生成黃血鹽。成黃血鹽。 利用混合氣體中各組分利用混合氣體中各組分(component)在液體中在液體中溶解度溶解度的差異而的差異而分離氣體混合物的單元操作稱為分離氣體混合物的單元操作稱為吸收吸收。吸收操作時某些易溶。

4、吸收操作時某些易溶組分進入液相形成溶液組分進入液相形成溶液(solution)，不溶或難溶組分仍留在氣，不溶或難溶組分仍留在氣相相(gas phase)，從而實現混合氣體的分離。，從而實現混合氣體的分離。 吸收的推動力吸收的推動力氣體吸收是混合氣體氣體吸收是混合氣體中某些組分在氣液相中某些組分在氣液相界面上溶解、在氣相界面上溶解、在氣相和液相內由和液相內由濃度差濃度差推推動的傳質過程。動的傳質過程。吸收劑吸收劑氣體氣體yx界面界面氣相主體氣相主體 液相主體液相主體 相界面相界面氣相擴散氣相擴散 液相擴散液相擴散 yi xi 第一節第一節 概述概述相組成如何表示？相組成如何表示？吸收質或溶質吸收

5、質或溶質：混合氣體中的溶混合氣體中的溶解組分，以解組分，以A表示。表示。惰性氣體或載體惰性氣體或載體：不溶或難溶組：不溶或難溶組分，以分，以B表示。表示。吸收劑吸收劑：吸收操作中所用的溶劑，：吸收操作中所用的溶劑，以以S表示。表示。吸收液吸收液：吸收操作后得到的溶液，：吸收操作后得到的溶液，主要成分為溶劑主要成分為溶劑S和溶質和溶質A。吸收尾氣吸收尾氣：吸收后排出的氣體，：吸收后排出的氣體，主要成分為惰性氣體主要成分為惰性氣體B和少量的溶和少量的溶質質A。 吸收過程在吸收過程在吸收塔吸收塔中進行，逆流中進行，逆流操作吸收塔示意圖如右所示。操作吸收塔示意圖如右所示。 吸吸收收塔塔混合氣混合氣(A

6、+B)(A+B)吸收液吸收液(A+S)(A+S)吸收劑吸收劑(S)(S)吸收尾氣吸收尾氣(A+B)(A+B)貧油貧油吸收塔吸收塔含苯煤氣含苯煤氣解吸塔解吸塔過熱蒸汽過熱蒸汽冷凝器冷凝器粗苯粗苯水水冷卻器冷卻器換熱器換熱器補充新補充新鮮洗油鮮洗油富油富油脫苯煤氣脫苯煤氣工業吸收過程工業吸收過程工業吸收過程實例：工業吸收過程實例： 吸收劑性能的優劣，是決定吸收操作效果吸收劑性能的優劣，是決定吸收操作效果是否良好的關鍵。是否良好的關鍵。 溶解度大溶解度大 ； 選擇性好選擇性好 ； 揮發度要小揮發度要小 。 此外所選用的溶劑盡可能滿足此外所選用的溶劑盡可能滿足無腐蝕性，無腐蝕性，粘度小，無毒，不燃，價

7、廉易得粘度小，無毒，不燃，價廉易得等條件。等條件。 吸收操作的用途吸收操作的用途制取產品制取產品 用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產品。用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產品。 如硫酸吸收如硫酸吸收SO3制濃硫酸，水吸收甲醛制福爾馬林液，制濃硫酸，水吸收甲醛制福爾馬林液，用水吸收氯化氫制鹽酸等用水吸收氯化氫制鹽酸等 。 (2) 分離混合氣體分離混合氣體 吸收劑選擇性地吸收氣體中某些組分以吸收劑選擇性地吸收氣體中某些組分以達到分離目的。達到分離目的。 如石油餾分裂解生產出來的乙烯、丙烯，還與氫、甲如石油餾分裂解生產出來的乙烯、丙烯，還與氫、甲烷等混在一起，可用分子量較大的液態烴把乙烯、丙烷等混在一

8、起，可用分子量較大的液態烴把乙烯、丙烯吸收，使與甲烷、氫分離開來烯吸收，使與甲烷、氫分離開來 。 (3) 氣體凈化氣體凈化 一類是原料氣的凈化，即除去混合氣體中的一類是原料氣的凈化，即除去混合氣體中的雜質。雜質。 如合成氨原料氣脫如合成氨原料氣脫H2S、脫脫CO2等；另一類是尾氣處理等；另一類是尾氣處理和廢氣凈化以保護環境，如燃煤鍋爐煙氣，冶煉廢氣和廢氣凈化以保護環境，如燃煤鍋爐煙氣，冶煉廢氣等脫除等脫除SO2，硝酸尾氣脫除硝酸尾氣脫除NO2等。等。 吸收操作的分類吸收操作的分類 物理吸收物理吸收(physical absorption)：吸收過程溶質與溶劑：吸收過程溶質與溶劑不發生顯著的化學

9、反應，可視為單純的氣體溶解于液不發生顯著的化學反應，可視為單純的氣體溶解于液相的過程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙相的過程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烴等。醇蒸汽、用洗油吸收芳烴等。 化學吸收化學吸收(chemical absorption)：溶質與溶劑有顯著的：溶質與溶劑有顯著的化學反應發生。如用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液吸收二氧化學反應發生。如用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等過程。化學反應能大大提高化碳、用稀硫酸吸收氨等過程。化學反應能大大提高單位體積液體所能吸收的氣體量并加快吸收速率。但單位體積液體所能吸收的氣體量并加快吸收速率。但溶液

10、解吸再生較難。溶液解吸再生較難。 單組分吸收單組分吸收：混合氣體中只有單一組分被液相吸收，：混合氣體中只有單一組分被液相吸收，其余組分因溶解度甚小其吸收量可忽略不計。其余組分因溶解度甚小其吸收量可忽略不計。 多組分吸收多組分吸收：有兩個或兩個以上組分被吸收。：有兩個或兩個以上組分被吸收。 溶解熱溶解熱：氣體溶解于液體時所釋放的熱量。化學吸收：氣體溶解于液體時所釋放的熱量。化學吸收時，還會有反應熱。時，還會有反應熱。 非等溫吸收非等溫吸收：體系溫度發生明顯變化的吸收過程。：體系溫度發生明顯變化的吸收過程。 等溫吸收等溫吸收：體系溫度變化不顯著的吸收過程。：體系溫度變化不顯著的吸收過程。氣液兩相的

11、接觸方式氣液兩相的接觸方式連續接觸連續接觸( (也稱微分接觸也稱微分接觸) )：氣、氣、液兩相的濃度呈連續變化。如填液兩相的濃度呈連續變化。如填料塔。料塔。溶劑b 級式接觸a a 微分接觸圖9-2 填料塔和板式塔氣體溶劑氣體級式接觸：級式接觸：氣、液兩相逐級接氣、液兩相逐級接觸傳質，兩相的組成呈階躍變觸傳質，兩相的組成呈階躍變化。化。 如板式塔。如板式塔。散裝填料散裝填料塑料鮑爾環填料塑料鮑爾環填料規整填料規整填料 塑料絲網波紋填料塑料絲網波紋填料 氣體吸收是物質氣體吸收是物質自氣相到液相自氣相到液相的轉移，這是一種的轉移，這是一種傳質傳質過程過程。 氣液兩相達到平衡氣液兩相達到平衡。 吸收與

12、解吸吸收與解吸。 兩相的濃度兩相的濃度距離平衡愈遠距離平衡愈遠，則傳質的，則傳質的推動力愈大，傳推動力愈大，傳質速率也愈大質速率也愈大。一、氣體的溶解度一、氣體的溶解度氣液相平衡氣液相平衡 如果把氨氣和水共同封存在容器中，令體系的壓如果把氨氣和水共同封存在容器中，令體系的壓力和溫度維持一定，由于氨易溶于水，氨的分子力和溫度維持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越兩相界面進入水中，但進到水中的氨分子便穿越兩相界面進入水中，但進到水中的氨分子也會有一部分返回氣相，只不過剛開始的時候進也會有一部分返回氣相，只不過剛開始的時候進多出少。水中溶解的氨量越多，濃度越大，氨分多出少。水中溶解的氨量越多，濃度

13、越大，氨分子從溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子從溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子從氣相進入液相的速率便等于它從液相返回氣子從氣相進入液相的速率便等于它從液相返回氣相的速率，氨實際上便不再溶解進水里，溶液的相的速率，氨實際上便不再溶解進水里，溶液的濃度也就不再變化，這種狀態稱為濃度也就不再變化，這種狀態稱為相際動平衡，相際動平衡，簡稱相平衡或平衡簡稱相平衡或平衡。 在溫度和壓力一定的條件下，平衡時的氣、液相組成具有在溫度和壓力一定的條件下，平衡時的氣、液相組成具有一一對應關系。一一對應關系。 平衡狀態下氣相中溶質的分壓稱為平衡狀態下氣相中溶質的分壓稱為平衡分壓或飽和分壓平衡分壓或

14、飽和分壓，與之對應的液相濃度稱為平衡濃度或氣體在液體中的與之對應的液相濃度稱為平衡濃度或氣體在液體中的溶解溶解度度。這時溶液已經飽和，即達到了它在一定條件下的溶解這時溶液已經飽和，即達到了它在一定條件下的溶解度，也就是指氣體在液相中的飽和濃度，習慣上以單位質度，也就是指氣體在液相中的飽和濃度，習慣上以單位質量（或體積）的液體中所含溶質的質量來表示，也表明一量（或體積）的液體中所含溶質的質量來表示，也表明一定條件下吸收過程可能達到的極限程度。定條件下吸收過程可能達到的極限程度。 在一定溫度下達到平衡時，在一定溫度下達到平衡時，溶液的濃度隨氣體壓力的增加溶液的濃度隨氣體壓力的增加而增加而增加。如果

15、要使一種氣體在溶液中里達到某一特定的濃。如果要使一種氣體在溶液中里達到某一特定的濃度，必須在溶液上方維持較高的平衡壓力。度，必須在溶液上方維持較高的平衡壓力。 氣體的溶解度與溫度有關，一般來說，氣體的溶解度與溫度有關，一般來說，溫度下降則氣體的溫度下降則氣體的溶解度增高溶解度增高。 溶解度曲線：溶解度曲線：在一在一定溫度、壓力下，平定溫度、壓力下，平衡時溶質在氣相和液衡時溶質在氣相和液相中的濃度的關系曲相中的濃度的關系曲線。線。溶解度溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1 0 01 0 00 05005000 020204040606080801 01 00 0120120p pNHNH

16、3 3/kPa/kPa50 50 o oCC40 40 o oCC30 30 o oCC20 20 o oCC10 10 o oCC0 0 o oCC120120溶解度溶解度/g(SOg(SO2 2)/1000g(H)/1000g(H2 2O)O)2502502002000 020204040606080801 01 00 0p pSOSO2 2/kPa/kPa150150100100505012012050 50 o oCC40 40 o oCC30 30 o oCC20 20 o oCC10 10 o oCC0 0 o oCC當總壓不太高時，一定溫度下的稀溶液的溶解度曲線近似當總壓不太高時

17、，一定溫度下的稀溶液的溶解度曲線近似為直線，即溶質在液相中的溶解度與其在氣相中的分壓成為直線，即溶質在液相中的溶解度與其在氣相中的分壓成正比。正比。式中：式中： p* 溶質在氣相中的平衡分壓，溶質在氣相中的平衡分壓，kPa； x 溶質在液相中的摩爾分數；溶質在液相中的摩爾分數； E 亨利系數，亨利系數，kPa。 Exp * 亨利定律亨利定律 亨利系數的值隨物系的特性及溫度而異；亨利系數的值隨物系的特性及溫度而異； 物系一定，物系一定，E 值一般隨溫度的上升而增大；值一般隨溫度的上升而增大； E 值的大小代表了氣體在該溶劑中溶解的難易程度；值的大小代表了氣體在該溶劑中溶解的難易程度； 在同一溶劑

18、中，難溶氣體在同一溶劑中，難溶氣體 E 值很大，易溶氣體值很大，易溶氣體 E 值很小；值很小； E 的單位與氣相分壓的壓強單位一致。的單位與氣相分壓的壓強單位一致。當氣、液相溶質濃度用其它組成表示法表示時，通過濃度當氣、液相溶質濃度用其它組成表示法表示時，通過濃度換算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有換算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有 y* 與組成為與組成為 x 的液相呈平衡的氣相中溶質的摩爾分數；的液相呈平衡的氣相中溶質的摩爾分數；c 溶質在液相中的摩爾濃度，溶質在液相中的摩爾濃度，kmol/m3；m 相平衡常數；相平衡常數；H 溶解度系數；溶解度系數；kmol/(m3 kPa)；

19、mxy *cHp1*三個比例系數之間的關系：三個比例系數之間的關系：PEm HcEm式中式中 cm 為溶液的總濃度（為溶液的總濃度（kmol/m3）。）。對于稀溶液，因溶質的濃度很小，因此對于稀溶液，因溶質的濃度很小，因此 cm = / Ms ，其中，其中 為溶液的密度，為溶液的密度，Ms 為溶劑的摩爾質量。為溶劑的摩爾質量。 smMc相對于氣相濃度相對于氣相濃度 y 而言，而言，液相濃度欠飽和液相濃度欠飽和(xy*)，溶質溶質 A 由氣相由氣相向液相轉移。向液相轉移。氣、液相濃度氣、液相濃度(y,x)在平在平衡線上方衡線上方(P點點)：yxoy*=f(x)Pyxy*結論：結論：若系統氣、液相

20、濃度若系統氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方，則體系將在平衡線上方，則體系將發生從氣相到液相的傳質，即吸收過程。發生從氣相到液相的傳質，即吸收過程。x*釋放溶質釋放溶質吸收溶質吸收溶質相對于氣相濃度而言相對于氣相濃度而言實際液相濃度過飽和實際液相濃度過飽和(xx*)，故液相有釋放，故液相有釋放溶質溶質 A 的能力。的能力。相對于液相濃度相對于液相濃度 x 而言而言氣 相 濃 度 為 欠 飽 和氣 相 濃 度 為 欠 飽 和(yy*)，溶質溶質 A 由液相由液相向氣相轉移。向氣相轉移。氣、液相濃度氣、液相濃度(y,x)在平在平衡線下方衡線下方(Q點點)：yxoy*=f(x)Qyxy*結論：結論：

21、若系統氣、液相濃度若系統氣、液相濃度(y,x)在平衡線下方，則體系將在平衡線下方，則體系將發生從液相到氣相的傳質，即解吸過程。發生從液相到氣相的傳質，即解吸過程。x*釋放溶質釋放溶質吸收溶質吸收溶質相對于氣相濃度而言液相對于氣相濃度而言液相 濃 度 為 平 衡 濃 度相 濃 度 為 平 衡 濃 度(x=x*)，故液相不釋放，故液相不釋放或吸收溶質或吸收溶質 A。相對于液相濃度相對于液相濃度 x 而言而言氣相濃度為平衡濃度氣相濃度為平衡濃度(y=y*)，溶質溶質 A 不發生不發生轉移。轉移。氣、液相濃度氣、液相濃度(y,x)處于處于平衡線上平衡線上(R點點)：yxoy*=f(x)Ryxy*結論：

22、結論：若系統氣、液相濃度若系統氣、液相濃度(y,x)處于平衡線上，則體系從處于平衡線上，則體系從宏觀上講將不會發生相際間的傳質，即系統處于平宏觀上講將不會發生相際間的傳質，即系統處于平衡狀態。衡狀態。x*對吸收而言：對吸收而言：若保持液相濃度若保持液相濃度 x 不變，氣相濃度不變，氣相濃度 y 最低只能降到與最低只能降到與之相平衡的濃度之相平衡的濃度 y*，即即 ymin=y*；若保持氣相濃度若保持氣相濃度 y 不變，則液相濃度不變，則液相濃度 x 最高也只能升最高也只能升高到與氣相濃度高到與氣相濃度 y 相平衡的濃度相平衡的濃度 x*，即即 xmax=x*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*

23、yxoy*=f(x)Qyxy*x*對解吸而言：對解吸而言：若保持液相濃度若保持液相濃度 x 不變，氣相濃度不變，氣相濃度 y 最高只能升到與之相最高只能升到與之相平衡的濃度平衡的濃度 y*，即即 ymax=y*；若保持氣相濃度若保持氣相濃度 y 不變，則液相濃度不變，則液相濃度 x 最高也只能降到與最高也只能降到與氣相濃度氣相濃度 y 相平衡的濃度相平衡的濃度 x*，即即 xmin=x*。傳質推動力的表示方法傳質推動力的表示方法可以不同，但效果一樣。可以不同，但效果一樣。 (x*-x)：以液相摩爾分以液相摩爾分數差表示的傳質推動力。數差表示的傳質推動力。 對吸收過程：對吸收過程：(y-y*)：

24、以氣相摩爾分數以氣相摩爾分數差表示的傳質推動力；差表示的傳質推動力；未達平衡的兩相接觸會發生相際間傳質未達平衡的兩相接觸會發生相際間傳質(吸收或解吸吸收或解吸)，離平，離平衡濃度越遠，過程傳質推動力越大，傳質過程進行越快。衡濃度越遠，過程傳質推動力越大，傳質過程進行越快。方法：方法：用氣相或液相濃度遠離平衡的程度來表征氣液相際用氣相或液相濃度遠離平衡的程度來表征氣液相際傳質過程的推動力。傳質過程的推動力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x） 平衡關系平衡關系只能回答混合氣體中只能回答混合氣體中溶質氣體能否溶質氣體能否進入液相進入液相這個問題，這個問題，至于進入液相速率大小

25、至于進入液相速率大小，卻無法解決，后者屬于卻無法解決，后者屬于傳質的機理問題傳質的機理問題。本。本節的內容是結合吸收操作來說明節的內容是結合吸收操作來說明傳質的基本傳質的基本原理原理，并導出，并導出傳質的速率關系傳質的速率關系，作為分析吸，作為分析吸收操作與計算吸收設備的依據。收操作與計算吸收設備的依據。 氣體吸收是溶質先從氣相主體擴散到氣液界氣體吸收是溶質先從氣相主體擴散到氣液界面，再從氣液界面擴散到液相主體的傳質過面，再從氣液界面擴散到液相主體的傳質過程。程。 一、吸收傳質理論一、吸收傳質理論 吸收過程是溶質由氣相向液相轉移的相際傳質過程，可分吸收過程是溶質由氣相向液相轉移的相際傳質過程，

26、可分為三個步驟：為三個步驟： 氣相主體氣相主體 液相主體液相主體 相界面相界面溶解溶解氣相擴散氣相擴散 液相擴散液相擴散 (1) (1) 溶質由氣相主體擴散至兩相界面氣相側溶質由氣相主體擴散至兩相界面氣相側( (氣相內傳質氣相內傳質) )；(2) (2) 溶質在界面上溶解溶質在界面上溶解( (通過界面的傳質通過界面的傳質) )；(3) (3) 溶質由相界面液相側擴散至液相主體溶質由相界面液相側擴散至液相主體( (液相內傳質液相內傳質) )。 單相內傳遞方式：分子擴散；對流擴散單相內傳遞方式：分子擴散；對流擴散 。分子擴散與菲克定律分子擴散與菲克定律分子擴散分子擴散：在靜止或滯流流體內部，若某一

27、組分存在濃度差，：在靜止或滯流流體內部，若某一組分存在濃度差，則因分子無規則的熱運動使該組分由濃度較高處傳遞至濃度則因分子無規則的熱運動使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處，這種現象稱為分子擴散。較低處，這種現象稱為分子擴散。氣相主體氣相主體 液相主體液相主體 相界面相界面溶解溶解氣相擴散氣相擴散 液相擴散液相擴散 擴散通量擴散通量：單位時間內通過垂直于擴散方向的單位截面積擴散：單位時間內通過垂直于擴散方向的單位截面積擴散的物質量，的物質量，J表示，表示， kmol/(m2s)。 菲克定律菲克定律：溫度、總壓一定，組分：溫度、總壓一定，組分A在擴散方向上任一點處在擴散方向上任一點處的擴散通量與

28、該處的擴散通量與該處A的濃度梯度成正比。的濃度梯度成正比。z zzcDJddAABAJA組分組分A擴散速率（擴散通量），擴散速率（擴散通量）， kmol/（m2s）；）； 組分組分A在擴散方向在擴散方向z上的濃度梯度（上的濃度梯度（kmol/m3）/m； zcddA DAB組分組分A在在B組分中的擴散系數，組分中的擴散系數，m2/s。 負號：表示擴散方向與濃度梯度方向相反，擴散沿著濃度降負號：表示擴散方向與濃度梯度方向相反，擴散沿著濃度降低的方向進行低的方向進行 理想氣體：理想氣體：RTpcAAzpRTzcdd1ddAAzpRTDJddAABA分子擴散兩種形式：等分子反向擴散，單向擴散。分子擴

29、散兩種形式：等分子反向擴散，單向擴散。1 1等分子反向擴散及速率方程等分子反向擴散及速率方程 (1)(1)等分子反向擴散等分子反向擴散JAJBT PpA2pB2T PpA1pB112等分子反向擴散：任一截面處兩個組分的擴散速率等分子反向擴散：任一截面處兩個組分的擴散速率 大小相等，方向相反。大小相等，方向相反。 zpRTDJddAABAzpRTDJddBBABBpppA總壓一定總壓一定 zpzpddddBA JA=JB DAB=DBA=D （2）等分子反向擴散傳質速率方程）等分子反向擴散傳質速率方程傳質速率定義：任一固定的空間位置上，傳質速率定義：任一固定的空間位置上， 單位時間單位時間內通過

30、單位面積的物質量，記作內通過單位面積的物質量，記作N, kmol/(m2 s) 。 NA= zpRTDJddAA氣相：氣相：)(A2A1AcczDNNA= zcDJddAABA)(A2A1AppRTzDN液相：液相：（3 3）討論）討論1）21AAAppN2）組分的濃度與擴散距離）組分的濃度與擴散距離z成直線關系。成直線關系。 3）等分子反方向擴散發生在蒸餾過程中。）等分子反方向擴散發生在蒸餾過程中。 ppB1pA1pA2pB2擴散距離擴散距離z0zp12JAJBNMcA/cNMcB/c總體流總體流動動NMNA（1）總體流動：因溶質擴散）總體流動：因溶質擴散 到界面溶解于溶劑中，造成界到界面溶

31、解于溶劑中，造成界面與主體的微小壓差，使得混面與主體的微小壓差，使得混合物向界面處的流動。合物向界面處的流動。（2）總體流動的特點：）總體流動的特點：1）因分子本身擴散引起的宏觀流動。）因分子本身擴散引起的宏觀流動。2）A、B在總體流動中方向相同，流動速度正比于摩在總體流動中方向相同，流動速度正比于摩爾爾 分率。分率。 2 2單向擴散及速率方程單向擴散及速率方程ccNNAMMAccNNBMMB（3 3）單向擴散傳質速率方程）單向擴散傳質速率方程ccNJBMB12JAJBNMcA/cNMcB/c總體流總體流動動NMNAccNJNAMAAccNJNBMBBccNJBMB0=0MANNccNzcDN

32、AAAAddzcccDcNddAAA微分式微分式在氣相擴散在氣相擴散 RTpcAARTpc zpppRTDpNdd)(AAAA1A2AlnppppRTzDpNB1B2AlnppRTzDpN積分式積分式21)-(ddAA0AAAppzpppRTDpzNB2A2B1A1pppppB1B2B1B2Bmlnppppp)(lnlnB1B2B1B2A2A1B1B2B1B2B1B2ppppppRTzDpppppppRTzDpNAS1S2S1S2Smlnccccc)(A2A1SmAcczcDcN積分式積分式)(A2A1BmAppRTzpDpN積分式積分式液相：液相：（4 4）討論）討論1 1）組分）組分A A

33、的濃度與擴散距離的濃度與擴散距離z z為指數關系為指數關系 Bmpp2 2）Smcc、漂流因數，無因次漂流因數，無因次 B1B2B1B2Bmlnppppp漂流因數意義漂流因數意義：其大小反映了總體流動對傳質速率的：其大小反映了總體流動對傳質速率的影響程度，其值為總體流動使傳質速率較單純分子擴影響程度，其值為總體流動使傳質速率較單純分子擴 散增大的倍數。散增大的倍數。 1Bmpp1Smccu漂流因數的影響因素：漂流因數的影響因素： 濃度高，漂流因數大，總體流動的影響大。濃度高，漂流因數大，總體流動的影響大。 低濃度時，漂流因數近似等于低濃度時，漂流因數近似等于1，總體流動的影響，總體流動的影響小

34、。小。 3）單向擴散體現在吸收過程中。）單向擴散體現在吸收過程中。擴散系數擴散系數擴散系數的意義：單位濃度梯度下的擴散通量，擴散系數的意義：單位濃度梯度下的擴散通量，反映某組分在一定介質中的擴散能力，是物質特反映某組分在一定介質中的擴散能力，是物質特性常數之一；性常數之一；D，m2/s。 D的影響因素：溶質的影響因素：溶質A、惰性組分、惰性組分B、T、P、濃度濃度D的來源：查手冊；半經驗公式；實驗測定的來源：查手冊；半經驗公式；實驗測定（1 1）氣相中的）氣相中的D D范圍：范圍：1010-5-51010-4-4m m2 2/s /s 經驗公式經驗公式D pDTpTDpTfD )(75. 1，

35、（2 2）液相中的）液相中的D D范圍：范圍：1010-10-101010-9-9m m2 2/s /s D DTTDTfD )( ，渦流擴散：流體作湍流運動時，若流體內部存在濃渦流擴散：流體作湍流運動時，若流體內部存在濃度梯度，流體質點便會靠質點的無規則運動，相互度梯度，流體質點便會靠質點的無規則運動，相互碰撞和混合，組分從高濃度向低濃度方向傳遞，這碰撞和混合，組分從高濃度向低濃度方向傳遞，這種現象稱為渦流擴散。種現象稱為渦流擴散。 zcDJeeddA,AeJ,A渦流擴散速率，渦流擴散速率，kmol/(m2s)； eD渦流擴散系數，渦流擴散系數，m2/s。注意：渦流擴散系數與分子擴散系數不同

36、，不是物性注意：渦流擴散系數與分子擴散系數不同，不是物性 常數，其值與流體流動狀態及所處的位置有關常數，其值與流體流動狀態及所處的位置有關 。總擴散通量：總擴散通量：zc)D(DJeddAA 由由W.K.Lewis 和和 W.G.Whitman 在上世紀二十年代提出，在上世紀二十年代提出，是最早出現的傳質理論。雙膜理論的基本論點是：是最早出現的傳質理論。雙膜理論的基本論點是： 相互接觸的兩流體間存在著穩定的相界面，界面兩側相互接觸的兩流體間存在著穩定的相界面，界面兩側各存在著一個很薄（等效厚度分別為各存在著一個很薄（等效厚度分別為 1 和和 2 ）的流體）的流體膜層。溶質以分子擴散方膜層。溶質

37、以分子擴散方 式通過此兩膜層。式通過此兩膜層。(2) 相界面沒有傳質阻力，相界面沒有傳質阻力，即溶質在相界面處的即溶質在相界面處的濃度處于相平衡狀態濃度處于相平衡狀態。(3) 在膜層以外的兩相主在膜層以外的兩相主流區由于流體湍動劇流區由于流體湍動劇烈，傳質速率高，傳烈，傳質速率高，傳質阻力可以忽略不計，質阻力可以忽略不計，相際的傳質阻力集中相際的傳質阻力集中在兩個膜層內。在兩個膜層內。 氣相主體氣相主體 液相主體液相主體 相界面相界面pi = ci / Hp 1 2pi ci c 氣氣膜膜液液膜膜兩相相內傳質速率可用下面的形式表達為：兩相相內傳質速率可用下面的形式表達為： igAppkNcck

38、NicABmGgpPRTDk1BmmLcccDk2DG、DL 溶質組分在氣膜與液膜中的分子擴散系數；溶質組分在氣膜與液膜中的分子擴散系數；P/pBm 氣相擴散漂流因子；氣相擴散漂流因子；cm/cBm 液相擴散漂流因子；液相擴散漂流因子； 1、 2 界面兩側氣液相等效膜層厚度，待定參數。界面兩側氣液相等效膜層厚度，待定參數。 雙膜理論將兩流體相際傳質過程簡化為經兩膜層的穩定分雙膜理論將兩流體相際傳質過程簡化為經兩膜層的穩定分子擴散的串聯過程。對吸收過程則為溶質通過氣膜和液膜子擴散的串聯過程。對吸收過程則為溶質通過氣膜和液膜的分子擴散過程。的分子擴散過程。 按雙膜理論，傳質系數與擴散系數成正比，這

39、與實驗所按雙膜理論，傳質系數與擴散系數成正比，這與實驗所得的關聯式地結果相差較大；得的關聯式地結果相差較大； 由此理論所得的傳質系數計算式形式簡單，但等效膜層由此理論所得的傳質系數計算式形式簡單，但等效膜層厚度厚度 1 和和 2 以及界面上濃度以及界面上濃度 pi 和和 ci 都難以確定；都難以確定； 雙膜理論存在著很大的局限性，例如對具有自由相界面雙膜理論存在著很大的局限性，例如對具有自由相界面或高度湍動的兩流體間的傳質體系，相界面是不穩定的，或高度湍動的兩流體間的傳質體系，相界面是不穩定的，因此界面兩側存在穩定的等效膜層以及物質以分子擴散因此界面兩側存在穩定的等效膜層以及物質以分子擴散方式

40、通過此兩膜層的假設都難以成立；方式通過此兩膜層的假設都難以成立； 該理論提出的雙阻力概念，即認為傳質阻力集中在相接該理論提出的雙阻力概念，即認為傳質阻力集中在相接觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計的概念，在傳觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計的概念，在傳質過程的計算中得到了廣泛承認，仍是傳質過程及設備質過程的計算中得到了廣泛承認，仍是傳質過程及設備設計的依據；設計的依據； 本書后續部分也將以該理論為討論問題的基礎。本書后續部分也將以該理論為討論問題的基礎。 吸收設備中進行的傳質過程為吸收設備中進行的傳質過程為吸收過程吸收過程，其傳質速率即為，其傳質速率即為吸收速率吸收速率，所對應的傳質速率

41、方程即為，所對應的傳質速率方程即為吸收速率方程吸收速率方程。 氣體吸收因過程的復雜性，傳質速率氣體吸收因過程的復雜性，傳質速率(吸收速率吸收速率)一般難以一般難以理論求解，但遵循現象方程所描述的物理量傳遞的共性規理論求解，但遵循現象方程所描述的物理量傳遞的共性規律。律。 根據推動力及阻力可寫出速率關系式，單獨根據氣膜或液根據推動力及阻力可寫出速率關系式，單獨根據氣膜或液膜的推動力及阻力寫出的速率關系式稱為膜的推動力及阻力寫出的速率關系式稱為氣膜或液膜吸收氣膜或液膜吸收速率方程式速率方程式，相應的吸收系數稱為，相應的吸收系數稱為膜系數或分系數膜系數或分系數，用，用k表示，與傳熱中的對流傳熱系數相

42、當。表示，與傳熱中的對流傳熱系數相當。 p傳遞速率傳遞速率 = 推動力推動力/阻力阻力 = 傳遞系數傳遞系數過程推動力過程推動力igAppkN 氣相氣相(氣膜氣膜)傳質速率方程傳質速率方程對于穩定吸收過程，可根據雙膜理論建立相際傳質速率方對于穩定吸收過程，可根據雙膜理論建立相際傳質速率方程程(總傳質速率方程總傳質速率方程)。類似于間壁式對流傳熱速率方程。類似于間壁式對流傳熱速率方程。 由于混合物的組成可用多種方式表示，對應于每一種表達由于混合物的組成可用多種方式表示，對應于每一種表達法都有與之相應的傳質速率方程。法都有與之相應的傳質速率方程。 液相液相(液膜液膜)傳質速率方程傳質速率方程cck

43、NicAigAppkNiyAyykNiYAYYkNkg 推動力為分壓差的氣相傳質系數，推動力為分壓差的氣相傳質系數，kmol/(s m2 kPa)；ky 推動力為摩爾分率之差的氣相傳質系數，推動力為摩爾分率之差的氣相傳質系數，kmol/(s m2)；kY 推動力為摩爾比濃度差的氣相傳質系數，推動力為摩爾比濃度差的氣相傳質系數，kmol/(s m2)；p、y、Y 溶質溶質A在氣相主體的分壓在氣相主體的分壓(kPa)、摩爾分率和摩爾摩爾分率和摩爾比；比；pi 、yi、Yi 溶質溶質A在界面氣相側的分壓在界面氣相側的分壓(kPa)、摩爾分率和摩爾分率和摩爾比。摩爾比。 氣相傳質速率方程常用的表達形式

44、有三種氣相傳質速率方程常用的表達形式有三種 氣相液相相界面相界面yi xi yi =fe(xi)yx不同形式的傳質速率方程物理意義一樣，都代表單位時間不同形式的傳質速率方程物理意義一樣，都代表單位時間內通過單位界面面積傳遞的溶質內通過單位界面面積傳遞的溶質 A 的量；的量；傳質系數與傳質推動力的表達方式有關，其倒數表達的是傳質系數與傳質推動力的表達方式有關，其倒數表達的是氣相傳質阻力；氣相傳質阻力；注意：注意：不同單位的傳質系數數值不同，但可根據組成表示不同單位的傳質系數數值不同，但可根據組成表示法的相互關系進行換算。法的相互關系進行換算。例：例：當氣相總壓不很高時，根據道爾頓分壓定律當氣相總

45、壓不很高時，根據道爾頓分壓定律 p=Py，有有 對對 y 值較小的低濃度吸收：值較小的低濃度吸收： )()()(iyigigAyykyyPkppkNgyPkk )1)(1 (iyYYYkkYykk gYPkk 液相傳質速率方程常用的表達形式也有三種液相傳質速率方程常用的表達形式也有三種 kc 推動力為摩爾濃度差的液相傳質系數，推動力為摩爾濃度差的液相傳質系數，m/s；kx 推動力為摩爾分率之差的液相傳質系數，推動力為摩爾分率之差的液相傳質系數，kmol/(s m2)；kX 推動力為摩爾比之差的液相傳質系數，推動力為摩爾比之差的液相傳質系數，kmol/(s m2)；c、x、X 溶質溶質A在液相主

46、體的摩爾濃度、摩爾分率和摩在液相主體的摩爾濃度、摩爾分率和摩爾比濃度；爾比濃度；ci、xi、Xi 溶質溶質A在界面液相側的摩爾濃度、摩爾分率和在界面液相側的摩爾濃度、摩爾分率和摩爾比濃度。摩爾比濃度。 )(cckNicA)(xxkNixA)(XXkNiXA氣相液相相界面相界面yi xi yi =fe(xi)yx三個液相傳質系數的倒數也分別為傳質推動力以不同組成三個液相傳質系數的倒數也分別為傳質推動力以不同組成表示法表達時的液相傳質阻力。表示法表達時的液相傳質阻力。同樣，根據各種表示法的相互關系可推得同樣，根據各種表示法的相互關系可推得 式中式中 cm 為液相的總摩爾濃度。為液相的總摩爾濃度。c

47、mxkck )1)(1 (ixXXXkkxXkkcmXkck液相濃度很低時：液相濃度很低時： 在氣、液兩相內傳質速率的計算中，推動力項中含有溶質在氣、液兩相內傳質速率的計算中，推動力項中含有溶質在相界面的濃度在相界面的濃度 yi 和和 xi ，可用計算方法或作圖法得出。可用計算方法或作圖法得出。計算法：計算法：對穩定的吸收過程，氣、液兩相內傳質速率應相等。若兩對穩定的吸收過程，氣、液兩相內傳質速率應相等。若兩相濃度均以摩爾分數表示，有相濃度均以摩爾分數表示，有 當當 kx 和和 ky 為定值時，在直角坐標系中為定值時，在直角坐標系中 yixi 關系是一條過關系是一條過定點（定點（x,y）而斜率

48、為而斜率為 -kx/ky 的直線。的直線。 )()(xxkyykNixiyAyxiikkxxyy根據雙膜理論，界面處根據雙膜理論，界面處 yixi 應滿足相平衡關系：應滿足相平衡關系：若已知相平衡關系式以及氣、液相傳質系數若已知相平衡關系式以及氣、液相傳質系數 ky、kx，將上兩將上兩式聯立就可求得當氣、液相主體摩爾分率為式聯立就可求得當氣、液相主體摩爾分率為 y、x 時所對應時所對應的界面處氣、液相摩爾分率的界面處氣、液相摩爾分率 yi、xi。 ieixfy 作圖法：作圖法：yxoy*=f(x)斜率=-kx/kyyxy*x*xiyiA氣相液相相界面yi xi yi =fe(xi)yxiyxi

49、xxkkyy ieixfy yi、xi 為直線為直線 與平衡線與平衡線 的交點的交點坐標，直線上坐標，直線上 A 點坐標為與之對應的氣、液主體流的摩爾點坐標為與之對應的氣、液主體流的摩爾分數分數 y、x。 傳遞過程的傳遞過程的阻力具有加和性阻力具有加和性。若以雙膜理論為依據，則吸收過程的傳質總阻力是氣相傳質若以雙膜理論為依據，則吸收過程的傳質總阻力是氣相傳質阻力與液相傳質阻力之和阻力與液相傳質阻力之和(相界面無阻力相界面無阻力)。總傳質速率為總傳質推動力總傳質速率為總傳質推動力(y-y*)與總的傳質阻力與總的傳質阻力(1/Ky)之比。之比。相平衡關系為直線相平衡關系為直線 對稀溶液，物系的相平

50、衡關系服從亨利定律對稀溶液，物系的相平衡關系服從亨利定律 y*=mx。*yykmNixAiyAyykNxyxyiiAkmkyykmkyyyyN11*xyykmkK11*1yyKKyyNyyA氣相：氣相： 液相：液相： 相際：相際： 比較可得：比較可得： 以氣相為基準的總傳質速率方程以氣相為基準的總傳質速率方程*yyKNyAKy 是以是以 (y-y*) 為推動力的總傳質系數，單位為為推動力的總傳質系數，單位為 kmol/(s m2)，其倒數為氣、液兩相傳質總阻力。其倒數為氣、液兩相傳質總阻力。總傳質系數總傳質系數 Ky（相際傳質系數）與相內傳質系數相際傳質系數）與相內傳質系數 kx、ky 的的關系式，實質表達了總傳質阻力關系式，實質表達了總傳質阻力 1/Ky 等于氣相傳質阻力等于氣相傳質阻力 1/ky 與液相傳質阻力與液相傳質阻力 m/kx 之和。之和。因為總阻力因為總阻力 1/Ky 以氣相為基準，所以液相阻力以氣相為基準，所以液相阻力 1/kx 需乘以需乘以換算系數換算系數 m。 (yi-y*) 項是與液相傳質推動力項是與液相傳質推動力 (xi-x) 相對應的，可以看作是相對應的，可以看作是以氣相濃度差的形式等價表示的液相傳質推動力。氣、液以氣相濃度差的形式等價表示的液相傳質推動力。氣、液傳質總推動力為兩相的相內傳質推動力之和。傳質總推動力