物质传递过程 物质传递过程(传质过程)—物质以扩散方式从一相转移到另一相的过程, 即物质在相间的转移过程。 如:气液相间的传质过程:蒸馏、吸收 液液相间的传质过程:萃取 气液固相间传质过程:干燥 第五章吸收 第一节概述 吸收操作依据——是利用气体混合物中各组分在液体中溶解度的差异而使 气相各组分分离的操作。 吸收质(或溶质)A—CO2,SO2等 惰性气体(或载体)B—空气 吸收剂(或溶剂)S——H2O,NaOH等 二、吸收在化学工业上的应用——分离目的 1.回收或捕获气体混合物中的有用物质,制取产品 2.净化、精制气体 三、吸收剂选择的评价依据 1.对溶质溶解度大,选择性高 2.溶剂蒸汽压低,挥发损失少 3.溶剂粘度低,操作中不易起泡沫
1 物质传递过程 物质传递过程（传质过程）——物质以扩散方式从一相转移到另一相的过程， 即物质在相间的转移过程。 如：气液相间的传质过程：蒸馏、吸收 液液相间的传质过程：萃取 气液固相间传质过程：干燥 第五章 吸收 第一节 概述 一、吸收操作依据——是利用气体混合物中各组分在液体中溶解度的差异而使 气相各组分分离的操作。 吸收质（或溶质） A ——CO2，SO2 等 惰性气体（或载体）B ——空气 吸收剂（或溶剂） S ——H2O，NaOH 等 二、吸收在化学工业上的应用——分离目的 1． 回收或捕获气体混合物中的有用物质，制取产品 2． 净化、精制气体 三、吸收剂选择的评价依据 1. 对溶质溶解度大，选择性高 2. 溶剂蒸汽压低，挥发损失少 3. 溶剂粘度低，操作中不易起泡沫
4.溶剂化学稳定性好,不易变质 5.溶剂易得、价廉、无毒、难然等经济安全条件 6.溶剂易再生回收,循环使用——解吸操作(使溶质从溶液中脱除的过程) 四、吸收过程分类 物理吸收——溶剂与溶质结合力弱,但解吸容易。例:H2O吸收CO 化学吸收——溶剂溶液由化学键力结合,不易解系。 例:k2CO3溶液吸收CO NaOH溶液吸收CO2,H2S,SO2等 多组合吸收 单组分吸收 等温吸收——当溶质量少,溶剂量多,吸收时温度变化小 变温吸收——吸收过程由有溶解热、反应热产生,使温度升高 本章研究的是单组分、等温、物理吸收 五吸收装置 吸收是溶质从气相转移到液相的过程,一般在塔设备中进行 条件:1要求推动力大,传质速度快般要求逆流操作 2要求气液接触面积大,在塔内可充分接触 板式塔——气液两相在塔板上错流接触(逐级接触式) 填料塔——气液两相在塔内逆流接触(微分接触式
2 4. 溶剂化学稳定性好，不易变质 5. 溶剂易得、价廉、无毒、难燃等经济安全条件 6. 溶剂易再生回收，循环使用——解吸操作（使溶质从溶液中脱除的过程） 四、吸收过程分类 物理吸收——溶剂与溶质结合力弱，但解吸容易。例：H2O 吸收 CO2 化学吸收——溶剂溶液由化学键力结合，不易解系。 例：k2CO3 溶液吸收 CO2， NaOH 溶液吸收 CO2，H2S，SO2等 多组合吸收 单组分吸收 等温吸收——当溶质量少，溶剂量多，吸收时温度变化小 变温吸收——吸收过程由有溶解热、反应热产生，使温度升高 本章研究的是单组分、等温、物理吸收 五 吸收装置—— 吸收是溶质从气相转移到液相的过程，一般在塔设备中进行。 条件：1 要求推动力大，传质速度快——一般要求逆流操作； 2 要求气液接触面积大，在塔内可充分接触。 板式塔——气液两相在塔板上错流接触（逐级接触式） 填料塔——气液两相在塔内逆流接触 （微分接触式）
EH+ EAh 气体混合物
3 吸收剂 气体混合物 吸收剂 气体混合物
第二节气液相平衡 本节主要讨论气液两相的平衡关系通过平衡关系可以指出吸收过程能否进 行,判定进行的方向及过程的极限
4 第二节 气液相平衡 本节主要讨论气液两相的平衡关系，通过平衡关系可以指出吸收过程能否进 行，判定进行的方向及过程的极限
平衡溶解度——气液两相达到平衡时,溶质在液相中的浓度,CA* 平衡分压—气液两相达到平衡时,溶质在气相中的分压,P* 溶解度曲线—在一定温度下,溶质的平衡分压与在液相中浓度间的关系。 NH3 30/10℃ 由上图可知,要得到一定浓度的溶液,易溶气体所需分压低,难溶气 体所需分压高,即p*o2>p*02>P*wH3,溶解程度NH3>SO>O2 判别过程的方向 P Q 图。判别过程的方向 气体溶解于液相,关键在于气相中被吸收组分的分压pA 当pA→pA*,C1*>CA吸收操作 p」<pA*,CA*<C4解析操作
5 一、平衡溶解度——气液两相达到平衡时，溶质在液相中的浓度，CA* 平衡分压 ——气液两相达到平衡时，溶质在气相中的分压， pA * 溶解度曲线——在一定温度下，溶质的平衡分压与在液相中浓度间的关系。 由上图可知，要得到一定浓度的溶液，易溶气体所需分压低，难溶气 体所需分压高，即 p*O2>p*SO2>p*NH3，溶解程度 NH3>SO2>O2 1．判别过程的方向 气体溶解于液相，关键在于气相中被吸收组分的分压 pA 当 pA>pA *，CA*>CA 吸收操作 pA<pA*，CA*<CA 解析操作 p* cA (或 xA) O2 SO2 NH3 (30℃) (10℃) 图。平衡溶解度 pA pA* P xA xA* pA pA* xA* xA Q 图。判别过程的方向
过程的推动力:气相推动力pA-p* 液相推动力CA*-CA 过程的极限:气液两相达到相平衡关系(动态平衡,即吸收速率=解吸速率) 相律 自由度F=C+2 对于吸收操作,组分数C=3,相数φ2 F=3-2+2=3 独立变量数为3——压力P,温度T,气相中溶液分压PA或液相浓度CA 实验发现在总压为几个大气压范围内,对平衡关系影响不大 而温度升高,溶解度降低。 二、亨利定律 1.相组成表示法 气相组成表示y,Y,PP,CM 液相组成表示—x,X,,CA,CM 摩尔浓度——单位体积混合物中所含溶质的kmol数 n kmol/m1 n,+ kmol 摩尔分数——xA (液相中) n,+n (气相中) n +n
6 过程的推动力：气相推动力 pA−pA* 液相推动力 CA*−CA 过程的极限：气液两相达到相平衡关系（动态平衡，即吸收速率=解吸速率） 2．相律： 自由度 F =C-ф+2 对于吸收操作，组分数 C=3，相数 ф=2 ∴F=3-2+2=3 独立变量数为 3——压力 P，温度 T，气相中溶液分压 pA 或液相浓度 CA 实验发现在总压为几个大气压范围内，对平衡关系影响不大； 而温度升高，溶解度降低。 二 、亨利定律 1．相组成表示法 气相组成表示——y，Y，p, P，C`M 液相组成表示——x，X,，CA，CM 摩尔浓度——单位体积混合物中所含溶质的 kmol 数 CA= V nA [ kmol/m3 ] CM= V nA + nS [ kmol/m3 ] 摩尔分数—— xA= A S A n n n + (液相中) yA= + A B A n n n （气相中）
比摩尔分数——X (液相中) Y (气相中) X 道尔顿定律pA=yA·P n4+ns(A与S的总质量/M CME (液相中) 当稀溶液,ⅹ很小时,CM≈ 2.亨利定律——对多数气体稀溶液的溶解度曲线,在气压不高的情况下( 般约小于500kPa)是为一直线。也即溶质在液相中的浓度与气 相中的平衡分压成正比。 (1)p*=Ex E亨利系数,kP (2) H-溶解度系数, kmol/m3kPa (3)y 相平衡常数 (4 1+(1-m)X 对于稀溶液,X很小,分母趋于1 Y*≈mX
7 比摩尔分数—— S A n n X = (液相中) = B A n n Y （气相中） X x x − = 1 ， y y Y − = 1 ， Y Y y + = 1 ， X X x + = 1 道尔顿定律 pA= yA P CA= xA CM CM= V M A S M V n n A S L = = + （ 与 的总质量）/ （液相中） 当稀溶液，xA 很小时， S S M M C 2．亨利定律——对多数气体稀溶液的溶解度曲线，在气压不高的情况下（一 般约小于 500kPa）是为一直线。也即溶质在液相中的浓度与气 相中的平衡分压成正比。 （1）p* =Ex E-亨利系数，kPa （2）p* = H CA H-溶解度系数，kmol/m3 ·kPa （3）y* =mx m-相平衡常数 （4） m X mX Y 1 (1 ) * + − = 对于稀溶液，X 很小，分母趋于 1， ∴ Y* mX
各常数E,H,m都是表示溶解度的程度 对易溶溶质:E小,m小,H大, 对难溶溶质:E大,m大,H小。 三、亨利定律中各系数间的关系 第三节吸收过程的速率 吸收过程的三个步骤:(对比传热过程) 溶质由气相主体传递到相界面气相一侧(气相内物质传递) 2溶质跨越相界面—一溶解而进入液相 3溶质由界面液相一侧转移到液相主体(液相内物质传递) 由传质角度来考虑,为二种情况
8 各常数 E，H，m 都是表示溶解度的程度， 对易溶溶质：E 小，m 小，H 大， 对难溶溶质：E 大，m 大，H 小。 三、亨利定律中各系数间的关系 第三节 吸收过程的速率 吸收过程的三个步骤：（对比传热过程） 1 溶质由气相主体传递到相界面气相一侧（气相内物质传递） 2 溶质跨越相界面——溶解而进入液相 3 溶质由界面液相一侧转移到液相主体（液相内物质传递） 由传质角度来考虑，为二种情况
1物质在一相内部传递——单相中的物质传递 2界面上的溶解——般溶解阻力很小,界面两侧的浓度满足相平衡关系 单相内传质的基本方式 1分子扩散——由于流体内部存在着浓度差,分孑的微观运动使组分由高 浓度向低浓度转移,直到相等; 一般体现在静止流体、以及流体作层流时与流体流动相垂直 的方向上 2湍流扩散——流体的宏观流动导致质点位移,伴有漩涡 流体与某一界面之间的传质,其中包括分子扩散和湍流扩散,统称对流扩散 一、双组分混合物中的分子扩散 分子扩散实质是分子的微观随机运动 对恒温恒压下双组分(A、B)的一维定态扩散,其统计规律可表达如下—一 费克定律 dc D J4—扩散速率, kmol/m2s DA—A在双组分混合物中扩散系数,m2/s 组分A在扩散方向Z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 对于理想气体:C=n=P
9 1 物质在一相内部传递——单相中的物质传递 2 界面上的溶解——一般溶解阻力很小，界面两侧的浓度满足相平衡关系 单相内传质的基本方式 1 分子扩散——由于流体内部存在着浓度差，分子的微观运动使组分由高 浓度向低浓度转移，直到相等； 一般体现在静止流体、以及流体作层流时与流体流动相垂直 的方向上 2 湍流扩散——流体的宏观流动导致质点位移，伴有漩涡 流体与某一界面之间的传质，其中包括分子扩散和湍流扩散，统称对流扩散 一、双组分混合物中的分子扩散 分子扩散实质是分子的微观随机运动 对恒温恒压下双组分（A、B）的一维定态扩散，其统计规律可表达如下—— 1．费克定律 dZ dC J D A A = − AB A J ——扩散速率，kmol/m2·s DAB———A 在双组分混合物中扩散系数，m2 /s dZ dCA ——组分 A 在扩散方向 Z 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 对于理想气体： RT p V n C A A = =
DAB中 rt d R——摩尔气体常数,8.314kJ/ kolk 比较:表明三个传递的相似性 费克定律 牛顿粘性定律傅立叶定律 du O dt q A 对于双组分混合物,在产生A的扩散流J的同时,必定伴有大小相同 方向相反的B的扩散流,按费克定律 D 分子扩散系数D——表示物质在介质中扩散能力,是物质的一种传递性质。 其值受温度、压强、组分浓度的影响。 气相扩散系数D=0.1~10cm2/s 液相扩散系数D=1×105~5×105cm2/s 2.分子扩散和主体流动(整体移动) 在定态传质过程中,气液界面气相一侧 气 有一厚度为δ的静止(或层流)内层 相 气层内各处总压相等 Pu+ pBI=P +pRi=P 八”十+|二
10 dZ dp RT D J RT dp dC AB A A A A = − = R——摩尔气体常数，8.314 kJ/kmol·K 比较：表明三个传递的相似性 费克定律 牛顿粘性定律 傅立叶定律 dZ dC J D A A = − AB dy du = − dn dt A Q q = = − 对于双组分混合物，在产生 A 的扩散流 A J 的同时，必定伴有大小相同、 方向相反的 B 的扩散流，按费克定律： = − = − A = B B BA J dZ dC J D dZ dC D A AB 分子扩散系数 D——表示物质在介质中扩散能力，是物质的一种传递性质。 其值受温度、压强、组分浓度的影响。 气相扩散系数 D=0.1~1.0 cm2 /s 液相扩散系数 D=1×10-5~5×10-5 cm2 /s 2．分子扩散和主体流动（整体移动） 在定态传质过程中，气液界面气相一侧 有一厚度为 的静止（或层流）内层。 气层内各处总压相等 pA1 + pB1 = pAi + pBi = P 界面 气 相 主 体 液 相 NAM NBM JA JB 图。分子扩散和主体流动