第八章 传质过程导论 第九章 气体吸收
第九章 传质--吸收
A
B
1 2
pA2 pB2
假定：pA1> pA2
pB1< pB2 pA1+ pB1= pA2 + pB2 =P
p
P
在总压相同的情况下，联通管内任一截面上单位时间单位 面积上向右传递的A分子的数量与向左传递的B分子的数量必 定相等，此现象称为等摩尔对向扩散。
对于等摩尔对向扩散
JA= - JB
在任一固定的空间位置垂直于扩散方向的截面上，单位时
间通过单位面积的A物质的量，称为A的传递速率，以NA表示。 对于单纯的等摩尔对向扩散，物质A的传递速率应等于A的
扩散通量。
N N N
A
J A D AB
z
dC A dz dcA
cA2
A
dz
0
D AB
c A1
A
D AB z
( c A1 c A 2 )
N A J A DAB
J A JB 0
cDAB dx A dz
cDBA
dxB dz
0
DAB DBA
由A、B两种气体所构成的混合物中，A与B的扩散系数相等。
9.2C 稳态分子扩散
在食品生产过程中，广泛存在着稳态的传质过程。下面讨论 两种一位稳态分子扩散。
1. 稳态下气体的等摩尔对向扩散
pA1
pB1
9.1 传质概述
1. 传质与扩散
物质传递的三个步骤：
扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散） 在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质） 进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相
中的扩散）
传质是一个速率过程，其推动力本身是组分的化学势差，
化工原理,第8-9章
第八章 传质过程导论第一节 概述8-1 化工生产中的传质过程均相物系的分离（提纯，回收）1.吸收2.气体的减湿3.液－液萃取4.固－液萃取（浸沥，浸取）5.结晶6.吸附（脱附）7.干燥 8精馏 目的：湿分离或混合8-2 相组成的表示法1. 质量分率和摩尔分率m m a A A =m ma B B = mm a C C = ………. ......+++=C B A m m m mA,B 两组分 a a -1 n n x A A =n nx B B = nn x C C = ……. ......+++=C B A n n n n .......1+++=C B A x x x互换 A A A A A m m a m m x ==BB B m ma x = ……. ∑=++=i i i B B A A m a m m m a m m a n ...... ()....,,C B A i = 故 ∑==i iiAAA A m a m a n n x iiiA A A m x m a a ∑=2.质量比和摩尔比质量比 B A m m a /=摩尔比 B A n n X =()a a a -=1 ()x x X -=1()X X x -=13．浓度质量浓度 V m C A A = 3/m kg摩尔浓度 V n C A A = 3/m k m o l均相混合物的密度ρ即为各组分质量浓度的总和（体积与混合物相等）∑=++=i B A C C C ........ρρA V ma V m C A A A ===C x V n x V n C A A A A ===混合气体 RTp V n C A A A ==RTp M V n M V m C AA A A A A ===气体总摩尔浓度 RTpV n C ==摩尔分率与分压分率相等 pp n n y AA A ==气体混合物摩尔比可用分压比表示 BB AA B B A A B A M p M p M n M n n n Y ===第二节 扩散原理8-3 基本概念和费克定律分子扩散： 扩散速率与浓度梯度成正比 费克定律： 对双组分物系下表达为： dzdl D J AABA -= A J —分子A 的扩散通量 s m kmol ⋅2/ 方向与浓度样应相反 AB D —比例系数 组分A 在介质B 中的扩散系数 s m /2A c —组分A 浓度，3/m kmoldz dc A —组分A 的浓度梯度 4/m kmol RT p c A A =得 dzdp RT D J AAB A -= 定义A J 通过得截面是“分子对称”得，即有一个A 分子通过某一截面，就有一个B 分子反方向通过这一截面，填补原A 分子得空部位，这种分子对称面为固定时，较为简便。
化工原理答案
管段时的温度为 40℃。假定空气只向水膜传热且水膜厚度可忽略，试以柯尔
本类比求空气流过该管段的压降及水汽化的传质系数。已知管段内空气的 Pr
＝0.70、Sc＝0.6l。
解： tm
=
t1
+ t2 2
=
47
+ 2
40
=
43.5 ℃
ρ = PM =
101.3 × 29
= 1.116kg / m3
RT 8.314 × (273.15 + 43.5)
+
25)
=
92.1kpa
第2 页
(2)刚开始接触时的总传质推动力为：
第九章 吸收
pG − pe = 101.3× 0.2 − 0 = 20.26kpa
a'= 0.0162 ×154 = 0.087 (1 − 0.0162) × 29
第1 页
第八章 传质过程导论
C = yp = 0.0162 ×1013 = 6.58 ×10−3 kmol / m3 RT 8.314 × 300
(2) a − a ' ×100% = 0.15 − 0.087 ×100% = 42%
x －氧在液相中的摩尔分率。
试求在此温度与压力下、空气与水充分接触后，水中氧的最大浓度(分别以
g / m3 及 Nm3 / m3 表示)。氧在空气中的体积百分率为 21％。注：1atm＝
101.3kPa。
解： x = pe = 0.21 = 6.42 ×10−6 3.27 ×104 3.27 ×104
压缩后开始冷凝前： a = 0.131， a = 0.15
C = yp = 0.0276 ×1013 = 1.07 ×10−2 kmol / m3 RT 8.314 × 313
化工原理-3-第八章-气体吸收精品PPT课件
解：求H
PA*
CA H
C A 0.582 kmol m3 ，PA 800Pa
故：H
CA PA*
0.582 0.8
0.7275 kmol m3.kPa
求E E PA* xA
xA
CA CA CS
E
0.8 0.01048
0.582
0.582
1000 0.582 17 18.02
76.33 kPa
0.01048求mFra bibliotekm y x
y PA 0.8 7.897 103 P 101.3
m 0.761
8.3 吸收过程模型及传质速率方程 8.3.1双膜模型
一、吸收过程 吸收过程物理模型：
图（b）中y、x分别表示气相、液相主体浓度；yi、xi分别 表示在相界面处气、液两相的浓度。
以气、液相界面为准，A在相际间的传质过程由以下三步串联而成：
E的含义：
①其数值大小由物系特性和温度决定； ②当物系（溶质、溶剂）一定时，其值随温度的上升而增大； ③由实验测定。
二、不同表达形式
由于气、液两相组分浓度可有不同的表示方法，因而亨利定律也有 不同的形式。
1、溶解度系数H
如溶质在液相中的浓度用物质的量浓度CA表示，则亨利定律：
PA*
CA H
式中：CA为单位体积溶液中的溶质的物质量，kmol/m3； H称为溶解度系数，kmol/m3.Pa。
①一般易溶气体，如NH3、HCl等气体，平衡线斜率m 较小，吸收过程通常呈现气相阻力控制；
②难溶气体，如CO2、O2等，由于其溶解度小，平衡 线斜率m大，吸收过程多呈现液相阻力控制
4、改变阻力大小的方法
实际吸收过程的阻力通常多是气相和液相各占一定的比例，且受 气、液两相流动状态影响甚大。通常：
第八章 传质过程导论
反应速度性质 反应速度常数
热力学性质 反应平衡常数、化学吸附平衡常数
、离解常数、电离电位
生物学
生物学亲和力、生物学吸附平衡、生物学反应速度常数
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内容总结
第八章 传质过程导论。周二下午3：00－4：30,化工楼化工原理教研室312。非均相物 系：含尘气体、悬浮液－(分散相、连续相)。非均相物系分离依据－物理性质的差别,将不同 的相分开。（3）从空气中制取指定纯度的O2、N2、Ar等。（4）在石油炼制中，将原油分 为汽油、煤油、柴油、 润滑油等一系列产品。（5）合成氨原料气含有H2、N2、CO及CO2 等，脱除CO2。与板式塔相比，填料塔具有以下特点：。压力降小，持液量小
xAwA/MAwAw /M B/AMB
wAxAMAx AxM BM A B
X
x
1 x
思考3：双组分均相物系中，x与X的关系？w与的 关系？
w w 1 w
x X 1 X
cA xAc
思考4：xA与cA的关系？wA与A的关系？
A wA
w
w w 1 w
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14
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思考5：cA与A的关系？ c n P V RT
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第一节 概述
一、化工生产中的常规分离方法
气 相 （ 乙 醇 -水 ）
乙醇
水
水
液 相 （ 乙 醇 -水 ）
空气 湿物料
蒸馏
CG 液相主体
相界面 Ci
苯
液相主体 传质方向
CL
煤焦油（含苯酚） 液液萃取
干燥
化工原理知识点
ln 1
S
yb ya
ya ya
S
（2）对数平均推动力法
NOG
yb ya ym
ym
yb ln
ya yb
ya
15. 气相总传质单元高度 HTU：h0 HOG NOG （流动状况、物系、填料特性和操作条件）
越小越好 16.判断脱吸、吸收
第 10 章 蒸馏 1. 蒸馏：利用各组分挥发度的差异将均相液体混合物加以分离的单元操作
1. 萃取：利用液体混合物中各组分在外加溶剂中溶解度的差异而分离该混合物的操作 2.萃取剂的选择：对溶质溶解性大、选择性好、B 与 S 互溶度越小越好、萃取剂易于回收、 萃取相与萃余相密度差异大
3.溶解度曲线：分为两相区（下方）和均相区（上方）。随着 S 萃取剂增多，溶解度增大， 向均相区移动
4. 分配系数 kA：斜率或 kA 越大，越有利于萃取分离，与溶解度系数类似 5. 选择性系数β：β＞1，与α类似
（1） cA H pA 溶解度系数， kmol/(m3·Pa) T 增大，H 减小 P 在几个大气压范围
内对 H 影响可忽略。其他情况下，一般 P 增大，H 增大 H 越大，表明在相同的 pA 下 cA* 越大，故越易溶。
（2）E C H
越难溶
亨利系数，Pa
T 增大，E 增大；P 对 E 影响可忽略 pA ExA E 越大，
第 9 章 吸收 1. 吸收：利用气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来分离气体混合物的操作 2.吸收的应用：原料气的净化、回收有用的组分、某些产品的制取、废气的治理
3. 回收率 Yb Ya 1 Ya
Yb
Yb
第八章 传质过程导论
几点说明：
A、与导热不同，分子扩散的特点是：当一个 分子沿扩散方向移去后，留下的空位由其他分 子填空。 B、对JA的定义是通过“分子对称”的截面： 既有一个净A分子通过这截面，也有相等的净 B分子反方向通过同一截面，填补A的净空位。
C、分子对称面在空间上既可以是固定，也可 以是移动的。
费克定律同傅利叶定律及牛顿粘性定律
热量传递（热量扩散）
dQ dA t
n
（热量通量）= -（热量扩散系数）×（热量浓度梯度）
（通量）= -（扩散系数）×（浓度梯度）
分子传递基本定律，在固体中、静止或层流流动的流体内才会产生这种传 递过程。
质量传递（扩散）？
？
（质量通量）= -（质量扩散系数）×（质量浓度梯度）
简单回顾3：
总体 N A J A J B Nb Nb
1 PA1
AB
1’
JA
Nb
JB
F
F’
NA,b NB,b
PA2 2
AB 2’
总体流动通量Nb与A穿过界面2-2’的
Z
传质通量NA相等
NA
由组分B的恒算式
Nb
c cB
JB
c cB
JA
代入组分A恒算式得
NA
JA
cA c
c
cB
JA
1
cA cB
J A
液相 A+B
相界面
气相 A+B
A 精馏
B
分离依据
利用液相各组分 的挥发度差异
传质推动力
ΔP、ΔC Δy 、Δx
吸附和干燥过程
相界面
气液相
固相
A+B
C
A 吸附
化工原理第九章气体吸收的基本概述
1 11
K x mk y kx
1 1 m Ky ky kx
mK y K x
吸收传质理论与传质速率方程
吸收传质理论与传质速率方程
相平衡关系为曲线
设平衡曲线段 PQ 与 QR 的割线的斜率分别为 mL 和 mG
y
斜率
=-kx/ky y*=f(x)
y A
R
mG
yi
mL
Q
y*
P
o
x
xi x* x
[例题]
气相传质阻力占总阻力的比例
1
1
ky 5.31104 89.3%
1
1
K y 4.74104
液相传质阻力占总阻力的比例
m
1.2
kx 5.33103 10.7%
1
1
K y 4.74104
作业
第56页： 9.4
和比摩尔分数。
吸收传质理论与传质速率方程
注意：气相传质系数虽然单位不同，数值也不同，但可根 据组成表示法的相互关系进行换算。 例：根据 p=Py，有
N A kg ( p pi ) kg P( y yi ) k y ( y yi )
k y Pk g
kY
ky (1 Y )(1 Yi )
X)
Xi 1
X kX
吸收传质理论与传质速率方程
同样，根据各种表示法的相互关系可推得
kX cmkc
kX
(1
kx X )(1 X i )
式中 cm 为液相的总摩尔浓度。 液相浓度很低时：
kX kx kx cmkc
对流传质系数
Sh f (Re,Sc )
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第八章传质过程导论
第九章气体吸收
1-1 吸收过程概述与气液平衡关系
1-1 在25℃及总压为101.3kPa的条件下，氨水溶液的相平衡关系为p*=93.90x kPa。
试求
(1) 100g水中溶解1g的氨时溶液上方氨气的平衡分压和溶解度系数H；
(2) 相平衡常数m。
1-2 已知在20℃和101.3kPa下，测得氨在水中的溶解度数据为：溶液上方氨平衡分压为0.8kPa时，气体在液体中溶解度为1g (NH3)/1000g(H2O)。
试求在此温度和压力下，亨利系数E、相平衡常数m及溶解度系数H。
1-3 在总压为101.3kPa，温度为30℃的条件下，含有15%（体积%）SO2的混合空气与含有0.2%（体积%）SO2的水溶液接触，试判断SO2的传递方向。
已知操作条件下相平衡常数m=47.9。
1-2 传质机理
1-4 组分A通过厚度为的气膜扩散到催化剂表面时，立即发生化学反应：，生成的B离开催化剂表面向气相扩散。
试推导稳态扩散条件下组分A、B的扩散通量及。
1-5 假定某一块地板上洒有一层厚度为1mm的水，水温为297K，欲将这层水在297K的静止空气中蒸干，试求所需时间为若干。
已知气相总压为101.3kPa，空气湿含量为0.002kg/（kg 干空气），297K时水的饱和蒸汽压为22.38 kPa。
假设水的蒸发扩散距离为5mm。
1-3 吸收速率
1-6 采用填料塔用清水逆流吸收混于空气中的CO2。
已知25℃时CO2在水中的亨利系数为1.66×105kPa，现空气中CO2的体积分率为0.06。
操作条件为25℃、506.6kPa，吸收液中CO2的组成为。
试求塔底处吸收总推动力∆p、∆c、∆ X和∆ Y。
1-7 在101.3kPa及20℃的条件下，在填料塔中用清水逆流吸收混于空气中的甲醇蒸汽。
若在操作条件下平衡关系符合亨利定律，甲醇在水中的溶解度系数H＝1.995kmol/(m3·kPa)。
塔内某截面处甲醇的气相分压为6kPa，液相组成为2.5 kmol/m3，液膜吸收系数k L=2.08×10-5m/s，气相总吸收系数K G＝1.122×105 kmol/(m2·s·kPa)。
求该截面处
(1) 膜吸收系数k G、k y及k x；
(2) 总吸收系数K L、K X及K Y；
(3) 气膜阻力占总阻力的百分数。
1-4 低浓度气体吸收的计算
1-8在101.3kPa、20℃下用清水在填料塔内逆流吸收空气中所含的二氧化硫气体。
单位塔截面上混合气的摩尔流量为0.02 kmol/ (m2·s)，二氧化硫的体积分率为0.03。
操作条件下气液平衡常数m为34.9，K Yα为0.056 mol/(m3·s)。
若吸收液中二氧化硫的组成为饱和组成的75%，要求回收率为98%。
求吸收剂的摩尔流速及填料层高度。
1-9已知某填料吸收塔直径为1m，填料层高度为4m。
用清水逆流吸收某混合气体中的可溶组分，该组分进口组成为8%，出口组成为1%（均为mol%）。
混合气流率为30kmol/h，操作液气比为2，操作条件下气液平衡关系为。
试求：
1. 操作液气比为最小液气比的多少倍；
2. 气相总体积吸收系数；
3. 填料层高度为2m处的气相组成。
1-10在101.3kPa及27℃下，在吸收塔内用清水吸收混于空气中的丙酮蒸汽。
混合气流量为32kmol/h，丙酮的体积分率为0.01，吸收剂流量为120kmol/h。
若要求丙酮的回收率不低于96%，求所需理论级数。
设操作条件下的气液平衡关系为Y* = 2.53 X。
1-11 在一填料塔中，装有直径为15mm的乱堆瓷环填料。
在20℃、101.3kPa下，用该填料塔吸收混于空气中的氨气。
已知混合气中氨的平均分压为6.5 kPa，气体的空塔质量速度G＝4.0kg/(m2·s)；操作条件下氨在空气中的扩散系数为1.89×10m2/s，气体的粘度为1.81×10 Pa·s、密度为1.205kg/m3。
试计算气膜吸收系数k G。
1-12 在装填有25mm拉西环的填料塔中，用清水吸收空气中低含量的氨。
操作条件为20℃及101.3kPa，操作时，气、液相的质量速度分别为0.6kg/(m2·s)、4.5kg/(m2·s)，平衡关系为Y*= 1.2X。
已知：20℃及101.3kPa时氨在空气中的扩散系数为m2/s，20℃氨在水中的扩散系数为m2/s。
试估算传质单元高度H G、H L及气相体积吸收总系数K Y a。