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1、第二章第二章 气体吸收气体吸收2022/12/41第二章 气体吸收第二章第二章 气体吸收气体吸收2.1 概述概述2.2 气体吸收的平衡关系气体吸收的平衡关系2.3 气体吸收速率方程式气体吸收速率方程式2.4 低组成气体吸收的计算低组成气体吸收的计算2.5 吸收系数吸收系数2.6 其它吸收与解吸其它吸收与解吸本章总结联系图本章总结联系图2022/12/42第二章 气体吸收2.1 概述概述2.1.1 2.1.1 气体吸收过程气体吸收过程v吸吸收收：利利用用混混和和气气体体中中各各组组分分溶溶解解度度（或或化化学学反反应应活活性性）的的差差异异而而将将其其进进行行分离的单元操作。分离的单元操作。（依

2、据、目的、方法）（依据、目的、方法）分离的依据：分离的依据：各组分溶解度的差异。各组分溶解度的差异。在在吸吸收收操操作作中中，通通常常将将混混合合气气体体中中能能够够溶溶解解于于溶溶剂剂中中的的组组分分称称为为溶溶质质，以以A A表表示示，而而不不溶溶或或微微溶溶的的组组分分称称为为载载体体或或惰惰性性组组分分，以以B B表表示示；吸吸收收所所用用的的溶溶剂剂称称为为吸吸收收剂剂，以以S S表表示示；经经吸吸收收后后得得到到的的溶溶液液称称为为吸吸收收液液（富富液液）；被被吸吸收收后后排排出出吸吸收收塔塔的的气气体体称称为为吸吸收收尾尾气气（贫贫气气）。吸吸收收的的逆逆操操作作称称为为解解吸吸

3、，解解吸吸后后的液体成为的液体成为贫液贫液，气体称为，气体称为再生气再生气。吸吸收收塔塔吸收液吸收液A+A+少量少量S S混和气体混和气体A+BA+B吸收剂吸收剂S S吸收尾气吸收尾气B+B+少量少量A A2022/12/43第二章 气体吸收2.1.2 气体吸收的分类气体吸收的分类按溶质与溶剂间是否发生显著化学反应分：按溶质与溶剂间是否发生显著化学反应分：v物理吸收：物理吸收：如水吸收二氧化碳如水吸收二氧化碳v化学吸收：化学吸收：如硫酸吸收氨如硫酸吸收氨按被吸收组分数目分：按被吸收组分数目分：v单组分吸收：单组分吸收：如水吸收氯化氢气体如水吸收氯化氢气体v多组分吸收：多组分吸收：如洗油处理焦炉

4、气，苯、甲苯、二甲苯等如洗油处理焦炉气，苯、甲苯、二甲苯等组分均溶解组分均溶解按吸收前后温度是否发生变化分：按吸收前后温度是否发生变化分：v等温吸收：等温吸收：v非等温吸收非等温吸收按溶质在气液两相中组成大小分：按溶质在气液两相中组成大小分：v低组成吸收：低组成吸收：摩尔分数摩尔分数0.10.1v高组成吸收：高组成吸收：摩尔分数摩尔分数0.10.1本章重点讨论单组分低组成的等温物理吸收本章重点讨论单组分低组成的等温物理吸收2022/12/44第二章 气体吸收2.1.3 气体吸收的工业应用气体吸收的工业应用净净化化气气体体或或精精制制气气体体。如如用用水水脱脱除除合合成成氨氨原原料料气气中中的的

5、COCO2 2，用用丙丙酮酮脱脱除除石石油油裂裂解解气气中中的的乙乙炔炔等等以以除除去去气气体体中中的的有有害害成成分分，便于下一步的反应顺利进行。便于下一步的反应顺利进行。制制备备液液体体产产品品。如如用用水水吸吸收收HClHCl气气体体制制备备盐盐酸酸，用用水水吸吸收收NONO2 2气气体体制制硝硝酸酸，用用水水吸吸收收NHNH3 3气气制制氨氨水水，用用稀稀硫硫酸酸吸吸收收SOSO3 3制制浓浓硫硫酸等均属于吸收操作。酸等均属于吸收操作。回回收收有有用用物物质质。如如用用洗洗油油从从焦焦炉炉气气中中回回收收粗粗苯苯(苯苯、甲甲苯苯、二甲苯二甲苯)等。等。环环境境保保护护的的需需要要。如如

6、用用碱碱液液吸吸收收工工业业过过程程排排放放的的废废气气中中含含有有的一些有害物质如的一些有害物质如SOSO2 2、H H2 2S S、NONO、HFHF等。等。2022/12/45第二章 气体吸收2.1.4 吸收剂的选择吸收剂的选择完完成成一一个个吸吸收收过过程程需需选选择择合合适适的的溶溶剂剂，对对吸吸收收剂剂的的要要求求是是：溶解度大。溶解度大。可提高吸收速率并减少吸收剂的耗用量。可提高吸收速率并减少吸收剂的耗用量。选选择择性性好好。对对溶溶质质有有良良好好的的溶溶解解能能力力，而而对对其其它它组组分分不不溶溶或或微溶，且便于再生，否则不能实现分离的目的。微溶，且便于再生，否则不能实现分

7、离的目的。挥挥发发度度小小，即即在在操操作作温温度度下下蒸蒸汽汽压压小小，基基本本不不汽汽化化。离离开开吸吸收收设设备备的的气气体体被被吸吸收收剂剂所所饱饱和和，吸吸收收剂剂挥挥发发度度愈愈大大，损损失失量量便便愈大。愈大。粘粘度度低低。可可改改善善吸吸收收设设备备内内的的流流动动状状况况，从从而而提提高高传传质质速速率率和传热速率，有助于降低泵的功率，减小传质、传热阻力。和传热速率，有助于降低泵的功率，减小传质、传热阻力。其其它它。来来源源充充分分，价价格格低低廉廉，无无毒毒，无无腐腐蚀蚀性性不不易易燃燃，不不发发泡，化学性质稳定等。泡，化学性质稳定等。2.1.5 2.1.5 吸收流程（略）

8、吸收流程（略）2022/12/46第二章 气体吸收2.2 气体吸收的相平衡关系气体吸收的相平衡关系2.2.1 2.2.1 气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度 在在一一定定温温度度和和压压强强下下，当当气气体体混混合合物物与与一一定定量量的的液液体体吸吸收收剂剂接接触触时时，溶溶质质组组分分便便不不断断进进入入液液相相中中，这这一一过过程程称称为为溶溶解解即即吸吸收收。而而同同时时已已被被溶溶解解的的溶溶质质也也将将不不断断摆摆脱脱液液相相的的束束缚缚重重新新回回到到气气相相，该该过过程程称称为为解解吸吸。这这两两个个过过程程互互为为逆逆过过程程并并具具有有各各自自的的速速率率，当当气气液

9、液两两相相经经过过长长时时间间的的接接触触后后，溶溶质质的的溶溶解解速速率率与与解解吸吸速速率率达达到到相相等等时时，气气液液两两相相中中溶溶质质的的浓浓度度就就不不再再因因两两相相间间的的接接触触而而变变化化，这种状态称为相际动平衡，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡简称相平衡或平衡。平平衡衡状状态态下下气气相相中中的的溶溶质质分分压压称称为为平平衡衡分分压压或或饱饱和和分分压压，液液相中的溶质组成称为相中的溶质组成称为平衡组成或饱和组成平衡组成或饱和组成。气气体体在在液液体体中中的的溶溶解解度度，是是指指气气体体在在液液体体中中的的饱饱和和组组成成，常常以单位质量或体积的液体所含溶质

10、的质量来表示。以单位质量或体积的液体所含溶质的质量来表示。气体的溶解度标明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度气体的溶解度标明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。2022/12/47第二章 气体吸收1.相律相律F=C-P+nF=C-P+n独立组分数：独立组分数：C=3(AC=3(A、B B、S)S)相数：相数：P=2P=2（气、液相）（气、液相）影影响响因因素素：n=2n=2（温温度度、压压强）强）故故：自自由由度度F=3-2+2=3F=3-2+2=3，即即气气相相组组成成、液液相相组组成成、温温度度、压压力力4 4个个变变量量中中，已已知知3 3个个量量，便可确定余下的便可确定余下的1 1

11、个量。个量。温温度度、压压力力一一定定：溶溶解解度度（液相组成）（液相组成）=f(=f(气相组成气相组成)总总压压5105105 5PaPa时时：溶溶解解度度=f(=f(气相组成，温度）气相组成，温度）2022/12/48第二章 气体吸收2.2.溶解度曲线溶解度曲线横标：气相分压；纵标：溶解度；参数：温度（总压不太高时）。横标：气相分压；纵标：溶解度；参数：温度（总压不太高时）。同种溶质：同种溶质：v温度一定：气相分压愈大，溶解度愈大温度一定：气相分压愈大，溶解度愈大v气相分压一定：温度愈低，溶解度愈大气相分压一定：温度愈低，溶解度愈大不不同同溶溶质质：溶溶解解度度一一定定时时，易易溶溶气气体

12、体溶溶液液上上方方分分压压小小，难难溶溶气气体上方分压大体上方分压大说明说明加压、降温有利于吸收操作的进行加压、降温有利于吸收操作的进行易溶气体仅需较小的分压就能达到一定溶解度易溶气体仅需较小的分压就能达到一定溶解度 2022/12/49第二章 气体吸收2.2.2 亨利定律亨利定律 随随着着对对相相平平衡衡关关系系的的研研究究，发发现现很很多多气气体体在在浓浓度度较较小小时时其其溶溶解解度度曲曲线线为为通通过过坐坐标标原原点点的的直直线线，这这一一规规律律用用亨亨利利(Henry)(Henry)定定律进行描述律进行描述。1.1.p pe e=Ex=Ex称为吸收过程的相平衡方程称为吸收过程的相平

13、衡方程 亨利定律。亨利定律。式中：式中：p pe e 溶质溶质A A在气相中的平衡分压，在气相中的平衡分压，kPakPa；x x 溶质溶质A A在液相中的摩尔分率；在液相中的摩尔分率；E E 亨利系数，亨利系数，kPakPa。表表明明：当当总总压压不不高高(0.5MPa)(0.5MPa)时时，在在一一定定温温度度下下气气液液两两相相达达到到平平衡衡时时，稀稀溶溶液液上上方方气气相相中中溶溶质质的的平平衡衡分分压压与与液液相相中中溶溶质质的的摩尔分率成正比。摩尔分率成正比。2022/12/410第二章 气体吸收说明说明理想溶液：拉乌尔定律：理想溶液：拉乌尔定律：非理想溶液：非理想溶液：低浓度气体

14、吸收：低浓度气体吸收：E=E=常量常量难溶物系：难溶物系：EE常量，但当常量，但当P0.1MPaP0.1MPa时，时，E E可视为常量可视为常量P0.1MPaP0.1MPaP0.1MPa时，时，E=f(P,t)E=f(P,t)E E由由实实验验测测定定确确定定：以以p pe e/x/x对对x x作作图图，当当x x00，p pe e/x/x的的值值即即为为E E。常见物系的。常见物系的E E可查有关手册。可查有关手册。对对于于一一定定的的气气体体和和一一定定的的溶溶剂剂，E E值值随随温温度度变变化化：tt，EE，x x，体现气体溶解度随温度升高而减小的变化趋势。，体现气体溶解度随温度升高而减

15、小的变化趋势。同一溶剂中：同一溶剂中：v易溶气体的易溶气体的E E值很小值很小v难溶气体的难溶气体的E E值相对较大。值相对较大。2022/12/411第二章 气体吸收2.2.p pe e=c/H=c/H 表明：当气液两相达到平衡时，稀溶液上方气相中溶质的平表明：当气液两相达到平衡时，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的体积摩尔浓度成正比。衡分压与液相中溶质的体积摩尔浓度成正比。设溶液组成为设溶液组成为ckmol(A)/mckmol(A)/m3 3，密度为，密度为kg/mkg/m3 3；溶质和溶剂的；溶质和溶剂的分子量分别为分子量分别为M MA A kg/kg/kmolkmol 、M

16、MS S kg/kg/kmolkmol ，则：，则：2022/12/412第二章 气体吸收P P对对H H影响小，影响小，H H大，溶解度大，易溶气体大，溶解度大，易溶气体对于稀溶液，对于稀溶液，c c值很小，值很小，c(Mc(MS S-M-MA A)说明说明2022/12/413第二章 气体吸收说明说明 温度、总压的影响：温度、总压的影响：m m大，溶解度小，难溶气体大，溶解度小，难溶气体 3.ye=mxm m与与E E的关系的关系 ：m m相平衡常数，无因次。相平衡常数，无因次。2022/12/414第二章 气体吸收4.Ye=mX 以上亨利定律的各种表达式描述的都是互成平衡的气液两相以上亨

17、利定律的各种表达式描述的都是互成平衡的气液两相组成间的关系，它们都是根据液相组成来计算与之平衡的气相组组成间的关系，它们都是根据液相组成来计算与之平衡的气相组成。同样，也可根据气相组成计算平衡的液相组成，此时，亨利成。同样，也可根据气相组成计算平衡的液相组成，此时，亨利定律可写成：定律可写成：2022/12/415第二章 气体吸收【例例】某某系系统统温温度度为为1010，总总压压101.3101.3kPakPa，试试求求此此条条件件下下在在与与空空气气充充分分接接触触后后的的水水中中，每每立立方方米米水水溶溶解解了了多少克氧气？多少克氧气？=101.30.21=21.27kPa【解解】查查得得

18、1010时时，氧氧气气在在水水中中的的亨亨利利系系数数E E为为3.31103.31106 6kPakPa。W=3.5710-4321000=11.42g/m32022/12/416第二章 气体吸收2.2.3.相平衡关系在吸收过程中的应用1 1判断过程进行的方向判断过程进行的方向吸收平衡解吸气相ppep=pepyey=yeyYeY=YeYYe液相ccexxeXXemyxABCyxyexey/yexe/xyxxeye结论结论组成点在平衡线上方，为吸收过程组成点在平衡线上方，为吸收过程组成点在平衡线上，为平衡过程组成点在平衡线上，为平衡过程组成点在平衡线下方，为解吸过程组成点在平衡线下方，为解吸过

19、程2022/12/417第二章 气体吸收2.2.确定传质的推动力确定传质的推动力 当当传传质质进进行行时时，其其速速率率与与传传质质的的推推动动力力大大小小有有关关，传传质质过过程程是是否否容容易易进进行行取取决决于于实实际际组组成成偏偏离离平平衡衡组组成成的的程程度度，因因而而推推动力可用一相的实际组成与其对应的平衡组成之差来表示动力可用一相的实际组成与其对应的平衡组成之差来表示 。myxACyxyexeyxxeye吸收平衡解吸气相p-pe0pe-py-ye0ye-yY-Ye0Ye-Y液相ce-c0c-cexe-x0 x-xeXe-X0X-Xe说明说明 实实际际组组成成偏偏离离平平衡衡组组成

20、成的的程程度度愈愈大大，过过程程的的推推动动力力愈愈大大，其其传传质质速速率率愈愈大大，吸吸收收/解解吸吸过过程程愈愈容容易易进行。进行。2022/12/418第二章 气体吸收y2y1x2x13.3.指明传质过程进行的极限指明传质过程进行的极限因因为为平平衡衡是是过过程程进进行行的的极极限限，所所以以当当两两相相进进行行接接触触，达达到到平平衡衡时时过过程程也也就就终终止止，即即：y=yy=ye e或或者者x=x=x xe e时时，吸吸收收或或者者解解吸吸过过程程将将停停止止，不不会会无无限限进进行行下下去去。若若要要使使过过程程进进行行，必必须须改改变变条条件件，使使原原来来的的平平衡衡打打

21、破破，在在新新的的条条件件下重新建立平衡。下重新建立平衡。对对吸吸收收而而言言，无无论论气气液液相相流流量量、塔塔高高、塔塔径径如如何何，出出塔塔尾尾气气的的组组成成不不会会低低于于与与该该位位置置液液相相组组成成相相平平衡衡的的气气相相组组成成。如如逆逆流流：y y2 2yye2e2=mx=mx2 2 ；并流：并流：y y1 1yye1e1=mx=mx1 1 ；对对吸吸收收而而言言，无无论论气气液液相相流流量量、塔塔高高、塔塔径径如如何何，吸吸收收液液的的组组成成不不会会高高于于与与该该位位置置气气相相组组成成相相平平衡衡的的液液相相组组成成。如如逆逆流流&并并流流：x x1 1xxe1e1

22、=y=y1 1/m/m。y2y1x2x1逆逆流流并并流流2022/12/419第二章 气体吸收【例】在在总总压压101.3101.3kPakPa，温温度度3030的的条条件件下下,SOSO2 2摩摩尔尔分分率率为为0.30.3的混合气体与的混合气体与SOSO2 2摩尔分率为摩尔分率为0.010.01的水溶液相接触，试问：的水溶液相接触，试问：(1)(1)SOSO2 2的传质方向；的传质方向；(2)(2)其它条件不变，温度降到其它条件不变，温度降到00时时SOSO2 2的传质方向；的传质方向；(3)(3)其其它它条条件件不不变变，总总压压提提高高到到202.6202.6kPakPa时时SOSO2

23、 2的的传传质质方方向向，并并计计算以液相摩尔分率差及气相摩尔分率差表示的传质推动力。算以液相摩尔分率差及气相摩尔分率差表示的传质推动力。【解解】1.1.查查P18P18表表2-12-1，得得SOSO2 2在在101.33101.33kPakPa、3030时时亨亨利利系系数数E=0.48510E=0.485104 4kPakPa，则：则：2022/12/420第二章 气体吸收2.2.查查 P18P18表表 2-12-1，得得 SOSO2 2在在 101.33101.33kPakPa、00时时 亨亨 利利 系系 数数E=0.16710E=0.167104 4kPakPa，则：则：3.3.查查 P

24、18P18表表 2-12-1，得得 SOSO2 2在在 101.33101.33kPakPa、3030时时 亨亨 利利 系系 数数E=0.48510E=0.485104 4kPakPa，则：则：第一次课第一次课2022/12/421第二章 气体吸收2.3.1传质的速度与通量传质的速度与通量 （不讲（不讲)!1.1.传质的速度传质的速度 多多组组分分的的传传质质过过程程中中，各各组组分分均均以以不不同同的的速速度度运运动动。设设系系统统由由A A、B B两两组组分分组组成成，组组分分A A、B B通通过过系系统统内内任任一一静静止止平平面面的的速速度度为为u uA A、u uB B，该该二二元元

25、混混合合物物通通过过此此平平面面的的速速度度为为u u，它它们们之之间间的的差差值值为为u uA A-u-u、u uB B-u-u。在在上上述述的的各各速速度度中中，u uA A、u uB B代代表表组组分分A A、B B的的实实际际移移动动速速度度，称称为为绝绝对对速速度度。u u代代表表混混合合物物的的移移动动速速度度，称称为为主主体体流流动动速速度度或或平平均均速速度度；u uA A-u-u及及u uB B-u-u代代表表相相对对于于主主体体流流动动速速度度的的移移动动速速度度，称称为为扩扩散散速度。速度。因因 u uA A=u+(uu+(uA A-u-u)u uB B=u+(uu+(u

26、B B-u-u)故：故：绝对速度主体流动速度扩散速度绝对速度主体流动速度扩散速度2.3 2.3 传质机理与气体吸收速率方程式传质机理与气体吸收速率方程式2022/12/4222.2.传质的通量传质的通量 传质通量：传质通量：单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质量。单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质量。传质通量等于传质速度与浓度的乘积。传质通量常用质量通量、摩尔通传质通量等于传质速度与浓度的乘积。传质通量常用质量通量、摩尔通量表示。量表示。(1)(1)以绝对速度表示的传质通量。以绝对速度表示的传质通量。质量通量：质量通量：j jA A=A Au uA A j jB B=B Bu u

27、B B混合物的总质量通量：混合物的总质量通量：j=j=j jA A+j+jB B =A Au uA A +B Bu uB B =uu 质量平均速度的定义式质量平均速度的定义式 摩尔通量：摩尔通量：N NA A=c cA Au uA A N NB B=c cB Bu uB B混合物的总摩尔通量：混合物的总摩尔通量：N=NN=NA A+N+NB B=c cA Au uA A +c cB Bu uB B =cu=cu 摩尔平均速度的定义式摩尔平均速度的定义式2022/12/423(2)(2)以扩散速度表示的传质通量。以扩散速度表示的传质通量。质量通量：质量通量：j jA A=A A(u(uA A-u

28、-u)j jB B=B B(u(uB B-u-u)摩尔通量：摩尔通量：J JA A=c cA A(u(uA A-u-um m)J JB B=c cB B(u(uB B-u-um m)混合物：混合物：j=j=j jA A+j+jB B J=J J=JA A+J+JB B(3)(3)以主体流动速度表示的传质通量。以主体流动速度表示的传质通量。2022/12/4242.3.2 质量传递的基本方式质量传递的基本方式 分为分子传质和对流传质分为分子传质和对流传质1.1.分子扩散（传质）分子扩散（传质）(1)(1)分子扩散现象分子扩散现象 左左室室A A分分子子向向右右运运动动，右右室室B B分分子子向向

29、左左运运动动。左左右右两两室室交交换换的的分分子子数数虽虽相相等等，但但因因左左室室A A浓浓度度高高，故故在在同同一一时时间间内内A A分分子子进进入入右右室室较较多多而而返返回回左左室室较较少少，其其净净结结果果是是物物质质A A自自左左向向右右传传递递。同同理理，物质物质B B自右向左传递。两种物质各自沿其浓度降低的方向传递。自右向左传递。两种物质各自沿其浓度降低的方向传递。上上述述扩扩散散过过程程将将一一直直进进行行到到整整个个容容器器中中A A、B B两两种种物物质质的的浓浓度度完完全全均均匀匀为为止止，此此时时，通通过过任任一一截截面面物物质质A A、B B的的净净的的扩扩散散通通

30、量量为为零零，但但扩扩散散仍仍在在进进行行，只只是是左左、右右两两方方向向物物质质的的扩扩散散通通量量相相等等，系统处于扩散的动态平衡中。系统处于扩散的动态平衡中。当当流流体体内内部部存存在在某某一一组组分分的的浓浓度度(或或分分压压)差差时时，凭凭借借分分子子的的无无规规则则热热运运动动使使该该组组分分由由高高浓浓处处向向低低浓浓处处迁迁移移的的过过程程，称称为为分分子子扩散或分子传质，简称扩散。扩散或分子传质，简称扩散。分子扩散发生在固体、静止或层流流动的流体中。分子扩散发生在固体、静止或层流流动的流体中。2022/12/425(2)(2)费克（费克（FickFick）第一定律）第一定律描

31、述分子扩散的通量或速率的方程。描述分子扩散的通量或速率的方程。式中：式中：j jA A组分组分A A的质量通量，的质量通量，kg/(mkg/(m2 2.s).s)ddA A/dz/dz组分在传质方向上的质量浓度梯度，组分在传质方向上的质量浓度梯度，(kg/m(kg/m3 3)/m)/m D DABAB组分组分A A在在B B中的扩散系数，中的扩散系数，m m2 2/s/s J JA A组分组分A A的摩尔通量，的摩尔通量，kmol/(mkmol/(m2 2.s).s)dcdcA A/dz/dz组分在传质方向上的摩尔浓度梯度，组分在传质方向上的摩尔浓度梯度，(kmol/m(kmol/m3 3)/

32、m)/m 2022/12/426(3)(3)等分子反向扩散等分子反向扩散 因因两两容容器器中中气气体体总总压压相相同同，所所以以A A、B B两两组组分分相相互互扩扩散散的的量量n nA A和和n nB B必然相等，故称为等摩尔反方向扩散。即：必然相等，故称为等摩尔反方向扩散。即：J JA A=-J=-JB B 在在扩扩散散过过程程，虽虽然然A A、B B两两组组分分发发生生变变化化，但但混混合合气气体体总总压压不不变，即变，即c=c=c cA A+c+cB B=常数，因而常数，因而dcdcA A/dz/dz=-=-dcdcB B/dz/dz，根据菲克定律：，根据菲克定律：故：故：D DABA

33、B=D=DBABA 该该关关系系说说明明：对对双双组组分分混混合合气气体体，在在进进行行等等摩摩尔尔反反方方向向分分子子扩散时，扩散时，A A在在B B中和中和B B在在A A中的分子扩散系数相等，以后以中的分子扩散系数相等，以后以D D表示。表示。2022/12/427(4)(4)一组分通过另一停滞组分的扩散一组分通过另一停滞组分的扩散 当当截截面面上上有有一一层层只只允允许许A A组组分分通通过过但但不不允允许许B B组组分分通通过过的的膜膜时时。由由于于在在气气相相主主体体与与液液面面处处存存在在A A组组分分的的分分压压差差，所所以以组组分分A A将将不不断断向向右右进进行行分分子子扩

34、扩散散，并并进进入入液液相相中中去去，而而液液相相中中无无任任何何组组分分进进入入气气相相，使使得得液液面面处处总总压压低低于于气气相相主主体体，在在此此压压差差的的作作用用下下，混混合合气气体体(A+B)(A+B)便便会会自自动动向向截截面面处处发发生生宏宏观观运运动动，称称为为总总体流动。体流动。总总体体流流动动的的结结果果又又使使得得液液面面附附近近B B组组分分的的分分压压大大于于气气相相主主体体中中B B的的分分压压，因因而而组组分分B B又又将将以以分分子子扩扩散散的的方方式式向向气气相相主主体体移移动动。这这样样实实际际的的净净结结果果是是A A组组分分不不断断向向液液面面移移动

35、动，对对于于B B组组分分来来讲讲，随随总总体体流流动动向向液液面面运运动动的的同同时时又又以以相相反反方方向向进进行行分分子子扩扩散散到到气气相相主主体体，实实际际上上等等于于没没有有运运动动，故故称称为为A A组组分分通通过过停停滞滞组组分分B B的的扩散。扩散。2022/12/428A A的实际传的实际传质通量质通量A A的分子扩的分子扩散通量散通量A A的主体流的主体流动通量动通量据以上形式，得结论：据以上形式，得结论：组分的实际通量分子扩散通量主体流动通量组分的实际通量分子扩散通量主体流动通量这是费克第一定律的一般表达式。这是费克第一定律的一般表达式。2022/12/4292.对流传

36、质对流传质(1)(1)涡流扩散涡流扩散 湍湍流流时时流流体体除除了了沿沿流流动动方方向向整整体体向向前前运运动动外外，在在其其它它方方向向上上还还存存在在着着流流体体质质点点的的脉脉动动和和旋旋涡涡运运动动，碰碰撞撞和和混混合合程程度度比比较较剧剧烈烈。在在湍湍流流主主体体中中，借借流流体体质质点点的的脉脉动动和和旋旋涡涡混混合合作作用用，使使物物质质由由高高浓浓度度向向低低浓浓度度处处进进行行的的物物质质扩扩散散，称称为为涡涡流流扩扩散散。(实实际际上上，湍湍流流中中也也存存在在着着一一定定的的分分子子扩扩散散，只只是是涡涡流流扩扩散散起起主主要要作作用用 )。由由于于涡涡流流扩扩散散的的复

37、复杂杂性性，涡涡流流扩扩散散通通量量常常借借助助费费克克第第一一定律的形式表示，即：定律的形式表示，即：注注意意分分子子扩扩散散系系数数D D是是物物质质的的物物性性常常数数，它它仅仅与与温温度度、压压力力、组组成成等等因因素素有关；有关；涡涡流流扩扩散散系系数数M M不不是是物物性性常常数数，它它与与流流体体的的湍湍动动程程度度有有关关、所所处处位位置置、壁壁面面粗粗糙糙度度等等因因素素有有关。关。2022/12/430(2)(2)对流传质对流传质 流流动动流流体体与与相相界界面面一一侧侧进进行行的的物物质质传传递递，称称为为对对流流扩扩散散。它它包包括括流流体体主主体体中中的的涡涡流流扩扩

38、散散和和层层流流层层中中的的分分子子扩扩散散，为为物物质质在在单单一相内进行迁移的总称。一相内进行迁移的总称。对流传质的基本方程，采用下式表示：对流传质的基本方程，采用下式表示：N NA A=k kc cccA A 式中：式中：N NA A对流传质的摩尔通量，对流传质的摩尔通量，kmol/(mkmol/(m2 2.s).s)k kc c对流传质系数，对流传质系数，m/sm/s；ccA A 组分组分A A界面浓度与主体浓度差，界面浓度与主体浓度差，kmol/mkmol/m3 3。上式称对流传质速率方程上式称对流传质速率方程注注意意因因组组成成有有不不同同的的表表示示法法，故故对对流流传传质质速速

39、率率方方程程有有不不同同的表达形式。的表达形式。2022/12/4312.3.3 分子传质（扩散）分子传质（扩散）2.3.3.12.3.3.1气体中的稳态扩散气体中的稳态扩散（1 1）等分子反向扩散等分子反向扩散稳稳态态等等分分子子反反向向扩扩散散时时扩扩散散通量计算式通量计算式2022/12/432（2 2）组分组分A A通过停滞组分通过停滞组分B B的扩散的扩散2022/12/4332.3.3.2 液体中的稳态扩散液体中的稳态扩散 在在液液相相中中进进行行扩扩散散时时，物物质质的的扩扩散散速速度度远远远远小小于于气气相相中中的的，但液体密度大，浓度梯度大，因而扩散通量与气相中的大致相同。但

40、液体密度大，浓度梯度大，因而扩散通量与气相中的大致相同。（1 1）液体中的扩散通量方程液体中的扩散通量方程 仍仍可可用用费费克克第第一一定定律律描描述述液液体体中中的的扩扩散散通通量量方方程程。但但与与稳稳态态气气体体扩扩散散不不同同的的是是，液液体体的的扩扩散散系系数数随随浓浓度度而而变变化化，且且总总浓浓度度随随位位置置变变化化，因因此此在在应应用用费费克克第第一一定定律律时时，用用平平均均扩扩散散系系数数、平平均均总浓度代替原式中的扩散系数、总浓度，即：总浓度代替原式中的扩散系数、总浓度，即：2022/12/434(2)等分子反向扩散等分子反向扩散 发发生生在在摩摩尔尔潜潜热热相相等等的

41、的二二元元化化合合物物蒸蒸馏馏中中。求求解解过过程程与与气气相相中的相同。中的相同。1.2.2.3 1.2.2.3 组分组分A A通过停滞组分通过停滞组分B B的扩散的扩散 发生在吸收、萃取等单元操作中。求解过程与气相中的相同。发生在吸收、萃取等单元操作中。求解过程与气相中的相同。2022/12/4352.3.4 扩散系数扩散系数 (分分子子)扩扩散散系系数数D D为为物物质质的的物物性性常常数数之之一一，其其物物理理意意义义表表示示单单位位浓浓度度梯梯度度下下物物质质的的扩扩散散通通量量，因因而而表表明明一一种种物物质质在在另另外外一一种种物物质质中中的的扩扩散散能能力力。其其值值由由实实验

42、验测测定定，数数值值大大小小与与温温度度、压压强强及及浓浓度有关，度有关，常用物质的扩散系数见本书附录一。常用物质的扩散系数见本书附录一。当当无无数数据据可可查查时时，可可采采用用一一些些理理论论公公式式进进行行计计算算或或用用经经验验公公式估算。式估算。理论公式：理论公式：2022/12/436经验公式：经验公式：上述各式中的符号的含义参见教材上述各式中的符号的含义参见教材P34-P41P34-P41。作业：作业：1 1、3 3、5 5题题2022/12/4372.3.5 对流传质对流传质 流流体体与与固固体体壁壁面面间间对对流流传传质质中中，一一方方面面由由于于浓浓度度梯梯度度的的存存在在

43、，物物质质以以分分子子扩扩散散的的方方式式进进行行传传递递，另另一一方方面面，流流体体在在运运动动过过程程中中，也也必必然然将将物物质质从从一一处处向向另另一一处处传传递递。所所以以，对对流流传传质质的的速速率率除除了了分分子子传传递递的的影影响响外外，还还受受到到流流体体流流动动的影响。的影响。本节讨论对流传质的基本规律，重点讨论对流传质速率的计算问题。本节讨论对流传质的基本规律，重点讨论对流传质速率的计算问题。2.3.5.1 2.3.5.1 对流传质的类型与机理对流传质的类型与机理(1)(1)对流传质的类型对流传质的类型按流体的流动发生原因不同，分：自然对流传质按流体的流动发生原因不同，分

44、：自然对流传质 强制对流传质强制对流传质l强制层流传质强制层流传质l强制湍流传质强制湍流传质按流体的作用方式，分：按流体的作用方式，分：流体作用于固体壁面，即流体与固体壁面的传质，如水流过可溶性固体壁面。流体作用于固体壁面，即流体与固体壁面的传质，如水流过可溶性固体壁面。一一种种流流体体作作用用于于另另一一种种流流体体，两两流流体体通通过过相相界界面面进进行行传传质质，即即相相际际传传质质，如如用水吸收混于空气的氨。用水吸收混于空气的氨。2022/12/438(2)(2)对流传质的机理对流传质的机理 以流体与固体壁面的对流传质为例讨论，对有固定相以流体与固体壁面的对流传质为例讨论，对有固定相

45、界面界面的相际传质，其机理类似。的相际传质，其机理类似。层层流流区区：质质量量传传递递仅仅以以分分子子扩扩散散方方式式进进行行，据据费费克克第第一一定定律律知知，其其浓浓度度梯梯度度很很大大，浓浓度度分分布布曲曲线线很很陡陡，为为一一直线。直线。zcA层流区层流区缓冲区缓冲区湍流主体区湍流主体区 缓缓冲冲区区：质质量量传传递递以以分分子子扩扩散散和和涡涡流流扩扩散散方方式式进进行行，浓浓度度梯梯度度较较层层流流区区的的小，且非常量，浓度分布曲线为一曲线。小，且非常量，浓度分布曲线为一曲线。湍湍流流主主体体区区：质质量量传传递递以以分分子子扩扩散散和和涡涡流流扩扩散散方方式式进进行行，但但分分子

46、子扩扩散散占占比比重重很很小小，忽忽略略不不计计。浓浓度度梯梯度度非非常常小小，近近似似为为零零，浓浓度度分分布布曲曲线线为为一一水水平线。平线。2022/12/439 将将层层流流区区、湍湍流流主主体体区区的的直直线线延延长长，其其交交点点与与壁壁面面间间形形成成的的膜膜层层称为停滞膜层。称为停滞膜层。zcA层流区层流区缓冲区缓冲区湍流主体区湍流主体区停滞膜层停滞膜层 停停滞滞膜膜层层内内浓浓度度分分布布曲曲线线为为直直线线，说说明明在在停停滞滞膜膜层层内内物物质质传传质质是是以以分分子子扩扩散散的的方方式式进进行行的的。停停滞滞膜膜层层以以外外的的浓浓度度分分布布曲曲线线为为水水平平线线，

47、说说明明此此区区域域内内无无传传质质阻阻力力，全全部部传传质阻力集中在停滞膜内质阻力集中在停滞膜内。2022/12/4402.3.5.2 2.3.5.2 浓度边界层与对流传质系数浓度边界层与对流传质系数1.3.2.1 1.3.2.1 浓度边界层浓度边界层 当当流流体体流流过过固固体体壁壁面面时时，若若流流体体与与固固体体壁壁面面间间存存在在浓浓度度差差，受受壁壁面面浓浓度度的的影影响响，在在与与壁壁面面垂垂直直方方向向上上的的流流体体内内部部将将建建立立起起浓浓度度梯梯度度，该该浓浓度度梯梯度度自自壁壁面面向向流流体体主主体体逐逐渐渐减减小小。通通常常将将壁壁面面附附近具有较大浓度梯度的区域称

48、为浓度边界层或传质边界层。近具有较大浓度梯度的区域称为浓度边界层或传质边界层。如如图图示示，流流体体最最初初以以均均匀匀速速度度u u0 0和和均均匀匀浓浓度度c cA0A0进进入入圆圆管管内内，因因流流体体受受壁壁面面浓浓度度的的影影响响，浓浓度度边边界界层层厚厚度度由由进进口口的的零零值值逐逐渐渐增增加加，经经过过一一段段距距离离LeLe后后，在在管管中中心心汇汇合合，汇汇合合后后浓浓度度边边界界层层厚厚度度等等于于圆圆管管的的半半径径。超超过过汇汇合合点点后后，浓浓度度分分布布将将逐逐渐渐趋趋于于平平坦坦，若若管管子子的的长长度度足足够够，则则截截面面上上的的浓浓度度最最后后变变为为均均

49、匀匀一一致致并并等等于于壁壁面面的的浓浓度度c cAsAs。此此段段距距离离LeLe称称为为传传质质进进口口段段长长度度，处处于于进进口口段段内内的的传传质质称称为为进进口口段段传传质质，处处于于进进口口段段后的传质称为充分发展的传质。后的传质称为充分发展的传质。u0cA0LeDcAs2022/12/441对流传质系数对流传质系数 据对流传质速率方程，固体壁面与流体间的对流传质速率为：据对流传质速率方程，固体壁面与流体间的对流传质速率为：G GA A=N=NA AS=S=k kc cS(cS(cAsAs-c-cAbAb)式中：式中：G GA A对流传质速率，对流传质速率，kmol/skmol/

50、s；C CASAS壁面浓度，壁面浓度，C CAbAb流体的主体浓度或平均浓度，流体的主体浓度或平均浓度，kmol/mkmol/m3 3。从从上上式式可可以以看看出出，要要计计算算对对流流传传质质速速率率G GA A，关关键键在在于于对对流流传传质质系系数数kckc的的确确定定。但但kckc的的确确定定是是一一项项复复杂杂的的问问题题，它它与与流流体体的的性性质质、壁壁面面的的几几何何形形状状和和粗粗糙糙度度、流流体体的的速速度度等等因因素素有有关关，一一般般通通过过实实验验确确定定经经验验公公式式，使使用用时时通通过过选选取取适适当当的的经经验验公公式式加加以计算确定。以计算确定。2022/1