第七章吸收
概述：一、傳質分離過程
1. 概念：也稱物質傳遞過程，指依靠物係中組分間的某種物性的差異，使組分從一相到另一相傳遞過程。
2. 傳質分離的依據：混合物各組分在兩相間平衡分配的不同
二、傳質單元操作的型別
1. (氣體)吸收：選擇一定溶劑 (外界引入第二相) 造成兩相，來處理氣體混合物。
2. (液體)蒸餾：對於液體混合物加熱，使混合物內部造成兩相，利用不同組分揮發性的差異，使得液體混合物分離
3. (固體)乾燥：對含一定溼分的固體提供一定的熱量，使溶劑汽化，利用溼分壓差，使溼分從固體表面或內部轉移到氣相，從而將含溼分的固體物料得以淨化。
一、吸收
1. 概念：也稱氣體吸收，指藉氣體中各組分在液體中溶解度
的差異使氣體中的不同組分分離的操作。
溶質或吸收質:氣體中能被液體溶解的組分稱為溶質或吸收質，不被溶解的部分稱惰性組分或載體。
吸收時惰性組分保留在氣相中，吸收過程就是溶質在氣液相間的傳質過程。
2. 吸收的分類：
①物理吸收和化學吸收
②單組分吸收和多組分吸收
③等溫吸收和非等溫吸收
④高濃度吸收和低濃度吸收
2. 吸收的依據
混合物各組分在某種溶劑中溶解度的差異。
3. 吸收的目的
①分離混合氣體以獲得一定的組分；
②除去有害組分以淨化或精製氣體；
③製備某種氣體的溶液；
④工業廢氣的治理。
二、解吸
1. 概念：也稱脫吸，是吸收的逆過程，指使溶液中的易揮發
性溶劑釋放出來的操作過程。
乙個完整的吸收流程應包括吸收和解吸兩部分。
3. 解吸方法與解吸劑
常用解吸方法有公升溫、減壓和吹氣。
常用解吸劑又稱載體，有空氣、水蒸汽及惰性氣體等。
3. 實現吸收操作的方法
①溶劑的選擇，使其可選擇地溶解分離某種有效成
②提供氣液兩相傳質接觸裝置，使溶質從 g→l；
③再生溶劑，將解吸溶質後的溶劑迴圈使用。
4. 吸收劑(溶劑)的選擇標準
①溶解度大；
②選擇性高；
③再生容易；
④揮發性小；
選擇原則：經濟、合理。
⑤粘度低；
⑥化學穩定性高；
⑦腐蝕性低；
⑧無毒、無害、價廉等。
7.1.3 吸收裝置
吸收裝置中以塔裝置最為常用，主要有兩種：
1. 板式塔：
液體從塔頂流下，氣體從板間孔內逐板上公升，每板的氣液接觸使溶質溶於
吸收劑，溶質濃度( g、l 相)則成階躍式變化。
2. 填料塔：
液體沿填料表面下流，氣體從填料間歇上公升，g、l逆流接觸，氣液相連續變化。
氣液相平衡
一、溶解度
1. 溶解度的概念
①平衡狀態：恆定t、p下，一定量的吸收劑與混合氣體充分接觸，氣相中的溶質向溶劑中轉移，長期充分接觸後，液相中溶質組分的濃度不再增加，此時的氣液兩相達到平衡。
②溶解度：也稱平衡溶解度，指平衡時溶質在液相中的濃度。通常用單位體積(或質量)溶液中所含溶質物質的量(或質量)表示，單位為kmol溶質/m3溶液或 g溶質/kgh2o氣體在液體中的溶解度表明了一定條件下吸收過程可能達到的極限程度，不同氣體在同一溶劑中的溶解度差異較大。
2. 溶解度曲線
平衡分壓：指達平衡時氣相中溶質的分壓。
平衡狀態的自由度： f＝c－.＋2=3－2+2=3
氣體的溶解度與對應氣體的分壓 p、液相飽和濃度 x、操作條件下的t、p密切相關。即：
當t、p定，溶解度=f(p)。
二、氣體溶解度的影響因素
除與氣體本身性質有關外，主要受操作條件t、p變化影響。一般加壓或降溫可提高氣體的溶解度，有利於吸收；反之，降壓或公升溫操作則利於解吸過程。
二、亨利定律
1. 亨利定律的內容：總壓不高 (<5×105pa)時，在一定溫度下，稀溶液上方氣相中
溶質的平衡分壓pe與溶質在液相中的摩爾分率 x 成正比，其比例係數e為亨利係數。
2. 體積傳質係數
① 概念：用有效傳質面積a與傳質係數的乘積表示。a值與填料的型別、形狀、尺寸、填充情況有關，還隨流體的物性、流動狀況變化。低濃度吸收時，kya在全塔範圍內為常數。
② 物理意義：指單位推動力下，單位時間、單位體積填料層內所吸收的溶質量。
例7-1 某系統溫度為10℃，總壓101.3kpa，在與空氣充分接觸後的水中求：①每立方公尺水溶解了多少克氧氣？②體系的相平衡方程式。
例7-2在總壓101.3 kpa，溫度30℃的條件下, so2 摩爾分率為0.3 的混合氣體
so2摩爾分率為0.01的水溶液相接觸，試問：
（1）so2的傳質方向；
（2）其它條件不變，溫度降到0℃時so2的傳質方向；
（3）其它條件不變，總壓提高到202.6kpa時so2的傳質方向，並計算以液相摩
爾分率差及氣相摩爾率差表示的傳質推動力。
解：擴散和單相傳質：
一、傳質過程及其方式
1. 吸收過程的三個步驟：
① a由氣相主體傳到相介面，是氣相內傳質，屬擴散過程
② a在相介面上溶解，由氣相轉入液相，屬介面溶解過程
③ a自相介面傳到液相主體，是液相內傳遞，屬擴散過程
2. 相內傳質的基本方式：
①分子擴散：流體內部存在組分的 δc，因微觀分子的熱運動使組分從高濃區傳至低濃區的傳質過程；
②對流傳質：又稱湍流擴散或渦流擴散，指因流體質點的巨集
觀隨機運動(湍流)使組分從高濃區向低濃區移動的傳質過程。
二、擴散速率與費克定律
1. 擴散速率：也稱擴散通量，指單位時間內通過垂直於擴散方向的單位截面積擴散的物質量，以 j 表示，單位為 kmol/(m2·s)。
2. fick定律
雙組分a和b的混合物，恆定的溫度與總壓條件下，組a在擴散方向上任一點處的擴散速率與該處a的濃度梯度成正比。
式中：ja——組分a擴散速率(擴散通量)， kmol/(m2·s)
dd /cz —組分a在擴散方向z上的濃度梯度(kmol/m3)/m；
dab——組分a在b組分中的擴散係數，m2/s。
負號——表示擴散方向與濃度梯度方向相反，擴散沿濃度降低的方向進行
分子擴散有兩種形式：等摩爾逆向擴散與單向擴散。
傳質速率：在任一固定的空間位置上，單位時間內通過單位
面積的物質量，記作n，單位：kmol/(m2·s)。
漂流因子的意義：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散增大的倍數
漂流因數的影響因素：
ⅰ濃度高時，漂流因數大，總體流動的影響大；
ⅱ低濃度時，漂流因數近似等於1，總體流動的影響小
7.3.2 擴散係數
1. 擴散係數的概念：指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，是物質特性常數之一。d，m2/s
2. d的影響因素：a、b、t、p、濃度。
3. d的**：查手冊；半經驗公式；實驗測定。
對流傳質概念：又稱湍流擴散或渦流擴散，指流動流體與相
介面間的物質傳遞過程，是湍流主體與相介面間的渦流擴散和分子擴散兩種傳質作用的總和。
相際傳質
例7-3 101kpa下操作的氨吸收塔，某截面上，含氨0.03摩爾分率的氣體與氨
濃度為1kmol/m3的氨水接觸，已知氣相傳質係數kg=5×10-9kmol/(m2·s·pa)，
液相傳質係數kl=1.5×10-4m/s，氨水的平衡關係可用亨利定律表示
h=7.3×10-4kmol/(m3·pa)，試計算
： 1）氣液介面上的兩相組成；
2）以分壓差和摩爾濃度差表示的總推動力、總傳質係數、傳質速率
3）以摩爾分率差表示總推動力的氣相總傳質係數；
4）氣膜與液膜阻力的相對大小。
最小液氣比(l/v)min:針對一定的分離任務，操作條件和吸收物係一定，塔內某截面
吸收推動力為零，達到分離程度所需塔高無窮大時的液氣比。
【例7-4】某礦石焙燒爐排出含so2的混合氣體，除so2外其餘組分可看作惰性氣
體。冷卻後送入吸收塔中，用清水洗滌以除去其中的so2。吸收塔的操作溫度為
20℃，壓力為101.3kpa。混合氣流量為1000m3/h，其中含so2體積百分數為9%，
要求so2的**率為90%。若吸收劑用量為理論最小用量的1.2倍，試計算：
（1）相平衡符合亨利定律條件下的x1；
（2）吸收劑用量及塔底吸收液的組成x1；
（3）當用含so20.0003的水溶液作吸收劑時，保持二氧化硫**率不變，吸收劑
用量增加還是減少？塔底吸收液組成x1變為多少？
【例7-5】採用清水逆流吸收某低濃混合氣體，要求溶質的**率為η，物係相平
衡關係服從henry定律，相平衡常數為m。試計算：
（1）(l/v)min；
（2）若吸收劑用量為理論最小用量的β倍， nog=?
【例7-6】在一塔徑為0.8m的填料塔內，用清水逆流吸收空氣中的氨，要求氨的
**率為99.5%，已知混合氣質量流量為1400kg/h，氣體總壓為101.3kpa，其中
氨的分壓為1.333 kpa。若實際吸收劑用量為最小用量的1.4倍，操作溫度(293k)
下的氣液相平衡關係為y*=0.75x，氣相總體積吸收係數為0.088kmol/m3·s，試
求：（1）實際用水量；（2）填料層高度。
第八章藉液體混合物中各組分揮發度的差異來實現均相混合液分離的單元操作；
通過對混合液的多次部分氣化與冷凝的蒸餾操作，使其中的易揮發組分(輕組分)a實現從液相→氣相的傳質；而其難揮發組分(重組分)b從氣相→液相的傳質，從而實現均相混合液各組分的分離、提純和**。
蒸餾和精餾目的：對液體混合物的分離，提取或**有用組分
依據：液體混合物中各組分揮發性的差異
揮發性大（乙醇），稱為易揮發組分或輕組分（a）
揮發性小（水） ，稱為難揮發組分或重組分（b）
液體混合物：(如:酒精水溶液)
簡單蒸餾①按蒸餾方式： 平衡蒸餾精餾、常壓精餾②按操作壓力： 加壓精餾減壓（真空）精餾③按物系的組分數：
雙組分精餾、多組分精餾、間歇精餾、連續精餾④按操作方式：普通精餾、特殊精餾⑤按分離難易：常壓雙組分、連續普通精餾
精餾操作的特點：1. 流程簡單、應用廣泛；2. 主要費用(加熱和冷卻費用，即能耗)大。
餾操作通常採用恆壓方式
理想溶液：指分子間引力不因混合而變化，且形成的混合物無容積效應和熱效應的溶液。式中液體的飽和蒸汽壓p
三、相平衡(y ~ x)圖：對角線y=x為輔助曲線，y~x曲線上各點具有不同的溫度；平衡線離對角線越遠，揮發性差異越大，物係越易分離。壓力對y~x圖的影響壓力增加，平衡線靠近對角線，分離難度大。
揮發度與相對揮發度組分的揮發度：指某種物質在一定溫度下，氣相中的分壓 p。與其平衡的液相中的摩爾分率之比。
是該物質揮發難易程度的標誌，以ν表示，單位為kpa。
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