5.3吸收速率（课件）-《化工单元操作（第三版） 》同步教学（化工版·2022）

第5章 气体吸收 5.3 吸收速率 一、传质的基本方式 1、吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步骤： ①溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递； 2 一、传质的基本方式 1、吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步骤： ②溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程；（易） ③溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。 3 二 分子扩散与涡流扩散 1.分子扩散：依靠物质分子的热运动，物质从一处转移到另一处的过程。 2.机理：分子的热运动 3.平衡态：没有组分的净转移。 说明：只要浓度差△C存在，会有分子扩散引起的物质传递。 二 分子扩散与涡流扩散 静止流体：存在浓度差(△C)，分子的热运动，物质从高浓度地方扩散到低浓度的地方。 层流的流体：如果与垂直的方向存在浓度差(△C)，亦可由高C向低C方向扩散。 湍流的流体：只要存在△C，也有物质通过分子扩散从高C处→低C处。 2.涡流扩散 定义：有浓度差时，凭借流体质点的湍动和旋涡来使物质从高浓度向低浓度方向进行传递的现象称为涡流扩散。 原因：流体质点的脉动和旋涡引起流体质点的碰撞与混合。 与分子扩散的比较：物质传递现象；分子扩散——热运动、速率较慢，涡流扩散——质点的碰撞混合，速率快。 三、吸收过程的机理 为了解决多相传质问题，路易斯—惠特曼（Lewis-Whitman）将固体溶解理论引入传质过程，20世纪20年代提出了双膜模型. 双膜理论的基本观点—膜模论（双膜论） 1、气液相接触面两侧有气、液膜，吸收质以分子 扩散的方式通过两膜层。（流速越大，膜层厚 度越小） 2、气液两相主体浓度不变，浓度变化在膜层中 ——阻力集中在两膜层中。 3、相界面处，吸收质在气液两相中浓度达到平衡— 相界面上没有阻力。 结论：吸收过程是吸收质经由气、液两膜层的分子扩散过程， 两膜层的阻力为吸收过程的两个基本阻力，决定了传质速率的大小——双阻力理论。 9 吸收过程 ：气相中吸收质的p>p* 时，吸收质以p-p*推动力克服气膜厚度的阻力，以分子扩散的方式通过气膜到相界面上，界面上 pi 和Ci 成平衡，吸收质以Ci –C的浓度差推动力克服液膜厚度的阻力，以分子扩散穿过液膜，从界面扩散到液相主体，完成此过程。 适用范围：具有固定相界面的系统以及流动速度不高的两流体间的传质。 11 局限性：具有自由相界面的系统，尤其是高度湍流的两流体间的传质。 原则上讲，若已知气、液相传质分系数kG和kL，我们便可通过双膜模型，联立求解得到未知的气、液界面组成pi和Ci，再求得传质通量NA。 12 三、 吸收速率方程式 吸收速率：在吸收操作中，每单位相际传质面积上，单位时间内吸收的溶质量。 吸收速率方程：表明吸收速率与吸收推动力之间的关系式。 （一）气膜、液膜吸收速率方程式： NA = kG(p - pi)= kL(Ci -C) NA—分子扩散速率 kmol/m2·s p、 pi—吸收质在气相主体、相 界面处的分压 kPa Ci 、C—相界面处的、液相主体的浓度 kG、 kL —气膜、液膜吸收系数 kmol/m2·s · kPa 13 （二）总吸收系数及相应的吸收速率方程分别为： 1、以p-p*和C*-C表示推动力的速率方程 由于 pA ，p A * ， CA C A *， 均为已知，用此求NA时就避开了求界面浓度Ci和 pi。 14 由上面的式子（1）可知：1/KG=1/HkL+1/kG 对于易溶气体：H很大， 1/HkL很小，所以1/HkL << 1/kG 则 1/KG = 1/kG 气膜控制 （吸收总推动力的绝大部分用于克服气膜阻力） 15 例如：水吸收HCl、NO2等 由上面的式子（2）可知：1/KL=1/kL+H/kG 对于难溶气体，H很小，所以H/kG << 1/kL 则1/KL=1/kL 液膜控制 例如：水吸收CO2、CO等 16 2、以Y-Y*和X*-X表示推动力的速率方程 17 18 $$