【正文】 子擴(kuò)散速率 kmol/（m2式中負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散方向與濃度梯度相反。擴(kuò)散系數(shù)大，表示分子擴(kuò)散快。這主要是因?yàn)橐后w的密度比氣體的密度大的多，其分子間距小，故分子在液體中擴(kuò)散速率要慢的多。氣體的液體擴(kuò)散系數(shù)可查閱有關(guān)手冊(cè)。這就是渦流擴(kuò)散。這種憑藉流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和漩渦來(lái)傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象，稱為渦流擴(kuò)散。實(shí)際上，在湍流流體中，由于分子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的分子擴(kuò)散是與渦流擴(kuò)散同時(shí)發(fā)揮著作用。此時(shí)，通過(guò)一個(gè)湍流流體的擴(kuò)散速率可以下式表達(dá)，即 NA= －（D+De） （3—2）式中：NA —— 組分A的擴(kuò)散速率 kmol/（m2對(duì)流擴(kuò)散。（2）吸收過(guò)程的機(jī)理吸收過(guò)程中，吸收質(zhì)除了要分別在氣相和液相中進(jìn)行單一相的傳遞外，還必須通過(guò)氣液接觸界面才能由氣相進(jìn)入液相，但氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)不同，界面狀態(tài)就不同，流體流動(dòng)狀態(tài)不僅決定于流體的物性、流速等參數(shù)，還與設(shè)備的幾何尺寸密切相關(guān)，由此可知吸收過(guò)程的機(jī)理是復(fù)雜的，人們已對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期的深入的研究。雙膜理論的基本論點(diǎn)如下：在氣液兩流體相接觸處，有一穩(wěn)定的分界面，叫相界面。吸收質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過(guò)這兩個(gè)薄膜層。在氣、液兩相的主體中，由于流體的充分湍動(dòng)，吸收質(zhì)的濃度基本上是均勻的，即兩相主體內(nèi)濃度梯度皆為零，全部濃度變化集中在這兩個(gè)膜層中，即阻力集中在兩膜層之中。即認(rèn)為界面上沒(méi)有阻力。提高吸收質(zhì)在膜內(nèi)的分子擴(kuò)散速率就能有效地提高吸收速率，因而兩膜層也就成為吸收過(guò)程的兩個(gè)基本阻力，雙膜理論又稱為雙阻力理論。由于膜內(nèi)阻力與膜的厚度成正比，根據(jù)流體力學(xué)原理，流速越大，則膜的厚度越薄，因此增大氣液兩流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使流體內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪動(dòng)，都能減小膜的厚度，從而降低吸收阻力，增大吸收傳質(zhì)系數(shù)，提高吸收速率。 實(shí)際濃度分布線 虛擬濃度分布線圖35雙膜理論的假想模型示意圖對(duì)于具有固定相界面的系統(tǒng)以及流動(dòng)速度不高的兩流體間的傳質(zhì)，雙膜理論與實(shí)際情況是相當(dāng)符合的，根據(jù)這一理論的基本概念所確定的吸收過(guò)程的傳質(zhì)速率關(guān)系，至今仍是吸收設(shè)備設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，這一理論對(duì)于生產(chǎn)實(shí)際具有重要的指導(dǎo)意義。因?yàn)樵谶@種情況下，相界面已不再是穩(wěn)定的、而是處于不斷更新的過(guò)程中，此時(shí)界面兩側(cè)存在穩(wěn)定的滯流膜層及物質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過(guò)此兩膜層的假設(shè)都很難成立。這些理論對(duì)于相際傳質(zhì)過(guò)程中的界面狀況及流體力學(xué)因素的影響等方面的研究和描述都有所前進(jìn)，但目前尚不足據(jù)以進(jìn)行傳質(zhì)設(shè)備的計(jì)算或解決其它實(shí)際問(wèn)題。02. 查找工業(yè)上其他吸收實(shí)例。那么吸收操作吸收劑是如何選擇的呢？用物理吸收方法來(lái)吸收二氧化碳又有哪些吸收劑可用呢？引言里的工作任務(wù)中選擇什么物質(zhì)作為吸收劑比較合適呢？一、吸收劑的選擇如果吸收的目的是制取某種溶液作成品，如用HCl氣體生產(chǎn)鹽酸，溶劑只能用水，自然沒(méi)有選擇的余地。要想選擇好合適的吸收劑，我們必須首先掌握吸收劑的選擇原則。這樣可以提高吸收效果、減小吸收劑的用量；吸收速率也大、設(shè)備的尺寸便小。吸收劑的揮發(fā)度要小，即在操作溫度下吸收劑的蒸氣壓要小。另外所選用的吸收劑應(yīng)盡可能無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、不易燃、不發(fā)泡、價(jià)廉易得和具有化學(xué)穩(wěn)定性等。工業(yè)上的氣體吸收大多用水作溶劑，難溶于水的氣體才采用特殊溶劑。為了提高氣體吸收的效果，也常采用與溶質(zhì)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)作溶劑。表31為某些氣體選用的部分吸收劑的實(shí)例。水和碳酸丙烯酯均可以作為物理法吸收二氧化碳的吸收劑。加上生產(chǎn)任務(wù)對(duì)分離要求并不太高，因此，我們可暫選用水作為吸收劑，設(shè)法讓水循環(huán)使用。圖36 是吸收塔內(nèi)內(nèi)常見(jiàn)的兩種流向示意圖。在氣、液兩相進(jìn)出口濃度相同的情況下，逆流與并流相比有著顯著優(yōu)點(diǎn)：逆流時(shí)，傳質(zhì)平均推動(dòng)力最大，這樣可提高吸收速率、減小設(shè)備尺寸；逆流時(shí)，塔底引出的溶液在出塔前是與濃度最大的進(jìn)塔氣體接觸，使出塔溶液濃度可達(dá)最大值，從而降低了吸收劑耗用量；逆流時(shí)，塔頂引出的氣體出塔前是與純凈的或濃度較低的吸收劑接觸，可使出塔氣體的濃度能達(dá)最低值，這樣可大大提高吸收率。一般吸收操作均采用逆流，以使過(guò)程具有最大的推動(dòng)力?？紤]到工作任務(wù)中二氧化碳在水中溶解度較低，為了加大傳質(zhì)速率，考慮采用逆流接觸形式。經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間以后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)氣體的壓力和該氣體在溶液中的濃度不再變化。所以宏觀上，過(guò)程就像停止一樣，這種狀況稱為相際動(dòng)平衡，簡(jiǎn)稱相平衡。習(xí)慣上溶解度是以在一定的溫度和溶質(zhì)氣體的平衡壓力下，溶解在單位質(zhì)量的液體溶劑中溶質(zhì)氣體的質(zhì)量數(shù)表示，kg氣體溶質(zhì)/kg液體溶劑。在氣液系統(tǒng)中，只要液相中吸收質(zhì)的實(shí)際濃度小于平衡濃度或氣相中吸收質(zhì)的分壓大于平衡分壓，吸收質(zhì)就從氣相轉(zhuǎn)入液相，吸收過(guò)程一直進(jìn)行到相平衡為止。溶解度的大小是隨物系、溫度和壓力而異，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。圖中的關(guān)系線稱為溶解度曲線。這說(shuō)明氨易溶解于水、氧難溶解于水。圖37 氨、二氧化硫、氧在水中的溶解度曲線顯然：對(duì)應(yīng)于同樣濃度的氣體溶液，易溶氣體溶液上方的平衡壓力小，而難溶氣體溶液上方的平衡壓力大。由圖37還可發(fā)現(xiàn)，這三種物質(zhì)的溶解度曲線表現(xiàn)出同樣的變化趨勢(shì)：當(dāng)壓力一定時(shí)，溫度越低，溶解度越大；當(dāng)溫度一定時(shí)，壓力越高，溶解度越大。溶解度是分析吸收操作過(guò)程的基礎(chǔ)，關(guān)于氣體在液體中的溶解度，至今已發(fā)表了許多數(shù)據(jù)，這些實(shí)測(cè)值載于有關(guān)手冊(cè)之中以供查用。圖38 二氧化碳、二氧化硫及氨在水中的溶解度式33稱為亨利定律。E值的大小表示氣體溶于液體中的難易程度。E值愈大，表示該氣體的溶解度越小，即愈難溶，E值隨溫度的升高而增大。亨利定律是一個(gè)稀溶液定律，因此它對(duì)常壓或接近于常壓下的難溶氣體較為適合，對(duì)于易溶氣體適用于低濃度的較小范圍，如圖38所示NH3H2O系統(tǒng)的平衡線的直線部分是很短的，而對(duì)于難溶氣體如CO2，則在較廣的平衡壓力范圍內(nèi)符合亨利定律。當(dāng)混合氣體總壓力不超過(guò)5標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的情況下，被吸收組分在液體中的溶解度，可以認(rèn)為與總壓無(wú)關(guān)，而只取決于溶質(zhì)氣體的分壓和溫度。若溶質(zhì)在液相和氣相中的組成分別用摩爾分率x及y表示，亨利定律可寫成如下形式，即： y* = mx （34）式中 x —— 液相中溶質(zhì)的摩爾分率y —— 與該液相成平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分率 m —— 相平衡常數(shù)若系統(tǒng)的總壓為P，則依道爾頓分壓定律可知溶質(zhì)在混合氣體中的分壓為 p = Py同理 p* = Py* 將上式代入式33中可得 Py* = Ex將此式與式34相比較可知m = E/P （35）相平衡常數(shù)m也是依實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出來(lái)的數(shù)值。由m值的大小同樣可以比較不同氣體溶解度的大小，m值愈大，則表明該氣體的溶解度愈小。若溶質(zhì)在液相和氣相中的組成分別用比摩爾X及Y表示時(shí)，則可知x = （a）y = （b）將式（a）和式（b）代入式（34）可得： = m 整理后得 Y* = （36）式中 Y*—— 氣、液相平衡時(shí)，每kmol惰性組分中含有氣體溶質(zhì)的kmol數(shù) X —— 氣、液相平衡時(shí)，每kmol吸收劑中含有氣體溶質(zhì)的kmol數(shù) m —— 相平衡常數(shù)式36是用比摩爾分率表示亨利定律的一種形式。但是，當(dāng)溶液濃度很低時(shí)，式36分母趨近于1，于是該式可簡(jiǎn)化為式37是亨利定律又一形式，它表明當(dāng)液相中溶質(zhì)溶解度足夠低時(shí)，氣液相平衡關(guān)系在Y—X圖中，也可近似地表示成通過(guò)原點(diǎn)的直線。 Y* = mX （37）若氣相組成用分壓，液相組成用物質(zhì)的量濃度時(shí)，亨利定律為： p*= （38）式中： C —— 液相中溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度 kmol/m3 H —— 溶解度系數(shù) kmol/（kN溶解度系數(shù)H與亨利系數(shù)E的關(guān)系為： H = （39）式中：ρ—— 溶液的密度 kg/m3 MS —— 吸收劑的摩爾質(zhì)量 kg/kmol圖39 吸收平衡線 圖310 稀溶液吸收平衡線上述亨利定律的各種表達(dá)式所表示的都是互成平衡的氣、液兩相組成間的關(guān)系，利用它們即可根據(jù)液相組成計(jì)算平衡的氣相組成，同樣也可根據(jù)氣相組成計(jì)算平衡的液相組成?！纠?1】某礦石焙燒爐送出來(lái)的氣體，經(jīng)冷卻后將溫度降到20℃，然后送入填料吸收塔中用水洗滌以除去其中SO2，已知平均操作壓力為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，20℃時(shí)SO2在水中的平衡溶解度數(shù)據(jù)如本例附表1例31 附表1SO2溶解度kgSO2/100kgH2OSO2平衡分壓kN/m2試按以上數(shù)據(jù)標(biāo)繪Y*—X曲線。例31 附圖（3）相平衡與吸收操作當(dāng)不平衡的氣液兩相接觸時(shí)，溶質(zhì)是被吸收，還是被解吸，這要由相平衡關(guān)系來(lái)決定。①根據(jù)氣液相平衡關(guān)系判明過(guò)程進(jìn)行的方向和限度在吸收塔的計(jì)算中通常以氣液兩相的實(shí)際狀態(tài)與相應(yīng)的平衡狀態(tài)的偏離程度來(lái)表示吸收推動(dòng)力的大小。實(shí)際狀態(tài)與平衡狀態(tài)偏離越大，則吸收推動(dòng)力也越大，吸收推動(dòng)力可用氣相濃度差ΔY=YY*表示，也可用液相濃度差ΔX=X*X表示。隨著吸收過(guò)程的進(jìn)行，氣相中被吸收組分的含量不斷降低，溶液濃度不斷上升，直到Y(jié)=Y*或X*=X，此時(shí)實(shí)際物系點(diǎn)與平衡曲線重合，吸收達(dá)到了極限。當(dāng)氣液相濃度用其它形式表示時(shí)推動(dòng)力也可表示成相應(yīng)的形式，如：Δp = p p*、Δx = x* x、Δy = yy*。表32吸收過(guò)程判據(jù)濃度關(guān)系傳遞過(guò)程液相濃度X*X＞0吸收X*X＜0解吸X*X=0平衡氣相濃度YY*0吸收YY*＜0解吸YY*=0平衡②判斷吸收操作的難易程度在一定壓強(qiáng)和溫度下，對(duì)于一定濃度的溶液，被溶解氣體在氣相中平衡分壓的大小，反映了氣體溶解度的大小即氣體被吸收的難易程度。氣體吸收的難易程度還可從亨利系數(shù)E或相平衡常數(shù)m的值的大小來(lái)判斷。③根據(jù)氣液平衡關(guān)系選擇操作條件對(duì)于同一物系，氣體的溶解度隨溫度和壓力而改變。因此，吸收操作在較低溫度下進(jìn)行較為有利，對(duì)于熱效應(yīng)較大的物系，可以在吸收過(guò)程中采取冷卻措施，為此通常要設(shè)置中間冷卻器以降低吸收溫度。因此應(yīng)綜合考慮不同因素，選擇一個(gè)最適宜的溫度。但在壓力增高的同時(shí)，動(dòng)力消耗就會(huì)隨之增大，對(duì)設(shè)備的強(qiáng)度要求也隨之提高，使設(shè)備投資的經(jīng)常性生產(chǎn)費(fèi)用加大。除非在常壓下溶解度太小，才采用加壓吸收。根據(jù)二氧化碳水的平衡關(guān)系，引言工作任務(wù)中操作條件選擇常溫（25C176。 任務(wù)解決3 操作溫度和操作壓力的選擇三、吸收劑用量的確定吸收劑用量是通過(guò)對(duì)吸收過(guò)程進(jìn)行物料衡算和操作分析得到的。在吸收過(guò)程中，混合氣體通過(guò)吸收塔的過(guò)程中，可溶組分不斷被吸收，在氣相中的濃度逐漸減小，氣體總量沿塔高而變；液體因其中不斷溶入可溶組分，液相中可溶組分的濃度是逐漸增大的，液體總量也沿塔高而變。在吸收操作中，氣相中吸收質(zhì)被吸收的質(zhì)量與氣相中原有的吸收質(zhì)質(zhì)量之比，稱為吸收率。 Φ = = = （313） 式（311）可改寫成：Y2 = Y1（1 Φ） （314）在吸收塔的計(jì)算中，已知V、L、XXY1及Y2中的任何5項(xiàng)，即可求出其余的一項(xiàng)。（2）吸收塔的操作線方程與操作線參照?qǐng)D311，取任一截面MM，在MM與塔底端之間做吸收質(zhì)的物料衡算。在穩(wěn)定操作中，式中XYL/V都是定值，所以該操作線方程為一直線方程，其斜率為L(zhǎng)/V。依此方法繪出逆流吸收操作的操作線，如圖312所示。端點(diǎn)A代表塔底的氣、液相濃度Y、X的對(duì)應(yīng)關(guān)系；端點(diǎn)B則代表著塔頂?shù)臍?、液相濃度Y、X的對(duì)應(yīng)關(guān)系。與之相應(yīng)的是在解吸操作中，吸收質(zhì)在氣相中的分壓小于與其接觸的液相平衡分壓，因此解吸操作線總是位于平衡線的下方。吸收劑的入塔濃度則常由工藝條件決定或由設(shè)計(jì)者選定，因此吸收劑的用量仍需選擇。由前知，當(dāng)V、YY2及X2已知的情況下，吸收塔操作線的一個(gè)端點(diǎn)B已經(jīng)固定，而另一個(gè)端點(diǎn)A在Y=Y1的水平線上移動(dòng)，且點(diǎn)A的橫坐標(biāo)X1將取決于操作線的斜率L/V。若增大吸收劑用量，則操作線的斜率L/V將增大，點(diǎn)A將沿Y=Y1的水平線左移，塔底出口溶液的濃度X1減小，操作線遠(yuǎn)離平衡線，從而過(guò)程推動(dòng)力X1*X1增大，減小設(shè)備尺寸、節(jié)約設(shè)備費(fèi)用（主要是塔的造價(jià)）。反之，若減少吸收劑用量，則操作線的斜率L/V將減小，點(diǎn)A將沿Y=Y1的水平線右移，塔底出口溶液的濃度X1增大，操作線靠近平衡線，從而過(guò)程推動(dòng)力X1*X1減小，要在單位時(shí)間內(nèi)吸收同量的溶質(zhì)，設(shè)備也就要大一些，以致設(shè)備費(fèi)用增大。但此時(shí)的推動(dòng)力為零，表示取得一定的吸收效果必須要用無(wú)限大的接觸面積，顯然這是一種達(dá)不到的極限狀況，實(shí)際生產(chǎn)是不可能實(shí)現(xiàn)的，此種狀況下吸收操作線A*B的斜率稱為最小液氣比，以（L/V）min表示，相應(yīng)的吸收劑用量稱為最小吸收劑用量，以Lmin表示。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，即： = ～（）min或：