吸收相平衡和速率PPT学习教案

1、会计学1 吸收相平衡和速率吸收相平衡和速率 2 第1页/共35页 3 第2页/共35页 Exp * 4 *- 平衡时吸收质的分压平衡时吸收质的分压; Pa; x - 平衡时吸收质的摩尔分数平衡时吸收质的摩尔分数; E - 亨利系数亨利系数，Pa; 其值随温度的升高而升高其值随温度的升高而升高。 1. 用吸收质在溶液中的用吸收质在溶液中的摩尔分数摩尔分数 x 表示表示: 第3页/共35页 *Hpc c H p 1 * 5 H- 溶解度系数溶解度系数，单位，单位 kmolm-3Pa-1 ，其值随温度升，其值随温度升 高而降低高而降低. 或或 第4页/共35页 x xMxMM x xcc sAr )

2、1 ( 0 6 H 与与 E 的关系的关系: HxMxM E s 1 )1 ( A HM EMM s s srs 1 , 对稀溶液： Mr-溶液的摩尔质量，溶液的摩尔质量， gmol-1 MA-吸收质的摩尔质量，吸收质的摩尔质量， gmol-1 Ms-溶剂的摩尔质量，溶剂的摩尔质量，gmol-1 C0-溶液的总浓度，溶液的总浓度，kgm-3 Exc H 1 第5页/共35页 mxx p E y 7 平衡条件下气体中平衡条件下气体中 吸收质摩尔分数吸收质摩尔分数 混合气的混合气的 总总 压力压力 相平衡系数，无相平衡系数，无 量刚。量刚。 注意注意:严格地说，亨利定律只适用于严格地说，亨利定律只

3、适用于稀溶液稀溶液，如，如常压下常压下 难溶或少溶气体的吸收难溶或少溶气体的吸收。当液相或气相中吸收质浓度较。当液相或气相中吸收质浓度较 大时，亨利定律有偏差。大时，亨利定律有偏差。 第6页/共35页 Exp * *Hpc c H p 1 * mxx p E y 8 HxMxM E s 1 )1 ( A 1. 用吸收质在溶液中的摩尔分数用吸收质在溶液中的摩尔分数 x 表示表示: 2. 用吸收质在溶液中的物质的量浓度用吸收质在溶液中的物质的量浓度C (kmolm-3)表示表示: 3. 用吸收质在两相中的摩尔分数用吸收质在两相中的摩尔分数 x、y 表示表示: E - 亨利系数亨利系数, Pa; 其

4、值随温度的升高而升高其值随温度的升高而升高. H- 溶解度系数，单位溶解度系数，单位 kmolm-3Pa-1 ，其值随温度升高而降低，其值随温度升高而降低 。 m-相平衡系数，无量刚相平衡系数，无量刚 p E m E 与与 H、m 的关系的关系: 第7页/共35页 9 第8页/共35页 Y Y y y y Y 1 1 X X x x x X 1 1 mxy Xm mX Y )1 (1 10 对气相对气相: 或或 对液对液 相相: 或或 带入相平衡关系式带入相平衡关系式 对稀溶液对稀溶液X值较小值较小,上式可简化为上式可简化为: mXY 得得: X mX Y Y 11 第9页/共35页 11 1

5、. 溶解度很小溶解度很小- 这类气体组分的亨利常数这类气体组分的亨利常数 E 的值的值很大很大， 其数量级为其数量级为: 1109 Pa，(浓度不大的溶液分压大浓度不大的溶液分压大)。如氢。如氢 、氧、一氧化碳等。、氧、一氧化碳等。 2. 溶解度中等溶解度中等- 这类气体组分的亨利常数这类气体组分的亨利常数 E 的值在的值在 1107 Pa数量级。如二氧化碳数量级。如二氧化碳.硫化氢等。硫化氢等。 3. 溶解度很大溶解度很大- 这类气体组分的亨利常数这类气体组分的亨利常数 E 的值的值不大不大。 如氨和氯化氢等。如氨和氯化氢等。 第10页/共35页 12 菲克定律菲克定律 第11页/共35页

6、13 N = dn / d = KA n上式中上式中: N- 单位时间单位时间 ()传递的吸收质的量传递的吸收质的量(n) -吸收过程中的推动力吸收过程中的推动力,可用分压差或浓度可用分压差或浓度 差表示差表示 K- 过程的传质系数过程的传质系数 吸收操作的极限取决于体系的气液平衡吸收操作的极限取决于体系的气液平衡, 吸收操作的强度取决于吸收的速率吸收操作的强度取决于吸收的速率. A - 过程的传质面积过程的传质面积 第12页/共35页 一、单相扩散一、单相扩散 分子扩散和涡流扩散：分子扩散和涡流扩散： 吸收质由气相转移到液相是靠吸收质由气相转移到液相是靠扩散扩散进行的，进行的， 扩散有扩散有

7、分子扩散分子扩散和和涡流扩散涡流扩散。 分子扩散：由分子扩散：由分子热运动分子热运动引起，引起，静止静止流体和流流体和流 体做体做层流流动层流流动时均为分子扩散时均为分子扩散。 涡流扩散涡流扩散: 靠靠流体质点的湍动流体质点的湍动进行扩散。进行扩散。湍流湍流 时物质的传递主要是涡流扩散。涡流扩散速率时物质的传递主要是涡流扩散。涡流扩散速率 远比分子扩散速率远比分子扩散速率大大得多。得多。 14 第13页/共35页 dz dc D d dn N A ABA 15 式中：式中：NA -A的扩散速率或的扩散速率或 传质速率，传质速率， 单位为单位为 mols-1； z - 扩散距离，即膜层厚度，单位

8、为扩散距离，即膜层厚度，单位为m； c A - 吸收质浓度，单位为吸收质浓度，单位为molm-3 ； dc/dz -为扩散层中的浓度梯度；为扩散层中的浓度梯度； DAB - 扩散系数，单位为扩散系数，单位为m2s-1。 “ - ” 号表示扩散方向沿浓度降低的方向。号表示扩散方向沿浓度降低的方向。 第14页/共35页 16 扩散系数是物理性质，表示物质扩散能力的大小，扩散系数是物理性质，表示物质扩散能力的大小， 单位为单位为 m2 s-1 扩散系数的物理意义是指沿扩散方向，当物质的扩散系数的物理意义是指沿扩散方向，当物质的 浓差为浓差为1mol m-3，在在1s时间内通过时间内通过1m厚度的扩散

9、层厚度的扩散层 ， 在在1m2面积上所扩散的物质的量。面积上所扩散的物质的量。 扩散系数扩散系数D值与体系中扩散质和扩散介质的值与体系中扩散质和扩散介质的种类种类、 体系的体系的温度温度、压力压力有关。体积越小，温度越高，压力有关。体积越小，温度越高，压力 越低，扩散系数越大。越低，扩散系数越大。 扩散系数扩散系数D值用实验直接测定。可查阅。值用实验直接测定。可查阅。 第15页/共35页 dz dc D d dn N A ABA LAAB L AA AB cD cc DN / 21 A 17 定态条件下，将上式积分，菲克公式成为：定态条件下，将上式积分，菲克公式成为： RT p cnRTpV

10、V n c, G A AB G AA ABA RT p D RT pp DN 21 第16页/共35页 18 Bm AB p p RT p DN g A Bml AB c cc DN 0A 液相液相 气相气相 c0-液相总浓度，液相总浓度， cBM-液相层两侧组分液相层两侧组分B浓度的对数平均值，浓度的对数平均值， p-气相总压，气相总压，pBM-气体层两侧组分气体层两侧组分B分压的对数平均值。分压的对数平均值。 第17页/共35页 dz dc D d dn N A EA 19 DE-涡流扩散系数，与湍流程度有关涡流扩散系数，与湍流程度有关,很难测定。很难测定。NA未知未知 对流扩散速率对流扩

11、散速率 = 涡流扩散涡流扩散 + 分子扩散分子扩散 dz dc DDN A EA ）（ AB 湍流主体以涡流扩散为主，湍流主体以涡流扩散为主，DE DAB； ； 滞流底层为分子扩散，滞流底层为分子扩散， DAB DE； ； 过渡层过渡层DE、 、DAB数量级相当。 数量级相当。 第18页/共35页 20 1. 气液界面上存在气液界面上存在气膜和液膜，气膜和液膜，吸收质以吸收质以分子扩散分子扩散通过气膜和通过气膜和 液膜液膜. 2. 气相主体和液相主体因系湍流，扩散以涡流扩散方式进行气相主体和液相主体因系湍流，扩散以涡流扩散方式进行 ，主体中各点的吸收质浓度基本均匀，无所谓传质的阻力，主体中各点

12、的吸收质浓度基本均匀，无所谓传质的阻力 。但吸收质。但吸收质通过膜层的扩散以分子扩散进行，是传质的主通过膜层的扩散以分子扩散进行，是传质的主 要阻力要阻力. 3. 界面上吸收质的溶解能较快进行，界面上吸收质的溶解能较快进行，吸收质在两相界面间处吸收质在两相界面间处 于平衡状态，于平衡状态，但两相主体中的吸收质相互间不存在特定的但两相主体中的吸收质相互间不存在特定的 依赖关系依赖关系. 4. 若气相主体中吸收质的分压为若气相主体中吸收质的分压为p，界面气膜的吸收质分压为界面气膜的吸收质分压为pi ; (p - pi)为为吸收过程的推动力吸收过程的推动力。同理，若液相主体中吸收质的浓。同理，若液相

13、主体中吸收质的浓 度为度为c,两相界面的液膜中的浓度为两相界面的液膜中的浓度为ci ， ，(ci c)也是 也是吸收过程的吸收过程的 推动力推动力的一种表达方式的一种表达方式. 第19页/共35页 双膜理论的传质过程双膜理论的传质过程 气相主体气相主体 液相主体液相主体 虚拟液膜，虚拟液膜，L pA pAi cA i cA 扩散方向 扩散方向 实际实际 虚拟气膜，虚拟气膜，G )( AiA BM G AB A pp p p RT D N )( L AAi BM AB A cc c cD N 气膜、液膜吸收速气膜、液膜吸收速 率率 21 第20页/共35页 22 (1). 对气膜层对气膜层:若气

14、相主体中吸收质的分压为若气相主体中吸收质的分压为pA,相界面上相界面上 吸收质的分压为吸收质的分压为pAi,则为：则为： )( iG ppkN mG AB G B pRT pD k 上式也可简化为上式也可简化为: kG 称为气相分吸收系数称为气相分吸收系数， 单位：单位：mol m-2 s-1 Pa-1；受流体流动形；受流体流动形 态等因素的影响。用关联式或经验式求算态等因素的影响。用关联式或经验式求算 . )( AiA BM G AB A pp p p RT D N 第21页/共35页 )( 0 L AAi BM AB A cc c cD N )(cckN iL BML AB L c cD

15、k 0 23 n吸收质从气液界面向液相主体传递，液相主体吸收质的吸收质从气液界面向液相主体传递，液相主体吸收质的 浓度为浓度为c，在液膜界面处吸收质的浓度为，在液膜界面处吸收质的浓度为ci ，上式成为：，上式成为： kL称为液相分吸收系数或液膜吸收系数称为液相分吸收系数或液膜吸收系数 ，单位为，单位为m 为推动力，单位为推动力，单位kmol kL由实验测定或关联式求算由实验测定或关联式求算. 第22页/共35页 )(Re,ScfSh AB D kd Sh AB D Sc 33. 08 . 0 Re066. 0ScSh 24 Sh舍伍德数（舍伍德数（Sherwood） Sc施密特数施密特数(Sc

16、hmit) 例如对于采用拉西环的填料塔，计算气膜传质系数的关联式为 ： k为为kG或或kL 第23页/共35页 n实际中两相界面吸收质的分压实际中两相界面吸收质的分压pi或浓度或浓度ci难于测难于测 定定,计算时只能选取气液相主体的分压计算时只能选取气液相主体的分压p或浓度或浓度c。 （1）气相总吸收速率方程：）气相总吸收速率方程： 若体系溶液的吸收质浓度为若体系溶液的吸收质浓度为c，溶液的吸收质溶液的吸收质 平衡分压为平衡分压为p*，气相中吸收质的分压为气相中吸收质的分压为p， 只要只要p p*，吸收就能进行。吸收就能进行。p-p*是吸收推动力。是吸收推动力。 气相总吸收速率方程可写为气相总

17、吸收速率方程可写为: )( * ppKN G 25 式中式中:KG-气相总吸收系数；气相总吸收系数； 其倒数其倒数1/ KG为气相总吸收阻力为气相总吸收阻力 . 第24页/共35页 ii c H p 1 )( )( )( * L * L pp Hk N ppHkN cckN i iL i )( )( i G iG pp k N ppkN )( 11 1 * pp kHk N GL 26 c H p 1 * 液膜分吸收速率方程液膜分吸收速率方程:气膜分吸收速率方程气膜分吸收速率方程: 两式相加合并，得两式相加合并，得 ： KG与与k G和和k L的关系的关系 第25页/共35页 GLG kHkK

18、 111 )( 11 1 * pp kHk N GL 27 总吸收阻力总吸收阻力 液膜吸液膜吸 收阻力收阻力 气膜吸收气膜吸收 阻力阻力 当吸收质在溶液中有当吸收质在溶液中有很大的溶解度时很大的溶解度时(如氨如氨水水)，溶解，溶解 度系数度系数H较大，得较大，得: KG = kG 即吸收过程的总阻力主要是气膜阻力，即吸收过程的总阻力主要是气膜阻力，过程为气膜控制过程为气膜控制 。 第26页/共35页 气相主体吸收质分压为气相主体吸收质分压为p时时,对应的平衡溶液吸对应的平衡溶液吸 收质浓度为收质浓度为c*，而溶液的浓度为，而溶液的浓度为c， 因因c*c，吸收就能继续进行。，吸收就能继续进行。c

19、* c为过程推动力为过程推动力 . )( * ccKN L 28 式中：式中： KL-液相总吸收系数，单位：液相总吸收系数，单位：m2s-1 1/KL 为为 液相总吸收阻力液相总吸收阻力 液相总吸收速率方程为：液相总吸收速率方程为： 第27页/共35页 两式相加合并两式相加合并: )( * ccKN L LL kk H K 11 G 29 )(cckN iL )()( * i G iG cc H k ppkN )( 1 1 * G cc k H k N L 同理同理,与液相总吸收与液相总吸收 速率方程速率方程: 比较可得：比较可得： 第28页/共35页 LG 11 kk H K L L kK

20、L LG HKK GL 111 kHkKG 30 综合以上气相、液相总吸收阻力关系式：综合以上气相、液相总吸收阻力关系式： 可得：可得： 即吸收过程的总阻力主要是液膜阻力，即吸收过程的总阻力主要是液膜阻力，过程为液膜控制。过程为液膜控制。 第29页/共35页 dAYYKdN Y )( * 31 KY为对应于为对应于Y的气相总吸收系数，单位为的气相总吸收系数，单位为 molm-2s-1 (Y=Y-Y*）; Y,Y*分别为吸收质的分压分别为吸收质的分压 p、平衡分压、平衡分压 p*所对应的摩尔比所对应的摩尔比 。 工程上常以惰性组分工程上常以惰性组分(不被吸收的气体组分或溶剂不被吸收的气体组分或溶剂) 为基准，采用摩尔比表示总吸收速率方程为基准，采用摩尔比表示总吸收速率方程. （1）用吸收质气相摩尔比）用吸收质气相摩尔比Y表示的气相总吸收速率方程：表示的气相总吸收速率方程： 第30页/共35页 pypi Y Y y 1 dA Y Y Y Y pK dAyypKdApypyKdN G GG ) 11 ( )