化工原理课件,华南理工,吸收-2

1、两个基本问题：两个基本问题：一是过程的极限，取决于一是过程的极限，取决于吸收的相平衡关系吸收的相平衡关系另一是过程的速率。另一是过程的速率。气液传质过程的三个基本步骤：气液传质过程的三个基本步骤：溶质由气相主体溶质由气相主体 相界面（相内传质）相界面（相内传质）溶质组分在界面上发生溶解进入液相溶质组分在界面上发生溶解进入液相 （相际传质）（相际传质） 由界面由界面 液相主体（相内传质）液相主体（相内传质）溶质气体是凭借溶质气体是凭借扩散扩散完成相内传质的完成相内传质的 扩散扩散= = 分子扩散分子扩散 + + 涡流扩散涡流扩散 溶解过程较易进行，其阻力很小。溶解过程较易进行，其阻力很小。总传质

2、过程总传质过程速率将由速率将由相内传质相内传质传质速率传质速率所决定。所决定。 分子扩散分子扩散混合物中存在浓度梯度产生的扩散混合物中存在浓度梯度产生的扩散涡流扩散涡流扩散凭借流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散凭借流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散2.1 分子扩散与传质分子扩散与传质 （1）分子扩散）分子扩散-费克定律（费克定律（Fick） a. a.分子扩散分子扩散是在相内部因是在相内部因浓度梯度浓度梯度的存在，由于的存在，由于分子的分子的无规则热运动无规则热运动而产生的物质传质现象而产生的物质传质现象 分子运动向各方向是无规则的分子运动向各方向是无规则的分子微观运动的结果分子微观运动的结果在浓

3、度高处的分子向浓度低方向扩散在浓度高处的分子向浓度低方向扩散静止或层流运动的流体静止或层流运动的流体b.费克定律（费克定律（Fick定律）定律） 单位时间通过单位面积物质的扩散量与浓度梯度单位时间通过单位面积物质的扩散量与浓度梯度成正比。与成正比。与傅立叶定律傅立叶定律 相似相似JA组分组分A沿沿Z方向的扩散通量方向的扩散通量kmol/m2s；CA组分组分A在混合物中摩尔浓度在混合物中摩尔浓度kmol/m3 ;DAB组分组分A在在A、B混合物中的扩散系数，混合物中的扩散系数，m2 /s。负号扩散方向沿负号扩散方向沿A浓度降低的方向进行浓度降低的方向进行dZdcDJAABA只要存在浓度差，必然会

4、产生分子扩散只要存在浓度差，必然会产生分子扩散是描述分子扩散的基本规律是描述分子扩散的基本规律（2）等分子反向扩散）等分子反向扩散 由由A、B组成均相混合物中，若维持各点的组成均相混合物中，若维持各点的 T,P,C=constant ,当其内部存在当其内部存在A、B组分浓度分布时，组分浓度分布时，会发生会发生A、B两组分的等分子反向扩散。两组分的等分子反向扩散。混合物中各点总浓度不变混合物中各点总浓度不变const0BACCC00dZdCdZdCdZdCBAdZdCdZdCBA根据费克定律根据费克定律dZdcDJAABAdZdcDJBBAB扩散通量扩散通量 可得可得dZdCDdZdCDBBAA

5、ABDAB=DBA=D BAJJ对双组分混合物，稳定扩散条件下，双组分混合物中，对双组分混合物，稳定扩散条件下，双组分混合物中，组分组分A在在B中的扩散系数等于组分中的扩散系数等于组分B在在A中的扩散系数。中的扩散系数。 双组分物系中当各处的浓度相等时，有双组分物系中当各处的浓度相等时，有A的扩散，必然的扩散，必然伴有伴有B的分子扩散，二者扩散速率相等方向相反的分子扩散，二者扩散速率相等方向相反扩散方向上没有流体的宏观运动，通过任一截面的净物扩散方向上没有流体的宏观运动，通过任一截面的净物质量为零质量为零前提：前提：界面能等速率地向气相提供组分界面能等速率地向气相提供组分B传质速率的大小主要是

6、分子扩散的贡献。传质速率的大小主要是分子扩散的贡献。对于稳态扩散则有：对于稳态扩散则有：对于气相：对于气相： 体现在精馏过程中：体现在精馏过程中： 1mol A 液液 气气 1mol B 气气 液液 21AAAAACCZDdZdCDJNRTPC 21AAAppRTZDNAAJN BBJN （3）单向扩散与总体流动）单向扩散与总体流动v在气体吸收过程中，由于液相中不存在物质在气体吸收过程中，由于液相中不存在物质B，故不可能向界面提供组分，故不可能向界面提供组分B。（不再是。（不再是等分子反向扩散），而是组分等分子反向扩散），而是组分A的单向扩散的单向扩散v单向扩散：一组分通过另一个停滞组分的扩单

7、向扩散：一组分通过另一个停滞组分的扩散散 v在相界面处，在相界面处，A可溶于液相，可溶于液相，B不溶于液相。不溶于液相。vA在浓度梯度作用下从气相主体向界面在浓度梯度作用下从气相主体向界面i-i处扩散，在处扩散，在界面发生溶解，进入液相，其通量为界面发生溶解，进入液相，其通量为JA。v界面处界面处A溶于液相中，使溶于液相中，使B产生逆向浓度差。产生反产生逆向浓度差。产生反向扩散，其通量向扩散，其通量JA=-JB 。v界面处界面处B的反向扩散，无液相分子通过界面向气相的反向扩散，无液相分子通过界面向气相补充，导致界面处补充，导致界面处气相总浓度下降，即总压下降气相总浓度下降，即总压下降，使气体与

8、界面之间产生微小的压差，从而产生混合使气体与界面之间产生微小的压差，从而产生混合气主体向界面递补的运动，这种递补运动称之为气主体向界面递补的运动，这种递补运动称之为总总体流动体流动。v以液相及气相为推动力的传质速率方程。以液相及气相为推动力的传质速率方程。v 、 称为漂流因子，其值大于称为漂流因子，其值大于1 1。 有总体流动存在的传质速率大于单纯的分子扩散有总体流动存在的传质速率大于单纯的分子扩散v反映总体流动对传质速率的贡献反映总体流动对传质速率的贡献v描述吸收过程的传质：气相中的描述吸收过程的传质：气相中的A A不断溶解，不断溶解，B B不不能进入液相。能进入液相。2121AABmAAA

9、BmoApppPRTzDNcccCzDN气相：液相：BmppBmoccAAJN BBJN 02-2 扩散系数扩散系数v分子扩散系数是物性常数之一：分子扩散系数是物性常数之一： D=f(物质种类，物质种类，T， P，浓度，粘度），浓度，粘度）扩散系数可由以下扩散系数可由以下3种途径获得：种途径获得：由试验测得。试验测定是求物质扩散系数的根由试验测得。试验测定是求物质扩散系数的根本途径本途径 从手册中查得。从手册中查得。 借助某些经验的或半经验的公式进行估算（查借助某些经验的或半经验的公式进行估算（查不到不到D又缺乏进行试验测定的条件时）。又缺乏进行试验测定的条件时）。 v气体气体中分子扩散系数中

10、分子扩散系数 0.11.0cm2/s Df(种类，种类，T，P) ；浓度对其影响小；浓度对其影响小 T ，D ； P ， Dv液体液体中分子扩散系数中分子扩散系数 10-5510-5cm2/s Df(种类，种类，T，浓度，浓度, 粘度粘度) ；P对其影响小对其影响小 ，D ；C ，D ； M ，D23/13/15 . 075. 17)()()11(1000. 1BABAVVpMMTDpTD75. 1TD 2-3 涡流扩散与对流传质涡流扩散与对流传质一一涡流扩散：湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡，涡流扩散：湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡，造成组分扩散，造成组分扩散，借助于费克定律形式。借助于费

11、克定律形式。 De为涡流扩散系数，为涡流扩散系数， 不仅和不仅和物性物性有关，而且与有关，而且与流动状况流动状况及所处的及所处的位置位置有关有关 二二. 总的扩散通量总的扩散通量 : 即有分子扩散又有涡流扩散即有分子扩散又有涡流扩散dZdcDDJAeA)(dZdcDJAeA2-4 2-4 吸收过程的双膜模型吸收过程的双膜模型 双膜模型要点：双膜模型要点：a.a.气液相间有稳定的相界面气液相间有稳定的相界面 在界面处在界面处气液浓度成平衡气液浓度成平衡 pi=f(ci) b.b.相界面两侧各有一停滞膜（虚拟膜或者有效膜），相界面两侧各有一停滞膜（虚拟膜或者有效膜），膜内传质以膜内传质以分子扩散分

12、子扩散 方式进行方式进行c.c.传质阻力全部集中在虚拟膜内，传质阻力全部集中在虚拟膜内， 膜外主体高度湍流，传质阻力为膜外主体高度湍流，传质阻力为0 0。2-5 2-5 吸收过程传质速率方程式吸收过程传质速率方程式v传质阻力全部折算到虚拟膜内，则吸收过程的传质传质阻力全部折算到虚拟膜内，则吸收过程的传质速率方程可表示为以分子扩散形式表示的传质速率速率方程可表示为以分子扩散形式表示的传质速率推推动动力力系系数数阻阻力力推推动动力力速速率率1.1.气相对流传质速率方程气相对流传质速率方程 )p(ppRTzDPNiAAGBmGABmGGpRTzDPk令令GiAAGiAAGGA1/)()(kppppk

13、N则则主主体体浓浓度度界界面面浓浓度度膜膜侧侧传传质质系系数数膜膜侧侧阻阻力力主主体体浓浓度度界界面面浓浓度度速速率率传传质质气相对流传质速率方程有以下几种形式：气相对流传质速率方程有以下几种形式：)(iAAGGAppkN )(iAyykNy )Y(YkNYiA kG 以以分压差分压差表示推动力的气相传质分系数，表示推动力的气相传质分系数，kmol/(m2skPa）ky以以气相摩尔分率差气相摩尔分率差表示推动力的气相传质分系数，表示推动力的气相传质分系数，kmol/(m2s)kY 以以气相摩尔比差气相摩尔比差表示推动力的气相传质分系数，表示推动力的气相传质分系数，kmol/( (m2s) )G

14、yPkk 2.2.液相对流传质速率方程液相对流传质速率方程 )(ALiAmLAccczDcNBBmLLczDck令令则则)(ALiALAcckN 液相传质速率方程有以下几种形式：液相传质速率方程有以下几种形式：)(iAxxkNx )(ALiALAcckN )(AXXkNiX kL以以液相摩尔浓度差液相摩尔浓度差表示推动力的液相对流传质分系数表示推动力的液相对流传质分系数,m/skx以以液相摩尔分率差液相摩尔分率差表示推动力的液相对流传质分系数表示推动力的液相对流传质分系数,kmol/(m2s)kX 以以液相摩尔比差液相摩尔比差表示推动力的气相传质分系数表示推动力的气相传质分系数, ,kmol/

15、( (m2s) ) Lckkx 定态传质定态传质 )()(ALiALiAAGGAcckppkN pAi =f（cAi） 、cAi iApa.一般情况一般情况b.平衡关系满足亨利定律平衡关系满足亨利定律 )()(ALiALiAAGGAcckppkN iHpcAAi 、cAi iAp3.3.界面上的浓度界面上的浓度 c. 图解图解GLiAALiAAGkkccpp )()(ALiALiAAGGAcckppkN GLkk I（pAi，cAi） 操作点操作点OI（界面）（界面）斜斜率率）(GLkk H1 斜斜率率平平衡衡线线cA/kmol/m3cAecepipApicpA/kPa0斜率：斜率：界面浓度：

16、界面浓度：4.4.总传质速率方程总传质速率方程主主体体浓浓度度平平衡衡浓浓度度总总推推动动力力推推动动力力系系数数总总阻阻力力总总推推动动力力速速率率 NA)*(*1xxKccKccxLKL液相：AN*)(*1yyKppKppyGKG气相：ANKG，Ky，KL,Kx气、液相总传质系数；气、液相总传质系数；p* ,c*气液相的平衡分压及平衡摩尔浓度。气液相的平衡分压及平衡摩尔浓度。5. 总传质系数与膜传质系数的关系总传质系数与膜传质系数的关系系统服从亨利定律系统服从亨利定律根据双膜理论，界面处根据双膜理论，界面处气液浓度成平衡气液浓度成平衡*Hpc iHpc i)(*iLAppHkN*1ppNH

17、kiALiAG1ppNk)(iLAcckN*11ppNkHkAGL)(iGAppkN*)(111ppkHkNGLAGLG111kHkK 同理同理GLL11kHkK LGHKK 可得可得用类似的方法得到用类似的方法得到 xyykmkK 11yxxmkkK111 xyKmK 6. 吸收过程传质速率方程总结吸收过程传质速率方程总结 v 膜传质速率方程膜传质速率方程 x)(xkcckyykppkixiLiyiGANLGckkPkkxyxxKccKyyKppKxLyG*)*(*)(ANLcKKxGPKKyLGHKKyxmKK v 总传质速率方程总传质速率方程7.传质阻力与传质速率的控制传质阻力与传质速率

18、的控制(1) 传质阻力传质阻力GLG11 1kHkKGLL11kHkK 11yxykkmKyxxmkkK111传质系数、传质阻力与推动力一一对应。传质系数、传质阻力与推动力一一对应。(2) 传质速率的控制步骤传质速率的控制步骤a.a.气膜阻力控制气膜阻力控制对于易溶气体，溶解度很大，对于易溶气体，溶解度很大，H很大，很大，m很小很小GGkKipppp*.pIpicci*c*p*)(ppkNGAxyLGkmkHkk111yy kK 同理：同理：iyyyy *)(yykNyA提高传质速率的措施：提高气体流速；提高传质速率的措施：提高气体流速； 加强气相湍流程度。加强气相湍流程度。 b.b.液膜阻力

19、控制液膜阻力控制对于难溶气体，溶解度很小，对于难溶气体，溶解度很小，H很小，很小，m很大很大yxGLmkkkHk111pip*pcic*c.LLkK cccci*)*(cckNLA提高传质速率的措施：提高液体流速；提高传质速率的措施：提高液体流速； 加强液相湍流程度。加强液相湍流程度。 同理：同理：xx kK xxxxi*)*(xxkNxAc.c.双膜阻力联合控制，两者均不可忽略双膜阻力联合控制，两者均不可忽略 对溶质的溶解度的比较适中的吸收过程，对溶质的溶解度的比较适中的吸收过程，则界面两侧的传质阻力相当，对过程传质则界面两侧的传质阻力相当，对过程传质速率的影响相当，故表现为界面两侧的膜速率

20、的影响相当，故表现为界面两侧的膜对传质速率具有相同控制作用对传质速率具有相同控制作用。例例用水吸收气体组分，平衡关系服从亨利定律，用水吸收气体组分，平衡关系服从亨利定律，操作压力为操作压力为850mmHg，相平衡常数，相平衡常数m=0.25，气膜吸收分系数气膜吸收分系数kp = 1.25kmol/(m2hatm)，液膜吸收分系数液膜吸收分系数kc = 0.85 m/h。计算用气相分。计算用气相分压浓度表示的总传质系数和用液相体积浓度压浓度表示的总传质系数和用液相体积浓度表示的总传质系数值。试分析该气体被水吸收表示的总传质系数值。试分析该气体被水吸收时，是属于气膜控制过程还是液膜控制过程？时，是属于气膜控制过程还是液膜控制过程？解：解：操作压强操作压强P=850/760=1.12atm由平衡常数关系由平衡常数关系PEm 得得E=mP=0.251.12=0.56atm对于稀溶液对于稀溶液2 .991856. 01000sEMH81. 085. 02 .99125. 11111cppHkkK用气相分压浓度表示的总传质系数用气相分压浓度表示的总传质系数