工艺参数确定培训课件

1、工艺参数确定培训课件工艺参数的确定工艺参数的确定吸收传质机理吸收传质机理吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系气体吸收速率方程气体吸收速率方程摩尔比摩尔比AAAABnnXnnnAAAABnnYnnn摩尔比与摩尔分数的关系 1AAAxXx1AAAXxX吸收操作中气液相的量会改变，如何变化？n气体吸收是物质自气相到液相的转移，这是一种传质过程。n如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，随着时间的进行会发生什么变化？吸收吸收过程的相平衡关系过程的相平衡关系一、气液相平衡一、气液相平衡传质速率传质速率逐渐减慢到逐渐减慢到0 0 在一定温度和压力下，令某气体混合物（AB）与液体 S

2、 接触。溶质便向液相转移，直至液相中溶质达到饱和浓度为止，这种状态称为相际相际动态平衡，动态平衡，简称相平衡或平衡相平衡或平衡。液体 S气体（AB）A 溶解 A 逸出气相中溶质的分压称为平衡分平衡分压或饱和分压压或饱和分压；液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度，也就是气体在液体中的溶解度溶解度，习惯上以单位或体积的液体中所含溶质的质量或物质的量来表示。A、cA溶解度是一定条件下吸收过程可以达到的极限程度。在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应关系，溶质组分在两相中的组成符合相平衡关系，组成关系用曲线表示溶解度曲线。一、气液相平衡一、气液相平衡吸收过程的相平衡关系吸收过程的

3、相平衡关系Ax平衡分压液相组成ApAx曲线 溶解度曲线Ap一、气液相平衡一、气液相平衡达平衡状态时)(AAxfp 平衡方程Ax气相分压饱和浓度（溶解度）Ap吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系溶解度曲线：由实验测定的溶解度绘制的曲线，溶解度与物系种类、温度、压力有关。溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC120溶解度/g(SO2)/1000g(H2O)250200020406080100pSO2/kPa1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10

4、oC0 oC 氨在水中的溶解度 二氧化硫在水中的溶解度一、气液相平衡一、气液相平衡吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系 在相同条件下，不同气体溶解度有很大差别。溶解度很小的气体称为难溶气体难溶气体，溶解度很大的气体称为易溶气体易溶气体，介于之间的为溶解度适中的气体。一、气液相平衡一、气液相平衡氧气在水中的溶解度吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系温度的影响 v 加压和降温加压和降温 对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度的升高而减小温度的升高而减小。 对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大气相分压的升高而增大。分压的影响 注意 v 减压和升温减压和升温有利于吸吸

5、收收操作有利于解吸解吸操作溶解度的影响因素溶解度的影响因素吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系一、气液相平衡一、气液相平衡溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC 当总压不高（不超过0.5MPa）时，一定温度下稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即气液两相的浓度成正比，这种关系称为亨利定律。1. p x关系关系 pEx（二）亨利定律（二）亨利定律 E 的单位与气相分压的压强单位一致亨利系数的值随物系的特性及温度而异；在同一溶剂中，难溶气体难溶气体 E E 值很大值很大，易溶气体

6、易溶气体 E E 值很小值很小；物系一定，E 值一般随温度的上升而随温度的上升而增大增大。吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系 溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的摩尔分数成正比。若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔浓度 c 表示，亨利定律为H 溶解度系数，kmol/(m3kPa)溶解度系数溶解度2. p c关系关系 *cpHv 易溶气体注意 v 难溶气体H 大H 小（二）亨利定律（二）亨利定律 吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔分数y、x表示 ，亨利定律为m 相平衡常数溶解度相平衡常数3. y x关系关系 *ymxv 易溶气体注意 v 难溶气

7、体m 小m 大（二）亨利定律（二）亨利定律 吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系1XxX1YyY*1*1YXmYX由得整理得对于低组成吸收11m X简化得*YmX*11mXYm X4. Y X关系关系 （二）亨利定律（二）亨利定律 吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系 亨利定律既可以用来根据液相组成计算与之平衡的气相组成，也可用来根据气相组成计算与之平衡的液相组成。因此，亨利定律可改写为：cHp*pxE*yxm*YXm（二）亨利定律（二）亨利定律 吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系推导可得亨利定律表达式各系数间的关系如下： mScHEEMEmp总EH 关系Em 关系Hm 关系各系

8、数的换算关系 mMpHS1?mcSM吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系作业作业1 在总压101.3KPa及20下，液相中氨的浓度为0.582kmol*m-3时，气相中氨的平衡分压为800Pa，若此组成符合相平衡关系，试求其H，E，m值。1.判断传质进行的方向传质方向由气相到液相进行吸收吸收过程传质方向由液相到气相进行解吸解吸过程*yy*xx*yy*xx吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系二、相平衡关系在吸收过程中的应用二、相平衡关系在吸收过程中的应用相对于气相浓度 y 而言，液相浓度欠饱和(xy*)，溶质 A 由气相向液相转移。气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：yxoy*=

9、f(x)Pyxy*若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收吸收。x*释放溶质吸收溶质吸收平衡线1.判断传质进行的方向吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和(xx*)，故液相有释放溶质 A 的能力。相对于液相浓度 x 而言气相浓度为欠饱和(yy*，吸收还是解吸？如果y不变，xx*，吸收还是解吸？ 6.x、y X、Y 分别代表什么含义？二、吸收操作的现场工艺流程吸收操作的现场工艺流程 任务二：任务二：吸收操作的理论基础吸收操作的理论基础吸收传质机理吸收传质机理吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系气体吸收速率方程气体吸

10、收速率方程吸收传质吸收传质机理机理（1）流体中的分子扩散，简称扩散分子扩散，简称扩散 分子扩散是物质在一相内部有浓度差异的条件下，由流体分子的无规则热运动而引起的物质传递现象。这种扩散发生在静止流体或层流流体中相邻流体层间的传质。分子扩散在气相、液相和固相中均能发生。（2）涡流扩散涡流扩散 凭藉流体质点的湍动和漩涡来传递物质的现象，称为涡流扩散。（3）对流扩散对流扩散 实际上，在湍流流体中，由分子运动而产生的分子扩散是与涡流扩散同时发挥着传递作用，这种扩散称为对流扩散，它与传热过程中的对流传热相类似。1.传质的基本方式传质的基本方式吸收传质吸收传质机理机理描述分子扩散过程的基本定律费克第一定律

11、。dzdcDAABANkmol/(m2 s )费克定律 DAB 组分A在组分B中的扩散系数，m2/s NA组分A的扩散通量（扩散速率）1.传质的基本方式传质的基本方式与热传导类似，与浓度梯度成正比吸收传质机理吸收传质机理1.传质的基本方式传质的基本方式分子扩散分子扩散 通常，扩散系数与系统的温度、压力、总浓度以及物质的性质有关。 对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关，只是温度及压力温度及压力的函数。其值一般在 m2/s 范围内。54101101 液体中溶质的扩散系数不仅与物系的种类、温度有关，而且随溶质的浓度而变。液体中的扩散系数，其值一般在 m2/s 范围内。1091011

12、01吸收传质机理吸收传质机理1.传质的基本方式传质的基本方式涡流扩散涡流扩散 由于流体质点的湍动和旋涡而形成的物质传递现象涡流扩散。 v 涡流扩散在湍流流体中发生v 在涡流扩散中时刻存在分子扩散v 涡流扩散的通量远大于分子扩散的通量吸收传质机理吸收传质机理1.传质的基本方式传质的基本方式涡流扩散涡流扩散dzdcAeAeND涡流扩散系数，m2/seDkmol/(m2 s )描述涡流扩散速率的方程为NA涡流扩散通量吸收传质机理吸收传质机理1.传质的基本方式传质的基本方式对流扩散对流扩散 运动流体与固体表面之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递过程对流传质。 对流传质自然对流传质强制层流传质强

13、制湍流传质强制对流传质吸收传质机理吸收传质机理1.传质的基本方式传质的基本方式对流扩散机理对流扩散机理 所谓对流传质的机理是指在传质过程中，流体以哪种方式进行传质。 研究对流传质速率需首先弄清对流传质的机理。 层流内层缓冲层湍流中心AicAfc)(rfcA湍流流体流体与管壁间的浓度分布吸收传质机理吸收传质机理1.传质的基本方式传质的基本方式对流扩散机理对流扩散机理湍流主体层流内层缓冲层传质机理：分子传质传质机理：涡流传质为主浓度分布：为一陡峭直线传质机理浓度分布：为一渐缓曲线浓度分布：为一平坦曲线分子传质涡流传质在 与 壁 面 垂直 的 方 向 上分为三层 吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际

14、传质过程，可分为三个步骤： 气相主体 液相主体 相界面溶解气相扩散 液相扩散 溶质A从气相主体扩散到相界面（气相内传质气相内传质)； 在相界面上溶质A由气相转入液相，即溶解(通过界面的传质通过界面的传质)； 溶质A由相界面扩散到液相主体(液相内传质液相内传质)。 吸收传质吸收传质机理机理2.相相际间的对流传质过程际间的对流传质过程 2.相相际间的对流传质过程际间的对流传质过程 相际间的传质 一般来说，相界面上组分A从气相转入液相的过程很快，相界面传质阻力可以忽略。因此，相际间传质的阻力主要集中在气相和液相中。若其中一相传质阻力较另一相大得多，则另一相传质阻力可以忽略，此种传质过程即称之为“该相

15、控制该相控制”。 吸收传质机理吸收传质机理3.双膜理论双膜理论 （1）双膜模型）双膜模型 惠特曼(Whiteman) 于1923年提出，应用最为广泛一种传质模型。pbcb 停滞膜模型（双阻力模型）双膜模型示意图吸收传质机理吸收传质机理（2）双膜理论的基本论点）双膜理论的基本论点 相互接触的气液两相间存在着稳定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞膜气膜和液膜，溶质以分子扩散的方式经过两膜层。在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流体强烈湍动，各处浓度均匀一致，无传质阻力，全部阻力和浓度变化集中在两个有效膜层中。 溶质穿过相界面的阻力极小，因次在气液相界面处，气液两相处于平衡状态，即p和c符合

16、相平衡关系。3.双膜理论双膜理论 吸收传质机理吸收传质机理双膜理论的示意图 （3）双膜理论双膜理论的的局限局限 将相界面当成是稳定的，只有在气、液相相对速率很小时才能成立；随着相对速率增加，相界面将由静止到波动，进而产生漩涡湍动，传质速率显著加快；停滞膜厚度及相界面气液相组成难以测定；按双模理论，传质系数与扩散系数成正比，与实验所得关联式有较大偏差。传质与传热区别（复杂所在）：平衡关系：热平衡即温度相等，相平衡不能简单认为组成相等；组成有多种表示方法，故传质速率方程形式相应也有多种。3.双膜理论双膜理论 一、吸收过程的机理一、吸收过程的机理传质机理传质机理吸收传质机理吸收传质机理传质与传热区别

17、（复杂所在）：平衡关系：热平衡即温度相等，相平衡不能简单认为组成相等；组成有多种表示方法，故传质速率方程形式相应也有多种。一、吸收过程的机理一、吸收过程的机理传质机理传质机理吸收传质机理吸收传质机理TTWtWt热流体冷流体间壁式换热过程pcApici液相GLE气相吸收过程溶质渗透模型 希格比( Higbie )于1935年提出，为非稳态模型。溶质渗透模型示意图拓展拓展溶质渗透模型的要点 液面由无数微小的液体单元所构成，当气液两 相相互接触时，液相主体中的某些单元运动至 相界面便停滞下来。在气液未接触前，液体单 元中溶质的浓度和液相主体的浓度相等，接触 开始后，相界面处立即达到与气相平衡状态。

18、随着接触时间的延长，溶质 A通过不稳态扩 散方式不断地向液体单元中渗透。 拓展拓展 液体单元在界面处暴露的时间是有限的，经 过时间c后，旧的液体单元即被新的液体单 元所置换而回到液相主体中去。在液体单元 深处，仍保持原来的主体浓度不变。 液体单元不断进行交换，每批液体单元在界 面暴露的时间c 都是一样的。 拓展拓展3.表面更新模型 丹克沃茨(Danckwerts) 于1951年提出，为非稳态模型。表面更新模型的要点 溶质向液相内部传质为非稳态分子扩散过程。 界面上液体单元有不同的暴露时间或称年龄，界 面上各种不同年龄的液体单元都存在。 不论界面上液体单元暴露时间多长，被置换的概 率是均等的。单

19、位时间内表面被置换的分率称为 表面更新率，用符号S 表示。 拓展拓展任务二：任务二：吸收操作的理论基础吸收操作的理论基础吸收传质机理吸收传质机理吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系气体吸收速率方程气体吸收速率方程n吸收速率吸收速率，指单位传质面积上单位时间内吸收的溶质量,用符号N NA A表示，单位为kmol/(mkmol/(m2 2* *s s) )。n描述吸收速率与推动力之间的关系式即为吸收速率方程吸收速率方程。n根据推动力及阻力可写出速率关系式，单独根据气膜或液膜的推动力及阻力写出的速率关系式称为气膜或液膜吸收速率方程式气膜或液膜吸收速率方程式，相应的吸收系数称为膜膜系数或分系数系数

20、或分系数，用k k表示，与传热中的对流传热系数相当。吸收速率吸收速率= =过程推动力过程推动力/ /过程阻力过程阻力= =吸收系数吸收系数* *过程推动力过程推动力二、吸二、吸收速率方程收速率方程气体吸收速率方程气体吸收速率方程 气相或液相的实际组成与相应条件下的平衡组成的差值可表示传质的推动力。对于吸收过程，传质的推动力为YYXX或*pp y - y*或x* -xCC* 1、用气相（液相）摩尔组成来表示 2、用压力来表示 3、用摩尔浓度来表示气体吸收速率方程气体吸收速率方程推动力气体吸收速率方程气体吸收速率方程 对流传质系数，kmol/(m2sc)Lk)c(ckNAfAiLAkmol/(m2

21、 s )对流传质速率方程1.气气膜吸收速率方程膜吸收速率方程 气膜内的吸收速率方程可表示为()AGiNkppAyiNkyy1/iAGppNk1/iAyyyNk二、吸收速率方程二、吸收速率方程气体吸收速率方程气体吸收速率方程kG、kY气膜吸收分系数比较得yGkp k总由道尔顿分压定律 pp y总iipp y总()()()AGiGiGiNkppkp yp yk pyy总总总1.气气膜吸收速率方程膜吸收速率方程 二、吸收速率方程二、吸收速率方程气体吸收速率方程气体吸收速率方程()LAiNkccAxiNkxx1/iALccNk1/iAxxxNk2. 液膜吸收速率方程液膜吸收速率方程 液膜内的吸收速率方

22、程可表示为二、吸收速率方程二、吸收速率方程气体吸收速率方程气体吸收速率方程kL、kx液膜吸收分系数比较得xLkc k总()()()LLLAiiiNkcckc xc xk cxx总总总由iicc x总cc x总2. 液膜吸收速率方程液膜吸收速率方程 二、吸收速率方程二、吸收速率方程稳态下，气、液两膜中的传质速率相等，即AGiLiNkppkcc()LiiGkppcck 直线通过定点A (c，p)斜率kL / kG3.界面界面组成的确定组成的确定 二、吸收速率方程二、吸收速率方程界面组成的确定 为了避开难以测定的界面浓度，效仿传热中类似问题的处理方法，即避开壁面温度而以冷、热流体的温度差来表示总推动

23、力。对于吸收过程，同样可以采用两相主体浓度的差值两相主体浓度的差值来表示总推动力来写出吸收速率方程式。吸收速率吸收速率=总推动力总推动力/总阻力总阻力=两相主体浓度差两相主体浓度差/两膜阻力之和两膜阻力之和4.总总吸收速率方程吸收速率方程二、吸收速率方程二、吸收速率方程*AGNKpp111GLGKHkkKG气相总吸收系数，kmol/(m2skPa)总阻力液膜阻力气膜阻力气相总吸收速率方程式（1）以）以(p- p*)表示的总吸收速率方程表示的总吸收速率方程 4. 总吸收速率方程总吸收速率方程二、吸收速率方程二、吸收速率方程气体吸收速率方程气体吸收速率方程对于易溶气体，H值很大 11LGHkk液膜

24、阻力气膜阻力控制整个吸收过程的速率气膜控制示例：水吸收氨11GGKk气膜阻力气膜控制示意图*ipppp4. 总吸收速率方程总吸收速率方程二、吸收速率方程二、吸收速率方程（1）以）以(p- p*)表示的总吸收速率方程表示的总吸收速率方程 气体吸收速率方程气体吸收速率方程*ALNKccKL11LGLHKkk液相总吸收系数，m/s 总阻力气膜阻力液膜阻力液相总吸收速率方程式（2）以）以(c*- c)表示的总吸收速率方程表示的总吸收速率方程 4. 总吸收速率方程总吸收速率方程二、吸收速率方程二、吸收速率方程气体吸收速率方程气体吸收速率方程对于难溶气体，H值很小 1GLHkk气膜阻力示例：水吸收氧11LLKk液膜阻力液膜控制示意图*icccc 液膜阻力控制整个吸收过程的速率液膜控制（2）以）以(c*- c)表示的总吸收速率方程表示的总吸收速率方程 4. 总吸收速率方程总吸收速率方程二、吸收速率方程二、吸收速率方程气体吸收速率方程气体吸收速率方程*AyNKyyyGKK PKy气相总吸收系数，kmol/(m2s) 气相总吸收速率方程式（3）以）以(y- y*)表示的总吸收速率方程表示的总吸收速率方程