化工原理多媒体

1、化工原理多媒体课件第1页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二第2章 吸收 Absorption概述2.1 气体吸收的相平衡关系2.2 传质机理与吸收速率2.3 吸收塔的计算2.4 吸收系数2.5 脱吸及其他条件下的吸收第2页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1 吸收概念利用气体混合物中各组分在溶剂（吸收剂）中溶解度不同而进行分离的操作能够溶解的组分：溶质A不溶解的组分：惰性组分或载体B吸收剂S，吸收后为吸收液或溶液（S+A）吸收后排出的气体：尾气（B+少量A）2 吸收过程吸收塔，与精馏塔类似上一页下一页概述 Overview第3页，共155页，2022

2、年，5月20日，17点0分，星期二3 应用获得有用组分除去有害组分制备气体水溶液工业废气治理上一页下一页第4页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二4 分类物理吸收，化学吸收单组分吸收，多组分吸收等温吸收，非等温吸收5 脱吸得到纯气体组分吸收剂再循环6 吸收与蒸馏的区别引入第二相：蒸馏由内部产生，吸收加入另一组分溶剂传质方向：蒸馏为双向传质，吸收为单向传质上一页下一页第5页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二本章主要内容低浓度单组分等温物理吸收的原理与计算上一页下一页返回第6页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二2.1 气体吸收的相平衡

3、关系Phase Equilibrium Relationship of Gas Absorption2.1.1 气体的溶解度2.1.2 亨利定律2.1.3 吸收剂的选择2.1.4 相平衡关系在吸收过程中的应用上一页下一页返回第7页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1 溶解度的概念在恒定温度与压强下，气体与吸收剂接触，达到平衡状态时气体在吸收剂中的饱和浓度称为溶解度，溶解度由实验测定。2 表示方法单位质量或体积的液体中所含溶质的质量3 相律T、P、x、y四个变量；T、P一定，x、y有一一对应关系上一页下一页2.1.1 气体的溶解度第8页，共155页，2022年，5月20日，

4、17点0分，星期二4 规律温度升高，溶解度减小压强升高，溶解度增大不同气体，溶解度不同，而且有显著差别下一页上一页第9页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二结论加压和降温对吸收有利减压和升温对脱吸有利上一页下一页返回第10页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1 亨利定律描述当总压不高，温度恒定，稀溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度之间的关系。2 表达形式1) pi-xi关系2) pi-ci关系3) yi-xi关系4) Yi-Xi关系上一页下一页2.1.2 亨利定律第11页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1) pi-

5、xi关系形式理想溶液，在总压不高，温度恒定条件下，在整个浓度范围内都符合亨利定律，亨利系数等于该温度下纯溶质的饱和蒸汽压。此时，亨利定律与拉乌尔定律一致。非理想稀溶液，溶质分压不超过1105Pa，恒定温度下，满足亨利定律。亨利系数由实验测定。亨利系数是温度的函数：温度升高，E值增大。溶解度大，E值小。下一页上一页第12页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二2) pi-ci关系形式H是温度的函数，温度升高，H值减小。溶解度大，H值大。H与E的关系下一页上一页第13页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二3) yi-xi关系形式m与E的关系m是温度与总压的函数

6、温度升高，m增大；压强升高，m减小。溶解度大，m小上一页下一页第14页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二4) Yi-Xi关系摩尔比定义形式下一页上一页第15页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二上一页下一页第16页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二例21 含有30（体积）CO2的某种混合气与水接触，系统温度为30C，总压为101.33kPa。试求液相中CO2的平衡浓度ci*为若干kmol/m3。解：下一页上一页第17页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二例22 已知在101.33kPa及20C时，氨在水中的溶解

7、度数据如本例附表1所示。试按以上数据标绘出pi*-xi曲线及Xi-Yi*曲线，并据此计算亨利系数E及相平衡常数m值，再指出该溶液服从亨利定律的组成范围。解：上一页下一页第18页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二上一页下一页返回第19页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二（1）溶解度对溶质的溶解度要大，对操作条件要敏感（2）选择性对惰性组分溶解度要小（3）挥发度挥发度要小（4）粘性粘度要小（5）其他无毒性、无腐蚀性、不易然、不发泡、冰点低、价廉易得、化学稳定性上一页下一页返回2.1.3 吸收剂的选择第20页，共155页，2022年，5月20日，17点0分

8、，星期二1 判断传质进行的方向根据实际组成与平衡组成的关系判断2 确定传质的推动力实际组成与平衡组成的偏离程度上一页下一页2.1.4 相平衡关系在吸收过程中的应用第21页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二3 指明传质过程进行的极限平衡是传质过程进行的极限对逆流吸收过程出塔尾气中溶质的最低组成出塔吸收液中溶质的最高组成上一页下一页第22页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二第1讲小结吸收过程是气、液相间的单方向传质问题；相间接触方式有逐级接触式及微分接触式；一个完整的工业吸收过程包括溶质的吸收及吸收剂的再生，即包括吸收与脱吸两部分。相平衡关系对传质过程的

9、分析与描述有重要作用。Henry定律所描述的是稀溶液(不管理想还是非理想溶液)中溶质的蒸汽压与其浓度成正比，当物系为理想溶液时，Henry定律与Raoult定律一致。依据气、液相平衡原理可以判断吸收过程的方向(吸收或脱吸)，指出吸收过程进行的极限(它限制了吸收设备内气、液出口处的极限浓度)及计算吸收过程的推动力。但是，相平衡关系并末说明吸收过程进行的快慢。吸收剂是吸收过程成败的关键，其选择的主要原则是溶解度高、选择性好、易于再生。上一页下一页返回第23页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二2.2 传质机理与吸收速率2.2.1 分子扩散与菲克定律2.2.2 气相中的定态分子扩

10、散2.2.3 液相中的定态分子扩散2.2.4 扩散系数2.2.5 对流传质2.2.6 吸收过程机理2.2.7 吸收速率方程式上一页下一页返回第24页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二分子扩散：静止或层流流动的流体中涡流扩散：湍流流动的流体中1 分子扩散定义：在一相内部存在浓度差的条件下，由于分子的无规则热运动而产生的物质传递现象过程分析推动力为浓度差，非稳态分子扩散扩散通量：单位面积上单位时间内扩散传递的物质的量，单位为：kmol/m2.s上一页下一页2.2.1 分子扩散与菲克定律第25页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二2 菲克（Fick）定律物质

11、A的分子扩散通量与该位置上A的浓度梯度成正比，比例系数称为物质A在介质B中的扩散系数比较：牛顿粘性定律，傅立叶定律下一页上一页第26页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二对于两组分构成的混合气体上一页下一页第27页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二扩散通量的另一种表示方法下一页上一页返回第28页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1 等分子反向扩散（1）过程分析在有限时间内为稳态分子扩散A与B向相反方向扩散的分子数相等，为等分子反向扩散上一页下一页2.2.2 气相中的稳态分子扩散第29页，共155页，2022年，5月20日，17点0

12、分，星期二（2）传质速率（传质通量）任一固定的空间位置上，单位时间、单位面积扩散的物质的量。物质A 的传质速率等于分子扩散通量下一页上一页第30页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二例23 在图27所示的左右两个大容器内，分别装有浓度不同的NH3和N2两种气体混合物。连通管长0.61m，内径24.4mm，系统温度25C，压强 101.33kPa。左侧容器内NH3的分压为20kPa，右侧容器内NH3的分压为6.67kPa。已知在25C 、 101.33kPa的条件下， NH3- N2的扩散系数为2.30X10-5m2/s。试求：（1）单位时间内自容器1向容器2传递的NH3量，

13、kmol/s；（2）连通管中与截面1相距0.305m处NH3的分压，kPa。上一页下一页第31页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二2 一组分通过另一停滞组分的扩散（1）过程分析稳态等分子反向扩散总体流动（2）方程建立组分A的传质速率上一页下一页第32页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二组分B的传质速率稳态时，总体流动通量等于组分A的传质通量下一页上一页第33页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二上一页下一页第34页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二pBm：物质B分压的对数平均值，kPa；P/pBm：漂流因子，

14、无因次，反映总体流动对传质速率的影响；其值大于1下一页上一页第35页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二等分子反向扩散：理想溶液的精馏过程一组分通过另一停滞组分的扩散：吸收和脱吸过程例24 若设法改变条件，使图27所示的连通管中发生NH3通过停滞的N2而向截面2稳定扩散过程，且维持1、2两截面上NH3的分压及系统的温度、压强仍与例23中的数值相同，再求：（1）单位时间内传递的NH3量，kmol/s；（2）连通管中与截面1相距0.305m处NH3的分压，kPa。上一页下一页返回第36页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1 过程分析扩散速度远远小于气相中的

15、扩散速度；扩散系数比气相小约105；扩散通量基本相同；主要发生一组分通过另一停滞组分的单向扩散。2 方程的建立上一页下一页返回2.2.3 液相中的稳态分子扩散第37页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1 扩散系数是物性参数气相：种类、温度、压强有关液相：种类、温度、浓度有关2 一些常用物质的扩散系数表22，物质在空气中的扩散系数表23，物质在水中的扩散系数3 扩散系数的来源实验测定物理化学手册，化学工程手册等查阅经验或半经验公式估算上一页下一页2.2.4 扩散系数第38页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二4 计算公式气相扩散系数（马克斯维尔吉利兰公式

16、）结构复杂的物质的分子体积可由克普加和法则由原子体积作近似估算扩散系数的修正上一页下一页第39页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二液相中扩散系数的经验公式例25 用温克而曼法（Winkelmanns method）测定CCl4蒸汽在空气中的扩散系数，其装置示意于本题附图1。实验在48 C及101.33kPa下进行，测得的数据列于本例附表1中。 48C下CCl4的饱和蒸汽压p*=37.6kPa，液体CCl4的密度L1540kg/m3。计算48 C 、 101.33kPa下CCl4蒸汽在空气中的扩散系数。上一页下一页第40页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星

17、期二下一页上一页第41页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二下一页上一页第42页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二上一页下一页第43页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二上一页下一页第44页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二例26 试用马克斯维尔吉利兰公式分别计算0C、101.33kPa条件下乙醇蒸汽及乙酸蒸汽在空气中的扩散系数。解：（1） 下一页上一页第45页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二（2）上一页下一页第46页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二第2讲小结传质

18、：静止流体内部的分子传递问题；流动流体内部对流分子传递问题；两相间的传质模型与传质速率问题。Fick定律描述了由浓度梯度引起的扩散速率关系式；而扩散速率方程则描述了存在主体流动时的分子扩散速率关系式，此主体流动是由于分子单向扩散使界面压力低于主体压力，而造成主体向界面的流动。等分子反向扩散速率方程式实为Fick定律的直接积分结果，而单向分子扩散中，由于伴生总体流动，使分子扩散速率比等分子反向扩散速率增大了一个倍数，此倍数称为漂流因子。上一页下一页第47页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二第2讲小结分子扩散系数是物质的传递性质，其数值可从三种途径获得。在用经验关联式估其物性

19、数值时，明确关联式的适用范围，了解物性的影响因素及校正关系是重要的。 上一页下一页返回第48页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1 涡流扩散依靠流体质点的湍动和漩涡来传递物质的现象涡流扩散的速率远远大于分子扩散表示方法涡流扩散系数DE不是物性参数2 对流传质运动着的流体与相界面之间的传质过程。是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和处理方法：与对流传热过程类似上一页下一页2.2.5 对流传质第49页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二上一页下一页第50页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二过程分析层流内层：分子扩

20、散 浓度梯度较大过渡层：分子扩散涡流扩散 有 浓度梯度湍流主体：涡流扩散 浓度梯度很小层流内层分压线与气相主体分压线交于一点H，此交点与相界面的距离zG定义为有效层流膜（停层膜），流动为层流，故物质传递形式为分子扩散气相液相返回上一页下一页第51页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1 双膜理论气液流体间存在稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的停滞膜，吸收质以分子扩散方式通过此二膜由气相主体进入液相主体在相界面处，气液两相达到平衡在两个停滞膜以外的气液两相主体中，由于流体充分湍动，物质浓度均匀2 应用固定相界面的系统低速流体间的传质2.2.6 吸收过程的机理上一页下一页第5

21、2页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二2 溶质渗透理论上一页下一页第53页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二3 表面更新理论返回上一页下一页第54页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二吸收过程步骤气相主体气相相界面，气相相界面液相相界面，液相相界面液相主体1 气膜吸收速率方程式2.2.7 吸收速率方程式上一页下一页第55页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二上一页下一页第56页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二2 液膜吸收速率方程式上一页下一页第57页，共155页，2022年，5月20日，

22、17点0分，星期二3 界面浓度上一页下一页第58页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二4 总吸收系数及其相应的吸收速率方程式1）以pA-pA*表示总推动力的吸收速率方程式易溶气体，H值很大易溶气体的吸收过程为气膜控制。提高吸收速率要减小气膜阻力上一页下一页第59页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二（2）以cA*-cA表示总推动力的吸收速率方程式难溶气体，H值很小难溶气体的吸收过程为液膜控制，要提高吸收速率，要减小液膜阻力上一页下一页第60页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二中等溶解度气体的吸收过程，气膜阻力与液膜阻力均不能忽略，要

23、提高吸收速率，需要同时减小气膜和液膜阻力上一页下一页第61页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二（3）以YA-YA*表示总推动力的吸收速率方程式上一页下一页第62页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二（4）以XA*-XA表示总推动力的吸收速率方程式上一页下一页第63页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二5 小结上一页下一页第64页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二上一页下一页第65页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二适用条件气、液浓度保持不变；稳态操作；吸收塔内任一横截面；对于总吸收速率方程

24、式，平衡关系必须为直线，即H应为常数，也就是要符合亨利定律；对于气膜或液膜控制过程，可直接应用。上一页下一页第66页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二例27 已知某低浓度气体溶质被吸收时，平衡关系服从亨利定律，气膜吸收系数 kG=2.7410-7kmol/(m2.s.kPa)，液膜吸收系数 kL=6.9410-5m/s，溶解度系数H=1.5kmol/(m3.kPa)。试求总气相吸收系数KG kmol/(m2.s.kPa)，并分析该吸收过程的控制因素。解：上一页下一页第67页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二上一页下一页第68页，共155页，2022年

25、，5月20日，17点0分，星期二第3讲小结对流扩散包括分子扩散和涡流扩散。由于流体的流动，尤其是涡流的混合作用，大大强化了传质过程。引入有效膜模型后，虽然使对流扩散过程的数学描述得以简化，但由于有效膜厚度及界面浓度难以测定，工程计算问题并未得到解决。实际传质过程多数为相间传质，出于相界面传递过程的复杂性。过程的描述采用了数学模型法，双膜模型是最简单且是目前工程上使用的相间传质模型，用此模型建立的相间传质速率方程回避了难以测定的界面浓度，方便了工程计算。 上一页下一页第69页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二第3讲小结相间传质是一串联速率过程，了解各项内传质阻力的相对大小，

26、以及整个过程中的控制步骤，对强化传质过程是重要的，它能指出过程强化目标。由于推动力中浓度的表达形式不同，吸收速率方程也有多种形式，要注意方程式中推动力与阻力的一致。由于推动力沿塔变化，传质速率方程为一局部速率关系式。 上一页下一页返回第70页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二2.3 吸收塔的计算2.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程2.3.2 吸收剂用量的确定2.3.3 塔径的计算2.3.4 填料层高度的计算2.3.5 理论板层数的计算上一页下一页返回第71页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1 物料衡算2.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程上一

27、页下一页第72页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二2 吸收塔的操作线方程与操作线下一页上一页返回第73页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1 液气比L/V操作线的斜率增大吸收剂用量，斜率增大，推动力增大，操作费增大减小吸收剂用量，斜率减小，推动力减小，设备费增大适宜液气比需根据经济指标优化计算经验值2 最小液气比(L/V)min定义：操作线与平衡线相交或相切2.3.2 吸收剂用量的决定上一页下一页第74页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二下一页上一页第75页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二平衡关系为上凹曲

28、线，图解法，确定操作线与平衡线交点坐标平衡关系为下凹曲线，图解法，操作线与平衡线切线，确定切线与Y1线交点B坐标上一页下一页第76页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二平衡关系符合亨利定律，解析法下一页上一页第77页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二例28 用洗油吸收焦炉气中的芳烃。吸收塔内的温度27C、压强为106.7kPa。焦炉气流量为850m3/h，其中所含芳烃的摩尔分率为0.02，要求芳烃回收率不低于95。进入吸收塔顶的洗油中所含芳烃的摩尔分率为0.005。若取溶剂用量为理论最小用量的1.5倍，求每小时送入吸收塔顶的洗油量及塔底流出的吸收液浓度

29、。操作条件下的平衡关系可用下式表达，即解：上一页下一页第78页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二下一页上一页第79页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二上一页下一页第80页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二第4讲小结吸收过程描述的基本依据仍是；物料衡算、热量衡算、相平衡关系、传质速率，这些基本方法对各单元操作具有普遍意义。 吸收塔(如填料塔)的设计计算目的主要是确定为满足工艺要求所需要的填料层高度，其关键在从经济与技术观点确定适宜的设计参数：吸收剂的用量及其入塔浓度。 操作线方程关联了填料塔内任一截面处相遇气、液相组成的变化规律，它是对塔段进行物料衡算的结果，只与吸收操作方式、物料流量及组成有关，而与相平衡关系、操作温度、压强及设备结构无关。 返回上一页下一页第81页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二1 填料层高度的基本计算式2.3.4 填料层高度的计算下一页上一页第82页，共155页，2022年，5月20日，17点0分，星期二KYa、Kxa：体积吸收系数，km