吸收与蒸馏1剖析课件

第七章吸收与蒸馏[目的和要求]1、了解传质的基本概念、分子扩散与涡流扩散；2、了解扩散系数的影响因素；3、掌握稳定分子扩散的基本计算与应用；4、了解吸收与解吸的基本概念及吸收过程机理；5、掌握吸收与解吸的一般计算方法；6、重点掌握等温条件下低浓度逆流吸收塔的计算与应用；7、了解蒸馏的基本概念及原理；本章主要内容传质理论吸收基本概念、原理与计算蒸馏基本概念、原理与计算本次课主要内容1、传质理论结合三传理论引出传质理论传质过程与单元操作扩散现象一、传质的基本概念单元操作与三传的关系“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论”的具体应用。“三传理论”和单元操作也是食品工程技术的理论和实践基础。生产中的传质过程单元操作动量传递质量传递热量传递流体输送、机械分离、沉降、流态化等加热、冷却、蒸发等吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥、膜分离等均相中，溶质由一相转移到另一相的过程。吸收过程（Absorption）利用不同气相组份在液相溶剂中的溶解度差异，进行选择性的吸收分离依据ΔP、ΔCΔy、Δx气相A+B液相A+SAA脱收吸收相界面传质推动力萃取过程Extraction利用液相各组分在溶剂中的溶解度差异传质推动力ΔC、Δx液相A+B液相A+SA萃取相界面分离依据蒸馏过程Distillation利用液相各组分的挥发度差异传质推动力ΔP、ΔCΔy、Δx气相A+B液相A+BAB精馏相界面分离依据吸附和干燥过程（Distillation＆Dry）气液相A+B固相CAA脱附吸附相界面吸附过程固相A+B气相C+AA干燥相界面A干燥过程热量气相液相相界面PGPiCiCLΔPΔC主体主体溶质由气相主体向气液相界面的扩散推动力溶质由气液相界面向液相主体的扩散推动力传质过程（吸收）的共性气相传质液相传质溶解②平衡状态③衡量单位b、溶质A在相界面上溶解，溶解过程；传质：虽然各相内主体浓度相等，但界面附近区域的浓度不相等；理想假设：气液界面浓度服从亨利定律Pi=Ci/H传热：K或℃传质：浓度或组成的单位复杂①传质步骤a、溶质A由气相主体到相界面，气相内传递；c、溶质A自相界面到液相主体，液相内传递。传热：温度处处相等

物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质量传递过程，简称传质。在一相中发生的物质传递是单相传质，通过相界面的物质传递为相间传质。

传质过程广泛运用于混合物的分离操作；它常与化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至成为化学反应的控制因素。掌握传质过程的规律，了解传质分离的工业实施方法，具有十分重要的意义。二、相组成的表示方法均相混合物的分离三、传质过程的共性

单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实现的，常见的扩散方式有分子扩散和涡流扩散两种。前者物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓度处，物质在静止或滞流流体中的扩散；后者是因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。（1）传质的方式与历程某组分在两相间传质，步骤是：从一相主体扩散到两相界面的该相一侧，然后通过相界面进入另一相，最后从此相的界面向主体扩散。相平衡——相际间传递的最终状态②条件的改变可破坏原有的平衡。（2）传质过程的方向与极限相间传质和相际平衡的共有规律稀溶液、气液两相的平衡关系遵循亨利定律；理想溶液的气液相间符合拉乌尔定律。①一定条件下，处于非平衡态的两相体系内组分会自发地进行，使体系组成趋于平衡态的传递。③在一定条件下(如温度、压力)，两相体系必然有一个平衡关系。

①若物质在一相中(A相)实际浓度大于其在另一相(B相)实际浓度所要求的平衡浓度，则物质将由A相向B相传递；PA＞PA*

相间传质过程的方向和极限的判断：③若物质在A相实际浓度等于B相实际浓度所要求的平衡浓度，则无传质过程发生体系处于平衡状态。

PA＝PA*②物质在A相实际浓度小于其在B相实际浓度所要求的平衡浓度，则传质过程向相反方向进行，即从B相向A相传递；PA＜PA*相平衡关系指明传质过程的方向，平衡是传质过程的极限，而组分浓度偏离平衡状态的程度便是传质过程的推动力。传质速率与传质推动力的大小有关，可以写为：即传质速率=传质系数×传质推动力

（3）传质过程推动力与速率物质传递的快慢以传质速率表示，定义为：单位时间内，单位相接触面上被传递组分的物质的量相间传质的每一步有各自的速率方程，称为分速率方程；整个过程速率方程为总速率方程，相应的有传质分系数和总系数之分。四、扩散现象

在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，因分子无规则的热运动使该组分产生传质的现象称为分子扩散。1、分子扩散（moleculardiffusion)AAABAAAAAAABBBBBBBBBAAABABABBABBABAⅠⅡ2、Fick定律

1）扩散通量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，J表示，kmol/(m2·s)。2）Fick定律：对双组分体系，在稳态下组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。JA——组分A扩散速率（扩散通量），kmol/（m2·s）；

—组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；

DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行。

对气体，常用分压梯度来表示如果沿传质Z方向无温度梯度变化，即试分析与Fourier’sLaw、Newton’sViscosityLaw的区别及联系。

Fick定律几点说明：A、与导热不同，分子扩散的特点是：当一个分子沿扩散方向移去后，留下的空位由其他分子填空。B、对JA的定义是通过“分子对称”的截面：既有一个净A分子通过这截面，也有相等的净B分子反方向通过同一截面，填补A的净空位。C、分子对称面在空间上既可以是固定，也可以是移动的。分子扩散系数是物质的物性常数之一，表示物质在介质中的扩散能力。扩散系数与介质的种类、温度、压强、浓度等有关。气体扩散系数一般比液体扩散系数在数量级上大105倍左右五、一维稳定分子扩散A、等摩尔相互扩散－－蒸馏操作B、单向扩散－－吸收过程1、等摩尔相互扩散(EquimolarCounterDiffusion)PA1PB1PA2PB2JAJBFⅠⅡ两容器中总P、T相等，PA1>PA2,PB1<PB2;组分A从Ⅰ向Ⅱ扩散净量等于组分B从Ⅱ向Ⅰ扩散净量。F—分子对称面（固定）相对F截面，A扩散通量：

同理，B扩散通量：分子对称面，大小相等，方向相反总压一定传递速率方程推导边界条件积分：令扩散距离Z2-Z1=Z，则

在传质过程计算中，传递速率是相对于空间固定截面而言，用符号NA表示，定义为单位时间内通过单位固定截面的物质量。JA是通过分子对称面，此处是固定的。同理对于液相中的相互扩散，总浓度c=cA+cB认为是常数；同理得到：PA122’11’FF’ABABZ2、单向扩散(UnidirectionalDiffusion)在吸收过程中，我们假设：A、气液相界面只容许溶质A通过，惰性气体B不通过；B、溶剂S不汽化：不逆向通过界面。NA,bNB,bNbNAJAJBPA2单向扩散中存在总体流动(摩尔流动)：1）因分子本身扩散引起的宏观流动；2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率。分子对称面随总体流动向界面推移，而不是一固定界面。固定截面而言，单向扩散是总体流动和分子扩散的总效应1）通过固定截面F-F’的各通量：PA122’11’FF’ABABZNA,bNB,bNbNAJAJBPA2传质速率方程推导A的分子扩散JA总体流动Nb其中总浓度C＝CA＋CB＝P/RT2）逆向通过截面F-F’的是B分子扩散：3）通过相界面2-2’的只有A的溶解通量NA取截面F-F’及2-2’之间的体系进行物料衡算PA122’11’FF’ABABZNA,bNB,bNbNAJAJBPA2对组分A对组分B总体任一界面处B的分子扩散与总体流动方向相反，大小相等，没有净传质，是停滞的。总体流动通量Nb与A穿过界面2-2’的传质通量NA相等由组分B的恒算式代入组分A恒算式得边界条件代表初终截面处PB的对数平均值令单向扩散速率方程等摩尔相互扩散速率方程

漂流因子（DriftFactor）：其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值>1,为总体流动使传质速率较分子扩散增大的倍数。

分压PA高(PB低)时，漂流因数大，总体流动的影响大。分压PA低(PB高)时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。单向扩散与等摩尔相互扩散相差无几。对液相中的单向扩散表示液相扩散初终截面处溶剂S的对数平均浓度值ppB1pA1pA2pB2扩散距离z0zpppB1pA1pA2pB2扩散距离z0zp单向扩散等摩尔相互扩散P