化工原理課件,華南理工,吸收-2

1、兩個(gè)基本問題：兩個(gè)基本問題：一是過程的極限，取決于一是過程的極限，取決于吸收的相平衡關(guān)系吸收的相平衡關(guān)系另一是過程的速率。另一是過程的速率。氣液傳質(zhì)過程的三個(gè)基本步驟：氣液傳質(zhì)過程的三個(gè)基本步驟：溶質(zhì)由氣相主體溶質(zhì)由氣相主體 相界面（相內(nèi)傳質(zhì)）相界面（相內(nèi)傳質(zhì)）溶質(zhì)組分在界面上發(fā)生溶解進(jìn)入液相溶質(zhì)組分在界面上發(fā)生溶解進(jìn)入液相 （相際傳質(zhì)）（相際傳質(zhì)） 由界面由界面 液相主體（相內(nèi)傳質(zhì)）液相主體（相內(nèi)傳質(zhì)）溶質(zhì)氣體是憑借溶質(zhì)氣體是憑借擴(kuò)散擴(kuò)散完成相內(nèi)傳質(zhì)的完成相內(nèi)傳質(zhì)的 擴(kuò)散擴(kuò)散= = 分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散 + + 渦流擴(kuò)散渦流擴(kuò)散 溶解過程較易進(jìn)行，其阻力很小。溶解過程較易進(jìn)行，其阻力很小?？倐髻|(zhì)

2、過程總傳質(zhì)過程速率將由速率將由相內(nèi)傳質(zhì)相內(nèi)傳質(zhì)傳質(zhì)速率傳質(zhì)速率所決定。所決定。 分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散混合物中存在濃度梯度產(chǎn)生的擴(kuò)散混合物中存在濃度梯度產(chǎn)生的擴(kuò)散渦流擴(kuò)散渦流擴(kuò)散憑借流體質(zhì)點(diǎn)的湍流和漩渦而引起的擴(kuò)散憑借流體質(zhì)點(diǎn)的湍流和漩渦而引起的擴(kuò)散2.1 分子擴(kuò)散與傳質(zhì)分子擴(kuò)散與傳質(zhì) （1）分子擴(kuò)散）分子擴(kuò)散-費(fèi)克定律（費(fèi)克定律（Fick） a. a.分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散是在相內(nèi)部因是在相內(nèi)部因濃度梯度濃度梯度的存在，由于的存在，由于分子的分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的物質(zhì)傳質(zhì)現(xiàn)象而產(chǎn)生的物質(zhì)傳質(zhì)現(xiàn)象 分子運(yùn)動(dòng)向各方向是無規(guī)則的分子運(yùn)動(dòng)向各方向是無規(guī)則的分子微觀運(yùn)動(dòng)的結(jié)果分子微觀運(yùn)動(dòng)的結(jié)果在濃

3、度高處的分子向濃度低方向擴(kuò)散在濃度高處的分子向濃度低方向擴(kuò)散靜止或?qū)恿鬟\(yùn)動(dòng)的流體靜止或?qū)恿鬟\(yùn)動(dòng)的流體b.費(fèi)克定律（費(fèi)克定律（Fick定律）定律） 單位時(shí)間通過單位面積物質(zhì)的擴(kuò)散量與濃度梯度單位時(shí)間通過單位面積物質(zhì)的擴(kuò)散量與濃度梯度成正比。與成正比。與傅立葉定律傅立葉定律 相似相似JA組分組分A沿沿Z方向的擴(kuò)散通量方向的擴(kuò)散通量kmol/m2s；CA組分組分A在混合物中摩爾濃度在混合物中摩爾濃度kmol/m3 ;DAB組分組分A在在A、B混合物中的擴(kuò)散系數(shù)，混合物中的擴(kuò)散系數(shù)，m2 /s。負(fù)號(hào)擴(kuò)散方向沿負(fù)號(hào)擴(kuò)散方向沿A濃度降低的方向進(jìn)行濃度降低的方向進(jìn)行dZdcDJAABA只要存在濃度差，必然會(huì)

4、產(chǎn)生分子擴(kuò)散只要存在濃度差，必然會(huì)產(chǎn)生分子擴(kuò)散是描述分子擴(kuò)散的基本規(guī)律是描述分子擴(kuò)散的基本規(guī)律（2）等分子反向擴(kuò)散）等分子反向擴(kuò)散 由由A、B組成均相混合物中，若維持各點(diǎn)的組成均相混合物中，若維持各點(diǎn)的 T,P,C=constant ,當(dāng)其內(nèi)部存在當(dāng)其內(nèi)部存在A、B組分濃度分布時(shí)，組分濃度分布時(shí)，會(huì)發(fā)生會(huì)發(fā)生A、B兩組分的等分子反向擴(kuò)散。兩組分的等分子反向擴(kuò)散?；旌衔镏懈鼽c(diǎn)總濃度不變混合物中各點(diǎn)總濃度不變const0BACCC00dZdCdZdCdZdCBAdZdCdZdCBA根據(jù)費(fèi)克定律根據(jù)費(fèi)克定律dZdcDJAABAdZdcDJBBAB擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量 可得可得dZdCDdZdCDBBAA

5、ABDAB=DBA=D BAJJ對(duì)雙組分混合物，穩(wěn)定擴(kuò)散條件下，雙組分混合物中，對(duì)雙組分混合物，穩(wěn)定擴(kuò)散條件下，雙組分混合物中，組分組分A在在B中的擴(kuò)散系數(shù)等于組分中的擴(kuò)散系數(shù)等于組分B在在A中的擴(kuò)散系數(shù)。中的擴(kuò)散系數(shù)。 雙組分物系中當(dāng)各處的濃度相等時(shí)，有雙組分物系中當(dāng)各處的濃度相等時(shí)，有A的擴(kuò)散，必然的擴(kuò)散，必然伴有伴有B的分子擴(kuò)散，二者擴(kuò)散速率相等方向相反的分子擴(kuò)散，二者擴(kuò)散速率相等方向相反擴(kuò)散方向上沒有流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，通過任一截面的凈物擴(kuò)散方向上沒有流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，通過任一截面的凈物質(zhì)量為零質(zhì)量為零前提：前提：界面能等速率地向氣相提供組分界面能等速率地向氣相提供組分B傳質(zhì)速率的大小主要是

6、分子擴(kuò)散的貢獻(xiàn)。傳質(zhì)速率的大小主要是分子擴(kuò)散的貢獻(xiàn)。對(duì)于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散則有：對(duì)于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散則有：對(duì)于氣相：對(duì)于氣相： 體現(xiàn)在精餾過程中：體現(xiàn)在精餾過程中： 1mol A 液液 氣氣 1mol B 氣氣 液液 21AAAAACCZDdZdCDJNRTPC 21AAAppRTZDNAAJN BBJN （3）單向擴(kuò)散與總體流動(dòng)）單向擴(kuò)散與總體流動(dòng)v在氣體吸收過程中，由于液相中不存在物質(zhì)在氣體吸收過程中，由于液相中不存在物質(zhì)B，故不可能向界面提供組分，故不可能向界面提供組分B。（不再是。（不再是等分子反向擴(kuò)散），而是組分等分子反向擴(kuò)散），而是組分A的單向擴(kuò)散的單向擴(kuò)散v單向擴(kuò)散：一組分通過另一個(gè)停滯組分的擴(kuò)單

7、向擴(kuò)散：一組分通過另一個(gè)停滯組分的擴(kuò)散散 v在相界面處，在相界面處，A可溶于液相，可溶于液相，B不溶于液相。不溶于液相。vA在濃度梯度作用下從氣相主體向界面在濃度梯度作用下從氣相主體向界面i-i處擴(kuò)散，在處擴(kuò)散，在界面發(fā)生溶解，進(jìn)入液相，其通量為界面發(fā)生溶解，進(jìn)入液相，其通量為JA。v界面處界面處A溶于液相中，使溶于液相中，使B產(chǎn)生逆向濃度差。產(chǎn)生反產(chǎn)生逆向濃度差。產(chǎn)生反向擴(kuò)散，其通量向擴(kuò)散，其通量JA=-JB 。v界面處界面處B的反向擴(kuò)散，無液相分子通過界面向氣相的反向擴(kuò)散，無液相分子通過界面向氣相補(bǔ)充，導(dǎo)致界面處補(bǔ)充，導(dǎo)致界面處氣相總濃度下降，即總壓下降氣相總濃度下降，即總壓下降，使氣體與

8、界面之間產(chǎn)生微小的壓差，從而產(chǎn)生混合使氣體與界面之間產(chǎn)生微小的壓差，從而產(chǎn)生混合氣主體向界面遞補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)，這種遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)稱之為氣主體向界面遞補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)，這種遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)稱之為總總體流動(dòng)體流動(dòng)。v以液相及氣相為推動(dòng)力的傳質(zhì)速率方程。以液相及氣相為推動(dòng)力的傳質(zhì)速率方程。v 、 稱為漂流因子，其值大于稱為漂流因子，其值大于1 1。 有總體流動(dòng)存在的傳質(zhì)速率大于單純的分子擴(kuò)散有總體流動(dòng)存在的傳質(zhì)速率大于單純的分子擴(kuò)散v反映總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的貢獻(xiàn)反映總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的貢獻(xiàn)v描述吸收過程的傳質(zhì)：氣相中的描述吸收過程的傳質(zhì)：氣相中的A A不斷溶解，不斷溶解，B B不不能進(jìn)入液相。能進(jìn)入液相。2121AABmAAA

9、BmoApppPRTzDNcccCzDN氣相：液相：BmppBmoccAAJN BBJN 02-2 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)v分子擴(kuò)散系數(shù)是物性常數(shù)之一：分子擴(kuò)散系數(shù)是物性常數(shù)之一： D=f(物質(zhì)種類，物質(zhì)種類，T， P，濃度，粘度），濃度，粘度）擴(kuò)散系數(shù)可由以下擴(kuò)散系數(shù)可由以下3種途徑獲得：種途徑獲得：由試驗(yàn)測(cè)得。試驗(yàn)測(cè)定是求物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的根由試驗(yàn)測(cè)得。試驗(yàn)測(cè)定是求物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的根本途徑本途徑 從手冊(cè)中查得。從手冊(cè)中查得。 借助某些經(jīng)驗(yàn)的或半經(jīng)驗(yàn)的公式進(jìn)行估算（查借助某些經(jīng)驗(yàn)的或半經(jīng)驗(yàn)的公式進(jìn)行估算（查不到不到D又缺乏進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定的條件時(shí)）。又缺乏進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定的條件時(shí)）。 v氣體氣體中分子擴(kuò)散系數(shù)中

10、分子擴(kuò)散系數(shù) 0.11.0cm2/s Df(種類，種類，T，P) ；濃度對(duì)其影響小；濃度對(duì)其影響小 T ，D ； P ， Dv液體液體中分子擴(kuò)散系數(shù)中分子擴(kuò)散系數(shù) 10-5510-5cm2/s Df(種類，種類，T，濃度，濃度, 粘度粘度) ；P對(duì)其影響小對(duì)其影響小 ，D ；C ，D ； M ，D23/13/15 . 075. 17)()()11(1000. 1BABAVVpMMTDpTD75. 1TD 2-3 渦流擴(kuò)散與對(duì)流傳質(zhì)渦流擴(kuò)散與對(duì)流傳質(zhì)一一渦流擴(kuò)散：湍流流體中出現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)和大量旋渦，渦流擴(kuò)散：湍流流體中出現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)和大量旋渦，造成組分?jǐn)U散，造成組分?jǐn)U散，借助于費(fèi)克定律形式。借助于費(fèi)

11、克定律形式。 De為渦流擴(kuò)散系數(shù)，為渦流擴(kuò)散系數(shù)， 不僅和不僅和物性物性有關(guān)，而且與有關(guān)，而且與流動(dòng)狀況流動(dòng)狀況及所處的及所處的位置位置有關(guān)有關(guān) 二二. 總的擴(kuò)散通量總的擴(kuò)散通量 : 即有分子擴(kuò)散又有渦流擴(kuò)散即有分子擴(kuò)散又有渦流擴(kuò)散dZdcDDJAeA)(dZdcDJAeA2-4 2-4 吸收過程的雙膜模型吸收過程的雙膜模型 雙膜模型要點(diǎn)：雙膜模型要點(diǎn)：a.a.氣液相間有穩(wěn)定的相界面氣液相間有穩(wěn)定的相界面 在界面處在界面處氣液濃度成平衡氣液濃度成平衡 pi=f(ci) b.b.相界面兩側(cè)各有一停滯膜（虛擬膜或者有效膜），相界面兩側(cè)各有一停滯膜（虛擬膜或者有效膜），膜內(nèi)傳質(zhì)以膜內(nèi)傳質(zhì)以分子擴(kuò)散分

12、子擴(kuò)散 方式進(jìn)行方式進(jìn)行c.c.傳質(zhì)阻力全部集中在虛擬膜內(nèi)，傳質(zhì)阻力全部集中在虛擬膜內(nèi)， 膜外主體高度湍流，傳質(zhì)阻力為膜外主體高度湍流，傳質(zhì)阻力為0 0。2-5 2-5 吸收過程傳質(zhì)速率方程式吸收過程傳質(zhì)速率方程式v傳質(zhì)阻力全部折算到虛擬膜內(nèi)，則吸收過程的傳質(zhì)傳質(zhì)阻力全部折算到虛擬膜內(nèi)，則吸收過程的傳質(zhì)速率方程可表示為以分子擴(kuò)散形式表示的傳質(zhì)速率速率方程可表示為以分子擴(kuò)散形式表示的傳質(zhì)速率推推動(dòng)動(dòng)力力系系數(shù)數(shù)阻阻力力推推動(dòng)動(dòng)力力速速率率1.1.氣相對(duì)流傳質(zhì)速率方程氣相對(duì)流傳質(zhì)速率方程 )p(ppRTzDPNiAAGBmGABmGGpRTzDPk令令GiAAGiAAGGA1/)()(kppppk

13、N則則主主體體濃濃度度界界面面濃濃度度膜膜側(cè)側(cè)傳傳質(zhì)質(zhì)系系數(shù)數(shù)膜膜側(cè)側(cè)阻阻力力主主體體濃濃度度界界面面濃濃度度速速率率傳傳質(zhì)質(zhì)氣相對(duì)流傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：氣相對(duì)流傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：)(iAAGGAppkN )(iAyykNy )Y(YkNYiA kG 以以分壓差分壓差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)，表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/(m2skPa）ky以以氣相摩爾分率差氣相摩爾分率差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)，表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/(m2s)kY 以以氣相摩爾比差氣相摩爾比差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)，表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/( (m2s) )G

14、yPkk 2.2.液相對(duì)流傳質(zhì)速率方程液相對(duì)流傳質(zhì)速率方程 )(ALiAmLAccczDcNBBmLLczDck令令則則)(ALiALAcckN 液相傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：液相傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：)(iAxxkNx )(ALiALAcckN )(AXXkNiX kL以以液相摩爾濃度差液相摩爾濃度差表示推動(dòng)力的液相對(duì)流傳質(zhì)分系數(shù)表示推動(dòng)力的液相對(duì)流傳質(zhì)分系數(shù),m/skx以以液相摩爾分率差液相摩爾分率差表示推動(dòng)力的液相對(duì)流傳質(zhì)分系數(shù)表示推動(dòng)力的液相對(duì)流傳質(zhì)分系數(shù),kmol/(m2s)kX 以以液相摩爾比差液相摩爾比差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù), ,kmol/

15、( (m2s) ) Lckkx 定態(tài)傳質(zhì)定態(tài)傳質(zhì) )()(ALiALiAAGGAcckppkN pAi =f（cAi） 、cAi iApa.一般情況一般情況b.平衡關(guān)系滿足亨利定律平衡關(guān)系滿足亨利定律 )()(ALiALiAAGGAcckppkN iHpcAAi 、cAi iAp3.3.界面上的濃度界面上的濃度 c. 圖解圖解GLiAALiAAGkkccpp )()(ALiALiAAGGAcckppkN GLkk I（pAi，cAi） 操作點(diǎn)操作點(diǎn)OI（界面）（界面）斜斜率率）(GLkk H1 斜斜率率平平衡衡線線cA/kmol/m3cAecepipApicpA/kPa0斜率：斜率：界面濃度：

16、界面濃度：4.4.總傳質(zhì)速率方程總傳質(zhì)速率方程主主體體濃濃度度平平衡衡濃濃度度總總推推動(dòng)動(dòng)力力推推動(dòng)動(dòng)力力系系數(shù)數(shù)總總阻阻力力總總推推動(dòng)動(dòng)力力速速率率 NA)*(*1xxKccKccxLKL液相：AN*)(*1yyKppKppyGKG氣相：ANKG，Ky，KL,Kx氣、液相總傳質(zhì)系數(shù)；氣、液相總傳質(zhì)系數(shù)；p* ,c*氣液相的平衡分壓及平衡摩爾濃度。氣液相的平衡分壓及平衡摩爾濃度。5. 總傳質(zhì)系數(shù)與膜傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系總傳質(zhì)系數(shù)與膜傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系系統(tǒng)服從亨利定律系統(tǒng)服從亨利定律根據(jù)雙膜理論，界面處根據(jù)雙膜理論，界面處氣液濃度成平衡氣液濃度成平衡*Hpc iHpc i)(*iLAppHkN*1ppNH

17、kiALiAG1ppNk)(iLAcckN*11ppNkHkAGL)(iGAppkN*)(111ppkHkNGLAGLG111kHkK 同理同理GLL11kHkK LGHKK 可得可得用類似的方法得到用類似的方法得到 xyykmkK 11yxxmkkK111 xyKmK 6. 吸收過程傳質(zhì)速率方程總結(jié)吸收過程傳質(zhì)速率方程總結(jié) v 膜傳質(zhì)速率方程膜傳質(zhì)速率方程 x)(xkcckyykppkixiLiyiGANLGckkPkkxyxxKccKyyKppKxLyG*)*(*)(ANLcKKxGPKKyLGHKKyxmKK v 總傳質(zhì)速率方程總傳質(zhì)速率方程7.傳質(zhì)阻力與傳質(zhì)速率的控制傳質(zhì)阻力與傳質(zhì)速率

18、的控制(1) 傳質(zhì)阻力傳質(zhì)阻力GLG11 1kHkKGLL11kHkK 11yxykkmKyxxmkkK111傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)阻力與推動(dòng)力一一對(duì)應(yīng)。傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)阻力與推動(dòng)力一一對(duì)應(yīng)。(2) 傳質(zhì)速率的控制步驟傳質(zhì)速率的控制步驟a.a.氣膜阻力控制氣膜阻力控制對(duì)于易溶氣體，溶解度很大，對(duì)于易溶氣體，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提高傳質(zhì)速率的措施：提高氣體流速；提高傳質(zhì)速率的措施：提高氣體流速； 加強(qiáng)氣相湍流程度。加強(qiáng)氣相湍流程度。 b.b.液膜阻力

19、控制液膜阻力控制對(duì)于難溶氣體，溶解度很小，對(duì)于難溶氣體，溶解度很小，H很小，很小，m很大很大yxGLmkkkHk111pip*pcic*c.LLkK cccci*)*(cckNLA提高傳質(zhì)速率的措施：提高液體流速；提高傳質(zhì)速率的措施：提高液體流速； 加強(qiáng)液相湍流程度。加強(qiáng)液相湍流程度。 同理：同理：xx kK xxxxi*)*(xxkNxAc.c.雙膜阻力聯(lián)合控制，兩者均不可忽略雙膜阻力聯(lián)合控制，兩者均不可忽略 對(duì)溶質(zhì)的溶解度的比較適中的吸收過程，對(duì)溶質(zhì)的溶解度的比較適中的吸收過程，則界面兩側(cè)的傳質(zhì)阻力相當(dāng)，對(duì)過程傳質(zhì)則界面兩側(cè)的傳質(zhì)阻力相當(dāng)，對(duì)過程傳質(zhì)速率的影響相當(dāng)，故表現(xiàn)為界面兩側(cè)的膜速率

20、的影響相當(dāng)，故表現(xiàn)為界面兩側(cè)的膜對(duì)傳質(zhì)速率具有相同控制作用對(duì)傳質(zhì)速率具有相同控制作用。例例用水吸收氣體組分，平衡關(guān)系服從亨利定律，用水吸收氣體組分，平衡關(guān)系服從亨利定律，操作壓力為操作壓力為850mmHg，相平衡常數(shù)，相平衡常數(shù)m=0.25，氣膜吸收分系數(shù)氣膜吸收分系數(shù)kp = 1.25kmol/(m2hatm)，液膜吸收分系數(shù)液膜吸收分系數(shù)kc = 0.85 m/h。計(jì)算用氣相分。計(jì)算用氣相分壓濃度表示的總傳質(zhì)系數(shù)和用液相體積濃度壓濃度表示的總傳質(zhì)系數(shù)和用液相體積濃度表示的總傳質(zhì)系數(shù)值。試分析該氣體被水吸收表示的總傳質(zhì)系數(shù)值。試分析該氣體被水吸收時(shí)，是屬于氣膜控制過程還是液膜控制過程？時(shí)，是屬于氣膜控制過程還是液膜控制過程？解：解：操作壓強(qiáng)操作壓強(qiáng)P=850/760=1.12atm由平衡常數(shù)關(guān)系由平衡常數(shù)關(guān)系PEm 得得E=mP=0.251.12=0.56atm對(duì)于稀溶液對(duì)于稀溶液2 .991856. 01000sEMH81. 085. 02 .99125. 11111cppHkkK用氣相分壓濃度表示的總傳質(zhì)系數(shù)用氣相分壓濃度表示的總傳質(zhì)系數(shù)