气体吸收的原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 气体吸收,第一节,概述,第二节 气液相平衡,第三节 分子扩散,第四节 对流传质,第五节 在填料塔低浓度气体吸收过程的计算,第六节 气体解吸,第七节 高浓度气体吸收,5.1 概述,一.传质分离过程简介,二.吸收与传质,三.物理吸收和化学吸收,四.吸收与解吸,五.溶剂的选择,一.传质分离过程简介,1、传质分离过程的研究对象,混合物的分离是化工类生产中的重要过程。,混合物的分类：,a）非均相混合物，其分离主要依靠,力学的,，即质点运动与流体力学原理进行分离，已在第三章中进行了讨论；,b）均相混合物，其分离特点主要依靠物质的传递（分子传递和涡流传递）特性来实现混合物中各组分的分离。,对b）均相混合物的分离称为传质分离过程,另外，对干燥和浸取等一类过程也列入传质分离过程。如：湿物料的干燥，也是依靠水分传递到气相来达到分离目的。,5.1 概述,2、传质分离过程的分类,平衡分离过程：根据混合物中诸组分在两相间的平衡分配不同来实现混合物的分离，这类方法称为。例如：蒸馏、吸收、萃取、吸附、干燥 etc。,速率分离过程：根据混合物中各组分在某种力场的作用下扩散速度不同的性质来实现混合物的分离，这类方法称为。例如：气体扩散、电泳、喷嘴扩散 etc。,在一般化工生产中主要应用平衡分离过程。,3、根据生产目的来分类,化工生产中遇到的混合物多种多样的，它们可以是g、l、s，可以均相，可以非均相，其中各组分的性质可以相差很大，也可以是十分相似，各组分的含量可以相差很大，也可以相差不大（处一个量级）分离目的也不尽相同。,一般分为四类：,分离：将混合物中各组分完全分开，得到各个纯组分或若干种产品。eg：air-N,2,、O,2,、各种稀有气体；原油-汽油、煤油、柴油etc。,5.1 概述,提取和回收：从,混合物中提取某种或某几种有用的组分。eg：从矿石中提取有用金属；从工厂排放的废料中，回收有价值的物质，除去污染环境的物质；另外在医药上中成药的提取etc。,纯化：除去混合物中少量杂质。eg：合成氨原料气中含有CO、CO,2,等有害气体，易使cat.中毒，现一般采用铜氨液洗涤法、深冷分离法和甲烷化法，这些方法在经济性、选择性等方面都在不同程度上存在着缺点，吸附分离，特别是PSA方法是新的发展方向。,浓缩：将含有组分少的稀溶液增浓，称为。eg：,在医药上中成药的提取，可以通过膜过程对此进行浓缩。,4、根据组分在两相间的分配差大小来分：,相配很大：吸收、萃取、浸取、干燥蒸馏、吸附etc。其特点为：只须引一股流，两相接触即可。,相配不大：精馏、回流萃取分馏吸附etc。其特点为：须引两股流，分段形成两相接触。,5.1 概述,二.吸收与传质,1、引子,均相混合物分离特点：主要依靠物质的分子、涡流传递特性来实现混合物中各组分的分离。,气体混合物分离特点：总是根据混合物中各组分间某种物理化学性质差异而进行的。,气体混合物的分离方法：,膜分离-主要依靠筛分作用，尺寸差异；,精馏-主要依据沸点差异，eg：空分得到N,2,和 O,2,；,吸附分离-主要依靠筛分作用，尺寸差异；也有络合作用，eg：Cu,CO；,吸收-主要依靠混合物中各组分在某种溶剂中的溶解度的不同得到分离目的。eg：,用水吸收混合气体中的NH,3,能使,NH,3,、air加以分离，并回收,NH,3,，其原因为：它们在水中的溶解度差异很大，将它们通入水中，NH,3,很容易溶解于水中，,形成氨水溶液，而air几乎不溶于水中。,5.1 概述,2、吸收,定义：气体溶解于液体的过程，称之为。,气体吸收在工业及环保中的应用,回收产品：用洗油（焦化厂副产品，数十种C、H化合物的混合物）吸收焦炉煤气中的苯、甲苯、二甲苯。有机合成八大基础原料：三苯、三稀（1,3-丁二稀、乙稀、丙稀）、一萘一炔。,气体净化：合成氨原料气中含有,CO、CO,2,、CO,2,S、H,2,S等有害气体，易使cat.中毒。,对微量CO、CO,2,现一般采用铜氨液洗涤法、深冷分离法和甲烷化法，但净化度和能耗高，目前正开发络合变压吸附（PSA）的技术是无热源技术，是非常节能的发展方向。,制备某种气体的溶液：,HCl（g)H,2,O-HCl(L),3 NO,2,H,2,O=2HNO,3,NO,SO,2,-SO,3,H,2,O-H,2,SO,4,一般采用92.5%H,2,SO,4,吸收成为98%-105%H,2,SO,4,。,实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。,5.1 概述,三.物理吸收和化学吸收,物理吸收,定义：溶质气体溶于液相中不发生显著化学反应的吸收过程，称之为,例如：CO,2,H,2,O H,2,CO,3,HCl（g）H,2,O HCl（L）丙酮（g）H,2,O丙酮（L）,化学吸收,定义：液相中有某种组分，能够与溶质气体（溶解于L）进行化学反应的吸收过程，促进了吸收过程的进行速率；,例如：,Na,2,CO,3,（,K,2,CO,3,),CO,2,H,2,O=Na,2,HCO,3,（,K,HCO,3,),四.吸收与解吸,一个完整的吸收分离过程一般包括,吸收和解吸,两部分。,解吸：从溶液中释放出溶解吸收的溶质气体的操作，称为,解吸的方法：,加热，因温度升高，溶解度降低；,减压，因压力降低，溶解度降低；,惰性气体与溶液逆流接触，一般采用过热蒸汽，一方面由于较高温度，另一方面由于惰性气体可以降低溶质气体的分压，从而带出溶质气体。,5.1 概述,吸收与解吸联合操作,图5-1 吸收与解吸联合操作,5.1 概述,从焦炉煤气中回收粗苯（苯、甲苯、二甲苯等）的生产流程图如图 5-1所示。,在吸收塔内：焦炉煤气与洗油（焦化厂副产品，数十种C、H化合物的混合物）逆流接触，气相中粗苯蒸汽被洗油吸收，脱苯煤气从吸收塔顶排出；吸收粗苯后的洗油，称为富油；,在解吸塔内：利用过热蒸汽对其解吸，在解吸塔顶排出的气相为过热水蒸汽和粗苯蒸汽混合物；,相分离器的原理是两种液体不互溶，且密度有差异。,在相分离器内：过热水蒸汽和粗苯蒸汽混合物冷凝后因两种凝液不互溶，并依据密度不同而分层，粗苯在上，水在下。分别引出则可以得到粗苯产品，从而实现混合物的分离；,解吸后的液相成为贫油，经过冷却器降温后，再进入吸收塔循环使用；,如此循环往复，从而实现吸收和解吸的联合操作过程。,5.1 概述,五.溶剂的选择,溶剂又称吸收剂，选择良好的吸收剂是设计吸收过程的重要一环；,选择原则,吸收剂对溶质应有较大的溶解度，以提高吸收速率，减少吸收剂的用量；,同时为了便于吸收剂的再生回用，其溶解度应随操作条件的改变有显著的差异；,吸收剂对溶质应有良好的选择性，即对于混合气中待吸收组分的溶解度要大，对其余组分的溶解度要小；,溶剂的挥发性要小，即蒸气压低，以减少溶剂的损失量；,溶剂的粘度要低，这样有利于气、液接触，提高吸收速率，也便于输送；,无毒；,难燃；,腐蚀性小；,易得价廉；,易于再生利用；,不污染环境。,5.2,气液相平衡,一.气液平衡关系,二.亨利定律,三.过程方向判断与过程推动力,引子：,溶质在气、液相间的平衡关,系是分析判断溶质在相间传递过,程中的方向、极限以及确定传递,过程推动力大小的依据。,一.气液平衡关系,本节只讨论单组分物理吸收,的气液平衡关系，即：,气相中只有溶质 A 和惰性气体,B两个组分，液相中只有溶质A和,吸收剂（溶剂）S 两个组分。,单组分物理吸收的气液平衡,关系如图5-2所示。,图5-2 单组分物理吸收气液平衡,5.2,气液相平衡,1、气液平衡关系的确定,（1）根据相律，单组分物理吸收体系的自由度F应为：,FC,23223,式中：相数 2 （为G、L）,组分数C3（分别为 A、B、S）,（2）由,F3知：三组分气液两,相平衡时，在温度t和总压P和气、,液组成四个变量中，有三个是独,立变量，另一个是它们的函数。,（3）约束条件说明：,G:y,A,y,B,1 L:,X,A,X,S,1,所以:P、t、y,A,、X,A,中知道三个,气、液平衡就确定了。,（4）小结：在温度t和总压P一,定的条件下，气液相平衡时，气,相组成是液相组成的单值函数。,（5）平衡时气液相组成的表示,气相中溶质的分压，称为平衡分压 或饱和分压；,液相中溶质的组成，称为平衡组成，或者称为气体在液体中的溶解度；,（6）实际上，对于多数体系，在,总压P不很高的情况下，可以认为,气体在液相中的溶解度只取决于,该气体在气相中的分压，与P无关,。,5.2,气液相平衡,2、气液平衡关系的测定,气液平衡关系一般通过实验,测出。前人做了很多的工作，故,我们可以查阅文献和有关手册得,到部分需要的气液平衡数据。,3、气液平衡关系的表示方法,列表,关系式-如：Hery定律,图线。,用二维坐标绘成的气液相平衡关,系曲线，又称为溶解度曲线。,参见化工原理P204图5-3、,5-4、5-5所示。,分别从这三图中查得在P 60kPa、,t20,时,NH,3,、,SO,2,、,O,2,在水中,的溶解度为：390g/,1 000g,、,68g,/,1 000g,、0.025g,/1 000g,。,3、溶质浓度的表示方法,1）对气相(Gas Phase)采用两种:,分压 P,摩尔分率 y,2）对液相(Liquid Phase)采用三种:,溶质A与溶剂S质量比 x，其单位为：g A/1000g s,体积摩尔浓度 Ckmol/m,3,摩尔分率 xmol/mol,5.2,气液相平衡,二.亨利定律,1.内容,1）定义：对于稀溶液或难溶气体，在一定温度t和总压不大的情况下，溶质在液相中的溶解度与它在气相中的分压呈正比，这一关系称为亨利定律（Hery）。,2）数学表达式：,P,*,A,=Ex,A,式中p,*,A,-溶质A在气相中的平衡分压，单位：mmHg，atm，Pa etc；,E-Hery 系数,与P,*,A,单位一致;,x,A,-溶质A在液相中的摩尔分数。,4、不同溶质浓度间的关系：,x=(x/M,A,)/(x/M,A,+1000/M,S,),C=(x/M,A,)/(x,+1000)/,C=x/x M,A,+(1x)M,S,/,说明：,（1）在公式的转换过程中主 要,利用的基本原理是化学中的相关,内容，即：,质量物质的量摩尔质量,物质的量质量摩尔质量,溶液体积质量/溶液密度,（2）x g1000 g,x-mol，（1x）溶剂,5.2,气液相平衡,3）亨利,系数特性,亨利系数的值决定于物系的特性及 体系的温度。溶质或溶液不同，体系不同，E也就不同。,E的大小反映了气相组分在该溶剂中溶解度的大小。E越大，溶解度越小。,因为：气体在液体中的溶解度随温度的升高而降低，,故：E随着温度T升高而E升高。,2.亨利定律的不同表示方法,1)原因：,由于气液相中溶质A的组成有,各种不同的表示方法，因此：,Hery定律有不同的表示方法。,2)采用摩尔浓度时的Hery形式,P,*,A,=C,A,/H,C,A,溶质A在溶液中的摩尔浓度,kmol/m,3,H溶解度系数其单位为：,(kmol/m,3,)/(mmHg或atm或kPa),5.2,气液相平衡,3)浓度采用摩尔分数时,Hery形式,y,*,A,=mx,A,y,*,与组成为X,A,的溶解呈平衡的,气相中溶质A的摩尔分数,m相平衡常数,4)常数H、m的特性,H与E相反，H愈大，溶解度愈大，且随,温度,T,的升高,H,而降低；,m与E类似，m愈大，溶解度愈小，且随,温度,T,升高而,m,升高。,3.Hery定律中,E、H、m间关系,1）确定依据,根据组成之间关系及道尔顿,分压定律，即可确定E、H、m之,间的关系。,2)确定过程,因为：,P,*,A,=Ex,A,代入y,*,A,=P,*,A,/P,得:,y,*,A,=(E/P)X,A,与,y,*,A,=mx,A,对照得:,m=E/P,因为:,X,A,=C,A,/C代入P,*,A,=C,A,/H,得:P,*,A,=CX,A,/H,与,P,*,A,=Ex,A,对照得:,E=C/H,m=C/H*P,式中：C溶液的总摩尔浓度,5.2,气液相平衡,3)注意事项,对于稀溶液，C,A,很小，C=,/M,S,一般认为总压在5atm以下，E、H值与总压无关。,4)参考文献,R H Perry.C H Chilton.Chemical Engineers Handbook 5th ed.New York,McGrawHill.Inc.1973,R C Weast.Handbook of Chemical and Physics59th ed.CRC.Press,Inc.19971978,三.,过程方向判断与过程的推动力,1、过程方向的判断,0,1,x,1,x,y,1,y,1,*,b(y,1,x,1,),a,c,a)y,1,=mx,1,g-L平衡，推动力=0,b)y,1,mx,1,y,1,y,1,*,吸收,=y,1,-,y,1,*,c)y,1,mx,1,y,1,C,A,C,B,J,A,N,M,J,B,C,B0,C,BL,I,I,z,N,G,L,C,BG,C,BL,A吸收,形成局部真空,已知,此截面上组分A、B的,浓度梯度分别为：,(dC,A,/dz)和(dC,B,/dz)。,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,则通过I-I的组分A的传质通量为分A的分子扩散通量J,A,和流体主体流动引起的组分A的通量N,MA,之和。即：,N,A,=J,A,+N,M,(C,A,/C,M,),式中：,N,A,组分A的传质通量，,单位为：kmol/(s.m,2,)；,N,M,通过主体流动经过,I-I面的通量。,同理：N,B,=J,B,+N,M,(C,B,/C,M,),通过主体流动经过I-I面组分A,和B的总通量：N=N,M,+J,A,+J,B,四.组分在气相中的分子扩散系数,1.扩散系数,（1）定义：扩散系数是物质很重要的传递特性，它表示物质分子扩散速度的大小，扩散系数大，表示分子扩散快。,（2）单位：,m,2,/s 或 cm,2,/s；,扩散系数的单位可由式,J,A,=D,AB,(dC,A,/dz)导出。,NB：,这与热传导中的导温系数,和流体的运动粘度,/的,单位相同。其中,又称为热扩散系数,/(C,P,),5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,（3）影响因素：,不仅取决于组分本身；,而且还与介质(与它共存的其他物质)；,组分的浓度以及温度、压力等因素有关。,（4）获取方法：,物质在不同条件下的扩散系数一般需要通过实验测定；P210例5-2说明了如何用实验法求取物质在气体中扩散系数。,常见物系的D可在手册中查取;,当查不到数据时，可用实验测，或用适当的(半)经验公式估算。,2.组分在气相中的分子扩散系数经验公式介绍,(1)物质在气体中的扩散系数主要取决于温度,T、压力P和气体组分的性质，当压力P不高时，扩散系数基本上与物质在气体中的浓度无关。大致范围为：,10,-1,1 cm,2,/s or 10,-5,-10,-4,m,2,/s.,(2),当没有扩散系数的实验数据时，可应用文献上介绍的半经验公式。这些公式都是根据气体分子动力理论，先经理论推导，然后加以适当修正而得，式中的特性常数由实验确定。,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,(3)经验公式：,椐分子动力论而得：DbT,3/2,(1/M,A,+1/M,B,),1/2,/P/(V,A,1/3,+V,B,1/3,),2,Gilliland（1934年）用实验确定了常数b，得b4.36,10,-5,式中:D 分子扩散系数，m,2,/s ；P 总压，kPa ；,M,A,、M,B,A、B的分子量；T 温度，K；,V,A,、V,B,A、B正常沸点(bp.)下的分子体积，cm,2,/mol,组分的分子体积可根据正常bp.下液态纯组分的密度求得，P212表5-2和表5-3列出的是分子体积和原子体积。分子体积可据原子体积按柯普（koop）加和法则近似估算。误差达20%。,Hirschbelder etc(1948,1949)提出，适用中等P和T(接近常压室温):,D4.36,10,-5,T,3/2,(1/M,A,+1/M,B,),1/2,/P/（,AB,2,Q,D,),式中:,AB,碰撞直径,Q,D,碰撞积分,是kT/,AB,函数,AB,(,A,B,),1/,2,NB：当变化T、P时，可据上式得到：D D,0,(P,0,/P)(T/T,0,),1.5,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,五.组分在液相中的分子扩散系数,1.研究现状,物质在液体中的扩散系数与组分的性质、温度以及浓度有关。对其研究不如气体那么广泛，这主要是由于液体中分子之间的作用比较复杂，理论分析不够成熟，所以现有估算液相D,L,的关系式可靠性不如气体。,2.液相中分子扩散系数的量级,液体中的分子比气体中密集,分 子运动不如在气体中自由，,所以：可以通过预计物质在液体中的扩散系数D,L,要比在气体中小的多，一般两者相差约10,4,-10,5,倍，但由于气体中组分的摩尔浓度比liquid中小，所以气体中的扩散通量只比liquid 大10-10,2,倍。,3.经验公式,对于很稀的非电解质溶液，,D,AB,可由下式估算(Wilke-Chang)：,D,AB,7.4,10,-8,T,(,M,B,),1/2,/(,V,A,0.6,),式中：,D,AB,分子扩散系数,m,2,/s;,M,B,溶剂B的分子量；,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,T 温度，K；,溶液粘度，cP；V,A,A在正常沸点(bp.)下的分 子体积，cm,2,/mol,溶剂的缔合因子；,值：H,2,O为2.6，甲醇为1.9，乙醇为1.5，苯、乙醚非,缔合溶剂为1.0。,对电解质溶液的扩散系数，扩散是离子而不是分子。然而，在无电势的情况下，纯（单一）盐的扩散可按分子扩散来处理。它可以使用Nernst-Haskell 方程：,D,AB,RT(1/n,+1/n,),/F,2,/(1/,0,+1/,0,),式中：,D,AB,分子扩散系数,cm,2,/s;,T 温度，K；,R 8.314 J/mol.K；,0,、,0,极限(零浓度)离,子电导，单位为：,A,cm,-2,(,V,cm,-1,),(g-equiv,cm,-3,),n,、n,阴阳离子的价数；,F 法拉第常数，其值为：,96500 C,(g-equiv,cm,-3,),-1,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,六.单相中的稳态分子扩散,1.引言,当两相互相接触,物质在相间进行物质传递时,从一相的主体到界面将建立起一定的浓度分布,在组分扩散的方向上,组分的浓度逐渐降低,经过较长时间,过程达到稳态,此时各处的浓度保持定值,不再随时间变化而变化,组分的扩散速率也变为定值。,相间的传质有两种典型情况:,1)等摩尔反向扩散2)单向扩散。,单相中的传质也有这两种情况。,2.等摩尔反向扩散,举例,eg：两组分混合物的精馏过程是等摩尔反向扩散的典型例子。,在该,过程,中(如甲苯-苯体系),易挥发的组分从,Liquidgas相传递,难挥发组分则从gas Liquid相传递。若两种组分的汽化潜热r相同，那么1mol难挥发组分从气相冷凝传入液相时所放出的热量恰好使1mol易发挥组分从Liquidgas。,这样，在气、液两相中这两种组分就,形成了等摩尔反向扩散,。,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,特征,1）扩散过程:在汽相中难挥发的组分从气相主相向气、液界面扩散易挥发组分从界面向气相主体扩散；在液相中难挥发组分从气界面向液相主体扩散，易挥发组分从液相主体向界面扩散。,2）两者扩散通量大小相同，方向相反。,传质速率的计算,现讨论在稳态条件下，两组分,（A、B）混合物在气相内的传质速率。,如图,取界面的气相侧和离界面z的两个截面和，,在截面上,的浓度分别为：,A:,C,A1,(P,A1,),，C,A2,(,P,A2,)；B:,C,B1,(,P,B1,)，C,B2,(P,B2,)；,C,A1,(P,A1,),C,B1,(P,B1,),J,A,N,A,J,B,N,B,0 z,界面,液相,气相侧,C,A2,(P,A2,),C,B2,(P,B2,),J,A,N,A,J,B,N,B,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,计算：A、B的传质通量。,解：取截面,与,之间的空间为系统作物衡，,i）一方面稳态等摩尔反向扩散,通过1、2面通量有如下关系：N,A1,N,A2,N,B1,N,B2,沿z方向上的N,A,和N,B,均为常数。,ii）另一方面：,截面,与,之间无物质的增减,无主体流动，即N,M,0,据：N,A,=J,A,+N,M,(C,A,/C,M,),N,B,=J,B,+N,M,(C,B,/C,M,),得：N,A,=J,A,=D,AB,(dC,A,/dz),N,A,=(D,AB,/RT)(dP,A,/dz),=D,AB,(dC,A,/dz)=Constant,由此可知：C,A,(P,A,)随z的变化为线性关系（即直线关系）。,iii)积分(NB:C,A1,C,B1,C,A2,C,B2,）,截面,积分上式可得：,N,A,=(D,AB,/z)(C,A1,_,C,A2,),=(D,AB,/zRT)(P,A1,P,A2,),iv)同理N,B,=(D,AB,/z)(C,B1,_,C,B2,),=(D,AB,/zRT)(P,B1,P,B2,),v）结论：N,A,=N,B,vi）对于液相内传质,如总浓度C,M,视为常数,也可应用N,A,=N,B,。,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,2）单向扩散,举例,eg：吸收过程是单向扩散的例子。,在吸收,过程,中(eg:用水吸收氨-空气混合中的NH,3,)，只有被液体吸收的组分从气相相向液相传递，没有物质从液相向气相传递(假设少量液体溶剂的汽化可忽略不计)。,特征,溶质A的单向扩散,传质速率的计算,现讨论在稳态条件下被吸收组分A在气相内的传质通量。,如图,取界面的气相侧和离界面z的两个截面和，,在截面上,的浓度分别为：,A:,C,A1,(P,A1,),，C,A2,(,P,A2,)；B:,C,B1,(,P,B1,)，C,B2,(P,B2,)；,C,A2,(P,A2,),C,B2,(P,B2,),N,A,N,B,0,气相侧,C,A1,(P,A1,),C,B1,(P,B1,),N,M,主体流动,J,B,N,B,0,界面,液相,J,A,N,MA,N,MB,0,z,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,计算：组分A的传质速率。,解：取截面,与,之间的空间为系统作物衡，,i）稳态单向扩散,组分A：N,A1,N,A2,组分B：N,B1,N,B2,0,N,A,=J,A,+N,M,(C,A,/C,M,),N,B,=J,B,+N,M,(C,B,/C,M,)0 （*1）,式中：N,M,主体流动形成的混合气体的传质通量，它的产生是由于组分B的分子扩散。,ii）,分析:截面上因为分子扩散，组分,B,从界面向主体进行的。,分子扩散 J,B,=D,BA,(dC,B,/dz),但界面上无B的传入,如果没有其它物质有引入，将引起之间组总浓度（即总压）的降低，这必然引起气相整体向界面方向的移动以弥补其不足（组分B的分子扩散使其减少），而使其总压不变。,iii）关系：气体主体流动与B的扩散之间必须保持：,N,B,=J,B,+N,M,(C,B,/C,M,)=0,即N,B,=0，可见：B在设备空间没有流动，又称为停滞介质中的扩散。,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,iv）J,A,=J,B,再结合（*1）式得：,N,M,=J,B,(C,M,/C,B,),=J,A,(C,M,/C,A,),C,A,C,B,=C,M,代入 N,A,=J,A,+N,M,(C,A,/C,M,)中得：,N,A,=J,A,+(1+C,A,/C,B,)J,A,(C,M,/C,B,),J,A,C,M,/(C,M,C,A,),=D,AB,C,M,/(C,M,C,A,)(dC,A,/dz),=constant（常数）,或:,N,A,=(D,AB,/RT)P/(PP,A,)(dP,A,/dz),constant（常数）,v）积分,截面,积分上式可得：,N,A,=(D,AB,P,/zRT),ln(PP,A2,)/(PP,A1,),在式中的ln(PP,A2,)/(PP,A1,),项同和(PP,A2,)(PP,A1,),可得到：,ln(PP,A2,)/(PP,A1,),(P,A1,P,A2,)/(P,B2,P,B1,),ln(P,B2,/,P,B1,),=(P,A1,P,A2,)/P,Bm,式中：P,BM,为组分B两界面上分压的对数平均值。,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,vi）结论：,N,A,=(D,AB,/z R T)(P/P,B m,)(P,A1,P,A2,),若以浓度代替分压和总压，则得：,N,A,=(D,AB,/z)(C,M,/C,B m,)(C,A1,C,A2,)（）,vii）注意事项,与等摩尔反向扩散的传质通量相比，多一项(P/P,B m,)或(C,M,/C,B m,)；,主要是由于：组分B在相内的分子扩散而引起的主体流动使组分A的通量随之增大，故(P/P,B m,)称之为漂流因子，当A的C,A,较低时，P,B m,=1.0。,对于Liquid的传质，C,M,若视为常数，也可应用（）式；,对于非等摩尔反向扩散和单向扩散，也可根据以下三式：,N,A,=J,A,+N,M,(C,A,/C,M,)、N,B,=J,B,+N,M,(C,B,/C,M,)及 N N,M,+,J,A,+,J,B,求出：,N,A,和N,B,5.3,分子扩散,（传质分离过程的动力学）,七.涡流扩散,1.它与分子扩散的区别,一般分子扩散的速度很小，eg:,红色的扩散很慢，这是因为静止的水中物质只依靠分子扩散。,为了加快红色的扩散，可以加搅拌，此时由于水的质点运动使红色扩散很快扩散。,因此：涡流扩散的速度相对较大。,2.定义：,这种依靠流体质点的运动而引起的物质扩散称为。,3.三传类似,流体湍流运动（传动）,=,(d,/dy)(d,/dy),=分子传递涡流传递(脉动),热量传递,Q,=(,+,H,),(dT/dz),传质,N,A,=(D+,D,),(dC,A,/dz),式中：D,分子扩散系数；,D,涡流扩散，非物性,，与,流动状态有关，与流动系统的几,何形状，尺寸，所处位置、流速、,以及流体的物性有关。,5.4,对流传质,一.引子,二.吸收过程中溶质气体由气相转移至液相的过程,三.吸收机理模型,四.对流传质速率,五.总传质系数,一.引子,1.对流传质的定义,流动的流体与两相界面之间的传质，称为。,2.本节属性,本节仍是传质分离过程的动力学内容的一部分。,3.本节重点讨论内容,本节重点讨论吸收过程,(process of absorption)，,内容主要包括：,吸收过程机理模型,吸收速率方程,5.4,对流传质,二.吸收过程溶质气体由气相转移至液相的过程,1.吸收过程包括三个步骤：,单相对流传质,溶质气体自气相主体转移至气液界面的气相一侧；,溶质气体在气液界面处溶解 一般认为：溶解阻力可略，界面气液处于相平衡状态（并由气相转入液相）,单相对流传质,溶质自气液界面转移(扩散)至液相主体。（液相一侧）,2.对步骤的分析结果,由以上分析可知：吸收速率取决于单相对流传质，且受其中传质能力弱的方控制。,因此，有必要对对流传质的机理进行介绍。,3.研究进展,目前，对其特点、规律及气液界面处气液相浓度关系已开展了大量的研究工作。至今已有三种著名的吸收机理模型提出。,5.4,对流传质,4.处理方法,处理方法的两种类型,a)工程处理方法,依靠实验解决传质速率问题，不作理论探讨。,b)理论方法,工程处理方法,a）在传热的工程处理中得到三个准数，即：,Nu=,d/Re=ud/Pr=Cp/,b)采用类似的方法对传质过程进行,无因次化：,u，,，,d，D，k(传质系数)，得到,三个准数：,舍伍德数(Sherwood)Sh=kd/D,雷诺数(Reynolds)Re=ud,/,施米特数(Schmit)Sc=/D,式中：d为传质设备特性尺寸。,c)在湿壁塔中液体沿壁管呈膜状流动流下时，气体自下而上通过管子，根据挥发性液体(水/甲苯)汽化向气相传递的实验结果得到：Sh=0.023Re,0.38,Sc,0.44,d)G.L 在降膜式吸收器内作瑞流流动：,Re2100,Sc=0.6300时：,Sh=0.023Re,0.83,Sc,0.33,5.4,对流传质,e）我们可以注意到d)的情况与园直管湍流传热的公式类似。,Nu=0.23Re,0.8,Pr,0.30.4,由于塔型的复杂多样，流动的复杂性，工程处理的方法有一定的作用，但不完善，,理论方法,a)传质模型的方法,为了揭示传质系数的物理本质，从理论上说明各因素对它影响，不少研究者提出假想的传质模型，采用数学模型的方法加以研究。,b)求解中存在的问题,由于对流传质设备复杂性，难以,作严格的数学描述，自然也无从,解析求解。,c)模型的简化,不同研究者试图根据各自对过程的,理解,抓住主要的因素,由此构成对,流传质的简化图象,称之为物理模,型,对其进行适当的数学描述,即得,到数学模型(,Mathematics Model),M.D.，,然后对简化的,M.D.,解析求,解，得到传质分系数的理论式，最,后将理论式与实验结果比较，便可,以检验其准确性和合理性。,5.4,对流传质,三.吸收机理模型,1)引子,对吸收机理的认识异同,由于相界面附近流体流动状况和传质过程很复杂，人们对上述三步的认识不同，提出了各种不同的传质模型来描述整个传质机理。,但至今仍没有一个完整的理论能说明两流体相间在各种不同情况下的传质机理。,吸收机理模型的种类,本书介绍吸收机理模型的种类,主要有三种，,即：双膜论、溶质渗透模型和表面更新模型。,主要内容,重点介绍：1923年whitman惠特曼提出的,双膜论,较为普遍，并以此建立相间传质速率方程。,了解内容：介绍,溶质渗透模型,和,表面更新模型,，作为了解的内容。,5.4,对流传质,2）双膜理论,内容 双膜理论对传质过程进行可简化，有一定的适用范围。,目前对该理论有各种不同的叙述方法，可以归纳成以下两部分：,流体流动模型 i）互相接触的气液两相间有一固定的界面；,ii）界面两侧分别存在两层膜：气膜和液膜，,膜内的流体是层流，膜外流体为湍流流动。,传质模型 i)传质过程为定态的传质过程，因此沿传质方向组分 的传质速率为常数；ii)界面无传质阻力，在界面上气、液两侧的溶质在瞬间即可达到平衡了，即溶质A在界面的两相组成是平衡关系；iii)在界面两侧的两层膜内，物质以分子扩散的形式进行传质型；iv)膜外湍流区由于流体湍动大，传质速率很高，传质阻力可以忽略不计。,小结：,因此，相间的传质阻力决定于界面两侧膜的阻力，故该模型由称为双阻力模型。,5.4,对流传质,双膜模型的浓度分布（界面附近）,相界附近的浓度分布如图示解释：（与书中相异）,虚线为真实浓度分布曲线,实线为修正浓度分布曲线,ii)由图可见，在同一传质速率条件下，湍流区浓度曲线较平缓，而层流区则较陡。,iii)原因分析：,流体湍流部分主要是：涡流扩散，传质能力强；层流区靠分子扩散，传质能力弱。,因此：湍流部分修正曲线为水平线平均浓度，层流部分是实际浓度的延伸。,气,相,主,体,液相主体,P,A,P,A i,C,A i,C,A,气膜,液膜,G,L,相界面,传质,方向,距离z,i）根据双膜理论，吸收过程中气液,5.4,对流传质,意义,i)层流层溶质气体传质机理是分子扩散，有了可靠的传质 速率计算方法；又由于层流的阻力占总阻力的绝大部分，使对流传质的速率有了具有理论计算基础的计算式。,ii)论点简明，在气液湍流程度不高时有一定准确性，至今仍广泛采用。但对于任意情况下均存在稳定的气、液层流膜的假设一般认为缺乏实验依据。,以双膜理论为基础的,k,G,，k,L,表达式,i)图中P,A i,为气相侧的A组分的分压，C,A i,为界面上液相侧的A组分的摩尔浓度。据双膜论两者平衡。若符合Hery定律：P,A i,=C,A i,/H,ii)气体吸收是溶质A的单项扩散过程，溶质通过气膜的吸收速率为：,(N,A,),G,=(D,G,/,G,R T)(P/P,B m,)(P,A,P,Ai,),(N,A,),L,=(D,L,/,L,)(C,M,/C,B m,)(C,A i,C,A,),5.4,对流传质,iii)仿照对流传热速率的牛顿冷却定律，把上述关式用下列传质通量形式：,(N,A,),G,=k,G,(P,A,P,A i,),(N,A,),L,=k,L,(C,A i,C,A,),iv)将ii)和iii)对照可得：,气相传质分系数：,k,G,=(D,G,/,G,R T)(P/P,B m,),单位：kmol/(s.Pa.m,2,),液相传质分系数：,k,L,=(D,L,/,L,)(C,M,/C,B m,),单位：kmol/s.m,2,.(kmol/m,3,)，,即为：m/s,缺点,由上看出：k,D,又,G,、,L,与D,G,、D,L,无关，仅与流动状况有关；,但：实验得出k,D,2,/3,G,、,L,与D也有关系,失去理论模型的意义。,5.4,对流传质,3）溶质渗透理论,内容：,Higbie(黑格比)将液相中的对流传质简化为：i)液体在下流过程中每隔一定时,0,发生一次完全混合，使液体浓度均匀比；ii)在,0,时间，液相中发生的不再是定态的扩散过程，而是非定态过程,示意图,界面,浓度,C,A i,离相界面的距离z,C,A,接触时间增长,界面,气相,C,A i,液相,表面,浓度,液相B,B,B,C,A,0,z,溶质渗透模型的示意图,5.4,对流传质,图例说明：假设在液面上有许多微元体，任一微元液体与气相接触时，气体将溶解在液体中，并从界面向微元液体内部进行非稳定态分子扩散。经过一个很短的时间,0,以后。这个微元又与液相主体相混合。,传质微分方程为：,边界条件：,0，z=0,时,C,A,=C,A i,=constant,0，z=,时,C,A,=C,A,=constant,解得：,N,A,|,z=0,=(D,AB,/,0,),1/2,(C,A i,C,A,),（NB:,0,增大，N,A,减小）,最终得到：k,L,=2(D,AB,/,0,),1/2,模型形式如上，它引入一个参量,0,，称为溶质渗透时间。,设想依据：填料塔中液体的实际流动，液体自某一个填料转移至下一个填料时必发生混合，不可能保持原有的浓度。,C,A,D,AB,2,C,A,2,z,初始条件：,0，0,z,时,C,A,=C,A,5.4,对流传质,意义：,a)该式,k,L,=2(D,AB,/,0,),1/2,表明,k,L,与D的0.5次方成正比，与实验值较为接近，说明了溶质渗透模型比双膜论更接近实际；,b)溶质渗透模型的贡献在于：放弃了定态扩散的观点，揭示了过程的非定态性，并指出了液体定期混合对传质的作用。,4）表面更新模型（理论）,内容：Danckwerts(邓克乌兹)于1951年提出，将液相对流传质简化如下：液体在下流过程中表面不断更新，即不断有液体从主体转为界面而暴露于气相中，这种界面的不断更新使过程大大强化。,原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处，现在通过表面更新，深处的液体就有机会直接与气体接触以接受溶质。,模型：,模型中引入一个参数S,-表面更新频率。,5.4,对流传质,其定义为：单位时间内表面被,更新的百分率。,按此模型作出的数学描述，解析,求解得到：,k,L,=(D S,),1/2,其结论与溶质渗透Model相同，,即：,k,L,D,1/2,两者区别,溶质渗透模型：表面更新过程是每隔,0,时间周期性进行一次。,表面更性模型：,不固定，更新是随时进行的过程。,局限性与意义,i）局限性用于设计过程还有一定的距离。,ii）意义有助于深刻理解过程的物理实质，即：非定态过程和表面更新，指明了强化传质的途径。,液相可以分成“界面”和主体两个区域。在界面地区内，质量传递按