化工原理第六章吸收课件.ppt

1、返回16.1.6.1.概述概述6.16.1.1.1.化工生产中的传质过程化工生产中的传质过程 6.1.2.6.1.2.相组成表示法相组成表示法 6.1.3.6.1.3.气体吸收过程气体吸收过程返回第六章 吸收返回26.1.1.6.1.1.化工生产中的传质过程化工生产中的传质过程 1.传质分离过程：依靠物质从一相到另一相传递过程，叫传质分离过程。2.传质分离过程的依据：依据混合物中各组分在两相间平衡分配不同。返回3（1）气体吸收 选择一定的溶剂（外界引入第二相）造成两相，处理气体混合物。（2）液体蒸馏 对于液体混合物加热，使混合物内部造成两相，利用不同组分挥发性的差异，使得液体混合物得以分离。（

2、3）固体干燥 对含一定湿分的固体提供一定的热量，使溶剂汽化，利用湿分压差，使湿分从固体表面或内部转移到气相，从而将含湿分的固体物料得以净化。返回4返回5返回6返回76.1.2.相组成表示法相组成表示法 1质量分数与摩尔分数质量分数：在混合物中某组分的质量占混合物总质量的百分数。mmwAA摩尔分数：在混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的百分数。返回8气相：nnyAA质量分数与摩尔分数的关系：1NBA yyy液相：nnxAA1NBA xxxNNBBAAAAAA/MmwMmwMmwMmwnnx NNBBAAAA/Mw/Mw/Mw/Mw 返回92质量比与摩尔比质量比：混合物中某组分A的质量与惰性

3、组分B（不参加传质的组分）的 质量之比。BAmmaA摩尔比：混合物中某组分的摩尔数与惰 性组分摩尔数之比。返回10BAAnnY气相：BAAnnX液相：质量分数与质量比的关系：AAA1aawAAA-1 wwa摩尔分数与摩尔比的关系：XXx1-xxX1返回11YYy1-yyY13质量浓度与摩尔浓度质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。AAVmG摩尔浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。AAVnc返回12质量浓度与质量分数的关系：AAwG摩尔浓度与摩尔分数的关系：cxcAAc混合物在液相中的总摩尔浓度，kmol/m3；混合物液相的密度，kg/m3。返回134气体总压与理想气体中组分的分压摩尔比与分

4、压之间的关系:AAAYppp摩尔浓度与分压之间的关系:RTpVncAAA总压与某组分的分压之间的关系:AAPpy返回146.1.3.6.1.3.气体吸收过程气体吸收过程1.气体吸收的目的（1）分离混合气体以获得一定的组分。（2）除去有害组分以净化或精制气体。（3）制备某种气体的溶液。（4）工业废气的治理。2.吸收的依据混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。返回153吸收过程及设备 返回16吸收质惰性组分溶剂吸收液吸收尾气返回174吸收流程 吸收与解吸流程吸收与解吸流程含苯煤气含苯煤气脱苯煤气脱苯煤气洗油洗油苯苯水水过热蒸汽过热蒸汽加热器加热器冷却器冷却器返回18吸收工艺过程吸收过程 苯吸收塔解

5、吸过程 苯解吸塔几个名词几个名词吸收剂（吸收剂（S S）：吸收过程中所用的溶剂；溶质（吸收物质溶质（吸收物质A A）：混合气体中能显著被吸收剂吸收的组分；惰性组分（载体惰性组分（载体B B）：不能被吸收剂吸收的组分；吸收液：吸收液：吸收操作所得到的溶液；吸收尾气：吸收尾气：吸收过程中排放的气体。返回195吸收分类（1）物理吸收和化学吸收（2）单组分吸收和多组分吸收（3）等温吸收和非等温吸收（4）高浓度吸收和低浓度吸收6吸收剂的选择要求（1）溶解度大；（2）选择性好；（3）挥发性小；（4）黏度低；（5）无毒无腐蚀，不易燃，不发泡，价廉易得返回206.2.6.2.气液相平衡气液相平衡6.26.2.

6、1.1.气液相平衡关系气液相平衡关系 6.2.2.6.2.2.相平衡关系在吸收过程中的应用相平衡关系在吸收过程中的应用 返回返回216.2.1.气液相平衡关系气液相平衡关系1溶解度曲线平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与 混合气体充分接触，气相中的溶质向 溶剂中转移，长期充分接 触后，液相 中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡。饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。返回22氨在水中的溶解度氨在水中的溶解度液相中氨的摩尔数液相中氨的摩尔数气相中氨的分压气相中氨的分压60504030返回232020下下SOSO2 2在水中的溶解度在水中的溶解度10

7、1.3kPa202.6kPaxy返回24t=293KCO2NH310ncA,kmol/m3pA,kPa几种气体在水中的溶解度曲线几种气体在水中的溶解度曲线返回25讨论：（2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。（1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。（3）相同的总压及摩尔分数，cO2 cCO2 cSO2 x或 A*Acc*AAppA由气相向液相传质，吸收过程*AApp 平衡状态*AApp A由液相向气相传质，解吸过程吸收过程：返回332指明过程进行的极限过程极限：相平衡。yPyxABCxy*y*y返回341）逆流吸收

8、，塔高无限，aamxyyL*mina,G，yaG，ybL，xaL，xb2）逆流吸收，塔高无限，myxLbbmax,3确定过程的推动力1)吸收过程推动力的表达式*AApp y-y*或x*-x或A*Acc返回356.3.6.3.分子扩散分子扩散与单相传质与单相传质6.36.3.1.1.分子扩散分子扩散6.3.2.6.3.2.单相分子扩散单相分子扩散6.3.3.6.3.3.单相对流传质单相对流传质返回366.36.3.分子扩散分子扩散与单相传质与单相传质吸收过程：（1）A由气相主体到相界面，气相内传递气相内传递；（2）A在相界面上溶解，溶解过程；（3）A自相界面到液相主体，液相内传递液相内传递。单相

9、内传递方式：分子扩散；湍流扩散。单向传质单向传质 界面溶解界面溶解 单向传质单向传质返回37单相内的传质机理：单相内的传质机理：（1 1）分子扩散）分子扩散:分子随机热运动的宏观结果分子随机热运动的宏观结果。固体、静止的流体和作层流流动的流体内部单独存在。（2 2）涡流扩散：质点的湍动和旋涡的扰动引起）涡流扩散：质点的湍动和旋涡的扰动引起。湍流流动的流体内（分子扩散的影响可忽略）。对流传质：流体与固体壁面之间或流体与相界面之间对流传质：流体与固体壁面之间或流体与相界面之间的质量传递。的质量传递。分子热运动分子热运动返回38分子扩散现象分子扩散现象：A气体气体B气体气体隔板隔板,ABABTTPP

10、已知：已知：，当隔板抽调后会发生什么，当隔板抽调后会发生什么情况？情况？1分子扩散与菲克定律分子扩散与菲克定律6.3.1.分子扩散分子扩散返回39分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存 在浓度差，则因分子无规则的热运动使 该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。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/(m2s)。菲克定律：温度、总压一定，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。返回40zcDJddAABAJA组分A扩散速率（扩散通量），kmol/（m2s）；组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m4

11、）；zcddA DAB组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。负号负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反相反，扩散沿 着浓度降低的方向进行 返回41理想气体：RTpcAAzcddAzpRT dd1A=zpRTDJddAABA3AK/AZ/AADAADAJc ucmol mum s该点处物质 的浓度，该点处物质 沿 方向的扩散速度，返回426.3.2.单相分子扩散单相分子扩散分子扩散两种形式：等分子反向扩散，单向扩散。分子扩散两种形式：等分子反向扩散，单向扩散。1等分子反向扩散及速率方程等分子反向扩散及速率方程(1)等分子反向扩散JAJBT PpA2pB2T PpA1pB112返回43等分子反向扩散

12、：任一截面处两个组分的扩散速率 大小相等，方向相反。zpRTDJddAABAzpRTDJddBBABBpppA总压一定 zpddA=zpddB返回44 JA=JB DAB=DBA=D（2）等分子反向扩散传质速率方程传质速率定义：任一固定的空间位置上，单位时间 内通过单位面积的物质量，记作N,kmol/(m2 s)。NA=zpRTDJddAA气相：返回45)(A2A1AcczDN)(A2A1AppRTzDNNA=zcDJddAABA液相：（3）讨论1）21AAAppN返回462）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。3）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。ppB1pA1pA2pB2扩散距离z0zp返回

13、47（1）总体流动：因溶质扩散 到界面溶解于溶剂中，造 成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流 动。（2）总体流动的特点：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。2单向扩散及速率方程单向扩散及速率方程AJBJ0AccN0BccN AN气相主体液相主体相界面 N 单向扩散示意图返回48（3）单向扩散传质速率方程ccNJNAMAAccNJNBMBBccNJBMB0ccNJBMBccNNAMMAccNNBMMB整体流动传质速率返回49ccNJBMAMBAMAMBMANcccNccNccNNMANNccNzcDNAAAAddzcccDcNdd

14、AAA微分式返回50在气相扩散 RTpcAARTpc zpppRTDpNdd)(AAAA1A2AlnppppRTzDpNB1B2AlnppRTzDpN积分式21)-(ddAA0AAAppzpppRTDpzN返回51B2A2B1A1pppppB1B2B1B2Bmlnppppp)(lnlnB1B2B1B2A2A1B1B2B1B2B1B2ppppppRTzDpppppppRTzDpNA返回52S1S2S1S2Smlnccccc)(A2A1SmAcczcDcN积分式液相：（4）讨论1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系 Bmpp2）Smcc、漂流因数漂流因数，无因次)(A2A1BmAppRTzpDpN

15、积分式气相：返回53漂流因数意义漂流因数意义：其大小反映了总体流动对传质速率的影 响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩 散增大的倍数。1Bmpp1Smcc漂流因数的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。3）单向扩散体现在吸收过程中。返回543扩散系数扩散系数扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映 某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常 数之一；D，m2/s。D的影响因素：A、B、T、P、浓度D的来源：查手册；半经验公式；测定返回551/2732221 31 3114.36 10/ABABTMMDmsP VV 液体中的

16、分子扩散系数（液体中的分子扩散系数（10-9 10-10 m2/s）15113307.7 10ABATDVV小分子溶质在非电解质稀溶液中的扩散系数：双组分气体混合物，组分的扩散系数：气体分子扩散系数（气体分子扩散系数（10-5 10-4 m2/s）1.5()TDf TpDTD pDp，D DTTDTfD )(，返回56【例】有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，5小时后，管内液面降到距管口20.5mm，管内液体温度保持293K，大气压为100kPa，此条件下，丙酮的饱和蒸气压为24kPa。求丙酮在空气中的扩散系数。z空气丙酮返回57ddddddddd

17、dAAAAAAAAAAzMzAMAVAMAMmAn单位面积液面汽化的速率用液面高度变化的速率：ddAAzMB1B2lnppRTzDp=zzzzppRTDpM0ddlnB1B20AA解B1B2AlnppRTzDpN返回582/)(ln202B1B2AAzzppRTDpM2ln202B1B2AAzzpppRTMD/sm10118002011.00205.076100ln100293314.8587902522返回596.3.3.单相对流传质单相对流传质1涡流扩散涡流扩散涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部 存在浓度梯度，流体质点便会靠存在浓度梯度，流体质点便

18、会靠 质点的无规则运动，相互碰撞和质点的无规则运动，相互碰撞和 混合，组分从高浓度向低浓度方混合，组分从高浓度向低浓度方 向传递，这种现象称为涡流扩散向传递，这种现象称为涡流扩散 zcDJeeddA,A返回60eJ,A涡流扩散速率，涡流扩散速率，kmol/(m2s)；eD涡流扩散系数，涡流扩散系数，m2/s。注意：注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性 常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关总扩散通量：总扩散通量：zc)D(DJeddAA在湍流主体，分子扩散和涡流扩散同时发挥作用在湍流主体，分子扩散和涡流

19、扩散同时发挥作用返回61TTWtWt热流体冷流体 T t2有效膜模型有效膜模型（1）单相内对流传质过程）单相内对流传质过程pApAicAicA气相液相GLE61返回621）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分 子扩散，溶质子扩散，溶质A的浓度梯度较大，的浓度梯度较大，pA随随z的的 变化较陡。变化较陡。2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，溶质浓度均一化，pA随随z的变化近似为水的变化近似为水 平线。平线。3）过渡区：分子扩散）过渡区：分子扩散+涡流扩散，涡流扩散，pA随随z的的 变化逐渐平缓。变化逐

20、渐平缓。返回63（2）有效膜模型）有效膜模型 单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散分子扩散。有效膜厚有效膜厚G由层流内层浓度梯度线延长线与流由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点体主体浓度线相交于一点E，则厚度，则厚度G为为E到相界到相界面的垂直距离。面的垂直距离。返回64)p(ppRTDpNiAAGBmGA（2）液相对流传质速率方程）液相对流传质速率方程)cc(ccDNSALiAmLA（1）气相对流传质速率方程）气相对流传质速率方程3单相对流传质速率方程单相对流传质速

21、率方程返回656.4.1.两相对流传质模型两相对流传质模型相际对流传质三大模型：双膜模型相际对流传质三大模型：双膜模型 溶质渗透模型溶质渗透模型 表面更新模型表面更新模型1双膜模型双膜模型pApAicAicA气相液相GLE6.4.6.4.对流传质对流传质返回662双膜模型的基本论点（假设）双膜模型的基本论点（假设）（1）气液两相存在一个）气液两相存在一个稳定的相界面稳定的相界面，界面两侧存，界面两侧存 在稳定的在稳定的气膜和液膜气膜和液膜。膜内为。膜内为层流层流，A以以分子扩分子扩 散散方式通过气膜和液膜。方式通过气膜和液膜。（2）相界面相界面处两相达平衡，处两相达平衡，无扩散阻力无扩散阻力。

22、（3）有效膜以外有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以主体中，充分湍动，溶质主要以 涡流扩散涡流扩散的形式传质。的形式传质。双膜模型也称为双膜模型也称为双膜阻力双膜阻力模型模型 返回67返回 AiABmGGApppPRTDN 对气相：iyAyykN AiAGAppkN AAiLAcckN xxkNixA 对液相：AAiBm0LLAcccCDN 6.4.2.气膜和液膜吸收速率方程气膜和液膜吸收速率方程吸收速率：单位相际传质面积上单位时间内吸收的溶质的量。吸收速率方程：表明吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式。返回696.4.3.界面上的浓度界面上的浓度定态传质定态传质 AGAAiLAiA()()

23、Nkppk cc=f（cAi）iAp、cAi iAp1一般情况一般情况2平衡关系满足亨利定律平衡关系满足亨利定律 AGAAiLAiA()()Nkppk cciHpcAAi、cAi iAp返回703图解图解AAiLAAiGppkcck AGAAiLAiA()()Nkppk ccGLkkI（pAi，cAi）气膜阻力气膜阻力液膜阻力液膜阻力操作点操作点OI（界面）（界面）斜斜率率）(GLkk H1 斜斜率率平平衡衡线线cA/kmol/m3cA*Ac*ApipApicpA/kPa0返回716.4.4.总传质速率方程总传质速率方程1吸收过程的总传质速率方程吸收过程的总传质速率方程（1）用气相组成表示吸收

24、推动力*AGAA()NKpp*A()YAANKYYGK以气相分压差表示推动力的气相总传质 系数，kmol/（m2skPa）；YK以气相摩尔比差表示推动力的气相 总传质系数，kmol/（m2s）；返回72（2）用液相组成表示吸收推动力*ALAA()NKcc*A()XAANKXXLK 以液相浓度差表示推动力的液相总传 质系数，kmol/m2skmol/m3）；XK以液相摩尔比差表示推动力的液相 总传质系数，kmol/（m2s）；（3）总传质系数与单相传质分系数之间的关系系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线 返回73*AAcHp根据双膜理论 iHpcAAi*ALAiA()NHkppALAiA(

25、)Nkcc*AAiAL1NppHkAAAiG1Nppk*AAALG11NppHkk返回74GLG111kHkKGLL11kHkK同理：LGHKK用类似的方法得到 11YyxmKkk111XxyKkmkYXmKK*AAALG1()11NppHkk返回75总传质系数之间的关系 GYpKKLXcKKLGHKKYXmKK返回766.4.3.6.4.3.传质阻力与传质速率的控制传质阻力与传质速率的控制1 1传质阻力传质阻力GLG1 1 1kHkKGLL 1 1kHkK相间传质总阻力相间传质总阻力=液相液相(膜膜)阻力阻力+气相气相(膜膜)阻力阻力注意注意:传质系数、传质阻力与推动力一一对应。传质系数、传

26、质阻力与推动力一一对应。返回772传质速率的控制步骤传质速率的控制步骤（1）气膜控制气膜控制：传质阻力主要集中在气相，此吸收过程 为气相阻力控制（气膜控制）。G1KG1kH 较大易溶气体 气膜控制的特点：*AAAAipppp.pAGIpAicAcAi*AGc*ALp*AA()AGNkpp返回78提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相湍流程度。（2）液膜控制液膜控制：传质阻力主要集中在液相，此吸收过程 为液相阻力控制（液膜控制）液膜控制的特点：LL11kKH较小难溶气体*AAAiAcccc.AGpAip*ALpALcAic*AGc*ALAA()Nkcc返回79提高传质速率的措施：提高液体流速

27、；加强液相湍流程度。同理：气膜控制：液膜控制：11 YyKkiyyyy*m小易溶气体)(*yykNyA11 XxKkxxxxi*m大难溶气体)(*xxkNxA返回80复习题1.常见的传质方式有 、。2.在总压不高，一定温度下，稀溶液上方的溶质分压与该溶质在液相中的摩尔分数成 。3.从平衡角度看，加压和降温对 操作有利，升温和减压对 操作有利。4.双膜理论的要点是：（）（）。一、填空返回81二、判断题 1.相平衡关系是气、液两相接触传质的极限状态，是个静止的状态。（）2.溶解度系数是温度的函数，一般来说，它随着温度的升高而增大。（）3.对流传质过程既有涡流扩散又有分子扩散。（）4.对于同样组成的

28、溶液，易溶气体溶液上方的分压小，难溶气体溶液上方的分压大。（）5.分子扩散系数是物质的物性常数之一。（）6.传质过程的推动力是物质的浓度差。（）返回82三、计算题1.总压为101.325Kpa，温度为20度，1000Kg水中溶解15KgNH3，此时溶解液上方气相中NH3的平衡分压为2.266Kpa，试求此时溶解度系数H，亨利系数E，相平衡常数m。2.在20度及101.325Kpa下CO2与空气的混合物缓慢地沿着Na2CO3溶液液面流过，空气不溶于Na2CO3溶液，CO2透过厚度为1mm的静止空气层扩散到Na2CO3溶液中，气体的摩尔分数为0.2，在Na2CO3溶液液面上，CO2被迅速吸收，故相界面上CO2的浓度极小，可忽略不计，CO2在空气中20度时的扩散系数D为0.18cm2/s，问CO2的扩散速率是多少？返回833.含氨极少的空气于101.325Kpa，20被水吸收，已知气膜传质系数kG=3.1510-6Kmol/(m2sKpa)，液膜传质系数kL=1.8110-4m/s，溶解度系数H=1.5Kmol/(m3Kpa)，气液平衡关系服从亨利定律，求：气相总传质系数KG，KY和液相总传质系数KL，KX。