任務(wù)二：工藝參數(shù)的確定

1、項目二 吸收技術(shù)化工產(chǎn)品分離精制與控制化工產(chǎn)品分離精制與控制任務(wù)二：工藝參數(shù)的確定吸收傳質(zhì)機理吸收過程的相平衡關(guān)系氣體吸收速率方程摩爾比AAAABnnXnnnAAAABnnYnnn摩爾比與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系 1AAAxXx1AAAXxX吸收操作中氣液相的量會改變，如何變化？n氣體吸收是物質(zhì)自氣相到液相的轉(zhuǎn)移，這是一種傳質(zhì)過程。n如果把氨氣和水共同封存在容器中，令體系的壓力和溫度維持一定，隨著時間的進行會發(fā)生什么變化？吸收過程的相平衡關(guān)系一、氣液相平衡傳質(zhì)速率傳質(zhì)速率逐漸減慢到逐漸減慢到0 0 在一定溫度和壓力下，令某氣體混合物（AB）與液體 S 接觸。溶質(zhì)便向液相轉(zhuǎn)移，直至液相中溶質(zhì)達(dá)到飽和濃度為

2、止，這種狀態(tài)稱為相際相際動態(tài)平衡，動態(tài)平衡，簡稱相平衡或平衡相平衡或平衡。液體 S氣體（AB）A 溶解 A 逸出氣相中溶質(zhì)的分壓稱為平衡分平衡分壓壓或或飽和分壓飽和分壓；液相中的溶質(zhì)濃度稱為平衡濃度或飽和濃度，也就是氣體在液體中的溶解度溶解度，習(xí)慣上以單位或體積的液體中所含溶質(zhì)的質(zhì)量或物質(zhì)的量來表示。A、cA溶解度是一定條件下吸收過程可以達(dá)到的極限程度。在溫度和壓力一定的條件下，平衡時的氣、液相組成具有一一對應(yīng)關(guān)系，溶質(zhì)組分在兩相中的組成符合相平衡關(guān)系，組成關(guān)系用曲線表示溶解度曲線。一、氣液相平衡吸收過程的相平衡關(guān)系A(chǔ)x平衡分壓液相組成ApAx曲線 溶解度曲線Ap一、氣液相平衡達(dá)平衡狀態(tài)時)(

3、AAxfp 平衡方程Ax氣相分壓飽和濃度（溶解度）Ap吸收過程的相平衡關(guān)系溶解度曲線：由實驗測定的溶解度繪制的曲線，溶解度與物系種類、溫度、壓力有關(guān)。溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC120溶解度/g(SO2)/1000g(H2O)250200020406080100pSO2/kPa1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC 氨在水中的溶解度 二氧化硫在水中的溶解度一、氣液相平衡吸收過程的相平衡關(guān)系 在相同條件下，不同氣體溶解度有很

4、大差別。溶解度很小的氣體稱為難溶氣體難溶氣體，溶解度很大的氣體稱為易溶氣體易溶氣體，介于之間的為溶解度適中的氣體。一、氣液相平衡氧氣在水中的溶解度吸收過程的相平衡關(guān)系溫度的影響 v 加壓和降溫 對同一溶質(zhì)，在相同的氣相分壓下，溶解度隨溫度的升高而減小。 對同一溶質(zhì)，在相同的溫度下，溶解度隨氣相分壓的升高而增大。分壓的影響 注意 v 減壓和升溫有利于吸收操作有利于解吸操作溶解度的影響因素吸收過程的相平衡關(guān)系一、氣液相平衡溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC 當(dāng)總壓不高（不超

5、過0.5MPa）時，一定溫度下稀溶液的溶解度曲線近似為直線，即氣液兩相的濃度成正比，這種關(guān)系稱為亨利定律。1. p x關(guān)系 pEx（二）亨利定律 E 的單位與氣相分壓的壓強單位一致亨利系數(shù)的值隨物系的特性及溫度而異；在同一溶劑中，難溶氣體難溶氣體 E E 值很大值很大，易溶氣體易溶氣體 E E 值很小值很??；物系一定，E 值一般隨溫度的上升而隨溫度的上升而增大增大。吸收過程的相平衡關(guān)系 溶液上方溶質(zhì)的平衡分壓與其在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)成正比。若溶質(zhì)在氣、液相中的組成分別以分壓p、摩爾濃度 c 表示，亨利定律為H 溶解度系數(shù)，kmol/(m3kPa)溶解度系數(shù)溶解度2. p c關(guān)系 *cpHv 易溶

6、氣體注意 v 難溶氣體H 大H ?。ǘ┖嗬?吸收過程的相平衡關(guān)系若溶質(zhì)在氣、液相中的組成分別以摩爾分?jǐn)?shù)y、x表示 ，亨利定律為m 相平衡常數(shù)溶解度相平衡常數(shù)3. y x關(guān)系 *ymxv 易溶氣體注意 v 難溶氣體m 小m 大（二）亨利定律 吸收過程的相平衡關(guān)系1XxX1YyY*1*1YXmYX由得整理得對于低組成吸收11m X簡化得*YmX*11mXYm X4. Y X關(guān)系 （二）亨利定律 吸收過程的相平衡關(guān)系 亨利定律既可以用來根據(jù)液相組成計算與之平衡的氣相組成，也可用來根據(jù)氣相組成計算與之平衡的液相組成。因此，亨利定律可改寫為：cHp*pxE*yxm*YXm（二）亨利定律 吸收過程的

7、相平衡關(guān)系推導(dǎo)可得亨利定律表達(dá)式各系數(shù)間的關(guān)系如下： mScHEEMEmp總EH 關(guān)系Em 關(guān)系Hm 關(guān)系各系數(shù)的換算關(guān)系 mMpHS1?mcSM吸收過程的相平衡關(guān)系作業(yè)1 在總壓101.3KPa及20下，液相中氨的濃度為0.582kmol*m-3時，氣相中氨的平衡分壓為800Pa，若此組成符合相平衡關(guān)系，試求其H，E，m值。1.判斷傳質(zhì)進行的方向傳質(zhì)方向由氣相到液相進行吸收吸收過程傳質(zhì)方向由液相到氣相進行解吸解吸過程*yy*xx*yy*xx吸收過程的相平衡關(guān)系二、相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用相對于氣相濃度 y 而言，液相濃度欠飽和(xy*)，溶質(zhì) A 由氣相向液相轉(zhuǎn)移。氣、液相濃度(y,x)

8、在平衡線上方(P點)：yxoy*=f(x)Pyxy*若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方，則體系將發(fā)生從氣相到液相的傳質(zhì)，即吸收。x*釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)吸收平衡線1.判斷傳質(zhì)進行的方向吸收過程的相平衡關(guān)系相對于氣相濃度而言實際液相濃度過飽和(xx*)，故液相有釋放溶質(zhì) A 的能力。相對于液相濃度 x 而言氣相濃度為欠飽和(yy*，吸收還是解吸？如果y不變，xx*，吸收還是解吸？ 6.x、y X、Y 分別代表什么含義？二、吸收操作的現(xiàn)場工藝流程吸收操作的現(xiàn)場工藝流程 任務(wù)二：吸收操作的理論基礎(chǔ)吸收傳質(zhì)機理吸收過程的相平衡關(guān)系氣體吸收速率方程吸收傳質(zhì)機理（1）流體中的分子擴散，分子擴散，簡稱擴散

9、簡稱擴散 分子擴散是物質(zhì)在一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由流體分子的無規(guī)則熱運動而引起的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。這種擴散發(fā)生在靜止流體或?qū)恿髁黧w中相鄰流體層間的傳質(zhì)。分子擴散在氣相、液相和固相中均能發(fā)生。（2）渦流擴散渦流擴散 憑藉流體質(zhì)點的湍動和漩渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象，稱為渦流擴散。（3）對流擴散對流擴散 實際上，在湍流流體中，由分子運動而產(chǎn)生的分子擴散是與渦流擴散同時發(fā)揮著傳遞作用，這種擴散稱為對流擴散，它與傳熱過程中的對流傳熱相類似。1.傳質(zhì)的基本方式吸收傳質(zhì)機理描述分子擴散過程的基本定律費克第一定律。dzdcDAABANkmol/(m2 s )費克定律 DAB 組分A在組分B中的擴散系數(shù)，m2/s

10、NA組分A的擴散通量（擴散速率）1.傳質(zhì)的基本方式與熱傳導(dǎo)類似，與濃度梯度成正比吸收傳質(zhì)機理1.傳質(zhì)的基本方式分子擴散分子擴散 通常，擴散系數(shù)與系統(tǒng)的溫度、壓力、總濃度以及物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。 對于雙組分氣體混合物，組分的擴散系數(shù)在低壓下與濃度無關(guān)，只是溫度及壓力溫度及壓力的函數(shù)。其值一般在 m2/s 范圍內(nèi)。54101101 液體中溶質(zhì)的擴散系數(shù)不僅與物系的種類、溫度有關(guān)，而且隨溶質(zhì)的濃度而變。液體中的擴散系數(shù)，其值一般在 m2/s 范圍內(nèi)。109101101吸收傳質(zhì)機理1.傳質(zhì)的基本方式渦流擴散渦流擴散 由于流體質(zhì)點的湍動和旋渦而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象渦流擴散。 v 渦流擴散在湍流流體中發(fā)生v 在

11、渦流擴散中時刻存在分子擴散v 渦流擴散的通量遠(yuǎn)大于分子擴散的通量吸收傳質(zhì)機理1.傳質(zhì)的基本方式渦流擴散渦流擴散dzdcAeAeND渦流擴散系數(shù)，m2/seDkmol/(m2 s )描述渦流擴散速率的方程為NA渦流擴散通量吸收傳質(zhì)機理1.傳質(zhì)的基本方式對流擴散對流擴散 運動流體與固體表面之間，或兩個有限互溶的運動流體之間的質(zhì)量傳遞過程對流傳質(zhì)。 對流傳質(zhì)自然對流傳質(zhì)強制層流傳質(zhì)強制湍流傳質(zhì)強制對流傳質(zhì)吸收傳質(zhì)機理1.傳質(zhì)的基本方式對流擴散機理對流擴散機理 所謂對流傳質(zhì)的機理是指在傳質(zhì)過程中，流體以哪種方式進行傳質(zhì)。 研究對流傳質(zhì)速率需首先弄清對流傳質(zhì)的機理。 層流內(nèi)層緩沖層湍流中心AicAfc)

12、(rfcA湍流流體流體與管壁間的濃度分布吸收傳質(zhì)機理1.傳質(zhì)的基本方式對流擴散機理對流擴散機理湍流主體層流內(nèi)層緩沖層傳質(zhì)機理：分子傳質(zhì)傳質(zhì)機理：渦流傳質(zhì)為主濃度分布：為一陡峭直線傳質(zhì)機理濃度分布：為一漸緩曲線濃度分布：為一平坦曲線分子傳質(zhì)渦流傳質(zhì)在與壁面垂直的方向上分為三層 吸收過程是溶質(zhì)由氣相向液相轉(zhuǎn)移的相際傳質(zhì)過程，可分為三個步驟： 氣相主體 液相主體 相界面溶解氣相擴散 液相擴散 溶質(zhì)A從氣相主體擴散到相界面（氣相內(nèi)傳質(zhì))； 在相界面上溶質(zhì)A由氣相轉(zhuǎn)入液相，即溶解(通過界面的傳質(zhì))； 溶質(zhì)A由相界面擴散到液相主體(液相內(nèi)傳質(zhì))。 吸收傳質(zhì)機理2.相際間的對流傳質(zhì)過程 2.相際間的對流傳質(zhì)

13、過程 相際間的傳質(zhì) 一般來說，相界面上組分A從氣相轉(zhuǎn)入液相的過程很快，相界面?zhèn)髻|(zhì)阻力可以忽略。因此，相際間傳質(zhì)的阻力主要集中在氣相和液相中。若其中一相傳質(zhì)阻力較另一相大得多，則另一相傳質(zhì)阻力可以忽略，此種傳質(zhì)過程即稱之為“該相控制該相控制”。 吸收傳質(zhì)機理3.雙膜理論 （1）雙膜模型 惠特曼(Whiteman) 于1923年提出，應(yīng)用最為廣泛一種傳質(zhì)模型。pbcb 停滯膜模型（雙阻力模型）雙膜模型示意圖吸收傳質(zhì)機理（2）雙膜理論的基本論點 相互接觸的氣液兩相間存在著穩(wěn)定的相界面，界面的兩側(cè)各有一個很薄的停滯膜氣膜和液膜，溶質(zhì)以分子擴散的方式經(jīng)過兩膜層。在氣膜、液膜以外的氣、液兩相主體中，由于流

14、體強烈湍動，各處濃度均勻一致，無傳質(zhì)阻力，全部阻力和濃度變化集中在兩個有效膜層中。 溶質(zhì)穿過相界面的阻力極小，因次在氣液相界面處，氣液兩相處于平衡狀態(tài)，即p和c符合相平衡關(guān)系。3.雙膜理論 吸收傳質(zhì)機理雙膜理論的示意圖 （3）雙膜理論的局限 將相界面當(dāng)成是穩(wěn)定的，只有在氣、液相相對速率很小時才能成立；隨著相對速率增加，相界面將由靜止到波動，進而產(chǎn)生漩渦湍動，傳質(zhì)速率顯著加快；停滯膜厚度及相界面氣液相組成難以測定；按雙模理論，傳質(zhì)系數(shù)與擴散系數(shù)成正比，與實驗所得關(guān)聯(lián)式有較大偏差。傳質(zhì)與傳熱區(qū)別（復(fù)雜所在）：平衡關(guān)系：熱平衡即溫度相等，相平衡不能簡單認(rèn)為組成相等；組成有多種表示方法，故傳質(zhì)速率方程

15、形式相應(yīng)也有多種。3.雙膜理論 一、吸收過程的機理傳質(zhì)機理吸收傳質(zhì)機理傳質(zhì)與傳熱區(qū)別（復(fù)雜所在）：平衡關(guān)系：熱平衡即溫度相等，相平衡不能簡單認(rèn)為組成相等；組成有多種表示方法，故傳質(zhì)速率方程形式相應(yīng)也有多種。一、吸收過程的機理傳質(zhì)機理吸收傳質(zhì)機理TTWtWt熱流體冷流體間壁式換熱過程pcApici液相GLE氣相吸收過程溶質(zhì)滲透模型 希格比( Higbie )于1935年提出，為非穩(wěn)態(tài)模型。溶質(zhì)滲透模型示意圖拓展溶質(zhì)滲透模型的要點 液面由無數(shù)微小的液體單元所構(gòu)成，當(dāng)氣液兩 相相互接觸時，液相主體中的某些單元運動至 相界面便停滯下來。在氣液未接觸前，液體單 元中溶質(zhì)的濃度和液相主體的濃度相等，接觸

16、開始后，相界面處立即達(dá)到與氣相平衡狀態(tài)。 隨著接觸時間的延長，溶質(zhì) A通過不穩(wěn)態(tài)擴 散方式不斷地向液體單元中滲透。 拓展 液體單元在界面處暴露的時間是有限的，經(jīng) 過時間c后，舊的液體單元即被新的液體單 元所置換而回到液相主體中去。在液體單元 深處，仍保持原來的主體濃度不變。 液體單元不斷進行交換，每批液體單元在界 面暴露的時間c 都是一樣的。 拓展3.表面更新模型 丹克沃茨(Danckwerts) 于1951年提出，為非穩(wěn)態(tài)模型。表面更新模型的要點 溶質(zhì)向液相內(nèi)部傳質(zhì)為非穩(wěn)態(tài)分子擴散過程。 界面上液體單元有不同的暴露時間或稱年齡，界 面上各種不同年齡的液體單元都存在。 不論界面上液體單元暴露時

17、間多長，被置換的概 率是均等的。單位時間內(nèi)表面被置換的分率稱為 表面更新率，用符號S 表示。 拓展任務(wù)二：吸收操作的理論基礎(chǔ)吸收傳質(zhì)機理吸收過程的相平衡關(guān)系氣體吸收速率方程n吸收速率吸收速率，指單位傳質(zhì)面積上單位時間內(nèi)吸收的溶質(zhì)量,用符號N NA A表示，單位為kmol/(mkmol/(m2 2* *s s) )。n描述吸收速率與推動力之間的關(guān)系式即為吸收速率方程吸收速率方程。n根據(jù)推動力及阻力可寫出速率關(guān)系式，單獨根據(jù)氣膜或液膜的推動力及阻力寫出的速率關(guān)系式稱為氣膜或液膜吸收速率方程式氣膜或液膜吸收速率方程式，相應(yīng)的吸收系數(shù)稱為膜系數(shù)或分系數(shù)膜系數(shù)或分系數(shù)，用k k表示，與傳熱中的對流傳熱系

18、數(shù)相當(dāng)。吸收速率吸收速率= =過程推動力過程推動力/ /過程阻力過程阻力= =吸收系數(shù)吸收系數(shù)* *過程推動力過程推動力二、吸收速率方程氣體吸收速率方程 氣相或液相的實際組成與相應(yīng)條件下的平衡組成的差值可表示傳質(zhì)的推動力。對于吸收過程，傳質(zhì)的推動力為YYXX或*pp y - y*或x* -xCC* 1、用氣相（液相）摩爾組成來表示 2、用壓力來表示 3、用摩爾濃度來表示氣體吸收速率方程推動力氣體吸收速率方程 對流傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2sc)Lk)c(ckNAfAiLAkmol/(m2 s )對流傳質(zhì)速率方程1.氣膜吸收速率方程 氣膜內(nèi)的吸收速率方程可表示為()AGiNkppAyiNkyy1

19、/iAGppNk1/iAyyyNk二、吸收速率方程氣體吸收速率方程kG、kY氣膜吸收分系數(shù)比較得yGkp k總由道爾頓分壓定律 pp y總iipp y總()()()AGiGiGiNkppkp yp yk pyy總總總1.氣膜吸收速率方程 二、吸收速率方程氣體吸收速率方程()LAiNkccAxiNkxx1/iALccNk1/iAxxxNk2. 液膜吸收速率方程 液膜內(nèi)的吸收速率方程可表示為二、吸收速率方程氣體吸收速率方程kL、kx液膜吸收分系數(shù)比較得xLkc k總()()()LLLAiiiNkcckc xc xk cxx總總總由iicc x總cc x總2. 液膜吸收速率方程 二、吸收速率方程穩(wěn)態(tài)

20、下，氣、液兩膜中的傳質(zhì)速率相等，即AGiLiNkppkcc()LiiGkppcck 直線通過定點A (c，p)斜率kL / kG3.界面組成的確定 二、吸收速率方程界面組成的確定 為了避開難以測定的界面濃度，效仿傳熱中類似問題的處理方法，即避開壁面溫度而以冷、熱流體的溫度差來表示總推動力。對于吸收過程，同樣可以采用兩相主體濃度的差值兩相主體濃度的差值來表示總推動力來寫出吸收速率方程式。吸收速率=總推動力/總阻力=兩相主體濃度差/兩膜阻力之和4.總吸收速率方程二、吸收速率方程*AGNKpp111GLGKHkkKG氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2skPa)總阻力液膜阻力氣膜阻力氣相總吸收速率方程式

21、（1）以(p- p*)表示的總吸收速率方程 4. 總吸收速率方程二、吸收速率方程氣體吸收速率方程對于易溶氣體，H值很大 11LGHkk液膜阻力氣膜阻力控制整個吸收過程的速率氣膜控制示例：水吸收氨11GGKk氣膜阻力氣膜控制示意圖*ipppp4. 總吸收速率方程二、吸收速率方程（1）以(p- p*)表示的總吸收速率方程 氣體吸收速率方程*ALNKccKL11LGLHKkk液相總吸收系數(shù)，m/s 總阻力氣膜阻力液膜阻力液相總吸收速率方程式（2）以(c*- c)表示的總吸收速率方程 4. 總吸收速率方程二、吸收速率方程氣體吸收速率方程對于難溶氣體，H值很小 1GLHkk氣膜阻力示例：水吸收氧11LLKk液膜阻力液膜控制示意圖*icccc 液膜阻力控制整個吸收過程的速率液膜控制（2）以(c*- c)表示的總吸收速率方程 4. 總吸收速率方程二、吸收速率方程氣體吸收速率方程*AyNKyyyGKK PKy氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2s) 氣相總吸收速率方程式（3）以(y- y*)表示的總吸收速率方程 4. 總吸收速率方程二、吸收速率方程氣體吸收速率方程*AxNKxxxLCKKKx 液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2s) 液相總吸收速率