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1、化工原理多媒体课件,环境与化学工程学院 化学工程系 2007年8月,第2章 吸收 Absorption,概述 2.1 气体吸收的相平衡关系 2.2 传质机理与吸收速率 2.3 吸收塔的计算 2.4 吸收系数 2.5 脱吸及其他条件下的吸收,1 吸收概念 利用气体混合物中各组分在溶剂（吸收剂）中溶解度不同而进行分离的操作 能够溶解的组分：溶质A 不溶解的组分：惰性组分或载体B 吸收剂S，吸收后为吸收液或溶液（S+A） 吸收后排出的气体：尾气（B+少量A） 2 吸收过程 吸收塔，与精馏塔类似,上一页,下一页,概述 Overview,3 应用 获得有用组分 除去有害组分 制备气体水溶液 工业废气治理
2、,上一页,下一页,4 分类 物理吸收，化学吸收 单组分吸收，多组分吸收 等温吸收，非等温吸收 5 脱吸 desorption (stripping) 得到纯气体组分 吸收剂再循环 6 吸收与蒸馏的区别 引入第二相：蒸馏由内部加热产生，吸收加入另一组分溶剂 传质方向：蒸馏为双向传质，吸收为单向传质,上一页,下一页,本章主要内容 低浓度单组分等温物理吸收的原理与计算,上一页,下一页,返回,2.1 气体吸收的相平衡关系Phase Equilibrium Relationship of Gas Absorption,2.1.1 气体的溶解度 2.1.2 亨利定律 2.1.3 吸收剂的选择 2.1.4
3、相平衡关系在吸收过程中的应用,上一页,下一页,返回,1 溶解度的概念 solubility 在恒定温度与压强下，气体与吸收剂接触，达到平衡状态时气体在吸收剂中的饱和浓度称为溶解度，溶解度由实验测定。 2 表示方法 单位质量或体积的液体中所含溶质的质量 3 相律T、P、x、y四个独立变量：T、P一定，x、y有一一对应关系,上一页,下一页,2.1.1 气体的溶解度,4 规律 温度升高，溶解度减小 压强升高，溶解度增大 不同气体，溶解度不同，而且有显著差别,下一页,上一页,结论 加压和降温对吸收有利 减压和升温对脱吸有利,上一页,下一页,返回,1 亨利定律 Henrys law 描述当总压不高，温度
4、恒定，稀溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度之间的关系。 2 表达形式 1) pi-xi关系 2) pi-ci关系 3) yi-xi关系 4) Yi-Xi关系,上一页,下一页,2.1.2 亨利定律,1) pi-xi关系 形式理想溶液，在总压不高，温度恒定条件下，在整个浓度范围内都符合亨利定律，亨利系数等于该温度下纯溶质的饱和蒸汽压。此时，亨利定律与拉乌尔定律一致。 非理想稀溶液，溶质分压不超过1105Pa，恒定温度下，满足亨利定律。 亨利系数由实验测定。 亨利系数是温度的函数：温度升高，E值增大。 溶解度大，E值小。,下一页,上一页,2) pi-ci关系 形式H是温度的函数，温度升
5、高，H值减小。 溶解度大，H值大。 H与E的关系,下一页,上一页,3) yi-xi关系 形式m与E的关系m是温度与总压的函数 温度升高，m增大；压强升高，m减小 溶解度大，m小,上一页,下一页,4) Yi-Xi关系 摩尔比定义形式,下一页,上一页,上一页,下一页,例21 含有30（体积）CO2的某种混合气与水接触，系统温度为30C，总压为101.33kPa。试求液相中CO2的平衡浓度ci*为若干kmol/m3。 解：,下一页,上一页,例22 已知在101.33kPa及20C时，氨在水中的溶解度数据如本例附表1所示。试按以上数据标绘出pi*-xi曲线及Yi*-Xi曲线，并据此计算亨利系数E及相平
6、衡常数m值，再指出该溶液服从亨利定律的组成范围。 解：,上一页,下一页,返回,（1）溶解度 对溶质的溶解度要大，对操作条件要敏感 （2）选择性 对惰性组分溶解度要小 （3）挥发度 挥发度要小 （4）粘性 粘度要小 （5）其他 无毒性、无腐蚀性、不易然、不发泡、冰点低、价廉易得、化学稳定性,上一页,下一页,返回,2.1.3 吸收剂的选择,1 判断传质进行的方向 根据实际组成与平衡组成的关系判断 2 确定传质的推动力 实际组成与平衡组成的偏离程度,上一页,下一页,2.1.4 相平衡关系在吸收过程中的应用,3 指明传质过程进行的极限 平衡是传质过程进行的极限 对逆流吸收过程 出塔尾气中溶质的最低组成
7、出塔吸收液中溶质的最高组成,上一页,下一页,第1讲小结 吸收过程是气、液相间的单方向传质问题；相间接触方式有逐级接触式及微分接触式；一个完整的工业吸收过程包括溶质的吸收及吸收剂的再生，即包括吸收与脱吸两部分。 相平衡关系对传质过程的分析与描述有重要作用。Henry定律所描述的是稀溶液(不管理想还是非理想溶液)中溶质的蒸汽压与其浓度成正比，当物系为理想溶液时，Henry定律与Raoult定律一致。 依据气、液相平衡原理可以判断吸收过程的方向(吸收或脱吸)，指出吸收过程进行的极限(它限制了吸收设备内气、液出口处的极限浓度)及计算吸收过程的推动力。但是，相平衡关系并末说明吸收过程进行的快慢。 吸收剂
8、是吸收过程成败的关键，其选择的主要原则是溶解度高、选择性好、易于再生。,上一页,下一页,返回,2.2 传质机理与吸收速率,2.2.1 分子扩散与菲克定律 2.2.2 气相中的定态分子扩散 2.2.3 液相中的定态分子扩散 2.2.4 扩散系数 2.2.5 对流传质 2.2.6 吸收过程机理 2.2.7 吸收速率方程式,上一页,下一页,返回,扩散： 分子扩散：静止或层流流动的流体中 涡流扩散：湍流流动的流体中 1 分子扩散 定义：在一相内部存在浓度差的条件下，由于分子的无规则热运动而产生的物质传递现象 过程分析 推动力为浓度差，非稳态分子扩散 扩散通量：单位面积上单位时间内扩散传递的物质的量，单
9、位为：kmol/m2.s,上一页,下一页,2.2.1 分子扩散与菲克定律,2 菲克定律 Fick law 物质A的分子扩散通量与该位置上A的浓度梯度成正比，比例系数称为物质A在介质B中的扩散系数比较：牛顿粘性定律，傅立叶定律,下一页,上一页,对于两组分构成的混合气体,上一页,下一页,扩散通量的另一种表示方法,下一页,上一页,返回,1 等分子反向扩散 （1）过程分析 在有限时间内为稳态分子扩散 A与B向相反方向扩散的分子数相等，为等分子反向扩散,上一页,下一页,2.2.2 气相中的稳态分子扩散,（2）传质速率（传质通量） 任一固定的空间位置上，单位时间、单位面积扩散的物质的量。 物质A 的传质速
10、率等于A的分子扩散通量,下一页,上一页,例23 在图27所示的左右两个大容器内，分别装有浓度不同的NH3和N2两种气体混合物。连通管长0.61m，内径24.4mm，系统温度25C，压强 101.33kPa。左侧容器内NH3的分压为20kPa，右侧容器内NH3的分压为6.67kPa。已知在25C 、 101.33kPa的条件下， NH3- N2的扩散系数为2.30X10-5m2/s。试求：（1）单位时间内自容器1向容器2传递的NH3量，kmol/s；（2）连通管中与截面1相距0.305m处NH3的分压，kPa。,上一页,下一页,2 一组分通过另一停滞组分的扩散 （1）过程分析 稳态等分子反向扩散
11、总体流动（2）方程建立 组分A的传质速率,上一页,下一页,组分B的传质速率稳态时，总体流动通量等于组分A的传质通量,下一页,上一页,上一页,下一页,pBm：物质B分压的对数平均值，kPa； P/pBm：漂流因子，无因次，反映总体流动对传质速率的影响；其值大于1,下一页,上一页,等分子反向扩散：理想溶液的精馏过程 一组分通过另一停滞组分的扩散：吸收和脱吸过程例24 若设法改变条件，使图27所示的连通管中发生NH3通过停滞的N2而向截面2稳定扩散过程，且维持1、2两截面上NH3的分压及系统的温度、压强仍与例23中的数值相同，再求：（1）单位时间内传递的NH3量，kmol/s；（2）连通管中与截面1
12、相距0.305m处NH3的分压，kPa。,上一页,下一页,返回,1 过程分析 扩散速度远远小于气相中的扩散速度； 扩散系数比气相小约105； 扩散通量基本相同； 主要发生一组分通过另一停滞组分的单向扩散。 2 方程的建立,上一页,下一页,返回,2.2.3 液相中的稳态分子扩散,1 扩散系数 是物性参数 气相：种类、温度、压强有关 液相：种类、温度、浓度有关 2 一些常用物质的扩散系数 表22，物质在空气中的扩散系数 表23，物质在水中的扩散系数 3 扩散系数的来源 实验测定 物理化学手册，化学工程手册等查阅 经验或半经验公式估算,上一页,下一页,2.2.4 扩散系数,4 计算公式 气相扩散系数
13、（马克斯维尔吉利兰公式）结构复杂的物质的分子体积可由克普加和法则由原子体积作近似估算扩散系数的修正,上一页,下一页,液相中扩散系数的经验公式例25 用温克而曼法（Winkelmanns method）测定CCl4蒸汽在空气中的扩散系数，其装置示意于本题附图1。实验在48 C及101.33kPa下进行，测得的数据列于本例附表1中。 48C下CCl4的饱和蒸汽压p*=37.6kPa，液体CCl4的密度L1540kg/m3。计算48 C 、 101.33kPa下CCl4蒸汽在空气中的扩散系数。,上一页,下一页,1 涡流扩散 依靠流体质点的湍动和漩涡来传递物质的现象 涡流扩散的速率远远大于分子扩散 表
14、示方法涡流扩散系数DE不是物性参数 2 对流传质 运动着的流体与相界面之间的传质过程。是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和 处理方法：与对流传热过程类似,上一页,下一页,2.2.5 对流传质,上一页,下一页,过程分析 层流内层：分子扩散 浓度梯度较大 过渡层：分子扩散涡流扩散 有浓度梯度 湍流主体：涡流扩散为主 浓度梯度很小 层流内层分压线与气相主体分压线交于一点H，此交点与相界面的距离zG定义为有效层流膜（停层膜），流动为层流，故物质传递形式为分子扩散气相液相,返回,上一页,下一页,第2讲小结 传质：单相内的分子扩散、涡流扩散，对流传质；两相间的传质模型与传质速率问题
15、。 Fick定律描述了由浓度梯度引起的扩散速率关系式；而扩散速率方程则描述了存在主体流动时的分子扩散速率关系式，此主体流动是由于分子单向扩散使界面压力低于主体压力，而造成主体向界面的流动。 等分子反向扩散速率方程式实为Fick定律的直接积分结果，而单向分子扩散中，由于伴生总体流动，使分子扩散速率比等分子反向扩散速率增大了一个倍数，此倍数称为漂流因子。,上一页,下一页,分子扩散系数是物质的传递性质，其数值可从三种途径获得。在用经验关联式估其物性数值时，明确关联式的适用范围，了解物性的影响因素及校正关系是重要的。 对流扩散包括分子扩散和涡流扩散。由于流体的流动，尤其是涡流的混合作用，大大强化了传质
16、过程。 引入有效膜模型后，虽然使对流扩散过程的数学描述得以简化，但由于有效膜厚度及界面浓度难以测定，工程计算问题并未得到解决。,上一页,下一页,返回,1 双膜理论 two-film theory 气液流体间存在稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的停滞膜，吸收质以分子扩散方式通过此二膜由气相主体进入液相主体 在相界面处，气液两相达到平衡 在两个停滞膜以外的气液两相主体中，由于流体充分湍动，物质浓度均匀 2 应用 固定相界面的系统 低速流体间的传质,2.2.6 吸收过程的机理,上一页,下一页,上一页,下一页,2 溶质渗透理论 penetration theory3 表面更新理论 surface renewal theory,上一页,下一页,吸收过程步骤 气相主体气相相界面，气相相界面液相相界面，液相相界面液相主体 1 气膜吸收速率方程式,
