气液相平衡扩散及相际传质.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,*,张淮浩 主讲,扬州大学化学化工学院,二零一零年一月,下 册,化 工 原 理,目 录,第八章 气体吸收（,12,）,第九章 液体精馏（,16,）,第十章 气液传质设备（,3,）,第十一章 液液萃取（,7,）,第十二章 其它传质分离方法（,0,）,第十三章 热、质同时传递的过程（,0,）,第十四章 固体干燥（,10,）,第八章 气体吸收,第一节 概述,第二节 气液相平衡,第三节 扩散和相际传质,第四节 低含量气体吸收,第五节 高含量气体吸收,第六节 化学吸收,第一节 概述,一、吸收过程,目的：,分离气体,二、过程实施与经济性,应用：,（,1,）制取液体产品，如三酸制备。,依据：,溶解度差异,（,3,）除去有害成分以净化气体：环保中废气治理。,（,2,）回收有价值的物质，如煤气中取苯。,1,、过程实施,吸收与解吸流程：,乙醇胺法脱硫,较大溶解度、较好选择性、溶剂易于再生,3,、吸收塔设备,填料吸收塔,微分接触式,一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和解吸两个部分,实现气体混合物分离,应解决的问题,选择合适的溶剂,(,选择性好）,提供适当的传质设备,溶剂的再生,2,、溶剂选择：,蒸汽压小（挥发损失小），化学性质稳定，低粘度，无毒价廉,板式塔,级式接触,化学吸收：,CO,2,+2NaOH+H,2,O=Na,2,CO,3,不易再生，无可逆性,5,、吸收操作的经济性,4,、物理吸收和化学吸收,物理吸收：,K,2,CO,3,+H,2,O+CO,2,2KHCO,3,反应速率快，吸收,率大，有可逆性,利用化学反应而实现吸收的操作,吸收操作费用,能量消耗,气液两相运行的动力消耗,溶剂损失,溶剂的挥发和变质,溶剂再生费用,所占比例最大，是,吸收操,作经济性的集中体现,一般气体在溶剂中的溶解度不高。,三、本章讨论要点,1,、单组分物理吸收（本章的基本假定）,3,、填料吸收塔的设计与操作,2,、微分接触设备,填料塔,本章重点：,填料吸收塔的塔高计算,难点,：,传质过程有关概念,第二节 气液相平衡,比较：,一、平衡溶解度,1,、溶解度曲线,在一定温度下，平衡时溶质在气相中,的分压,p,e,与液相中的摩尔分率,x,间的关系曲线。,气液之间的相平衡不同于冷热流体之间的热平衡。,传热 吸收,冷热流体间的热量传递 气液两相间的物质传递,推动力,：两流体间的温度差 两相间的浓度差,?,过程极限,：温度相等 两相浓度相等？,2,、亨利定律,相平衡关系的数学描述（稀溶液溶解度曲线）,（,1,）三种表达形式,m,又称相平衡常数，便于数学描述（反映了相平衡本质）,E,、,H,、,m,为亨利常数,E,单位：同压强单位,kpa,H,单位：,kpa/kmol,m,-3,m,单位：无单位,（,2,）亨利定律中三个常数之间的相互转换,以,1m,3,溶液计算,（,3,）亨利定理的讨论,a,、温度影响：压力一定，低温有利于吸收；,P4,，图,8-3,E,、,m,、,H,的数值越小，溶质的溶解度越大,b,、压力影响：,在总压不太高（,5atm,或）,E,或,H,仅与温度有关，与总压,P,无关,E,=f,（,t,）,H,=f,（,t,）,m,除与温度有关外，还与总压,P,有关,t,E,、,H,、,m,x,温度一定，高压有利于吸收,总压,P,则分压,P,e,，根据,P,e,=,Ex,可看出,x,总压,P,分压,P,e,，,y,e,不变，根据,y,e,=,mx,可看出,x,P6,、图,8-5,T,=273K,NH,3,SO,2,CO,2,O,2,（,1,）,T,、,p,e,相同时，不同气,体溶解度区别很大：,难溶气体：,O,2,、,CO,2,易溶气体：,NH,3,中等溶解度：,SO,2,（,2,）在,低浓度,范围内，可将,溶解度曲线看作直线：,溶解度系数，,kmol/(m,3,.Pa),二、相平衡与吸收过程关系（区分实际浓度与平衡浓度）,1,、判断过程的方向,相对于气相浓度,y,而言，液相浓度欠饱和(,xy,e,)，,溶质,A,由气相向液相转移。,若气、液相浓度(,y,x,),在平衡线上方(,M,点)：,y,x,o,y=f,(,x,),M,y,x,y,e,结论：若系统气、液相浓度(,y,x,),在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。,x,e,吸收溶质,吸收溶质,相对于气相浓度而言，实际液相浓度过饱和(,xx,e,),，故液相有解吸溶质,A,的能力。,相对于液相浓度,x,而言，气相浓度为欠饱和(,y,平衡气相浓度,y,e,。,因此,两相接触时将有部分氨自气相,进入液相，,发生吸收过程,。,从另外一个角度分析，该吸收过程可理解为：,与实际气相浓度,y,成平衡的液相浓度,即,x,x,e,，表明液相未饱和致使气相被吸收入液相，,发生吸收过程,思考题：如图，,1atm,，,20,稀氨水相平衡方程，,y,e,x,试判断过程进行的方向,x,=0.05,y,=0.1,反之，若,y,=0.05,的含氨混合气,与液相,x,=0.1,的氨水接触，,结论：,不平衡的两相相互接触必将进行吸收或解吸过程，,过程进行方向以达到平衡为最后极限。,则,y,x,e,此时液相中部分氨将转入气相,发生,解吸,注意点：要搞清实际浓度与平衡浓度，二者不能混淆。,x,=0.1,y,=0.05,对吸收而言：,若保持液相,L,、,x,2,不变，,G,减小，气相浓度,y,2,最低也只能降到与,x,2,相平衡的浓度,y,2e,，,即,y,2,min,=,y,2e,=m,x,2,。,若保持气相,G,、,y,1,不变，,L,减小，,x,1,最高只能升到与,y,1,相平衡的浓度,x,1e,，,即,x,1,max,=,x,1e,=,y,1,/m,；,2,、指明过程的极限,y,x,o,y=f,(,x,),M,y,x,y,e,x,e,传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。,(,x,e,-x,)：,以液相摩尔分数差表示的传质推动力。,对吸收过程：,(,y-y,e,)：,以气相摩尔分数差表示的传质推动力；,未达平衡的两相接触会发生相际间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。,方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力。,y,x,o,y=f,(,x,),P,y,x,y,e,x,e,(,y-y,e,),(,x,e,-x,),3,、计算过程的推动力,平衡是过程的极限，只有不平衡的两相,互相接触才会发生气体的吸收与解吸。,推动力为实际浓度与平衡浓度的偏离程度,由图可见吸收推动力并非（,y,-,x,）,而是,y,-,y,e,或,x,e,-,x,即,实际浓度与平衡浓度的偏离程度,塔内某一,截面处,y,e,=m,x,x,e,=,实际浓度,平衡浓度,气相浓度,y,液相浓度,x,y,x,o,y,e,=f,(,x,),P,y,x,y,e,x,e,(,y-y,e,),(,x,e,-x,),解吸推动力,以液相浓度差表示,吸收推动力,以气相浓度差表示,作业,P44,：,4,、,5,第三节 扩散和单相传质,任何过程都需解决两个基本问题：过程的极限和过程速率，吸收过程的极限决定于吸收的相平衡关系。,本节将讨论吸收过程的速率问题。,物质传递三个步骤：,气相,界面,液相,气相主体 界面：,气相内的物质传递,界面溶解：,界面处气液相平衡,界面 液相主体：,液相内的物质传递,气相主体,液相主体,相界面,溶解,气相扩散,液相扩散,图：气,-,液相际传质过程,吸收剂,气体,y,x,界面,气相主体,液相主体,相界面,气相扩散,液相扩散,y,i,x,i,y,x,物质传递的机理包括两种形式：,1.,分子扩散：,分子无规则微观运动使组分由浓度高处传至浓度低处。,类同于传热中由温度差引起的热传导，从高温向低温传递热量。只要存在温差、浓差和压差都会产生分子扩散。,2.,对流传质：,流体宏观流动导致物质传递。,类同于对流传热中流体与固体壁面之间的传热，通常指流体与界面（气液界面）间的传质。,一、双组分混合物的分子扩散,1,、费克定律,三传类似：,一维、定态,J,A,：扩散速率，单位时间内组分,A,扩散通过单位面积的物质量，单位：,kmol/,（,m,2,.s,）；,D,AB,：扩散系数，,m,2,.s,；,：扩散方向与浓度梯度的方向,相反；,分子扩散的实质是分子微观随机运动，其统计规律可用,宏观的方式,费克定律,表达。,（,1,）只要有浓度梯度就有物质扩散流,分子扩散,（分子微观运动宏观结果）,（,2,）,J,A,=-,J,B,：,说明物质,A,的扩散流必伴有数量相等、方向相反物质,B,的扩散流,存在条件,:,双组分混合物，总浓度,C,M,=,C,A,+,C,B,=,常数，,D,AB,=,D,BA,2,、分子扩散与主体流动,（,1,）等分子反向扩散,等分子反向扩散存在的条件：静止气层，总压各处相等。,C,A,C,Ai,A,以,J,A,速率向界面扩散并溶解至液相。液相以同样速率,J,B,向界面提供,B,，在扩散方向没有流体的宏观流动，即通过断面,PQ,的净物质量为零。,J,A,=-,J,B,或,J,A,+,J,B,=0,结论,:,等分子反向扩散时，通过截面,PQ,的净物质量为零。,界面,P,J,A,J,B,（,2,）主体流动,指混合气体向界面的流动,吸收过程,A,被吸收；,B,滞留于界面，高于气相主体浓度，反向扩散；,导致界面处气体总压降低,气相主体与界面间的微,小压差产生主体流动,讨论,:,主体流动与扩散流,扩散流,J,A,或,J,B,是分子微观运动的宏观结果，传递的是纯组分,A,或,B,；主体流动,N,M,是宏观运动，它同时携带组分,A,及,B,流向界面。定态条件下，主体流动补充界面,B,的量等于,B,的反向扩散量，使界面处,C,Bi,保持恒定。,主体流动本质上仍是因分子扩散引起的伴生运动,因为,J,A,=-,J,B,，,所以净物流速率,N,=,N,M,讨论,:,主体流动与净物流,（,1,）二者含义不同，数值相等。,N,M,是由于微小浓度差、压差而产生的宏观运动，,N,为扩散流和主体流动的代数和。,（,2,）对于等分子反向扩散，无净,物流，因而也无主体流动。,（,3,）净物流,PQ,面总物料衡算：,N,=,J,A,+,J,B,+,N,M,界面,净流物,N,扩散方向,P,主体 流动,J,A,N,M,J,B,3,、分子扩散速率方程,(,包含扩散流和主体流动,),A,的物料衡算,N,M,=,N,=,N,A,+,N,B,因为,所以,须知,N,A,与,N,B,的关系方可求出,N,A,界面,净流物,N,扩散方向,P,主体 流动,J,A,N,M,J,B,P,J,A,J,B,（,1,）等分子反向扩散速率方程,积分式,以浓度表示,N,A,=-,N,B,净物流,N,=,N,A,+,N,B,=0,以分压表示,无净物流、无吸收的过程,（,2,）单向扩散速率方程,吸收过程,惰性组分,B,的净传递速率,N,B,=0,P升高，D下降（气体稠密）,若保持液相L、x2 不变，G减小，气相浓度 y2 最低也只能降到与x2 相平衡的浓度 y2e，即 y2,min=y2e=mx2。,在连续稳定吸收过程中（即定态下）溶质在两相界面上 无积累和损耗，故单位时间、单位相界面上通过气膜传递速率应等于液膜传递速率，即：NA=kG（p-pi）=kL（C i-C）,放弃定态扩散观点，过程非定态性，液体定期混合对传质作用。,应用：（1）制取液体产品，如三酸制备。,标即为所求界面的气液两相浓度。,按照双膜理论推导：kGDG，kLDL，一次方关系,E、m、H的数值越小，溶质的溶解度越大,E或H仅与温度有关，与总压P无关,难点：传质过程有关概念,结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。,本章重点：填料吸收塔的塔高计算,类同于对流传热中流体与固体壁面之间的传热，通常指流体与界面（气液界面）间的传质。,其它影响因素均包括在传质系数中。,第八章 气体吸收,C,Bm,为静止流体层两侧组分,B,的对数平均浓度,单向扩散与等分子反向扩散比较乃增加漂流因子这一项,等分子反向扩散为一直线，单向扩散为一凸对数曲线。,（,1,）,称为漂流因子，反映了主体流动影响，其值,1,，对低浓气体，,C,Bm,C,M,，漂流因子接近于,1,。,（,2,）漂流因子,=1,，无主体流动，则为等分子反向扩散。,讨论,:,二、扩散系数,物质的传递性质，受温度、压强和混合物中组分浓度影响。,气体中扩散系数,P,升高，,D,下降（气体稠密）,T,升高，,D,升高（动能大）,D,：,10,-5,m,2,/s,液体中扩散系数,T,升高，,D,升高（分子间距大）,升高，,D,下降（液体稠密）,D,液,=10,-9,10,-10,m,2,/s,三、对流传质,、对流对传质的贡献（类同于传热）,、静止流体,、层流流动,、湍流流动,流动使界面浓度梯度增大；,横向的湍流脉动促进了横向物质传递，流体主体的,浓度分布被均匀化。,气,M,N,1,2,3,浓 度,气液界面,、对流传质速率,写成类似牛顿冷却定律的形式,工程处理办法,气相与界面,液相与界面,特点：,主体浓度与界面浓度之差为对流传质的推动力，,其它影响因素均包括在传质系数中。,对流传质,关系式,ShR,e,S,c,无因次化,无因次数群,14,页比较了动量传递，热量传递及质量传递的相似性,对流给热,NuR,e,P,r,四、对流传质理论,1,、有效膜理论,双膜论,：,（,1,）在界面两侧存在气膜,G,及液膜,L,，,传质阻力集中于两静止膜层内。,（,2,）界面上无阻力，,达到相平衡。,（,3,）总阻力,=,气相阻力,+,液相阻力,气相主体,液相主体,相界面,p,i,=,H,c,i,p,1,2,p,i,c,i,c,气,膜,液,膜,气相：,气相传质推动力,液相：,液相传质推动力,稳态下：,气相主体,液相主体,相界面,p,i,=,H,c,i,p,1,2,p,i,c,i,c,气,膜,液,膜,局限性：,不适用于湍流，与实际状况有出入。,传质速率,:,传质系数,:,传热速率,:,给热系数,:,优点：,简明易懂，与间壁传热类似，,按照双膜理论推导：,k,G,D,G,，,k,L,D,L,，,一次方关系,实验结果：,k,G,D,G,0.67,，,k,L,=,D,L,2,、溶质渗透理论,k,L,D,0.5,3,、表面更新理论,深处液体与气体接触以接受溶质，更新随时进行,k,L,D,0.5,说明：后两种观点离过程设计仍有一段距离,放弃定态扩散观点，过程非定态性，液体定期混合对传质作用。,但指明了传质的强化途径。,S,：表面更新频率,0,：溶质渗透时间,五、相际传质速率与推动力,N,A,：相际传质速率反映吸收进行快慢,1,、推动力在相图上的表示,OE,线,：气液平衡曲线；,a,(,p,，,C,),：气液相实际状态点,b,(,p,i,，,C,i,),：相界面平衡状态点符合亨利定律：,P,i,=,HC,i,传质过程：,气相,界面,溶解,液相,（对流传质）,（对流传质）,气液相界面组成的图解,0,E,a,d,b,e,f,气相主体中溶质通过气膜向界面扩散的气相推动力,溶质由界面通过液膜向液相主体扩散的液相推动力,P,e,、,C,e,为实际状态点,a,所对应的气相和液相平衡分压、平衡浓度。,弄清,p,、,C,；,p,i,、,C,i,；,p,e,、,C,e,0,E,a,d,b,e,f,在连续稳定吸收过程中（即定态下）溶质在两相界面上 无积累和损耗，故单位时间、单位相界面上通过气膜传递速率应等于液膜传递速率，即：,N,A,=,k,G,（,p,-,p,i,）,=,k,L,（,C,i,-,C,）,在实际计算中，通常用,y,表示气相摩尔分率，用,x,表示液相摩尔分率。,因此上面,p-C,图可表示成,y,-,x,图。,a,（,y,，,x,）：实际状态点，,又称,操作点,b,（,y,i,，,x,i,）：相界面点。,推动力：,气相（,y,y,i,），,液相（,x,i,x,）,0,E,a,b,5、吸收操作的经济性,结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。,第八章 气体吸收,冷热流体间的热量传递 气液两相间的物质传递,(xe-x)：以液相摩尔分数差表示的传质推动力。,体溶解度区别很大：,过程进行方向以达到平衡为最后极限。,气相主体中溶质通过气膜向界面扩散的气相推动力,T升高，D升高（动能大）,传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。,表明难溶气体的气膜阻力可忽略，传质阻力主要集中在液膜上,B滞留于界面，高于气相主体浓度，反向扩散；,D：10-5 m2/s,惰性组分B的净传递速率 NB=0,4、物理吸收和化学吸收,、对流对传质的贡献（类同于传热）,进入液相，发生吸收过程。,注意点：要搞清实际浓度与平衡浓度，二者不能混淆。,2.1,传质速率,2,、相际传质速率方程,传质系数换算,（,k,y,与,k,G,，,k,x,与,k,L,）,因为,所以,因为,所以,2.2,总推动力与总传质阻力,希望直接根据气液两相的浓度，计算相际传质速率,N,A,均存在着界面浓度（,p,i,，,C,i,）（,y,i,，,x,i,）难以测定的问题，,同传热一样,，壁温难以测定,同传热类似：,（,m,与相平衡有关）,所以,（,总传质阻力,=,气相阻力,+,液相阻力,）,因为,y,i,=,mx,i,y,e,=,mx,，,传质速率方程的各种形式，教材,P19,，表,8-4,2.3,常用的传质速率方程,六、传质阻力控制步骤与界面含量,（,1,）气相阻力控制（气膜控制）,条件：,易溶气体，以及存在化学反应的吸收体系，此时,m,很小,总传质阻力,=,气相阻力,+,液相阻力，传质系数小的阻力大，为控制过程,结果：,表明易溶气体的液膜阻力可忽略，传质阻力主要集中在气膜上,1.,气相阻力控制与液相阻力控制,（,2,）液相阻力控制（液膜控制）,条件：,难溶气体，,m,很大,结果：,表明难溶气体的气膜阻力可忽略，传质阻力主要集中在液膜上,气膜控,制表明气相推动力大，液相推动力小，总推动力接近气相推动力,液膜控,制表明液相推动力大，气相推动力小，总推动力接近液相推动力。,2.,相界面浓度的求取,由,N,A,=k,y,（,y,y,i,）,=k,x,（,x,i,x,）得：,（斜率）,（,2,）联立,（,1,）从,a,点出发，,值为斜率作一直线，交平衡线点的坐,标即为所求界面的气液两相浓度。,以,0,y=f,(,x,),-,k,x,/,k,y,y,x,x,i,y,i,A,气相,液相,相界面,y,i,x,i,y,i,=f,(,x,i,),y,x,作业,P,44,：,8,第,8,题注意：摩尔流率,G,（,kmol/m,2,S,）与摩尔流量,q,V,（,kmol/S,）相区别。,