吸收相平衡和速率.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,*,*,5.2.2,吸收的相平衡,1,气液两相的,相平衡关系,，即当时条件下,吸收质在溶液中的浓度,，决定吸收的极限，也就是决定系统的吸收率和所得溶液的浓度。,平衡时，液相中吸收质数量与,温度,、吸收质在气相中的,分压或浓度,、吸收质和吸收剂的,性质,有关,。,图中所示为,SO,2,-H,2,O,体系,温度对,SO,2,在水中溶解度的影响,.,可看出有什么影响吗？,液相中吸收质的浓度,/g,100g,-1,气相中二氧化硫分压,KPa,0,2,4,6,8,10,1,2,3,0,0,C,10,0,C,20,0,C,30,0,C,40,0,C,50,0,C,5.2.2,吸收的相平衡,一、亨利定律,二、用摩尔比表示的相平衡关系,三、气体在液体中的溶解度,2,一、亨利定律,亨利定律指出，在一定温度下对于,稀溶液,，当气液两相达到,平衡,时，吸收质在液相中的,浓度,与它在气相中的,分压,成正比。,亨利定律常用以下三种方式表达：,3,一、亨利定律,4,p,*-,平衡时吸收质的分压,;Pa;,x,-,平衡时吸收质的摩尔分数;,E,-,亨利系数,，,Pa;,其值随温度的升高而升高,。,1.,用吸收质在溶液中的,摩尔分数,x,表示,:,2.,用吸收质在溶液中的物质的,量浓度,c,(kmol,m,-3,),表示,:,5,H,-,溶解度系数,，单位,kmol,m,-3,Pa,-1,，其值随温度升高而降低,.,或,6,H,与,E,的关系,:,M,r,-,溶液的摩尔质量，,gmol,-1,M,A,-,吸收质的摩尔质量，,g,mol,-1,M,s,-,溶剂的摩尔质量，,g,mol,-1,C,0,-,溶液的总浓度，,kgm,-3,3.,用吸收质在两相中的,摩尔分数,y,、,x,表示,根据道尔顿分压定律,y,*,=,p,*/,p,亨利定律也可用气、液相的摩尔分数表示,:,7,平衡条件下气体中吸收质摩尔分数,混合气的总 压力,；,Pa,相平衡系数，无量刚。,注意,:,严格地说，亨利定律只适用于,稀溶液,，如,常压下难溶或少溶气体的吸收,。当液相或气相中吸收质浓度较大时，亨利定律有偏差。,亨利定律的三种表达方式,:,8,1.,用吸收质在溶液中的摩尔分数,x,表示,:,2.,用吸收质在溶液中的物质的量浓度,C,(kmolm,-3,),表示,:,3.,用吸收质在两相中的摩尔分数,x,、,y,表示,:,E,-,亨利系数,Pa;,其值随温度的升高而升高,.,H,-,溶解度系数，单位,kmolm,-3,Pa,-1,，其值随温度升高而降低。,m,-,相平衡系数，无量刚,E,与,H,、,m,的关系,:,二、用摩尔比表示的相平衡关系,为使计算简便，工程中采用在吸收过程中,数量不变的气相中的,惰性组分,和液相中的,纯溶剂,为基准，用,摩尔比,来表示气相和液相中吸收质的含量。,Y,:,表示气相中吸收质的含量，指,每摩尔惰性气体,中所带有的吸收质的物质的量,(mol),，,摩尔比。,X,:,表示液相中吸收质的含量，指,每摩尔纯溶剂,溶解的吸收质的物质的量,(mol),，,摩尔比。,9,摩尔比,Y,、,X,与摩尔分数,y,、,x,间的关系为,:,10,对气相,:,或,对液相,:,或,带入相平衡关系式,对稀溶液,X,值较小,上式可简化为,:,得,:,三、气体在溶液中的溶解度,有三种情况,11,1.溶解度很小-这类气体组分的亨利常数,E,的值,很大,，其数量级为:,1,10,9,Pa,，,(,浓度不大的溶液分压大,),。如氢、氧、一氧化碳等。,2.溶解度中等-这类气体组分的亨利常数,E,的值在,1,10,7,Pa,数量级。如二氧化碳,.,硫化氢等。,3.溶解度很大-这类气体组分的亨利常数,E,的值,不大,。如氨和氯化氢等。,5.2.3,吸收速率,一,.,分子扩散定律,二,.,双膜理论,三,.,吸收速率方程,1.,膜层分吸收速率,方程,2.,总吸收,速率方程,3.,用,摩尔比表示,的总吸收速率方程,四.强化吸收的途径,12,菲克定律,5.2.3,吸收速率,吸收速率可以概括为:,13,N,=d,n,/d,=,KA,上式中:,N-,单位时间,(,),传递的吸收质的量(,n),-,吸收过程中的推动力,可用分压差或浓度,差表示,K-,过程的传质系数,吸收操作的极限取决于体系的气液平衡,吸收操作的强度取决于吸收的速率,.,A,-,过程的传质面积,一、单相扩散,分子扩散和涡流扩散：,吸收质由气相转移到液相是靠,扩散,进行的，扩散有,分子扩散,和,涡流扩散,。,分子扩散：由,分子热运动,引起，,静止,流体和流体做,层流流动,时均为分子扩散,。,涡流扩散:靠,流体质点的湍动,进行扩散。,湍流,时物质的传递主要是涡流扩散。涡流扩散速率远比分子扩散速率,大,得多。,14,（,1,）分子扩散定律-菲克,(Fick),定律,分子扩散服从菲克（,Fick）,定律，扩散速率,:,15,式中：,N,A,-A,的扩散速率或 传质速率，单位为,mol,s,-1,；,z,-,扩散距离，即膜层厚度，单位为,m；,c,A,-,吸收质浓度，单位为,mol,m,-3,；,d,c,/d,z,-,为扩散层中的浓度梯度；,D,AB,-,扩散系数，单位为,m,2,s,-1,。,“-”,号表示扩散方向沿浓度降低的方向。,扩散系数,D,AB,16,扩散系数是物理性质，表示物质扩散能力的大小，,单位为,m,2,s,-1,扩散系数的物理意义是指沿扩散方向，当物质的,浓差为,1,mol,m,-3,，,在,1,s,时间内通过,1,m,厚度的扩散层，,在,1,m,2,面积上所扩散的物质的量。,扩散系数,D,值与体系中扩散质和扩散介质的,种类,、,体系的,温度压力,有关。体积越小，温度越高，压力,越低，扩散系数越大。,扩散系数,D,值用实验直接测定。可查阅。,若扩散在气相中进行，菲克公式用扩散质分压表示：,17,定态条件下，将上式积分，菲克公式成为：,当扩散质,A,通过,静止,惰气,B,稳定扩散时，用,Stephan,定律表示,菲克定律适用于,两组分,A,、,B,等分子逆向扩散,的情况。,18,液相,气相,c,0,-,液相总浓度，,c,BM,-,液相层两侧组分,B,浓度的对数平均值，,p,-,气相总压，,p,BM,-,气体层两侧组分,B,分压的对数平均值。,（,2,）对流扩散速率,仿照费克定律将涡流扩散定律表示为,19,D,E,-,涡流扩散系数，与湍流程度有关,很难测定。,N,A,未知,对流扩散速率,=,涡流扩散,+,分子扩散,湍流主体以涡流扩散为主，,D,E,D,AB,；,滞流底层为分子扩散，,D,AB,D,E,；,过渡层,D,E,、,D,AB,数量级相当。,二、双膜理论,(,相间传质,),基本论点,20,1.气液界面上存在,气膜和液膜，,吸收质以,分子扩散,通过气膜和液膜.,2.气相主体和液相主体因系湍流，扩散以涡流扩散方式进行，主体中各点的吸收质浓度基本均匀，无所谓传质的阻力。但吸收质,通过膜层的扩散以分子扩散进行，是传质的主要阻力,.,3.界面上吸收质的溶解能较快进行，,吸收质在两相界面间处于平衡状态，,但两相主体中的吸收质相互间不存在特定的依赖关系,.,4.若气相主体中吸收质的分压为,p,，,界面气膜的吸收质分压为,p,i,;,(,p,-,p,i,),为,吸收过程的推动力,。同理，若液相主体中吸收质的浓度为,c,两相界面的液膜中的浓度为,c,i,，,(,c,i,c,),也是,吸收过程的推动力,的一种表达方式,.,双膜理论的传质过程,气相主体,液相主体,虚拟液膜，,L,p,A,p,Ai,c,Ai,c,A,扩散方向,实际,虚拟气膜，,G,气膜、液膜吸收速率,21,三、吸收速率方程,：从扩散定律中推导得来。,1.,单相膜层分吸收速率方程:,22,(1).,对气膜层,:若气相主体中吸收质的分压为,p,A,相界面上吸收质的分压为,p,Ai,则为：,上式也可简化为,:,k,G,称为气相分吸收系数,，,单位：,mol m,-2,s,-1,Pa,-1,；受流体流动形态等因素的影响。用关联式或经验式求算,.,(2).,对液膜层,:,23,吸收质从气液界面向液相主体传递，液相主体吸收质的,浓度为,c,，在液膜界面处吸收质的浓度为,c,i,，上式成为：,k,L,称为液相分吸收系数或液膜吸收系数,，单位为,m,s,-1,。,（,c,i,-,c,）,为推动力，单位,kmol,m,-3,;,k,L,由实验测定或关联式求算,.,k,G,、,k,L,的特征关联式,24,Sh,舍伍德数（,Sherwood,）,Sc,施密特数,(Schmit),例如对于采用拉西环的填料塔，计算气膜传质系数的关联式为：,k,为,k,G,或,k,L,实际中两相界面吸收质的分压,p,i,或浓度,c,i,难于测定,计算时只能选取气液相主体的分压,p,或浓度,c,。,（1）气相总吸收速率方程：,若体系溶液的吸收质浓度为,c,，,溶液的吸收质平衡分压为,p,*,，,气相中吸收质的分压为,p,，,只要,p,p,*,，,吸收就能进行。,p,-,p,*,是吸收推动力。,气相总吸收速率方程可写为,:,2.,总吸收速率方程：,25,式中,:,K,G,-,气相总吸收系数；,其倒数,1/,K,G,为气相总吸收阻力,.,按亨利定律,:,26,液膜分吸收速率方程,:气膜分吸收速率方程,:,两式相加合并，得：,K,G,与,k,G,和,k,L,的关系,与气相总吸收速率方程,N=K,G,（,p-p*,）,相比较得,:,27,总吸收阻力,液膜吸收阻力,气膜吸收阻力,当吸收质在溶液中有,很大的溶解度时,(,如氨,水,),，溶解度系数,H,较大，得,:,K,G,=,k,G,即吸收过程的总阻力主要是气膜阻力，,过程为气膜控制,。,气相主体吸收质分压为,p,时,对应的平衡溶液吸,收质浓度为,c,*,，而溶液的浓度为,c,，,因,c,*,c,，吸收就能继续进行。,c,*,c,为过程推动力,.,(2).,液相总吸收速率方程,28,式中：,K,L,-,液相总吸收系数，单位：m,2,s,-1,1/,K,L,为 液相总吸收阻力,液相总吸收速率方程为：,两式相加合并,:,与分吸收速率方程比较,:,29,同理,与液相总吸收速率方程,:,比较可得：,对溶剂中,溶解度很小的和较小的气体,(,H,很小,),，,得：,30,综合以上气相、液相总吸收阻力关系式：,可得：,即吸收过程的总阻力主要是液膜阻力，,过程为液膜控制。,3.,用摩尔比表示的总吸收速率方程,31,K,Y,为对应于,Y,的气相总吸收系数，单位为,mol,m,-2,s,-1,(Y=Y-Y,*,）;,Y,Y,*,分别为吸收质的分压,p,、平衡分压,p,*,所对应的摩尔比。,工程上常以惰性组分,(,不被吸收的气体组分或溶剂,),为基准，采用摩尔比表示总吸收速率方程,.,（,1,）用吸收质气相摩尔比,Y,表示的气相总吸收速率方程：,K,Y,与,K,G,有以下关系,32,y,与,Y,间的关系为：,据道尔顿分压定律：,代入,得,:,与,33,比较,得,:,当气相中吸收质含量不高时，,Y,和,Y*,值较小；上式简化为：,对于液相中溶解度大的气体：,（,2,）以吸收质液相摩尔比,X,表示的液相总吸收速率方程,:,34,K,X,与,K,L,的关系为：,当吸收质浓度低时：,注意,:,用摩尔比表示的总吸收速率方程是吸收计算中最常用的。,吸收速率方程汇总,35,气相,总速率方程,液相,分速率方程,系数关系,