界面双膜理论-课件

重点：双膜理论、传质基本方程、操作线方程重点：双膜理论、传质基本方程、操作线方程难点：双膜理论难点：双膜理论第六章第六章吸吸收收2020/12/122020/12/121 1传质分离操作在生产中的应用传质分离操作在生产中的应用在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将有高浓度区向地浓度区度梯度，某一组分（或某些组分）将有高浓度区向地浓度区移动的趋势，该移动过程称为移动的趋势，该移动过程称为传质过程传质过程。分离过程包括机械分离和传质分离。分离过程包括机械分离和传质分离。机械分离：过滤、沉降等机械分离：过滤、沉降等传质分离：吸收、蒸馏、干燥、萃取、膜分离等传质分离：吸收、蒸馏、干燥、萃取、膜分离等第一节第一节物质传递原理物质传递原理2020/12/122020/12/122 2精品资料你怎么称呼老你怎么称呼老师师？如果老如果老师师最后没有最后没有总结总结一一节课节课的重点的的重点的难难点，你点，你是否会是否会认为认为老老师师的教学方法需要改的教学方法需要改进进？你所你所经历经历的的课课堂，是堂，是讲讲座式座式还还是是讨论讨论式？式？教教师师的教鞭的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那不怕太阳晒，也不怕那风风雨狂，只怕先生雨狂，只怕先生骂骂我笨，我笨，没有学没有学问问无无颜见颜见爹娘爹娘”“太阳当空照，花儿太阳当空照，花儿对对我笑，小我笑，小鸟说鸟说早早早早早早”界面界面气相气相主体主体组分组分组分组分液相液相主体主体1扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）；扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）；2在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；3进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的扩散）；进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的扩散）；物质传递的三个步骤：物质传递的三个步骤：物质传递的三个步骤：物质传递的三个步骤：2020/12/122020/12/125 5物质在单相中的传递靠扩散，发生在流体中的扩物质在单相中的传递靠扩散，发生在流体中的扩散有散有分子扩散分子扩散和和涡流扩散涡流扩散两种。两种。分子扩散分子扩散：依靠分子的无规则热运动，主要发生在静止或依靠分子的无规则热运动，主要发生在静止或层流流体中。层流流体中。涡流扩散涡流扩散：依靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质，主要依靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质，主要发生在湍流流体中。发生在湍流流体中。物质在单相中的扩散物质在单相中的扩散2020/12/122020/12/126 6ABABABAB分子扩散分子扩散：在一相内部存在浓度差或浓度梯度的情况下，由于分子的无规：在一相内部存在浓度差或浓度梯度的情况下，由于分子的无规则运动而导致的物质传递现象。分子扩散是物质分子微观运动的结果。则运动而导致的物质传递现象。分子扩散是物质分子微观运动的结果。扩散通量扩散通量：单位时间内单位面积上扩散传递的物质量，其单位为：单位时间内单位面积上扩散传递的物质量，其单位为mol/(m2s)。一、分子扩散与菲克定律一、分子扩散与菲克定律1 1 1 1 分子扩散分子扩散分子扩散分子扩散2020/12/122020/12/127 7式中式中JA物质物质A在在z方向上的分子扩散通量，方向上的分子扩散通量，kmol/(m2s)dCA/dz物质物质A的浓度梯度，的浓度梯度，kmol/m4DAB物质物质A在介质在介质B中的分子扩散系数，中的分子扩散系数，m2/s负号负号表示扩散是沿着物质表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。浓度降低的方向进行的。当物质当物质A在介质在介质B中发生扩散时，任一点处物质中发生扩散时，任一点处物质A的扩散通的扩散通量与该位置上量与该位置上A的浓度梯度成正比，即：的浓度梯度成正比，即：2 2 菲克（菲克（FickFick）定律定律2020/12/122020/12/128 8假定：假定：pA1pA2pB11，漂流因子的大小直接反映了总体流动在传质中所占分量的大小，漂流因子的大小直接反映了总体流动在传质中所占分量的大小，即漂流因子体现了总体流动对传质速率的影响。即漂流因子体现了总体流动对传质速率的影响。单向扩散的传质通量单向扩散的传质通量2020/12/122020/12/121818在液相中以单向扩散多见，仿气相中的扩散速率关系，则有在液相中以单向扩散多见，仿气相中的扩散速率关系，则有连续等价离子交换和理想溶液精馏时的扩散过程属于等分连续等价离子交换和理想溶液精馏时的扩散过程属于等分子反向扩散模型，连续结晶、吸附、浸提、吸收等扩散过程属子反向扩散模型，连续结晶、吸附、浸提、吸收等扩散过程属于单向扩散模型。于单向扩散模型。式中式中NA溶质溶质A在液相中的传递速率，在液相中的传递速率，kmol/m2sD溶质溶质A在溶剂中的扩散系数，在溶剂中的扩散系数，m2/sC溶液的总浓度，溶液的总浓度，C=CA+CS，kmol/m3Csm扩散初、终截面上溶剂扩散初、终截面上溶剂S的对数平均浓度，的对数平均浓度，kmol/m3三、液相中的稳定分子扩散三、液相中的稳定分子扩散2020/12/122020/12/121919分子扩散系数是物质的特征系数之一，表示物质在介质中分子扩散系数是物质的特征系数之一，表示物质在介质中的扩散能力；的扩散能力；扩散系数取决于扩散质和介质的种类及温度等因数。扩散系数取决于扩散质和介质的种类及温度等因数。对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；对于液体中的扩散，浓度的影响可以忽略，而压强的影响对于液体中的扩散，浓度的影响可以忽略，而压强的影响不显著。不显著。物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借助于物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借助于经验或半经验公式进行计算。经验或半经验公式进行计算。四、分子扩散系数四、分子扩散系数2020/12/122020/12/122020式中式中D扩散系数，扩散系数，m2/s；P总压强，总压强，kPa；MA、MB分别为分别为A、B两种物质的分子量，两种物质的分子量，g/mol；vA、vB分别为分别为A、B两种物质的分子体积，两种物质的分子体积，cm3/mol1 1气相中的扩散系数气相中的扩散系数气相中的扩散系数气相中的扩散系数2020/12/122020/12/122121式中式中D物质在其稀溶液中的扩散系数，物质在其稀溶液中的扩散系数，m2/s；T温度，温度，K；液体的粘度，液体的粘度，PasA扩散物质的分子体积，扩散物质的分子体积，cm3/mol；o常数。在水、甲醇或苯中的稀溶液，其值为常数。在水、甲醇或苯中的稀溶液，其值为8,14.9,22.8cm3/mol2 2 2 2 液相中的扩散系数液相中的扩散系数液相中的扩散系数液相中的扩散系数(非电解质非电解质非电解质非电解质)2020/12/122020/12/122222物质在湍流的流体中传质，主要凭藉湍流流体质点的湍动和物质在湍流的流体中传质，主要凭藉湍流流体质点的湍动和旋涡引起流体各部分之间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件旋涡引起流体各部分之间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质朝着浓度降低的方向进行传递，这种现象称为下，物质朝着浓度降低的方向进行传递，这种现象称为涡流扩涡流扩散散（eddydiffusion）。）。五、湍流流体中的对流传质五、湍流流体中的对流传质1 1 1 1 涡流扩散涡流扩散涡流扩散涡流扩散2020/12/122020/12/122323在湍流流体中同时存在涡流扩散在湍流流体中同时存在涡流扩散和分子扩散（涡流扩散占和分子扩散（涡流扩散占主导地位主导地位），其总扩散通量为），其总扩散通量为式中式中D分子扩散系数，分子扩散系数，m2/s；DE涡流扩散系数，涡流扩散系数，m2/s；dCA/dZ沿沿z方向的浓度梯度，方向的浓度梯度，kmol/m4；J总扩散通量总扩散通量kmol/(m2s)注：涡流扩散系数注：涡流扩散系数DE不是物性常数，它与湍动有关，且随位置不是物性常数，它与湍动有关，且随位置而不同。由于其难以测定，常将分子扩散和涡流扩散结合在一而不同。由于其难以测定，常将分子扩散和涡流扩散结合在一起考虑。起考虑。2020/12/122020/12/122424对流传质对流传质是指发生在运动着的流体与相截面之间的传质过程。是指发生在运动着的流体与相截面之间的传质过程。在实际生产中，传质操作多发生在流体湍流的情况下，此时的在实际生产中，传质操作多发生在流体湍流的情况下，此时的对流传质对流传质是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种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。传质作用的总和。以吸收为例：吸收剂沿壁面自上而下流动，混合气体自下以吸收为例：吸收剂沿壁面自上而下流动，混合气体自下而上流过液体表面。考察稳定操作状况下吸收塔设备任一截面而上流过液体表面。考察稳定操作状况下吸收塔设备任一截面m-n处相界面的气相一侧溶质处相界面的气相一侧溶质A浓度分布情况。浓度分布情况。2 2 对流传质对流传质2020/12/122020/12/122525液相液相mn相界面相界面气相滞流内层气相滞流内层气相气相0zGzG距离距离zpHpi气气相相分分压压p气相有效气相有效膜层厚度膜层厚度滞流内滞流内层厚度层厚度2020/12/122020/12/122626流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即湍流主体、流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即湍流主体、过度层和滞流层。过度层和滞流层。过渡层过渡层同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐变同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐变小，曲线逐渐平缓。小，曲线逐渐平缓。滞流层滞流层溶质的传递主要依靠分子扩散作用，由于溶质的传递主要依靠分子扩散作用，由于D值较值较小，在该区域内分压梯度较大，曲线陡峭。小，在该区域内分压梯度较大，曲线陡峭。湍流主体湍流主体主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合作主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合作用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。流动流动区域区域2020/12/122020/12/122727延长滞流内层的分压线和气相主体延长滞流内层的分压线和气相主体的分压线交于的分压线交于H点，点，此点与相界面的距离为此点与相界面的距离为zG，在在zG以内的流动为滞流，其物质以内的流动为滞流，其物质传递纯属分子扩散，此虚拟的膜层称为传递纯属分子扩散，此虚拟的膜层称为有效滞流膜有效滞流膜。整个有效滞流层的传质推动力为气相主体与相界面处的整个有效滞流层的传质推动力为气相主体与相界面处的分压之差，即全部传质阻力都包含在有效滞流膜层内。分压之差，即全部传质阻力都包含在有效滞流膜层内。2020/12/122020/12/122828由气相主体至相界面的对流传质速率为（按有效滞流膜层由气相主体至相界面的对流传质速率为（按有效滞流膜层内的分子扩散速率计算）内的分子扩散速率计算）式中式中NA溶质溶质A的对流传质速率，的对流传质速率，kmol/(m2s)；zG气相有效滞流膜层厚度气相有效滞流膜层厚度,m；kG气膜吸收系数；气膜吸收系数；p气相主体中溶质气相主体中溶质A的分压的分压,kPa；pi相界面处溶质相界面处溶质A的分压的分压,kPa；pBM惰性组分惰性组分B在气相主体中与相界面处的分压的对数平均在气相主体中与相界面处的分压的对数平均值值,kPa；2020/12/122020/12/122929在液相中的传质速率为在液相中的传质速率为式中式中zL液相有效滞流膜层厚度，液相有效滞流膜层厚度，m；C液相主体中的溶质液相主体中的溶质A浓度，浓度，kmol/m3；ci相界面处的溶质相界面处的溶质A浓度，浓度，kmol/m3；cSm溶剂溶剂S在液相主题与相界面处的浓度的对数均在液相主题与相界面处的浓度的对数均值，值，kmol/m3；kL液膜吸收系数或液膜传质系数液膜吸收系数或液膜传质系数2020/12/122020/12/123030当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧分当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧分别存在着呈层流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必须别存在着呈层流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必须以分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度主要随以分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度主要随流速而变，流速愈大厚度愈小。流速而变，流速愈大厚度愈小。在相界面上气液两相相互成平衡。在相界面上气液两相相互成平衡。在膜层以外的主体内，由于流体的充分湍动，溶质的浓度分布在膜层以外的主体内，由于流体的充分湍动，溶质的浓度分布均匀，可认为两相主体中的浓度梯度为零，即浓度梯度全部集均匀，可认为两相主体中的浓度梯度为零，即浓度梯度全部集中在两个有效膜层中。中在两个有效膜层中。用双膜理论解释具有固定相界面的系统及速度不高的两流体用双膜理论解释具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质过程（如湿壁塔），与实际情况是大致相符合的。间的传质过程（如湿壁塔），与实际情况是大致相符合的。六、双膜理论六、双膜理论（two-film theorytwo-film theorytwo-film theorytwo-film theory）2020/12/122020/12/123131pAcA pA,icA,i气气膜膜液液膜膜相界面相界面气相主体气相主体液相主体液相主体传质方向传质方向图图双膜理论双膜理论示意图示意图溶溶质质A在在气气相相中中的的分分压压溶溶质质A在在液液相相中中的的摩摩尔尔浓浓度度2020/12/122020/12/123232(1)按吸收过程是否发生化学反应分类：物理吸收、化学吸收按吸收过程是否发生化学反应分类：物理吸收、化学吸收(2)按吸收过程中体系的温度变化分类：等温吸收、非等温吸收按吸收过程中体系的温度变化分类：等温吸收、非等温吸收(3)按被吸收组分的数目分类：单组分吸收、多组分吸收按被吸收组分的数目分类：单组分吸收、多组分吸收本章主要讨论低浓度气体混合物的单组分等温物理吸收。本章主要讨论低浓度气体混合物的单组分等温物理吸收。第二节第二节气体吸收气体吸收一、一、一、一、吸收的定义吸收的定义吸收的定义吸收的定义吸收是气体混合物与作为吸收剂的液体接触，使气体中的某一或某些组吸收是气体混合物与作为吸收剂的液体接触，使气体中的某一或某些组吸收是气体混合物与作为吸收剂的液体接触，使气体中的某一或某些组吸收是气体混合物与作为吸收剂的液体接触，使气体中的某一或某些组分溶于液体的操作分溶于液体的操作分溶于液体的操作分溶于液体的操作。吸收是分离气体混合物的重要单元操作之一。吸收是分离气体混合物的重要单元操作之一。吸收是分离气体混合物的重要单元操作之一。吸收是分离气体混合物的重要单元操作之一。1吸收操作的类型吸收操作的类型2020/12/122020/12/1233332 2 吸收操作流程吸收操作流程2020/12/122020/12/1234343气气液相平衡关系液相平衡关系气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度(1)在一定温度下，气体组分的溶解度随该组分在气相中的平在一定温度下，气体组分的溶解度随该组分在气相中的平衡分压的增大而增大；而在相同平衡分压条件下，气体组分的衡分压的增大而增大；而在相同平衡分压条件下，气体组分的溶解度则随温度的升高而减小。溶解度则随温度的升高而减小。(2)在同一温度下，对于不同种类的气体组分，欲得到相同浓在同一温度下，对于不同种类的气体组分，欲得到相同浓度的溶液，易溶气体仅需控制较低的分压，而难溶气体则需较度的溶液，易溶气体仅需控制较低的分压，而难溶气体则需较高分压。高分压。(3)加压和降温对吸收操作有利；反之，升温和减压有利于解吸。加压和降温对吸收操作有利；反之，升温和减压有利于解吸。气气-液相平衡液相平衡关系关系一、气体在液体一、气体在液体一、气体在液体一、气体在液体中的溶解度中的溶解度中的溶解度中的溶解度2020/12/122020/12/123535当当总总压压不不高高（5105Pa）时时，在在一一定定温温度度下下，稀稀溶溶液液上上方方溶溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：上上式式表表示示溶溶液液的的浓浓度度低低于于一一定定数数值值时时溶溶质质的的平平衡衡分分压压与与它它在在溶溶液液中中的的摩摩尔尔分分率率成成正正比比。亨亨利利系系数数E值值较较大大表表示示溶溶解解度度较较小小。一般一般E值随温度的升高而增大。值随温度的升高而增大。Pe=EX式中式中:Pe-溶质在气相中的平衡分压溶质在气相中的平衡分压,kPa；X-溶质在液相中的摩尔分率溶质在液相中的摩尔分率E-享利系数，享利系数，kPa二、亨利定律二、亨利定律二、亨利定律二、亨利定律2020/12/122020/12/123636 溶液的密度溶液的密度,kg/m3；M溶液的平均分子量溶液的平均分子量,kg/kmolPe=C/H式中：式中：C液相中溶质的摩尔浓度液相中溶质的摩尔浓度,kmol/m3;H溶解度系数溶解度系数,kmol/mkN;在在亨亨利利定定律律适适用用的的范范围围内内,H是是温温度度的的函函数数,而而与与Pe或或C无无关关。对对于于一一定定的的溶溶质质和和溶溶剂剂，H值值一一般般随随温温度度升升高高减减小小。易易溶溶气气体体H值较大，难溶气体值较大，难溶气体H值较小。值较小。亨利定律的其它形式亨利定律的其它形式(1)(1)气相用平衡分压，液相用物质的量浓度表示气相用平衡分压，液相用物质的量浓度表示气相用平衡分压，液相用物质的量浓度表示气相用平衡分压，液相用物质的量浓度表示2020/12/122020/12/123737ye=mx式中：式中：x溶质在液相中的摩尔分率；溶质在液相中的摩尔分率；ye与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率；与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率；m相平衡常数相平衡常数,无因次。无因次。m=E/P上式中上式中P为系统总压，为系统总压，值越大，表示溶解度越小。值越大，表示溶解度越小。(2)(2)(2)(2)溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率x x x x、y y y y表示表示表示表示2020/12/122020/12/123838当当溶溶液液浓浓度度很很低低时时,上上式式右右端端分分母母约约等等于于1,于于是是上上式式可可简简化化为为:Ye=mX(3)(3)对于低浓度气体吸收，两相的组成通常用物质的量比来表示对于低浓度气体吸收，两相的组成通常用物质的量比来表示对于低浓度气体吸收，两相的组成通常用物质的量比来表示对于低浓度气体吸收，两相的组成通常用物质的量比来表示2020/12/122020/12/123939三、三、吸收速率方程吸收速率方程吸收过程中的吸收过程中的吸收过程中的吸收过程中的吸收速率吸收速率吸收速率吸收速率是指单位时间内，在单位面积上被吸是指单位时间内，在单位面积上被吸是指单位时间内，在单位面积上被吸是指单位时间内，在单位面积上被吸收的溶质量。表明吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式称为收的溶质量。表明吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式称为收的溶质量。表明吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式称为收的溶质量。表明吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式称为吸收速率方程吸收速率方程吸收速率方程吸收速率方程。11气膜气膜气膜气膜 吸收速率方程式吸收速率方程式吸收速率方程式吸收速率方程式2 2液膜吸收速率方程式液膜吸收速率方程式液膜吸收速率方程式液膜吸收速率方程式2020/12/122020/12/124040上式表明，在分压上式表明，在分压浓度图浓度图上，上，pi-ci关系为过定点关系为过定点D（c，p），），斜率为斜率为-kG/kL的直线。的直线。根据双膜理论，界面处的气液根据双膜理论，界面处的气液浓度符合平衡关系，所以该直浓度符合平衡关系，所以该直线与气液平衡线的交点即为点线与气液平衡线的交点即为点（ci，pi）0cci液相浓度液相浓度D(c,p)(ci,pi)p=f(c)ppi气气相相分分压压对于定态传质，气液两膜中的传质速率应当相等，即对于定态传质，气液两膜中的传质速率应当相等，即3 3 界面浓度界面浓度2020/12/122020/12/124141吸收过程的总推动力可采用任何一相的主体浓度与其平衡吸收过程的总推动力可采用任何一相的主体浓度与其平衡浓度的差值来表示。浓度的差值来表示。(1)以（以（p-pe）表示总推动力表示总推动力双膜理论：双膜理论：pi=ci/H亨利定律：亨利定律：pe=c/H液相吸收速率方程液相吸收速率方程NA=kL(ci-c)NA=kLH(pi-pe)气相吸收速率方程气相吸收速率方程NA=kG(p-pi)代入代入4总吸收速率方程总吸收速率方程2020/12/122020/12/124242令令式中式中KG气相总吸收系数，气相总吸收系数，kmol/(m2skPa)对于易溶气体，对于易溶气体，H值很大，则有：值很大，则有：1/HkL1/kG，此时传此时传质阻力的绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略。质阻力的绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略。NA=KG(p-pe)1/KG1/kG或或KGkG对于气膜控制的吸收，要提高总吸收系数，应该加大气相湍对于气膜控制的吸收，要提高总吸收系数，应该加大气相湍动程度。动程度。即气膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝即气膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝大部分用于克服气膜阻力，此种情况称为大部分用于克服气膜阻力，此种情况称为“气膜控制气膜控制”（gas-filmcontrol）。）。如：水吸收氨，浓硫酸吸收水蒸气等过程。如：水吸收氨，浓硫酸吸收水蒸气等过程。2020/12/122020/12/124343(2)以（以（Ce-C）表示总推动力表示总推动力令令代入代入NA=KL(ce-c)KL液相总吸收系数，液相总吸收系数，m/s2020/12/122020/12/124444对于难溶气体，对于难溶气体，H值很小，则有：值很小，则有：H/kG1/kL，此时传质此时传质阻力的绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略。阻力的绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略。1/KL1/kL或或KLkL即液膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝即液膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝大部分用于克服液膜阻力，此种情况称为大部分用于克服液膜阻力，此种情况称为“液膜控制液膜控制”（liquid-filmcontrol）。）。如：水吸收氧或氢。如：水吸收氧或氢。对于中等溶解度的气体，气膜阻力和液膜阻力都不可忽略，对于中等溶解度的气体，气膜阻力和液膜阻力都不可忽略，要提高总吸收系数，必须同时增大气相和液相的湍动程度。要提高总吸收系数，必须同时增大气相和液相的湍动程度。液液液液膜膜膜膜控控控控制制制制2020/12/122020/12/124545(3)以（以（Y-Ye）表示总推动力表示总推动力分压定律：分压定律：p=PyY=y/（1-y）y=Y/（1+Y）同理同理式中式中Ye表示与液相浓度表示与液相浓度X成平衡的气相浓度成平衡的气相浓度NA=KG(p-pe)当吸收质在气相中的浓度很小时，当吸收质在气相中的浓度很小时，Y和和Ye都很小，则有都很小，则有KYKGP2020/12/122020/12/124646(4)以（以（Xe-X）表示传质总推动力表示传质总推动力液相浓度以液相浓度以X表示，与气相浓度成平衡的液相浓度以表示，与气相浓度成平衡的液相浓度以Xe表示。表示。当吸收质浓度在液相中很小时，当吸收质浓度在液相中很小时，Xe和和X都很小，则有都很小，则有令令KX液相总吸收系数，液相总吸收系数，kmol/（m2s）KXKLC2020/12/122020/12/124747、为为推推动动力力、为推动力为推动力、为推动力为推动力气气膜膜NA=KG(p-pi)NA=kY(Y-Yi)kY=PkG/(1+Y)(1+Yi)NA=ky(y-yi)ky=PkG液液膜膜NA=kL(Ci-C)NA=kX(Xi-X)kX=kLC/(1+Xi)(1+X)NA=kX(xi-X)kX=CkL气气相相NA=KG(P-Pe)KG=1/(1/kG+1/HkL)气膜控制气膜控制KG=kG NA=KY(Y-Ye)KY=PKG/(1+Y)(1+Ye)KY=1/(1/kY+m/kX)气膜控制时气膜控制时KY=kYNA=Ky(y-ye)Ky=PKGKy=1/(1/ky+m/kX)气膜控制时气膜控制时Ky=ky 液相液相NA=KL(Ce-C)KL=1/(H/kG+1/kG)液膜控制时液膜控制时KL=kLNA=KX(Xe-X)KX=KL./(1+Xe)(1+X)KX=1/(1/mky+1/kx)液膜控制时液膜控制时KX=kXNA=Kx(xe-x)Kx=CKLKx=1/(1/mky+1/kx)液膜控制时液膜控制时Kx=kx传质速率方程式的各种形式传质速率方程式的各种形式传质速率方程式的各种形式传质速率方程式的各种形式2020/12/122020/12/124848假设：假设：吸收塔计算的内容主要是通过物料衡算及操作线方程，确吸收塔计算的内容主要是通过物料衡算及操作线方程，确定吸收剂的用量和塔设备的主要尺寸（塔径和塔高）。定吸收剂的用量和塔设备的主要尺寸（塔径和塔高）。吸收操作多采用逆流；吸收操作多采用逆流；低浓度气体吸收；低浓度气体吸收；吸收是在等温下进行；吸收是在等温下进行；传质分系数传质分系数kG、kL在全塔为常数；在全塔为常数；传质总系数传质总系数KG或或KL也可认为是常数。也可认为是常数。四、四、吸收塔的计算吸收塔的计算吸收塔的计算吸收塔的计算2020/12/122020/12/124949V，Y1L，X1YXV，Y2L，X2mn逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算1吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算2020/12/122020/12/125050对对全全塔塔来来说说，气气体体混混合合物物经经过过吸吸收收塔塔后后，吸吸收收质质的的减减少少量量等于液相中吸收质的增加量，即：等于液相中吸收质的增加量，即：V(Y1-Y2)=L(X1-X2)Y2=Y1（1-A）式中：式中：V惰性气体的摩尔流量惰性气体的摩尔流量,Kmol/SL吸收剂摩尔流量吸收剂摩尔流量,Kmol/SY1、Y2分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率；分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率；X1、X2分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率；分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率；A混合气体中溶质混合气体中溶质A被吸收的百分率，称为吸收率或回收率被吸收的百分率，称为吸收率或回收率2020/12/122020/12/125151现现取取塔塔内内任任一一截截面面与与塔塔底底（图图中中的的虚虚线线范范围围）作作溶溶质质的物料衡算，的物料衡算，即：即：V(Y1-Y)=L(X1-X)式中：式中：Y、Y1分别为分别为m-n截面和塔底气相中溶质的比摩尔分率，截面和塔底气相中溶质的比摩尔分率，Kmol(溶质溶质)/Kmol(惰性气体惰性气体)；X、X1分别为分别为m-n截面和塔底液相中溶质的比摩尔分率，截面和塔底液相中溶质的比摩尔分率，Kmol(溶质溶质)/Kmol(溶剂溶剂)。同理，可得同理，可得上两式称为吸收操作线方程式。上两式称为吸收操作线方程式。2020/12/122020/12/1252520X2XX1Y1YY2TABYe=f（X）在任一截面上的气相浓度在任一截面上的气相浓度Y与液相浓度与液相浓度X之间成直线关系，之间成直线关系，直线的斜率为直线的斜率为L/V，过点过点B（X1，Y1）和和T（X2，Y2）两点。两点。端点端点B代表塔底端面，称为代表塔底端面，称为“浓端浓端”，端点，端点T代表塔顶端面，代表塔顶端面，称为称为“稀端稀端”。2020/12/122020/12/125353说明：说明：(1)在进行实际吸收操作时，在塔内任一截面上，溶质在气在进行实际吸收操作时，在塔内任一截面上，溶质在气相中的实际分压总高于与其接触的液相平衡分压，故吸收操相中的实际分压总高于与其接触的液相平衡分压，故吸收操作线总位于平衡线上方；若在下方，则为脱吸。作线总位于平衡线上方；若在下方，则为脱吸。(2)吸收操作线方程是从溶质的物料平衡关系出发而推得的吸收操作线方程是从溶质的物料平衡关系出发而推得的关系式，它取决于气液两相和流量、，以吸收塔内某截关系式，它取决于气液两相和流量、，以吸收塔内某截面上的气液浓度有关，而与相平衡关系、塔的类型、相际接面上的气液浓度有关，而与相平衡关系、塔的类型、相际接触情况及操作条件无关。此式应用的唯一必要条件是稳定状触情况及操作条件无关。此式应用的唯一必要条件是稳定状态下连续逆流操作。态下连续逆流操作。2020/12/122020/12/1254540X2X1Y1Y2TBYe=f（X）B操作线的斜率操作线的斜率V/L称为称为“液气比液气比”，是溶剂与惰性气体摩尔，是溶剂与惰性气体摩尔流量的比值。它反映单位气体处理量的溶剂耗用量大小。流量的比值。它反映单位气体处理量的溶剂耗用量大小。如左图所示，在如左图所示，在V、Y1、Y2及及X2已知的情况下，吸收已知的情况下，吸收操作线的一个端点操作线的一个端点T已固定，已固定，另一个端点另一个端点B则在则在Y=Y1上移上移动，点动，点B的横坐标由操作线的横坐标由操作线的斜率的斜率V/L决定。决定。2 2 吸收剂的用量与最小液气比吸收剂的用量与最小液气比2020/12/122020/12/125555当塔底流出的吸收液与刚进塔的混合气体呈平衡状态时，吸当塔底流出的吸收液与刚进塔的混合气体呈平衡状态时，吸收的推动力为零。此种状况下，吸收操作线的斜率称为收的推动力为零。此种状况下，吸收操作线的斜率称为最小液最小液气比气比，以，以(L/V)min。相应的吸收剂用量为最小吸收剂用量，用相应的吸收剂用量为最小吸收剂用量，用Lmin表示。表示。增大吸收剂用量可以使吸收推动力增大，达到一定限度后，增大吸收剂用量可以使吸收推动力增大，达到一定限度后，效果变得不明显，而溶剂的消耗、输送及回收等项操作费用急效果变得不明显，而溶剂的消耗、输送及回收等项操作费用急剧增加。剧增加。吸收剂用量的选择吸收剂用量的选择：应从设备费与操作费两方面综合考虑，选：应从设备费与操作费两方面综合考虑，选择适宜的液气比，使两种费用之和最小。择适宜的液气比，使两种费用之和最小。L/V=(1.11.2)(L/V)min或或L=(1.11.2)Lmin2020/12/122020/12/125656(1)平衡线为凹形平衡线为凹形根据水平线根据水平线Y=Y1与平衡线的交点与平衡线的交点B的的横坐标横坐标Xe1求出。求出。0X2X1Y1Y2TBYe=f（X）B3图解法求最小液气比图解法求最小液气比2020/12/122020/12/125757(2)平衡线为凸形平衡线为凸形步骤：过点步骤：过点T作平衡线的作平衡线的切线，找出水平线切线，找出水平线Y=Y1与切线的交点与切线的交点B，读出读出B的横坐标的横坐标X1，再按下再按下式计算。式计算。0X2X1Y1Y2TBYe=f（X）B2020/12/122020/12/125858若气液浓度都很低，平衡关系符合亨利定律，可用若气液浓度都很低，平衡关系符合亨利定律，可用Ye=mX表示，可直接用下式计算出最小液气比，即表示，可直接用下式计算出最小液气比，即2020/12/122020/12/125959例例在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合气体中的在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合气体中的SO2。气体处理气体处理量为量为1.20m3（标准）标准）s-1，进塔气体中含进塔气体中含SO28%（体积百分数），要求体积百分数），要求SO2的的吸收率为吸收率为85%，在该吸收操作条件下的相平衡关系，在该吸收操作条件下的相平衡关系Ye=26.7X，用水量为最小用水量为最小用量的用量的1.5倍。试求：倍。试求：（1）用水量为多少？）用水量为多少？（2）若吸收率提高至）若吸收率提高至90%，用水量又为多少？，用水量又为多少？解解：惰性气体量为：惰性气体量为例例题题2020/12/122020/12/126060（1）当吸收率为）当吸收率为85%时时实际液气比实际液气比最小液气比最小液气比Y2=Y1（1-A）=0.087(1-0.85)=0.0131Xe1=Y1/26.7=0.087/26.7=3.25810-3X2=0（清水）清水）L=34.02V=34.0249.29=1677mols-1=0.03m3s-1L/V=1.5(L/V)min=1.522.68=34.02实际用水量实际用水量2020/12/122020/12/126161（2）若吸收率提高至）若吸收率提高至90%，出塔气体浓度为，出塔气体浓度为Y2，则最小液气比则最小液气比实际液气比实际液气比L=36.05V=36.0549.29=1777mols-1=0.032m3s-1从计算结果可知，在其他条件相同时，吸收率提高，最小液从计算结果可知，在其他条件相同时，吸收率提高，最小液气比增大，所需的吸收剂用量也增大。气比增大，所需的吸收剂用量也增大。(L/V)=1.5(L/V)min=1.524.03=36.05实际用水量实际用水量2020/12/122020/12/126262建立和不断更新两相接触表面，使之具有尽可能大的接触建立和不断更新两相接触表面，使之具有尽可能大的接触面积和尽可能好的流体力学条件，以利于提高吸收速率，减少面积和尽可能好的流体力学条件，以利于提高吸收速率，减少设备的尺寸，同时，气体通过设备的阻力要小，以节省动力消设备的尺寸，同时，气体通过设备的阻力要小，以节省动力消耗。耗。五、五、吸收塔吸收塔简介简介1 1 吸收设备的作用吸收设备的作用2020/12/122020/12/126363液体分布器液体分布器气体出口气体出口液体入口液体入口塔壳塔壳填料填料液体再分布器液体再分布器支承栅板支承栅板气体入口气体入口液体出口液体出口2 2 2 2 填料塔的结构与操作填料塔的结构与操作填料塔的结构与操作填料塔的结构与操作2020/12/122020/12/126464u填料的作用：液相分散造型的支撑体，为气、液两相提供充填料的作用：液相分散造型的支撑体，为气、液两相提供充分的接触面，并为强化其湍动程度创造条件，以利于传质。分的接触面，并为强化其湍动程度创造条件，以利于传质。u对于填料的要求：对于填料的要求：1、比表面积大，即单位体积的填料所具有的表面积大。、比表面积大，即单位体积的填料所具有的表面积大。2、比重小，减轻塔和基座负荷。、比重小，减轻塔和基座负荷。3、机械强度好，不易破碎。、机械强度好，不易破碎。4、耐腐蚀性好。、耐腐蚀性好。5、价格低廉，容易制得。、价格低廉，容易制得。u常用填料：拉西环（又分金属、陶瓷等）、鲍尔环、杯形和常用填料：拉西环（又分金属、陶瓷等）、鲍尔环、杯形和鞍形填料、波纹板、栅板等。鞍形填料、波纹板、栅板等。3 3 填料填料2020/12/122020/12/126565u填料特性参数填料特性参数(1)比表面积比表面积比表面积大，则能提供的相接触面积大。同一种填料其尺寸比表面积大，则能提供的相接触面积大。同一种填料其尺寸愈小，比表面积愈大。愈小，比表面积愈大。(2)空隙率空隙率空隙率大，则气体通过时阻力小，因而流量可以增大。空隙率大，则气体通过时阻力小，因而流量可以增大。(3)填料因子填料因子表示填料阻力及液泛条件的重要参数。表示填料阻力及液泛条件的重要参数。2020/12/122020/12/1266661.吸收吸收2.传质传质3.吸收的分类吸收的分类:物理吸收物理吸收,化学吸收化学吸收,单组分吸收单组分吸收,多组分吸收多组分吸收,等温吸收等温吸收,非等温吸收非等温吸收4.气液相平衡、溶解度、平衡分压气液相平衡、溶解度、平衡分压5.亨利定律亨利定律6.吸收速率吸收速率小结小结2020/12/122020/12/1267677.分子扩散分子扩散8.涡流扩散涡流扩散9.稳定扩散稳定扩散10.不稳定扩散不稳定扩散11.扩散速率扩散速率12.费克定律费克定律13.单向稳定扩散单向稳定扩散14.等分子反向扩散等分子反向扩散15.传质速率传质速率2020/12/122020/12/12686816.整体流动整体流动17.对流扩散对流扩散:分子扩散分子扩散+涡流扩散涡流扩散18.两相间的传质两相间的传质-双膜理论双膜理论19.总吸收速率方程总吸收速率方程20.气膜控制、液膜控制气膜控制、液膜控制20.吸收塔吸收塔(填料塔填料塔)的计算的计算21.吸收操作线方程吸收操作线方程22.液气比、最小液气比、适宜液气比液气比、最小液气比、适宜液气比2020/12/122020/12/126969