化工原理下册第一-三节课件.ppt

袁诗海 主讲,扬州大学化学化工学院,二O一O年三月,下 册,化 工 原 理,目 录,第八章 气体吸收 第九章 液体精馏 第十章 气液传质设备 第十一章 液液萃取 第十二章 其它传质分离方法 第十三章 热、质同时传递的过程 第十四章 固体干燥,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：气体混合物分离,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： 煤气脱苯,较大溶解度、较好选择性、溶剂易于再生,3、设备塔设备为主,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,提供适当的传质设备,溶剂的再生,2、溶剂选择：,蒸汽压小，化学性质稳定，低粘度，无毒价廉,板式塔级式接触,定态操作：连续,非定态操作：间歇,化学吸收：,CO2 + 2NaOH + H2O =Na2CO3 不易再生，即无可逆性,5、吸收操作的经济性,4、物理吸收和化学吸收,物理吸收：,K2CO3 + H2O + CO2 2KHCO3,反应速率快，吸收 率大，有可逆性,化学吸收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,溶剂再生费用是吸收操作经济性的体现,三、本章讨论要点,1、 单组分物理吸收,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：,传热 吸收 冷热流体间的热量传递、 气液两相间的物质传递 推动力是两流体间的温度差 两相间的浓度差? 过程极限 温度相等 两相浓度差相等？,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pe与液相中的摩尔分率x间的关系曲线。,若气相中p一定时t下降则x升高 若t一定时，p升高则x也升高,P4，图83，p-x曲线， 说明低温高压对吸收有利,在于气液之间的相平衡不同于冷热流体之间的热平衡。,2、亨利定律 相平衡关系数学描述,（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,（2）亨利定律中三个常数之间的相互转换,由(1)、(2)式,由(1)、(3)式,以1m3溶液计算,（3）讨论,a、E、m、H的数值越小，溶质的溶解度越大,b、在总压不太高（5atm或0.5MPa） E或H仅与温度有关与总压P无关,c、若总压一定时，t、E 、x 低温有利于吸收,若y一定，总压不同意味着分压不同，总压、X,总压的提高对吸收有利 P6、图8-5,t,d、以平衡分压表示的数学式反映相平衡的本质,以 ye = mx 表示则便于计算,m除与温度有关外，还与总压有关,二、相平衡与吸收过程关系,1、判断过程进行方向,当气体中 ppe （或yye）时，吸收过程不断进行， 直至 p=pe，达到相平衡， 当pep 时则液相中吸收质向气相中扩散，即解吸。,思考题：如图， 1atm，20稀氨水 相平衡方程，ye= 0.94x 试判断过程进行的方向,y=0.1 、 x=0.05均为气液相实际浓度, 与 x=0.05 液相相平衡的气相浓度为： ye=0.940.05=0.047, 可见实际气相浓度y平衡气相浓度ye。 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 xe，表明液相未饱和 致使气相被吸收为液相。,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位置为最后极限,则 yxe , 此时液相中部分氨将转入气相,注意点：要搞清实际浓度与平衡浓度，二者不能混淆,2、指明过程的极限,塔底：当减少溶剂用量，x1浓度必增大， 但即使用量再少，x1液不会无限增大， 其极限浓度是气相浓度y1的平衡浓度x1e， 即x1max= x1e=,P =pe 或 y = ye（相平衡）时是吸收过程的极限,塔顶：,当吸收剂用量很大，而气体流量较小时，出口气体y2,即使在无限高塔内进行逆流吸收，y2min=y2e=mx2,3、计算过程推动力,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-ye 或 xe-x 即实际浓度与平衡浓度的偏离程度,塔内某一截面处,ye = mx,实际浓度,平衡浓度,第三节 扩散和相际传质,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,气相主体 界面，气相内的物质传递,界面溶解 与溶液相平衡,界面 液相主体， 液相内的物质传递,物质传递的两种形式,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,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,JA：扩散速率 单位时间内组分A扩散 通过单位面积的物质量 kmol/（m2.s）,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）JA= -JB 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,2、分子扩散与主体流动,（1）等分子反向扩散,分析：等分子反向扩散的存在,静止气层 总压相等,CACAi A以JA速率向界面扩散并 溶解至液相。 由于A的溶解，界面B浓度CBiCB B以JB由界面向主体扩散。 当界面不断提供B时, 则 JA = -JB 或 JA + JB = 0,结论: 等分子反向扩散时,通过截面PQ的 净物质量为零,（2）主体流动 指混合气体向界面的流动,吸收过程 引起,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 主体流动是宏观运动,它同时携带组分A及B流向界面. 尽管液相不能向界面提供B,由于主体流动的存在补充了 界面B仍然存在反向扩散,因为JA= -JB， 所以净物流 N = NM,讨论: 主体流动与净物流,（1）二者含义不同，数值相等 NM是由于微小浓度差、压差 而产生的宏观运动，N代数和。,（2）对等分子反向扩散,无净物流, 因而也无主体流动,（3）净物流,PQ面总物料衡算 N = JA + JB + NM,3、A组分的分子扩散速率方程,主体流动是分子扩散引起的伴生运动,所以,上式中若知NA与NB的关系,方可求出NA,（1）等分子反向扩散,以浓度表示,以分压表示,没有净物流，即没有吸收,分离变量积分,（2）单向扩散,吸收过程,惰性组分B的净传递速率，NB = 0，,为静止流体层两侧 组分B的对数平均浓度,或改写为：,（因稀溶液，A 浓度（气相）小，B升高，PBMP总）,(4)单向扩散与等分子扩散比较乃增加漂流因子这一项,讨论:,对稀溶液，CBmCM ， 漂流因子接近于1,二、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,P升高 D下降（气体稠密）,T升高 D升高（动能大）,D： 10-5 m2/s,液体,T升高，D升高（分子间距大）,升高 D下降（液体稠密）,D液=10-910-10 m2/s,三、对流传质速率,流动使界面浓度梯度增大； 在主体与界面浓度差相等时，传质速率得到了提高。,、对流对传质的贡献类同于传热,、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 Sh=0.023Re0.83Sc0.33,20页比较了动量传递，热量传递及物质传递的相似性,四、对流传质理论,1、有效膜理论（魏特迈提出）,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,局限性：不适于湍流，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，,2、溶质渗透理论,按照双膜理论推导：kGDG ， kLDL，一次方关系 实验结果 kGDG0.67 ， kL=DL0.67,kLD0.5,3、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,klD0.5,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,探明传质的强化途径,五、相际传质速率与推动力,NA：相际传质速率是反映吸收过程进行快慢的特征量。,NA=kG（p-pi） NA=kL（Ci-C）,1、推动力在相图上的表示,OE线为气液平衡曲线；,a（p，C）表示溶质分压为p的气相主体与浓度为C的液相接触的实际状态点；,b（pi，Ci）表示相界面的状态（界面 阻力很小，处于平衡状态）气液相平衡 曲线上点符合亨利定律 Pi=HCi,气相主体中溶质通过气膜向界面扩散推动力,溶质由界面通过液膜向液相主体扩散的推动力,Pe、Ce 为实际状态点a所对应的 气相和液相平衡分压、平衡浓度,注意弄清 p、C；pi、Ci；pe、Ce,在连续稳定吸收过程中（即定态下）吸收质在两相界面上 无积累和损耗，故单位时间、单位相界面上通过气膜传递量 应等于液膜传递量，即：NA= kG（p - pi）= kL（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（yi，xi）相界面点。,推动力：,气相（yyi）， 液相（xix）,传质速率,2、传质分系数换算（ky与kG，kx与kL）,因为,所以,因为,所以,3、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NA,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）,（通过Ky，Kx两式比较可得 Ky式两边同乘以m， 要熟悉传质速率方程的各种形式 教材P22，表814）。,（以气相浓度差（yye） 为推动力的总传质系数）,（以液相浓度差（xe-x） 为推动力的总传质系数）,3、相界面浓度的求取,由NA=ky（yyi）= kx（xix）,（斜率）,4、传质阻力控制,（1）气相阻力控制（又称气膜控制）,条件：易溶气体，以及存在化