任务二：工艺参数的确定.ppt

项目二吸收技术 化工产品分离精制与控制 任务二 工艺参数的确定 吸收传质机理 吸收过程的相平衡关系 气体吸收速率方程 摩尔比 摩尔比与摩尔分数的关系 吸收操作中气液相的量会改变 如何变化 气体吸收是物质自气相到液相的转移 这是一种传质过程 如果把氨气和水共同封存在容器中 令体系的压力和温度维持一定 随着时间的进行会发生什么变化 吸收过程的相平衡关系 一 气液相平衡 传质速率逐渐减慢到0 在一定温度和压力下 令某气体混合物 A B 与液体S接触 溶质便向液相转移 直至液相中溶质达到饱和浓度为止 这种状态称为相际动态平衡 简称相平衡或平衡 气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压 液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度 也就是气体在液体中的溶解度 习惯上以单位或体积的液体中所含溶质的质量或物质的量来表示 A cA溶解度是一定条件下吸收过程可以达到的极限程度 在温度和压力一定的条件下 平衡时的气 液相组成具有一一对应关系 溶质组分在两相中的组成符合相平衡关系 组成关系用曲线表示 溶解度曲线 一 气液相平衡 吸收过程的相平衡关系 平衡分压 液相组成 溶解度曲线 一 气液相平衡 达平衡状态时 平衡方程 气相分压 饱和浓度 溶解度 吸收过程的相平衡关系 溶解度曲线 由实验测定的溶解度绘制的曲线 溶解度与物系种类 温度 压力有关 溶解度 g NH3 1000g H2O 1000 500 0 20 40 60 80 100 120 pNH3 kPa 50oC 40oC 30oC 20oC 10oC 0oC 50oC 40oC 30oC 20oC 10oC 0oC 氨在水中的溶解度 二氧化硫在水中的溶解度 一 气液相平衡 吸收过程的相平衡关系 在相同条件下 不同气体溶解度有很大差别 溶解度很小的气体称为难溶气体 溶解度很大的气体称为易溶气体 介于之间的为溶解度适中的气体 一 气液相平衡 氧气在水中的溶解度 吸收过程的相平衡关系 温度的影响 加压和降温 对同一溶质 在相同的气相分压下 溶解度随温度的升高而减小 对同一溶质 在相同的温度下 溶解度随气相分压的升高而增大 分压的影响 注意 减压和升温 有利于吸收操作 有利于解吸操作 溶解度的影响因素 吸收过程的相平衡关系 一 气液相平衡 当总压不高 不超过0 5MPa 时 一定温度下稀溶液的溶解度曲线近似为直线 即气液两相的浓度成正比 这种关系称为亨利定律 1 p x关系 二 亨利定律 E的单位与气相分压的压强单位一致亨利系数的值随物系的特性及温度而异 在同一溶剂中 难溶气体E值很大 易溶气体E值很小 物系一定 E值一般随温度的上升而增大 吸收过程的相平衡关系 溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的摩尔分数成正比 若溶质在气 液相中的组成分别以分压p 摩尔浓度c表示 亨利定律为 H 溶解度系数 kmol m3 kPa 溶解度系数 溶解度 2 p c关系 易溶气体 注意 难溶气体 H大 H小 二 亨利定律 吸收过程的相平衡关系 若溶质在气 液相中的组成分别以摩尔分数y x表示 亨利定律为 m 相平衡常数 溶解度 相平衡常数 3 y x关系 易溶气体 注意 难溶气体 m小 m大 二 亨利定律 吸收过程的相平衡关系 由 得 整理得 对于低组成吸收 简化得 4 Y X关系 二 亨利定律 吸收过程的相平衡关系 亨利定律既可以用来根据液相组成计算与之平衡的气相组成 也可用来根据气相组成计算与之平衡的液相组成 因此 亨利定律可改写为 二 亨利定律 吸收过程的相平衡关系 推导可得亨利定律表达式各系数间的关系如下 E H关系 E m关系 H m关系 各系数的换算关系 吸收过程的相平衡关系 作业1 在总压101 3KPa及20 下 液相中氨的浓度为0 582kmol m 3时 气相中氨的平衡分压为800Pa 若此组成符合相平衡关系 试求其H E m值 1 判断传质进行的方向 传质方向由气相到液相进行吸收过程 传质方向由液相到气相进行解吸过程 吸收过程的相平衡关系 二 相平衡关系在吸收过程中的应用 相对于气相浓度y而言 液相浓度欠饱和 x x 故液相有吸收溶质A的能力 相对于液相浓度x而言 气相浓度为过饱和 y y 溶质A由气相向液相转移 气 液相浓度 y x 在平衡线上方 P点 y x o y f x P y x y 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 x 释放溶质 吸收溶质 吸收平衡线 1 判断传质进行的方向 吸收过程的相平衡关系 相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和 x x 故液相有释放溶质A的能力 相对于液相浓度x而言气相浓度为欠饱和 y y 溶质A由液相向气相转移 气 液相浓度 y x 在平衡线下方 Q点 若系统气 液相浓度 y x 在平衡线下方 则体系将发生从液相到气相的传质 即解吸 1 判断传质进行的方向 吸收过程的相平衡关系 相对于气相浓度而言液相浓度为平衡浓度 x x 故液相不释放或吸收溶质A 相对于液相浓度x而言气相浓度为平衡浓度 y y 溶质A不发生转移 气 液相浓度 y x 处于平衡线上 R点 y x o y f x R y x y 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 x 1 判断传质进行的方向 吸收过程的相平衡关系 以气相表示的传质推动力 以液相表示的传质推动力 吸收推动力示意图 y mx 传质推动力的表示方法可以不同 但效果一样 未达平衡的两相接触会发生相间传质 离平衡浓度越远 传质推动力越大 方法 用气相或液相浓度偏离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力 2 确定传质的推动力 四 相平衡关系在吸收中的应用 吸收过程的相平衡关系 对吸收而言 若保持液相浓度x不变 气相浓度y最低只能降到与之相平衡的浓度y 即ymin y 若保持气相浓度y不变 则液相浓度x最高也只能升高到与气相浓度y相平衡的浓度x 即xmax x 3 指明传质进行的极限 平衡 四 相平衡关系在吸收中的应用 传质极限限制了吸收液的最高组成及吸收尾气的最低组成 吸收过程的相平衡关系 对解吸而言 若保持液相浓度x不变 气相浓度y最高只能升到与之相平衡的浓度y 即ymax y 若保持气相浓度y不变 则液相浓度x最高也只能降到与气相浓度y相平衡的浓度x 即xmin x 3 指明传质进行的极限 四 相平衡关系在吸收中的应用 吸收过程的相平衡关系 对于逆流吸收塔 液相出口最大组成 气相出口最低组成 3 指明传质进行的极限 四 相平衡关系在吸收中的应用 吸收过程的相平衡关系 例题2 在总压为101 3kPa 温度为30 的条件下 某含SO2为0 105 摩尔分数 下同 的混合空气与含SO2为0 002的水溶液接触 试判断SO2的传递方向 已知操作条件下气 液相平衡关系为y 46 5x 例题 解 从气相分析 y 46 5x从液相分析 在总压为1200kPa 温度为303K的条件下 含CO2为5 体积分数 的气体与含CO2为1 0g L的水溶液相遇 问 会发生吸收还是脱吸 以分压差表示的推动力有多大 若要改变其传质方向可以采取哪些措施 作业2 例题3 在一吸收塔内 用含苯为0 45 摩尔分数 下同 的再生循环洗油逆流吸收煤气中的苯 进塔煤气中含苯2 5 要求出塔煤气中含苯不超过0 1 已知气 液相平衡方程为y 0 065x 试计算 1 塔顶处的推动力 y2和 x2 2 塔顶排出煤气中苯的含量最低可降到多少 3 塔底排出洗油中苯的含量最高可达到多少 例题 解 1 y2 y2 y2 y2 mx2 x2 x2 x2 y2 m x2 2 3 思考题 1 温度和压力对吸收过程的平衡关系有何影响 2 亨利定律为何具有不同的表达形式 3 亨利定律的适用条件是什么 4 相平衡关系在吸收过程中有何作用 课堂练习 课堂复习 相平衡关系 1 什么是平衡分压和溶解度 2 简述亨利定律的内容和适用范围 3 E H m的含义以及跟溶解度的关系 4 温度和压力对吸收操作有何影响 5 如果液相组成x不变 y y 吸收还是解吸 如果y不变 x x 吸收还是解吸 6 x yX Y分别代表什么含义 二 吸收操作的现场工艺流程 任务二 吸收操作的理论基础 吸收传质机理 吸收过程的相平衡关系 气体吸收速率方程 吸收传质机理 1 流体中的分子扩散 简称扩散分子扩散是物质在一相内部有浓度差异的条件下 由流体分子的无规则热运动而引起的物质传递现象 这种扩散发生在静止流体或层流流体中相邻流体层间的传质 分子扩散在气相 液相和固相中均能发生 2 涡流扩散凭藉流体质点的湍动和漩涡来传递物质的现象 称为涡流扩散 3 对流扩散实际上 在湍流流体中 由分子运动而产生的分子扩散是与涡流扩散同时发挥着传递作用 这种扩散称为对流扩散 它与传热过程中的对流传热相类似 1 传质的基本方式 吸收传质机理 描述分子扩散过程的基本定律 费克第一定律 kmol m2 s 费克定律 DAB 组分A在组分B中的扩散系数 m2 s NA 组分A的扩散通量 扩散速率 1 传质的基本方式 与热传导类似 与浓度梯度成正比 吸收传质机理 1 传质的基本方式 分子扩散 通常 扩散系数与系统的温度 压力 总浓度以及物质的性质有关 对于双组分气体混合物 组分的扩散系数在低压下与浓度无关 只是温度及压力的函数 其值一般在m2 s范围内 液体中溶质的扩散系数不仅与物系的种类 温度有关 而且随溶质的浓度而变 液体中的扩散系数 其值一般在m2 s范围内 吸收传质机理 1 传质的基本方式 涡流扩散 由于流体质点的湍动和旋涡而形成的物质传递现象 涡流扩散 涡流扩散在湍流流体中发生 在涡流扩散中时刻存在分子扩散 涡流扩散的通量远大于分子扩散的通量 吸收传质机理 1 传质的基本方式 涡流扩散 涡流扩散系数 m2 s kmol m2 s 描述涡流扩散速率的方程为 NA 涡流扩散通量 吸收传质机理 1 传质的基本方式 对流扩散 运动流体与固体表面之间 或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递过程 对流传质 对流传质 自然对流传质 强制层流传质 强制湍流传质 强制对流传质 吸收传质机理 1 传质的基本方式 对流扩散机理 所谓对流传质的机理是指在传质过程中 流体以哪种方式进行传质 研究对流传质速率需首先弄清对流传质的机理 层流内层 缓冲层 湍流中心 湍流流体 流体与管壁间的浓度分布 吸收传质机理 1 传质的基本方式 对流扩散机理 湍流主体 层流内层 缓冲层 传质机理 分子传质 传质机理 涡流传质为主 浓度分布 为一陡峭直线 传质机理 浓度分布 为一渐缓曲线 浓度分布 为一平坦曲线 分子传质 涡流传质 在与壁面垂直的方向上分为三层 吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程 可分为三个步骤 气相主体 液相主体 相界面 溶解 气相扩散 液相扩散 溶质A从气相主体扩散到相界面 气相内传质 在相界面上溶质A由气相转入液相 即溶解 通过界面的传质 溶质A由相界面扩散到液相主体 液相内传质 吸收传质机理 2 相际间的对流传质过程 2 相际间的对流传质过程 相际间的传质 一般来说 相界面上组分A从气相转入液相的过程很快 相界面传质阻力可以忽略 因此 相际间传质的阻力主要集中在气相和液相中 若其中一相传质阻力较另一相大得多 则另一相传质阻力可以忽略 此种传质过程即称之为 该相控制 吸收传质机理 3 双膜理论 1 双膜模型 惠特曼 Whiteman 于1923年提出 应用最为广泛一种传质模型 停滞膜模型 双阻力模型 双膜模型示意图 吸收传质机理 2 双膜理论的基本论点 相互接触的气液两相间存在着稳定的相界面 界面的两侧各有一个很薄的停滞膜 气膜和液膜 溶质以分子扩散的方式经过两膜层 在气膜 液膜以外的气 液两相主体中 由于流体强烈湍动 各处浓度均匀一致 无传质阻力 全部阻力和浓度变化集中在两个有效膜层中 溶质穿过相界面的阻力极小 因次在气液相界面处 气液两相处于平衡状态 即p和c符合相平衡关系 3 双膜理论 吸收传质机理 双膜理论的示意图 3 双膜理论的局限 将相界面当成是稳定的 只有在气 液相相对速率很小时才能成立 随着相对速率增加 相界面将由静止到波动 进而产生漩涡 湍动 传质速率显著加快 停滞膜厚度及相界面气液相组成难以测定 按双模理论 传质系数与扩散系数成正比 与实验所得关联式有较大偏差 传质与传热区别 复杂所在 平衡关系 热平衡即温度相等 相平衡不能简单认为组成相等 组成有多种表示方法 故传质速率方程形式相应也有多种 3 双膜理论 一 吸收过程的机理 传质机理 吸收传质机理 传质与传热区别 复杂所在 平衡关系 热平衡即温度相等 相平衡不能简单认为组成相等 组成有多种表示方法 故传质速率方程形式相应也有多种 一 吸收过程的机理 传质机理 吸收传质机理 间壁式换热过程 溶质渗透模型 希格比 Higbie 于1935年提出 为非稳态模型 溶质渗透模型示意图 拓展 溶质渗透模型的要点 液面由无数微小的液体单元所构成 当气液两相相互接触时 液相主体中的某些单元运动至相界面便停滞下来 在气液未接触前 液体单元中溶质的浓度和液相主体的浓度相等 接触开始后 相界面处立即达到与气相平衡状态 随着接触时间的延长 溶质A通过不稳态扩散方式不断地向液体单元中渗透 拓展 液体单元在界面处暴露的时间是有限的 经过时间 c后 旧的液体单元即被新的液体单元所置换而回到液相主体中去 在液体单元深处 仍保持原来的主体浓度不变 液体单元不断进行交换 每批液体单元在界面暴露的时间 c都是一样的 拓展 3 表面更新模型 丹克沃茨 Danckwerts 于1951年提出 为非稳态模型 表面更新模型的要点 溶质向液相内部传质为非稳态分子扩散过程 界面上液体单元有不同的暴露时间或称年龄 界面上各种不同年龄的液体单元都存在 不论界面上液体单元暴露时间多长 被置换的概率是均等的 单位时间内表面被置换的分率称为表面更新率 用符号S表示 拓展 任务二 吸收操作的理论基础 吸收传质机理 吸收过程的相平衡关系 气体吸收速率方程 吸收速率 指单位传质面积上单位时间内吸收的溶质量 用符号NA表示 单位为kmol m2 s 描述吸收速率与推动力之间的关系式即为吸收速率方程 根据推动力及阻力可写出速率关系式 单独根据气膜或液膜的推动力及阻力写出的速率关系式称为气膜或液膜吸收速率方程式 相应的吸收系数称为膜系数或分系数 用k表示 与传热中的对流传热系数相当 吸收速率 过程推动力 过程阻力 吸收系数 过程推动力 二 吸收速率方程 气体吸收速率方程 气相或液相的实际组成与相应条件下的平衡组成的差值可表示传质的推动力 对于吸收过程 传质的推动力为 或 y y 或x x 1 用气相 液相 摩尔组成来表示 2 用压力来表示 3 用摩尔浓度来表示 气体吸收速率方程 推动力 气体吸收速率方程 对流传质系数 kmol m2 s c kmol m2 s 对流传质速率方程 1 气膜吸收速率方程 气膜内的吸收速率方程可表示为 二 吸收速率方程 气体吸收速率方程 kG kY 气膜吸收分系数 比较得 由道尔顿分压定律 1 气膜吸收速率方程 二 吸收速率方程 气体吸收速率方程 2 液膜吸收速率方程 液膜内的吸收速率方程可表示为 二 吸收速率方程 气体吸收速率方程 kL kx 液膜吸收分系数 比较得 由 2 液膜吸收速率方程 二 吸收速率方程 稳态下 气 液两膜中的传质速率相等 即 直线 通过定点A c p 斜率 kL kG 3 界面组成的确定 二 吸收速率方程 界面组成的确定 为了避开难以测定的界面浓度 效仿传热中类似问题的处理方法 即避开壁面温度而以冷 热流体的温度差来表示总推动力 对于吸收过程 同样可以采用两相主体浓度的差值来表示总推动力来写出吸收速率方程式 吸收速率 总推动力 总阻力 两相主体浓度差 两膜阻力之和 4 总吸收速率方程 二 吸收速率方程 KG 气相总吸收系数 kmol m2 s kPa 总阻力 液膜阻力 气膜阻力 气相总吸收速率方程式 1 以 p p 表示的总吸收速率方程 4 总吸收速率方程 二 吸收速率方程 气体吸收速率方程 对于易溶气体 H值很大 液膜阻力 气膜阻力控制整个吸收过程的速率 气膜控制 示例 水吸收氨 气膜阻力 气膜控制示意图 4 总吸收速率方程 二 吸收速率方程 1 以 p p 表示的总吸收速率方程 气体吸收速率方程 KL 液相总吸收系数 m s 总阻力 气膜阻力 液膜阻力 液相总吸收速率方程式 2 以 c c 表示的总吸收速率方程 4 总吸收速率方程 二 吸收速率方程 气体吸收速率方程 对于难溶气体 H值很小 气膜阻力 示例 水吸收氧 液膜阻力 液膜控制示意图 液膜阻力控制整个吸收