界面双膜理论ppt课件

重点：二膜理论、遗传基本方程、操作线方程的难点：二膜理论、第六章吸收、1、遗传分离操作在生产中的应用是一种含有两种以上成分的混合系统，如果有浓度梯度，则某些成分(或某些成分)倾向于高浓度区向区域浓度区迁移，这一迁移过程称为遗传过程。 分离过程包括机械分离和遗传分离。 机械分离：过滤、沉降等遗传分离：吸收、蒸馏、干燥、提取、膜分离等第一节物质的传递原理，2、1扩散物质从一相的主体向二相界面(单相中的扩散)扩散，2界面处的扩散物质从一相进入另一相(相间传递物质)，3进入另一相的扩散物质从界面进入该相的物质传递的三个步骤： 3、物质在单相中的传递是扩散，在流体中产生的扩散是分子扩散和涡流扩散两种。 分子扩散依赖于分子不规则的热运动，主要发生于静止或层流流体中。 涡流扩散：依赖于流体质点的湍流和涡流传递物质，主要发生在湍流流体中。 单相中的物质扩散，4，分子扩散：一相内部有浓度差或浓度梯度时，分子不规则运动引起的物质传递现象。 分子扩散是物质分子微观运动的结果。 扩散通量：单位时间内每单位面积扩散传递的物质的质量，其单位为mol/(m2s )。 另一方面，分子扩散和扭曲定律1分子扩散，5，式中JA物质a在z方向的分子扩散通量，kmol/(m2s)dCA/dz物质a的浓度梯度，kmol/m4DAB物质a在介质b中的分子扩散系数，m2/s负是物质a的在物质a向介质b扩散的情况下，任何点上的物质a的扩散通量与该位置上的a的浓度梯度成比例，即：Fick定律，6， pA1pA2pB11，漂流因子的大小直接反映整体流动占传递物质的分量的大小，即漂流单向扩散的传递通量、16、液相中多见单向扩散，模仿气相中的扩散速度的关系，连续等效离子交换和理想溶液精馏时的扩散过程属于等分子解扩散模型，而连续结晶、吸附、渗出、吸收等扩散过程属于单向扩散模型。 式中NA溶质a在液相中的传递速度、kmol/m2sD溶质a在溶剂中的扩散系数、m2/sC溶液的总浓度、C=CA CS、kmol/m3Csm扩散初期、最终截面中的溶剂s的对数平均浓度、kmol/m3、三、液相中的稳定分子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系数依赖于扩散质、介质的种类和温度等。 浓度对气体中的扩散的影响可以忽略，浓度对液体中的扩散的影响可以忽略，但压力的影响不显着。 物质的扩散系数可以通过实验测定，查阅相关资料，利用经验和半经验公式计算。 四、分子扩散系数、18、式中D扩散系数、m2/s； P总压力、kPa； MA、MB分别为a、b两种物质的分子量、g/mol； vA、vB分别是a、b两种物质的分子体积、cm3/mol、1气相中的扩散系数、19、式中的D物质在稀溶液中的扩散系数、m2/s； T温度、k； 液体的粘度、PasA扩散物质的分子体积、cm3/mol； o常数。 水、甲醇或苯中的稀溶液，其值为8、14.9、22.8cm3/mol，2液相下的扩散系数(非电解质)、20、物质在湍流的流体中流动，主要是薯湍流流体的质点的湍流和涡流引起流体各部分间的激烈混合，在存在浓度差的条件下，物质的浓度降低五、湍流流体中对流质1的涡流扩散，21、湍流流体中同时存在涡流扩散和分子扩散(涡流扩散占主导地位)，其总扩散通量包括公式中的D分子扩散系数、作为m2/s的DE涡流扩散系数、m2/s； dCA/dZ方向的浓度梯度、kmol/m4； J总扩散通量kmol/(m2s )注：涡电流扩散系数DE不是物理常数，与扰动有关，因位置而异。 因为很难测定，所以多将分子扩散和涡流扩散结合起来考虑。 22、流布质是指在运动的流体和相截面之间产生的流布的过程。 在实际生产中，流体的湍流多发生时，那时的对流质是湍流主体和相界面间的涡流扩散和分子扩散两种传递作用的总和。 以吸收为例，吸收剂沿着壁面从上向下流动，混合气体从下向上在液体表面流动。 在稳定操作状况下，考察了吸收塔设备任一截面m-n的相界面的气相侧溶质a浓度分布。 在两对流布质、23、24，流体主体和相界面间，存在乱流主体、过度层、停滞层这三个流动区域. 过渡层同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐变小，曲线逐渐变缓。 滞后层溶质的传递主要依赖于分子扩散作用，d值小，因此在该区域分压梯度大，曲线陡峭。 湍流主体主要依赖涡流扩散，大量涡的混合作用使气相主体内溶质的分压一致，使分压线成为直线。 流动区域、25、延长滞后内层的分压线和气相主体的分压线在h点相交的点与相界面的距离在zG、zG以内的流动为滞后，其物质传递完全是分子扩散，该虚拟的膜层被称为有效滞后膜。 有效的延迟层整体的传递推动力包含在气相主体和相界面的分压之差，即所有的传递阻力都有效的延迟膜层中。 26、从气相主体到相界面对流质量速度(以有效滞后膜层内的分子扩散速度计算)，27、液相下的传递速度，式中zL液相有效滞后膜层厚，m； C液相主体中溶质a浓度、kmol/m3； ci相界面中溶质a浓度、kmol/m3； cSm溶剂s在液相主题和相界面的浓度的对数平均、kmol/m3； 当kL液膜吸收系数或液膜传递系数、28、气液两相接触时，两相间有一个相界面，在相界面的两侧分别存在呈现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通过这两个膜层，膜层的厚度主要随流速变化，流速越大，厚度越小。 在相界面气液两相平衡。 可以认为，在膜层以外的主体内，由于流体的充分扰动，溶质的浓度分布均匀，二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上。 用双层膜理论来说明具有固定相界面的系统和速度低的二流体间的传递过程(如湿壁塔)，与实际情况基本相符。 六、二膜理论(two-filmtheory )，29，30，(1)按照吸收过程中是否发生化学反应进行分类：物理吸收，化学吸收(2)按照吸收过程中体系的温度变化进行分类：等温吸收，非等温吸收(3)按照吸收成分的数量进行分类：一液吸收，多液吸收，本章第二节气体吸收一、吸收的定义吸收是气体混合物与作为吸收剂的液体接触，将气体中的某成分或某成分溶解于液体中的操作。 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、31、2吸收操作的流程、32、3气液相平衡关系、气体在液体中的溶解度、(1)在某一温度下，气体成分的溶解度随着气相中平衡分压的增加而增大，在相同的平衡分压条件下，气体成分的溶解度随着温度的升高而减少。(2)在相同温度下，对不同种类的气体成分要得到相同浓度的溶液，溶解气体只能控制低分压，难溶性气体需要高分压。 (3)加压和降温有利于吸收操作，而升温和减压有利于解吸。 气液相平衡关系一、气体在液体中的溶解度、33、总压不高(5105Pa )的情况下，在一定温度下，稀溶液上的溶质的平衡分压和液相中的浓度之间，上式表示，当溶液的浓度低于一定值时，溶质的平衡分压与溶液中的摩尔分数成比例。 亨利系数e的值越大，表示溶解度越小。 一般来说，e的值随着温度的升高而变大。 二、亨利定律，34，溶液密度，kg/m3； M溶液的平均分子量，kg/kmol是亨利定律适用的范围，h是与Pe和c无关的温度的函数。 对于一定的溶质和溶剂，h值一般随着温度上升而减少。 易溶性气体h值大，难溶性气体h的值小。 亨利定律的其他形式(1)气相是平衡分压，液相用物质量浓度表示，35，m=E/P上式中p为系统总压力，m值越大溶解度越小。 (2)溶质的液相和气相中的浓度分别用摩尔分数x、y表示，36、溶液浓度低时，上式的右端分母约为1，所以上式可以简化为：Ye=mX，(3)相对于低浓度气体的吸收，二相的组成用通常物质的量比表示，37、三、吸收速度方程式的吸收过程表示吸收速度和吸收推动力之间关系的数学式被称为吸收速度方程式。 1气膜吸收速度方程式2液膜吸收速度方程式，38，上式表示在分压-浓度图中，pi-ci关系为定点D(c，p )，斜率为-kG/kL的直线。 根据二膜理论，由于界面处的气液浓度处于平衡关系，该直线和气液平衡线的交点是点(ci，pi )，对于稳定的传递物质，气液二膜中的传递速度必须相等，即，三界面浓度，39，吸收过程的总推动力用哪一相的主体浓度和平衡浓度的差来表示(1)总推进力、液相吸收速度方程式、NA=kL(ci-c )、NA=kLH(pi-pe )、气相吸收速度方程式、NA=kG(p-pi )、代入、4总吸收速度方程式、40、令、式中KG气相总吸收系数、kmol/(m2skPa )、溶解气对于NA=KG(p-pe )、1/KG1/kG或KGkG，气体膜控制的吸收，为了提高总吸收系数，必须增大气相扰动的程度。 即，气膜电阻控制整个吸收过程的速度，吸收大部分总推进力来克服气膜电阻，这被称为“气膜控制”(gas-filmcontrol )。 例如，水吸收氨，浓硫酸吸收水蒸气等过程。 (41，(2)总推进力用(Ce-C )表示，令，代入，NA=KL(ce-c )，KL液相的总吸收系数，m/s，42，对难溶性气体h值小时，有H/kG1/kL，此时，传递电阻的大部分存在于液膜中1/KL1/kL或KLkL，即液膜电阻控制整个吸收过程的速度，吸收大部分总推动力来克服液膜电阻，这被称为“液膜控制”。 例如，水吸收氧和氢。 相对于中等溶解度的气体，气膜电阻和液膜电阻不容忽视。 为了提高总吸收系数，必须同时增大气相和液相扰动的程度。 液膜控制，43，(3)用(Y-Ye )表示总推动力，分压规律： p=Py，Y=y/(1-y )，y=Y/(1 Y )、NA=KG(p-pe )，吸收物质的气相中浓度小时，y和Ye都小时，KYKGP，44，(当吸收物质浓度在液相小时、Xe和x小时、KXKLC、45、传递速度方程式各形式、46、假定：吸收塔计算的内容主要通过材料平衡计算和操作线方程式，确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低浓度气体吸收； 吸收是在等温下进行的遗传分系数kG，kL是全塔常数的遗传总系数kG和kL也可以认为是常数。 四、吸收塔计算，47，1吸收塔的材料收支计算，48，对所有塔，气体混合物通过吸收塔后，吸收剂的减少量等于液相中吸收剂的增加量： 49，现在塔内任意截面m-n和塔底(图中虚线范围)为溶质的材料收支计算，即： v (x、X1分别是m-n截面和塔底液相中溶质的比摩尔分数、Kmol (溶质)/Kmol (溶剂)。 同样，上2式被称为吸收操作线方程式。 50、任一断面上的气相浓度y和液相浓度x之间有直线关系，直线的斜率为L/V，通过点B(X1，Y1 )和T(X2，Y2 )两点。 端点b表示塔的下端面，称为“浓端”，端点t表示塔的上端面，称为“薄端”。 51、说明：(1)在进行实际的吸收操作时，在塔内的任意截面中，溶质在气相下的实际分压总是比与其接触的液相平衡分压高，因此，吸收操作线如果位于平衡线上方，则成为脱吸收。 (2)吸收操作线方程是由溶质的材料平衡关系推算出的关系式，依赖于气液两相和流量l、v，与吸收塔内某一截面的气液浓度有关，与相平衡关系、塔的类型、实际接触状况及操作条件无关。 该式的应用必要的唯一条件是稳定状态下的连续逆流操作。 52、操作线的斜率V/L称为“液气比”，是溶剂与惰性气体的摩尔流量的比。 这反映了每单位气体处理量的溶剂消耗量的大小。 如左图所示，在v、Y1、Y2及X2已知的情况下，吸收操作线的一方的端点t被固定，另一方的端点b在Y=Y1上移动，点b的横轴由操作线的斜率V/L决定。 2吸收剂的用量和最小液气比，53，从塔底流出的吸收液和刚进入塔的混合气体达到平衡状态时，吸收的推动力为零。 在这种情况下，吸收操作线的斜率被称为最小液气比，是(L/V)min。 对应的吸收剂的使用量是最小吸收剂的使用量，用Lmin表示。 增加吸收剂的使用量增加了吸收推动力，达到一定限度后效果不明显，溶剂的消耗、运输和回收等工作费用急剧增加。 吸收剂使用量的选择：综合考虑设备费用和操作费用，选择适当的液气比，使两费用之和最小化。 L/V=(1.11.2)(L/V)min或L=(1.11.2)Lmin，54，(1)平衡线为凹形，由水平线Y=Y1与平衡线的交点b的横轴Xe1求出. 3图式解法求出最小液气比，55，(2)平衡线为凸形，步骤：越过点t作为平衡线的切线，找到水平线Y=Y1和切线的交点b，读出b的横轴x1，用下式计算。 56、气液浓度低，平衡关系符合亨利法则，则可以用Ye=mX表示，可以直接用下式计算最小液气比，