吸收相平衡和速率

吸收相平衡和速率第1页，课件共35页，创作于2023年2月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第2页，课件共35页，创作于2023年2月一、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第3页，课件共35页，创作于2023年2月一、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:第4页，课件共35页，创作于2023年2月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.

或第5页，课件共35页，创作于2023年2月6

H

与E

的关系:Mr---溶液的摩尔质量，g•mol-1MA---吸收质的摩尔质量，g•mol-1Ms---溶剂的摩尔质量，g•mol-1C0---溶液的总浓度，kg•m-3第6页，课件共35页，创作于2023年2月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。第7页，课件共35页，创作于2023年2月亨利定律的三种表达方式:81.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: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kmol•m-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:第8页，课件共35页，创作于2023年2月二、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第9页，课件共35页，创作于2023年2月摩尔比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:第10页，课件共35页，创作于2023年2月三、气体在溶液中的溶解度有三种情况111.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:1×109Pa，(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1×107Pa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。第11页，课件共35页，创作于2023年2月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菲克定律第12页，课件共35页，创作于2023年2月

5.2.3吸收速率

吸收速率可以概括为:13N=dn/dτ=KAΔ上式中:N----

单位时间

(τ)传递的吸收质的量(n)Δ----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----

过程的传质面积第13页，课件共35页，创作于2023年2月一、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第14页，课件共35页，创作于2023年2月（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：NA---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

；dc/dz----为扩散层中的浓度梯度；

DAB---扩散系数，单位为m2•s-1。“-”号表示扩散方向沿浓度降低的方向。第15页，课件共35页，创作于2023年2月扩散系数DAB16扩散系数是物理性质，表示物质扩散能力的大小，单位为

m2•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1mol•m-3，在1s时间内通过1m厚度的扩散层，在1m2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。第16页，课件共35页，创作于2023年2月

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：第17页，课件共35页，创作于2023年2月当扩散质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c0---液相总浓度，cBM---液相层两侧组分B浓度的对数平均值，p---气相总压，pBM---气体层两侧组分B分压的对数平均值。第18页，课件共35页，创作于2023年2月（2）对流扩散速率仿照费克定律将涡流扩散定律表示为19DE---涡流扩散系数，与湍流程度有关,很难测定。NA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，DE≥DAB；滞流底层为分子扩散，DAB≥DE；过渡层DE、DAB数量级相当。第19页，课件共35页，创作于2023年2月

二、双膜理论(相间传质)

基本论点201.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pi;(p-pi)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ci，(ci–c)也是吸收过程的推动力的一种表达方式.第20页，课件共35页，创作于2023年2月双膜理论的传质过程气相主体液相主体虚拟液膜，δ’LpApAicAicAºº

扩散方向实际虚拟气膜，δ’G气膜、液膜吸收速率21第21页，课件共35页，创作于2023年2月三、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pA,相界面上吸收质的分压为pAi,则为：上式也可简化为:kG

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.第22页，课件共35页，创作于2023年2月(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ci，上式成为：kL称为液相分吸收系数或液膜吸收系数，单位为m·s-1。（ci-c）为推动力，单位kmol·m-3;kL由实验测定或关联式求算.第23页，课件共35页，创作于2023年2月kG、kL的特征关联式24Sh——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kG或kL第24页，课件共35页，创作于2023年2月实际中两相界面吸收质的分压pi或浓度ci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:KG---气相总吸收系数；其倒数1/KG为气相总吸收阻力.第25页，课件共35页，创作于2023年2月按亨利定律: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：KG与kG和kL的关系第26页，课件共35页，创作于2023年2月与气相总吸收速率方程

N=KG（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:KG=kG即吸收过程的总阻力主要是气膜阻力，过程为气膜控制。第27页，课件共35页，创作于2023年2月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：KL---液相总吸收系数，单位：m2·s-11/KL为液相总吸收阻力

液相总吸收速率方程为：

第28页，课件共35页，创作于2023年2月两式相加合并: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：第29页，课件共35页，创作于2023年2月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