天津大学化工原理下课件.ppt

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1、化 工 原 理（下 册）,制作人：贾绍义,第七章 传质与分离过程概论 6 第八章 气体吸收 12 第九章 蒸馏 16 第十章 液-液萃取和液-固浸取 6 第十一章 固体物料的干燥 8第十二章 其他分离方法 2,学 时 安 排,总学时 56,授课 50,期中考试 2,习题课 4,教 材,柴诚敬主编普通高等教育“十五”国家级规划教材化工原理（下册）北京:高等教育出版社2006年1月（第一版）,(1)贾绍义,柴诚敬.化工传质与分离过程.第二版 北京:化学工业出版社,2007(2)夏清，陈常贵.化工原理，下册.天津:天津大 学出版社,2005(3)W.L.McCabe,J.C.Smith.Unit O

2、perations of Chemical Engineering,6th ed.New York:McGraw.Hill Inc.,2001,参 考 教 材,网络课程辅助教学,化工原理及实验网络课程 网址：202.113.179.181,网络课程站点,化工原理及实验网络课程,虚拟课堂,演示实验,图片汇总,动画汇总,思考题汇总,作业汇总,讨论与答疑,网上自测,教师主页,附件下载,网络课程辅助教学,通过本章学习，应掌握传质与分离过程的基本概念和传质过程的基本计算方法，为以后各章传质单元操作过程的学习奠定基础。,学习目的与要求,第七章 传质与分离过程概论,7.1 概述,7.1.1 传质分离过程,第

3、七章 传质与分离过程概论,原料,反应产物,目的产物,副产物,分离过程,反应过程,一、分离过程在化工中的应用,示例：三氯甲烷的制备。,示例：炼油过程。,原料,目的产物,副产物,分离过程,二、相际传质过程与分离,分离过程,非均相物系分离,均相物系分离,可通过机械方法分离，易实现分离。,不能通过简单的机械方法分离，需通过某种物理（或化学）过程实现分离，难实现分离。,例 气固分离：沉降,液固分离：过滤,均相物系的分离方法,均相物系,某种过程,两相物系,根据不同组分在各相中物性的差异，使某组分从一相向另一相转移：相际传质过程,实现均相物系的分离,相际传质过程,均相物系分离,二、相际传质过程与分离,空气氨

4、,水,空气,氨水,示例：空气和氨分离,吸收塔,二、相际传质过程与分离,三、传质分离方法,1.平衡分离过程,（1）气液传质过程,气液传质过程是指物质在气、液两相间的转移，它主要包括气体的吸收（或脱吸）、气体的增湿（或减湿）等单元操作过程。,吸收（脱吸）,增湿（减湿）,（2）汽液传质过程,汽液传质过程是指物质在汽、液两相间的转移，该汽相是由液相经过汽化而得，它主要包括蒸馏（或精馏）单元操作过程。,蒸馏（精馏）,三、传质分离方法,（3）液液传质过程,液液传质过程是指物质在两个不互溶的液相间的转移，它主要包括液体的萃取等单元操作过程。,萃取,三、传质分离方法,（4）液固传质过程,液固传质过程是指物质在

5、液、固两相间的转移，它主要包括结晶（或溶解）、液体吸附（或脱附）、浸取等单元操作过程。,结晶（溶解）,吸附（脱附）,浸取,三、传质分离方法,（5）气固传质过程,气固传质过程是指物质在气、固两相间的转移，它主要包括气体吸附（或脱附）、固体干燥等单元操作过程。,干燥,吸附（脱附）,三、传质分离方法,平衡常数（分配系数）,分配因子,通常将K值大的当作分子，故一般大于1。当偏离1时，便可采用平衡分离过程使均相混合物得以分离，越大越容易分离。,xi、yi分别表示组分在两相中的组成,三、传质分离方法,2.速率分离过程,（1）膜分离,膜分离是指在选择性透过膜中，利用各组分扩散速度的差异，而实现混合物分离的单

6、元操作过程。,膜分离,超 滤,反渗透,渗 析,点渗析,三、传质分离方法,（2）场分离,场分离是指在外场（电场、磁场等）作用下，利用各组分扩散速度的差异，而实现混合物分离的单元操作过程。,场分离,电 泳,热扩散,高梯度磁场分离,三、传质分离方法,三、传质分离方法,磁化精馏实验装置,钕铁硼永磁场,3.分离方法的选择,分离方法选择的原则,三、传质分离方法,被分离物系的相态,被分离物系的特性,产品的质量要求,经济程度,7.1 概述,7.1.1 传质分离过程,第七章 传质与分离过程概论,7.1.2 相组成的表示方法,一、质量浓度与物质的量浓度,1.质量浓度,质量浓度定义式,混合物的总质量浓度,kg/m3

7、,密度,2.物质的量浓度,混合物的总物质的量浓度,kmol/m3,一、质量浓度与物质的量浓度,物质的量浓度定义式,质量浓度与物质的量浓度的关系,平均摩尔质量,一、质量浓度与物质的量浓度,1.质量分数,质量分数定义式,混合物的总质量分数,二、质量分数与摩尔分数,2.摩尔分数,混合物的总摩尔分数,液相,气相,二、质量分数与摩尔分数,摩尔分数定义式,质量分数与摩尔分数的关系,由质量分数求摩尔分数,由摩尔分数求质量分数,二、质量分数与摩尔分数,1.质量比,质量比的定义式,质量比与质量分数的关系,三、质量比与摩尔比,摩尔比的定义式,摩尔比与摩尔分数的关系,液相,气相,三、质量比与摩尔比,2.摩尔比,练

8、习 题 目,思考题,作业题:1、2,1.传质分离过程有哪些类型?2.何为相平衡常数和分离因子?3.选择分离方法应主要考虑哪些因素?4.相组成有哪些表示方法，引出质量比和摩尔比有 何意义?,7.1 概述,第七章 传质与分离过程概论,7.2.1 分子传质（扩散）,7.2 质量传递的方式与描述,一、分子扩散现象与费克定律,1.分子扩散现象,由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象分子传质。,分子传质又称为分子扩散，简称为扩散,分子传质在气相、液相和固相中均能发生,播放动画31：分子扩散现象,描述分子扩散过程的基本定律费克第一定律。,kmol/(m2 s),费克第一定律,DAB 组分A在组分B中的扩

9、散系数，m2/s,一、分子扩散现象与费克定律,2.费克(Fick)定律,及,DBA 组分B在组分A中的扩散系数，m2/s,对于两组分扩散系统,一、分子扩散现象与费克定律,微分得,故此得,3.总体流动现象,示例：用水吸收空气中的氨,一、分子扩散现象与费克定律,设由A、B组成的二元气体混合物，其中 A为溶质，可溶解于液体中，而B不能在液体中溶解。这样，组分A可以通过气液相界面进入液相，而组分 B不能进入液相。由于 A分子不断通过相界面进入液相，在相界面的气相一侧会留下“空穴”。根据流体连续性原则，混合气体会自动地向界面递补，这样就发生了A、B 两种分子并行向相界面递补的运动，这种递补运动就形成了混

10、合物的总体流动。,一、分子扩散现象与费克定律,二、气体中的稳态分子扩散,设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则称为等分子反方向扩散。,1.等分子反方向扩散,气相相界面液相,易挥发组分,NA,NB,难挥发组分,蒸馏操作,对于等分子反方向扩散,NA=NB,二、气体中的稳态分子扩散,因此得,N=NA+NB=0,故此得,等分子反方向扩散,(1)z=z1,边界条件,cA=cA1(pA=pA1）,(2)z=z2,cA=cA2(pA=pA2）,二、气体中的稳态分子扩散,求解得,当扩散系统处于低压时，气相可按理想气体混合物处理，则,二、气体中的稳态分子扩散,据此

11、得,设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A为扩散组分，组分B为不扩散组分（称为停滞组分），组分A通过停滞组分B进行扩散。,吸收操作,液相相界面气相,溶质,NA,NB0,惰性组分B,2.一组分通过另一停滞组分的扩散,二、气体中的稳态分子扩散,对于组分A通过停滞组B的扩散,NB=0,整理得,二、气体中的稳态分子扩散,N=NA+NB=NA,(1)z=z1,边界条件,cA=cA1(pA=pA1）,(2)z=z2,c A=cA2(pA=pA2）,二、气体中的稳态分子扩散,一组分通过另一停滞组分的扩散,二、气体中的稳态分子扩散,求解可得,或,由于扩散过程中总压不变,二、气体中的稳态分子扩散,令,据此得

12、,组分 B 的对数平均分压,二、气体中的稳态分子扩散,比较,反映了总体流动对传质速率的影响,相差,飘流因数,二、气体中的稳态分子扩散,因为,故,总体流动影响,无总体流动,二、气体中的稳态分子扩散,三、液体中的稳态分子扩散,1.等分子反方向扩散,参照气体中的等分子反方向扩散过程，可写出,组分A在溶剂B中的扩散系数，m2/s,三、液体中的稳态分子扩散,参照气体中的一组分通过另一停滞组分的扩散过程，可写出,2.一组分通过另一停滞组分的扩散,或,三、液体中的稳态分子扩散,其中,停滞组分 B对数平均物质的量浓度,停滞组分 B对数平均摩尔分数,四、扩散系数,1.气体中的扩散系数,通常，扩散系数与系统的温度

13、、压力、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。气体扩散系数可从有关资料中查得，某些双组分气体混合物的扩散系数列于附录一中。气体中的扩散系数，其值一般在 m2/s 范围内。,四、扩散系数,估算气体扩散系数经验公式,福勒公式,组分A、B的摩尔质量，kg/kmol；,组分A、B的分子扩散体积，cm3/mol。,四、扩散系数,简单分子的扩散体积,四、扩散系数,原子的扩散体积,四、扩散系数,、下的扩散系数，m2/s；,、下的扩散系数，m2/s。,四、扩散系数,2.液体中的扩散系数,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

14、浓度而变。液体中的扩散系数可从有关资料中查得，某些低浓度下的二组元液体混合物的扩散系数列于附录一中。液体中的扩散系数，其值一般在 m2/s 范围内。,四、扩散系数,估算液体扩散系数经验公式,威尔基公式,溶剂 B 的摩尔质量，kg/kmol；,溶质在正常沸点下的分子体积，cm3/mol。,溶剂 B 的黏度，Pa s；,溶剂 B 的缔合因子；,四、扩散系数,常见溶剂的缔合因子,四、扩散系数,某些物质在正常沸点下的分子体积,练 习 题 目,思考题,作业题:3、4、5,1.求解分子传质问题的基本方法是什么？2.“漂流因子”与总体流动有何关系？3.气体扩散系数与哪些因素有关？4.如何获得气体扩散系数与液

15、体扩散系数？,7.1 概述,第七章 传质与分离过程概论,7.2.1 分子传质（扩散）,7.2 质量传递的方式与描述,7.2.2 对流传质,1.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,一、涡流扩散现象,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,2.涡流扩散通量方程,涡流扩散系数，m2/s,kmol/(m2 s),一、涡流扩散现象,描述涡流扩散通量的方程为,涡流扩散通量,1.对流传质的类型,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。,二、对流传质,对流传质,自然对流传质,强制层流传质,强制

16、湍流传质,强制对流传质,2.对流传质的机理,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,二、对流传质,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,二、对流传质,2.对流传质速率方程,描述对流传质的基本方程对流传质速率方程。,对流传质系数，kmol/(m2sc),kmol/(m2 s),二、对流传质,对流传质速率方程,

17、对流传质通量,7.1 概述,第七章 传质与分离过程概论,7.2.1 分子传质（扩散）,7.2 质量传递的方式与描述,7.2.2 对流传质,7.2.3 相际间的传质,一、相际间的对流传质过程,设组分 A从气相传递到液相（如吸收），该过程由以下3步串联而成：,组分A从气相主体扩散到相界面；,在相界面上组分A由气相转入液相；,组分A由相界面扩散到液相主体。,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”。,一、相际间的对流传质过程,相际

18、间的传质,二、相际间对流传质模型,1.双膜模型,惠特曼(Whiteman)于1923年提出，最早提出的一种传质模型。,停滞膜模型（双阻力模型）,双膜模型示意图,播放动画32：双膜模型,停滞膜模型的要点,当气液两相相互接触时，在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A经过两膜层的传质方式 为分子扩散。,在气液相界面处，气液两相处于平衡状态，无 传质阻力。,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。,二、相际间对流传质模型,依据双膜模型，组分A通过气膜、液膜的扩散通量方程分别为,二、相际间对流传质模型,设对流传质

19、速率方程分别为,比较得,气膜对流传质系数,液膜对流传质系数,二、相际间对流传质模型,根据双膜模型，导出,停滞膜模型的模型参数,液膜厚度 zL,气膜厚度 zG,二、相际间对流传质模型,或,2.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,二、相际间对流传质模型,播放动画33：溶质渗透模型,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

20、扩 散方式不断地向液体单元中渗透。,二、相际间对流传质模型,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。,二、相际间对流传质模型,根据溶质渗透模型，可导出,二、相际间对流传质模型,设对流传质速率方程分别为,比较可得,溶质渗透模型的模型参数,暴露时间,二、相际间对流传质模型,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

21、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。,二、相际间对流传质模型,根据表面更新模型，可导出,二、相际间对流传质模型,设对流传质速率方程分别为,表面更新模型的模型参数,表面更新率,比较可得,二、相际间对流传质模型,7.1 概述,第七章 传质与分离过程概论,7.3.1 传质设备的分类与性能要求,7.2 质量传递的方式与描述,7.3 传质设备简介,一、传质设备的分类,传质设备,气液传质设备,按所处理物系相态分类,液液传质设备,气固传质设备,液固传质

22、设备,传质设备,按两相的接触方式分类,逐级接触式设备,微分接触式设备,按促使两相混合与接触动力分类,传质设备,无外加能量式设备,有外加能量式设备,二、传质设备的性能要求,单位体积中，两相的接触面积应尽可能大,对传质设备的基本要求,两相分布均匀，避免或抑制沟流、短路及返混等 现象发生,流体的通量大，单位设备体积的处理量大,流动阻力小，运转时动力消耗低,操作弹性大，对物料的适应性强,结构简单，造价低廉，操作调节方便，运行安全 可靠,7.1 概述,第七章 传质与分离过程概论,7.3.1 传质设备的分类与性能要求,7.2 质量传递的方式与描述,7.3 传质设备简介,7.3.2 典型的传质设备,一、板式

23、塔,板式塔为逐级接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。,板式塔的结构,1.壳体2.塔板3.溢流堰4.受液盘5.降液管,板式塔,液相,连续相,汽相,分散相,二、板式塔,筛孔塔板示意图,1.筛孔2.鼓泡层3.泡沫层4.降液管,填料塔为连续接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、液体分布器、填料支承板、塔填料、填料压板及液体再分布装置等部件构成。,1.塔壳体；2.液体分布器；3.填料压板；4.填料；5.液体再分布器；6.填料支承板。,填料塔结构示意图,填料塔,液相,连续相,气相,分散相,二、填料塔,与板式塔相比，填料塔具有以下特点：,生产能力大,侧线进料

24、和出料较难,压力降小，持液量小,操作弹性大,分离效率高,造价较高,易堵塞,二、填料塔,练 习 题 目,思考题,作业题:6、7、8,1.对流传质有哪些类型，其传质机理如何？2.提出对流传质模型的意义是什么？3.停滞膜模型，溶质渗透模型和表面更新模型的要 点是什么，各模型求得的传质系数与扩散系数有 何关系，其模型参数是什么？4.板式塔和填料塔的构造如何？,学 习 指 导,本章重点掌握的内容,第八章 气体吸收,通过本章学习，应掌握吸收的基本概念和吸收过程的平衡关系与速率关系；掌握低组成气体吸收的计算方法；了解吸收系数的获取途径和解吸过程的概念与计算方法；掌握填料塔的结构、填料的类型、填料塔的流体力学

25、性能与操作特性。,学习目的与要求,8.1 吸收过程概述,8.1.1 吸收的原理与流程,第八章 气体吸收,原料气AB,吸收剂S,尾气B(含微量A),溶液S+A,一、气体吸收的原理,吸收塔,形成两相体系的方法,引入一液相（吸收剂）,各组分在吸收剂中溶解度不同。,分离物系,气体混合物,传质原理,二、气体吸收的流程,吸收过程,吸收过程：溶质溶解于吸收剂中,逆流操作,解吸过程：溶质从溶液中释放出,并流操作,气体吸收过程在吸收塔中进行。,吸收,解吸,具有吸收剂再生的连续吸收流程,8.1 吸收过程概述,8.1.1 吸收的原理与流程,8.1.2 气体吸收的分类与应用,第八章 气体吸收,一、气体吸收的分类,气体

26、吸收,按被吸收组分数目,单组分吸收,按吸收有无化反,按溶质组成的高低,低组成吸收,多组分吸收,物理吸收,化学吸收,高组成吸收,气体吸收过程的分类方法,一、气体吸收的分类,气体吸收,按气液接触方式,常规吸收,按吸收的温度变化,膜基吸收,等温吸收,非等温吸收,本章讨论重点,单组分低组成的常规等温物理吸收过程。,二、气体吸收的工业应用,净化或精制气体,示例：合成氨工艺中合成气中的净化脱碳。,示例：用水吸收氯化氢气体制取盐酸。,回收混合气体中所需的组分,示例：用洗油处理焦炉气以回收芳烃。,工业废气的治理,示例：废气中含有SO2、H2S等有害气的脱除。,气体吸收的应用场合,制取某种气体的液态产品,8.1

27、 吸收过程概述,8.1.1 吸收的原理与流程,8.1.2 气体吸收的分类与应用,8.1.3 吸收剂的选择,第八章 气体吸收,吸收剂的选择,吸收剂选择的原则,溶解度,选择性,挥发度,黏度,其它,吸收剂对溶质组分的溶解度要大。,吸收剂应对溶质组分有较大溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微。,吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小。,吸收剂在操作温度下的黏度要低。,无毒、无腐蚀、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定。,8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.2.1 气体在液体中的溶解度,第八章 气体吸收,一、溶解度曲线,液体 S,气体（AB）,A 溶解,A 逸出,平衡

28、方程,达平衡状态时,气体在液体中的溶解度,气相分压,液相组成,在一定温度和压力下，令某气体混合物（AB）与液体 S 接触。,溶解度曲线,氨在水中的溶解度,400,50,易溶,二氧化硫在水中的溶解度,50,68,中等溶解度,氧在水中的溶解度,50,0.002,难溶,二、温度和压力对溶解度的影响,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。,压力的影响,注意,减压和升温,有利于吸收操作,有利于解吸操作,8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.2.1 气体在液体中的溶解度,8.2.2 亨

29、利定律,第八章 气体吸收,一、亨利定律的表达式,若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔分数x表示，亨利定律为,E 亨利系数，kPa,溶解度,亨利系数,1.p x关系,易溶气体,注意,难溶气体,E 小,E 大,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/(m3kPa),溶解度,溶解度系数,2.p c关系,一、亨利定律的表达式,易溶气体,注意,难溶气体,H 大,H 小,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,一、亨利定律的表达式,易溶气体,注意,难溶气体,m 小,m 大

30、,由,得,整理得,对于低组成吸收,1,简化得,一、亨利定律的表达式,4.Y X关系,亨利定律表达式可改写为以下形式：,一、亨利定律的表达式,二、各系数的换算关系,推导可得亨利定律表达式各系数间的关系如下：,EH 关系,Em 关系,Hm 关系,溶液密度,溶剂 S 的摩尔质量,8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.2.1 气体在液体中的溶解度,8.2.2 亨利定律,8.2.3 相平衡关系在吸收中的应用,第八章 气体吸收,一、判断传质进行的方向,设某瞬时，气相中溶质的实际组成为y，溶液中溶质的实际组成为x。,若,传质方向由气相到液相进行吸收过程,若,传质方向由液相到气相进行解吸过程

31、,二、确定传质的推动力,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,三、指明传质进行的极限,对于逆流吸收塔,液相出口最大组成,气相出口最低组成,X2,X1,Y1,Y2,8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.3 吸收过程的速率关系,第八章 气体吸收,8.3.1 膜吸收速率方程,一、气膜吸收速率方程,气膜内的吸收速率方程可表示为,气膜阻力,比较得,由道尔顿分压定律,一、气膜吸收速率方程,二、液膜吸收速率方程,液膜阻力,液膜内的吸收速率方程可表示为,比较得,由,二、液膜吸收速率方程,练 习 题 目,思考题,作业题:1、2,1.温度和压力对吸收过程的

32、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？,8.3 吸收过程的速率关系,8.3.1 膜吸收速率方程,一、气膜吸收速率方程,第八章 气体吸收,二、液膜吸收速率方程,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,三、界面组成的确定,界面组成的确定,8.3 吸收过程的速率关系,8.3.1 膜吸收速率方程,第八章 气体吸收,8.3.2 总吸收速率方程,一、以(p-p*)表示的总吸收速率方程,设吸收系统服从亨利定律或平衡关系在过程所涉及的浓度范围内为直线,根据双膜模型，相界面上两相互成平衡

33、,由此得,整理得,由,相加得,一、以(p-p*)表示的总吸收速率方程,令,则,KG,气相总吸收系数，kmol/(m2skPa),总阻力,液膜阻力,气膜阻力,气相总吸收速率方程式,一、以(p-p*)表示的总吸收速率方程,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,一、以(p-p*)表示的总吸收速率方程,设吸收系统服从亨利定律或平衡关系在过程所涉及的浓度范围内为直线,根据双膜模型，相界面上两相互成平衡,二、以(c*-c)表示的总吸收速率方程,由此得,整理得,由,相加得,二、以(c*-c)表示的总吸收速率方程,令,则,KL,液

34、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,二、以(c*-c)表示的总吸收速率方程,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过程的速率,液膜控制,二、以(c*-c)表示的总吸收速率方程,同理，可导出,Ky,气相总吸收系数，kmol/(m2s),气相总吸收速率方程式,三、以(y-y*)表示的总吸收速率方程,同理，可导出,Kx,液相总吸收系数，kmol/(m2s),液相总吸收速率方程式,四、以(x*-x)表示的总吸收速率方程,同理，可导出,KY,对于低浓度吸收,气相总吸收系数，kmol/(m2s),气相总吸收速率方

35、程式,五、以(Y-Y*)表示的总吸收速率方程,同理，可导出,KX,对于低浓度吸收,液相总吸收系数，kmol/(m2s),液相总吸收速率方程式,六、以(X*-X)表示的总吸收速率方程,8.3 吸收过程的速率关系,8.3.1 膜吸收速率方程,第八章 气体吸收,8.3.2 总吸收速率方程,8.3.3 吸收速率方程小结,吸收速率方程小结,使用吸收速率方程式应注意以下几点:,（1）上述的各种吸收速率方程式是等效的。采用任何吸收速率方程式均可计算吸收过程速率。,（2）任何吸收系数的单位都是kmol/(m2s单位推动力)。,（3）必须注意各吸收速率方程式中的吸收系数与吸收推动力的正确搭配及其单位的一致性。,

36、（4）上述各吸收速率方程式都是以气液组成保持不变为前提的，因此只适合于描述稳态操作的吸收塔内任一横截面上的速率关系，而不能直接用来描述全塔的吸收速率。在塔内不同横截面上的气液组成各不相同，其吸收速率也不相同。,（5）在使用与总吸收系数相对应的吸收速率方程式时，在整个过程所涉及的浓度范围内，平衡关系须为直线。,吸收速率方程小结,8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.3 吸收过程的速率关系,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,一、全塔物料衡算,在工业中，吸收操作多采用塔式设备，既可采用气液两相在塔内逐级接触的板式塔，也可采用气液两相在

37、塔内连续接触的填料塔。工业中以采用填料塔为主，故本节对于吸收过程计算的讨论结合填料塔进行。,逆流吸收塔的物料衡算,原料气：AB,吸收剂：S,尾气：B(含微量A),溶液：S+A,V(kmolB/s),Y1(kmolA/kmolB),L(kmolS/s),X2(kmolA/kmolS),L(kmolS/s),X1(kmolA/kmolS),m,n,Y,X,V(kmolB/s),Y2(kmolA/kmolB),填料塔,在吸收塔的两端面间，对溶质A作物料衡算,溶质A的吸收率,气体出塔时的组成Y2,一、全塔物料衡算,二、操作线方程与操作线,吸收塔内任一横截面上，气液组成Y与X之间的关系称为操作关系，描述

38、该关系的方程即为操作线方程。,在 m-n 截面与塔底端面之间对组分 A 进行衡算，可得,逆流吸收塔操作线方程,同理，在 m-n 截面与塔顶端面之间作组分 A 的衡算，得,操作线方程为直线,斜率,B(X1，Y1),T(X2，Y2),二、操作线方程与操作线,逆流吸收塔操作线方程,过点,塔底,塔顶,逆流吸收塔中的操作线,Y*=f(X),操作线,推动力,斜率（液气比）,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,8.4.2 吸收剂用量的确定,一、最小液气比,在吸收塔的计算中，通常气体处理量是已知的，而吸收剂的用量需通过工艺计算来确定。在气量一定的情况下，确定吸收剂

39、的用量也即确定液气比。,液气比 的确定方法是，先求出吸收过程的最小液气比，然后再根据工程经验，确定适宜（操作）液气比。,吸收塔的最小液气比,Y*=f(X）,最小液气比可用图解法求得：,一、最小液气比,最小液气比,最小溶剂用量,纯溶剂吸收,吸收塔的最小液气比（非正常曲线）,Y*=mX,二、适宜的液气比,操作费用,设备费用,填料层高度,根据生产实践经验，取,推动力,适宜液气比,适宜溶剂用量,处理量 一定,动力消耗,练 习 题 目,思考题,作业题:3、4、5,1.如何判断吸收过程是属于哪种过程控制？2.总吸收速率方程与膜吸收速率方程有何不同？3.何为吸收过程的操作线，操作线如何获得？4.吸收剂的用量

40、如何确定？,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,8.4.2 吸收剂用量的确定,8.4.3 塔径的计算,塔径的计算,工业上的吸收塔通常为圆柱形，故吸收塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算：,注意,计算塔径时，一般应以塔底的气量为依据。,计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速u。,吸收塔直径计算式,计算塔径时，采用操作状态下的数据。,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,8.4.2 吸收剂用量的确定,8.4.3 塔径的计算,8.4.4 吸收塔有效高度的计算,一、传质单元数法,1.基本计算公式,填料塔为连续接触

41、式设备，随着吸收的进行，沿填料层高度气液两相的组成均不断变化，塔内各截面上的吸收速率并不相同。为解决填料层高度的计算问题，需要对微元填料层进行物料衡算。,微元填料层的物料衡算,在微元填料层内对组分A作物料衡算：,填料总比表面积,填料润湿比表面积aW,填料有效比表面积a,一、传质单元数法,填料有效比表面积m2/m3,吸收塔截面积m2,由吸收速率方程式,代入可得,一、传质单元数法,整理可得,在全塔范围内积分,一、传质单元数法,填料层高度基本计算公式,2.传质单元高度与传质单元数,比较：换热器的换热管长度基本计算公式,一、传质单元数法,传热单元长度,传热单元数,传热单元长度,传热单元数,一、传质单元

42、数法,分析,令,气相总传质单元高度,气相总传质单元数,令,液相总传质单元高度,液相总传质单元数,一、传质单元数法,填料的有效比表面积 a 很难确定，通常将 KY a 及KX a 作为一体,kmol/(m3s),KX a,液相总体积吸收系数,KY a,气相总体积吸收系数,HOG 的物理意义,KY,NA,HOG,HOG 是反映吸收速率大小因数，HOG 越小，吸收速率越大。,一、传质单元数法,NOG 是反映吸收分离难易程度的因数，NOG 越大，吸收分离的难度越大。,Z,NOG,HOG 一定,吸收分离的难度,一、传质单元数法,NOG 的物理意义,3.传质单元数的求法,(1)解析法,脱吸因数法,设平衡关

43、系为,由操作线方程，可得,一、传质单元数法,直线关系,一、传质单元数法,由,代入得,令,脱吸因数为平衡线斜率与操作线斜率的比值。,一、传质单元数法,脱吸因数,则,积分并化简，可得,适用条件,一、传质单元数法,同理，可导出,吸收因数,吸收因数为操作线斜率与平衡线斜率的比值。,平衡关系为直线,计算填料层高度,计算尾气浓度,计算吸收剂用量,对数平均推动力法,由于,所以,一、传质单元数法,可导出,令,则,一、传质单元数法,对数平均推动力,同理，可导出,其中,一、传质单元数法,适用条件,平衡关系为直线,若,一、传质单元数法,或,则,或,可用算术平均值代替对数平均值,(2)数值积分法,辛普森(Simpso

44、n)数值积分法,一、传质单元数法,适用条件,平衡关系为曲线,二、等板高度法,1.基本计算式,等板高度法是依据理论级的概念来计算填料层高度，故又称为理论级模型法。,设填料层由N级组成，在每一级上气液两相密切接触，溶质组分由气相向液相转移。若离开某一级时，气液两相的组成达到平衡，则称该级为一个理论级。,吸收塔的理论级模型,Ym,Xm,平衡关系,Ym1,Xm,操作关系,设完成指定分离任务所需理论级为NT，则所需的填料层高度可按下式计算：,填料层等板高度的意义：分离效果与一个理论级的作用相当的填料层高度。,二、等板高度法,理论级数,等板高度,2.理论级数的确定,(1)逐级计算法,设 平衡关系,(a),

45、操作关系,(b),二、等板高度法,由 YI=Y2,XI,Y,X,Y,XN,YN+1,Y1,二、等板高度法,(a),(b),(a),(a),(a),(b),(b),逐级计算过程如下,(2)梯级图解法,梯级图解法求理论级数的具体步骤是：首先在直角坐标系中标绘出操作线及平衡关系曲线，然后，在操作线与平衡线之间，从塔顶(或塔底)开始逐次画阶梯直至与塔底(或塔顶)的组成相等或超过此组成为止。如此所画出的阶梯数，就是吸收塔所需的理论级数。,二、等板高度法,Y*=f(X),梯级图解法求NT,1,2,3,4,5,NT=5,练 习 题 目,思考题,作业题:6、7、8,1.传质单元高度和传质单元数有何物理意义？2

46、.气相总体积吸收系数与气相总吸收系数有何不同 之处？3.脱吸因数和吸收因数有何物理意义？4.吸收塔计算中的理论级表示何种含义？5.填料层的等板高度表示何种含义？,8.4 低组成气体吸收的计算,8.4.1 物料衡算与操作线方程,第八章 气体吸收,8.4.2 吸收剂用量的确定,8.4.3 塔径的计算,8.4.4 吸收塔有效高度的计算,一、传质单元数法,二、等板高度法,(3)解析法,(克列姆塞尔法),依次使用操作线方程和平衡方程，经推导可得,平衡关系,操作关系,二、等板高度法,克列姆塞尔方程,溶质的吸收率,溶质的最大吸收率,溶质的相对吸收率,代入整理得,二、等板高度法,克列姆塞尔方程,克列姆塞尔算图

47、,进一步整理得,整理可得,或,二、等板高度法,克列姆塞尔方程,NT,关系曲线图,8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.3 吸收过程的速率关系,8.4 低组成气体吸收的计算,第八章 气体吸收,8.5 吸收系数,吸收系数是吸收过程计算的关键。吸收系数不仅与物性、设备类型、填料形状和规格等有关，而且还与塔内流体流动状况、操作条件密切相关。,吸收系数的获取途径,实验测定,经验公式计算,准数关联式计算,获取吸收系数途径,8.1 吸收过程概述,8.2 吸收过程的相平衡关系,8.3 吸收过程的速率关系,8.4 低组成气体吸收的计算,8.5.1 吸收系数的测定,第八章 气体吸收,8.5 吸收

48、系数,一、实验装置与流程,实验测定是获得吸收系数的根本途径。实验测定一般在已知内径和填料层高度的中间实验设备上或生产装置上进行，用实际操作的物系，选定一定的操作条件进行实验。,水吸收氨过程吸收系数的测定实验流程,二、测定方法,测定数据：,计算进塔气体组成 Y1,操作温度 t,操作压力 P,出塔气体组成 Y2,出塔液体组成 X1,空气流量,水流量,氨气流量,总体积吸收系数KY a 计算公式：,三、吸收系数的计算,8.5.1 吸收系数的测定,第八章 气体吸收,8.5 吸收系数,8.5.2 吸收系数的经验公式(选读),8.5.3 吸收系数的准数关联式,一、准数关联式中常用的准数,1.施伍德(Sher

49、wood)数,气相施伍德数,液相施伍德数,施伍德数为量纲为一的吸收系数,特征尺寸,2.施密特(Schmidt)数,气相施密特数,液相施密特数,施密特数反映物性对吸收过程的影响,一、准数关联式中常用的准数,3.雷诺(Reynolds)数,气相雷诺数,液相雷诺数,一、准数关联式中常用的准数,填料层当量直径,一、准数关联式中常用的准数,填料层空隙率,填料比表面积,填料塔中气相雷诺数,一、准数关联式中常用的准数,空塔气速,实际气速,G,气相空塔质量速度，kg/(m2s),填料塔中液相雷诺数,一、准数关联式中常用的准数,W,液相空塔质量速度，kg/(m2s),雷诺数反映流动状况对吸收过程的影响,4.伽利

50、略(Gallilio)数,伽利略数,伽利略数反映重力对吸收过程的影响,一、准数关联式中常用的准数,重力加速度,液相在填料塔内靠重力下流，故与重力场有关。,5.彼克列(Peclet)数,气相彼克列数,彼克列数反映混合特性对吸收过程的影响,液相彼克列数,一、准数关联式中常用的准数,填料塔内存在气、液两相的返混。,传质效率降低,气膜吸收系数的准数关联式,液膜吸收系数的准数关联式,吸收系数的准数关联式公式(选读),二、吸收系数的准数关联式,第八章 气体吸收,8.5 吸收系数,8.6 其他吸收与解吸,8.6.1 其他吸收过程(选读),8.6.2 解吸(脱吸),一、解吸的原理与应用,吸收,解吸,气相中的溶