传质概述 - 化工原理第三版王志魁编课程课件

CA xAC
A wA
5．CA 与 A 的关系？
CA

A
MA
6．对理想气体，C 与 p 的关系？y 与 p？ρ与 p？
CA

nA V

RT
C n P V RT
yA

nA n

pA P
A

mA V

M AnA V

pA M A RT
通用气体常数 R 8314J / kmol K
对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；
对于液体中的扩散，浓度的影响可以忽略，而压强的影响
不显著。
物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借助于 经验或半经验公式进行计算。
等摩尔的逆向扩散公式p213
与传热单层平壁的公式类似，有
NA

D RTz
(
pA1
p A2 )

D Z
(CA1 CA2 )
x A (或y A )

nA n
摩尔比
X A (或YA）
nA nB
摩尔浓度混合物C A总摩nV尔A 浓，度kCmol/mn3 V
质量分率
wA

mA m
质量比
X mA mB
质混量合浓物度总质量 浓A 度mVA，mkg/m3
V
对气体，还可以用 pA 表示浓度
思考： 1． 双组分均相物系（A、B）的摩尔分率之和等于多少？ 质量分率之和呢？
将其与实际组成比较 ：x 0.05 x* 0.1
∴气液相接触时，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。 或者利用相平衡关系确定与实际液相组成成平衡的气相组成
y* 0.94x 0.94 0.05 0.047
将其与实际组成比较：y 0.094 y* 0.047
∴氨从气相转入液相，发生吸收过程。
1、判断过程的方向
例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的气液相平衡关系为 ：
y* 0.94x ，若含氨0.094摩尔分数的混合气和组成 xA 0.05 的氨水接触,确定过程的方向。
解： 用相平衡关系确定与实际气相组成 y 0.094
成平衡的液相组成
x* y / 0.94 0.1

H EM
——溶液的密度, kg/m3 ； M——溶液的平均分子量, kg/kmol
(2) 溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率
x、y表示
y*=m·x
式中： x——溶质在液相中的摩尔分率； y*——与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率； m——相平衡常数,无因次。
m=E/P
上式中P为系统总压，ｍ值越大，表示溶解度越小。
溶解度只取决于溶质在气相中的分压
吸收剂、温度T、P 一定时，不同物质的溶解度不同。 温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物 质越难溶。 对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度 越小。 对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解 度越大。
结论： 加压和降温对吸收操作有利；反之，
升温和减压有利于解吸。
2、计算过程的推动力
当气液相的组成均用摩尔分数表示时，吸收的推动力可 表示为：
y y*：以气相组成差表示的吸收推动力； x* x：以液相组成差表示的吸收推动力。
3、确定过程的极限
所谓过程的极限是指两相充分接触后，各相组成变化的 最大可能性。
增加塔高 组成为y1的混合气 减少吸收剂用量 塔底 x1增加
组成为： x1max

x1*

y1 m
组成为y1的混合气
增加塔高 增加吸收剂用量
塔顶y2降低
组成为：y2min y2* mx2
极限 极限
计算过程推动力与极限图
Y
G Y2
L X2
Y
吸收塔
Y`*
Y* Y`
(X,Y)
X*-X
Y`*-Y Y-Y*
X`-X`*
(X`,Y`)
G Y1 L X1
X`* X X` X* X
气 — 液系统：如吸收、解吸等单元操作
液 汽
— —
液系统 液系统
： ：
如蒸馏、 如液液萃
精 取
馏操 作 操作
液 — 固系统：如结晶、浸取操作 气 — 固系统：如干燥操作 pG
相界面
气相 （乙醇-水）
乙醇
水
气相主体
pi
Ci 液相（乙醇-水）
水 液相主体
传质方向 CL
蒸馏
空气+氨气 吸收
四．传质方式
分 子 扩 散 ： 静 止 的 或 层流 流 动 的 流 体 中 ，
传
质
方
式对
流
传
质
：
靠分子运动来 在 湍 流 流 动中 ，
进
行
传
质的
方
式

靠 流 体 质 点 的 脉 动 来 进行 传 质 的 方 式
第六章 吸 收
重点：双膜理论、传质基本方程、操作线方程 难点：双膜理论
2、亨利定律
当总压不高（<5×105Pa）时，在一定温度下，稀溶液上方 溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：
p* =E·x
式中: p* ---------溶质在气相中的平衡分压, kPa； x----------溶质在液相中的摩尔分率 E----------享利系数， kPa
上式表示溶液的浓度低于一定数值时溶质的平衡分压与它 在溶液中的摩尔分率成正比。亨利系数E值较大表示溶解度较 小。一般E值随温度的升高而增大。
第一节 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，使气体中的某 一或某些组分溶于液体的操作。吸收是分离气体混合物的重要 单元操作之一。表示方法 A、B、S
1 吸收操作的类型
(1) 按吸收过程是否发生化学反应分类：物 理吸收、化学吸收
(2) 按吸收过程中体系的温度变化分类：等 温吸收、非等温吸收
分子扩散：依靠分子的无规则热运动，主要发生在静止或
层流流体中。
对流扩散：依靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质，主要
发生在湍流流体中。
一、分子扩散与费克定律
1 分子扩散
A
BB
AA
BB
分子扩散：在一相内部存在浓度差或浓度梯度的情况下，由于分子的无规 则运动而导致的物质传递现象。分子扩散是物质分子微观运动的结果。
亨利定律的其它形式
(1) 气相用平衡分压，液相用物质的量浓度
表示
p* =C/H
式中： C——液相中溶质的摩尔浓度, kmol/m3 ; H——溶解度系数, kmol/m·kN;
在亨利定律适用的范围内,H是温度的函数,而与Pe或C无关。 对于一定的溶质和溶剂，H值一般随温度升高减小。易溶气体 H值较大，难溶气体H值较小。
(3) 按被吸收组分的数目分类：单组分吸收、 多组分吸收
2 吸收操作流程：用乙醇胺除去合成氨工艺中的co2
二、 气—液相平衡关系
1、平衡分压和平衡溶解度：
在一定温度下,使某一定量气体与一定量液体溶剂在密 闭容器中接触,溶质向溶剂中转移。经过足够长的时间, 气、液相浓度不在改变,宏观上传质过程停止,达成平 衡。微观上是气体进出液体的分子数相等,故称相际动 平衡,简称相平衡。
2．xA 与 wA 的关系？ x A xB 1 w A w B 1
wA

xAM A
xAM A xBM B

xA

wA
/
M
wA /MA A wB /MB

3．双组分均相物系中，x 与 X 的关系？
x X 1 X
X x 1 x
4．xA 与 CA 的关系？wA 与 A 的关系？
传质概述
分离过程包括非均相混合物的分离（机械分离）和均 相物质的分离（传质分离）。
机械分离：过滤、沉降等 传质分离：吸收、蒸馏、干燥、萃取、膜分离等
在含有两个或两个以上组分的混合体系中， 如果存在浓度梯度，某一组分（或某些组分） 将有高浓度区向地浓度区移动的趋势，该移动 过程称为传质过程。
一、化工生产中的传质过程
第二节 物质传递机理
物质传递的三个步骤：
1 扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）； 2 在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；
3 进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的 扩散）；
界面
气相 组分 主体
组分
液相 主体
物质在单相中的扩散
物质在单相中的传递靠扩散，发生在流体中的扩 散有分子扩散和对流扩散两种。
(3) 对于低浓度气体吸收，两相的组成通常用物质的量 比来表示
液相中溶质的摩尔数 X 液相中溶剂的摩尔数
x 1 x
Y

气相中溶质的摩尔数 气相中惰性组分的摩尔
数

y 1
y
Y* mX 1 (1 m) X
当溶液浓度很低时,上式右端分母约等于1,于是上式可简化为:
Y*=mX
三、用气液平衡关系分析吸收过程
扩散通量：单位时间内单位面积上扩散传递的 物质量，其单位为mol/(m2·s)。
2 费克（Fick）定律
当物质A在介质B中发生扩散时，任一点处物质A的扩散通 量与该位置上A的浓度梯度成正比，即：
JA

DAB
dCA dz
式中 JA——物质A在z方向上的分子扩散通量，kmol/(m2s)，与书一致， 我们也叫传递速率
变小，曲线逐渐平缓。
湍流主体 主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合作
用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。
延长滞流内层的分压线和气相主体 的分压线交于H点， 此点与相界面的距离为zG， 在zG以内的流动为滞流，其物质 传递纯属分子扩散，此虚拟的膜层称为有效滞流膜。