傳質(zhì)概述-化工原理第三版編課程課件

在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，如果存在濃度梯度，某一組分（或某些組分）將有高濃度區(qū)向地濃度區(qū)移動的趨勢，該移動過程稱為傳質(zhì)過程。

分離過程包括非均相混合物的分離（機(jī)械分離）和均相物質(zhì)的分離（傳質(zhì)分離）。機(jī)械分離：過濾、沉降等傳質(zhì)分離：吸收、蒸餾、干燥、萃取、膜分離等傳質(zhì)概述在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，如果存在濃1一、化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程一、化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程2二、相平衡與熱平衡不同之處：▲達(dá)到相平衡時，一般兩相濃度不相等。▲達(dá)到相平衡時，傳質(zhì)過程仍在進(jìn)行，只不過通過相界面的某一組分的凈傳質(zhì)量為零，因此屬動態(tài)平衡。二、相平衡與熱平衡不同之處：3三、相組成的表示方法三、相組成的表示方法4傳質(zhì)概述---化工原理第三版編課程課件5傳質(zhì)概述---化工原理第三版編課程課件6四．傳質(zhì)方式四．傳質(zhì)方式7重點：雙膜理論、傳質(zhì)基本方程、操作線方程難點：雙膜理論第六章吸收重點：雙膜理論、傳質(zhì)基本方程、操作線方程第六章吸8

第一節(jié)氣體吸收

一、吸收的定義

吸收是氣體混合物與作為吸收劑的液體接觸，使氣體中的某一或某些組分溶于液體的操作。吸收是分離氣體混合物的重要單元操作之一。表示方法A、B、S

第一節(jié)氣體吸收

一、吸收的定義

吸91吸收操作的類型(1)按吸收過程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分類：物理吸收、化學(xué)吸收(2)按吸收過程中體系的溫度變化分類：等溫吸收、非等溫吸收(3)按被吸收組分的數(shù)目分類：單組分吸收、多組分吸收1吸收操作的類型(1)按吸收過程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分類：102吸收操作流程：用乙醇胺除去合成氨工藝中的co22吸收操作流程：用乙醇胺除去合成氨工藝中的co211二、氣—液相平衡關(guān)系1、平衡分壓和平衡溶解度：在一定溫度下,使某一定量氣體與一定量液體溶劑在密閉容器中接觸,溶質(zhì)向溶劑中轉(zhuǎn)移。經(jīng)過足夠長的時間,氣、液相濃度不在改變,宏觀上傳質(zhì)過程停止,達(dá)成平衡。微觀上是氣體進(jìn)出液體的分子數(shù)相等,故稱相際動平衡,簡稱相平衡。達(dá)到平衡時,氣相中溶質(zhì)的壓力稱當(dāng)時條件下的平衡分壓p,而液相中所含溶質(zhì)氣體的濃度即為當(dāng)時條件下的氣體在液體中的溶解度。氣體在液體中的溶解度Ca表明一定條件下吸收過程可能達(dá)到的極限程度二、氣—液相平衡關(guān)系1、平衡分壓和平衡溶解度：12氣體在液體中的溶解度（204頁）(1)同一種氣體：在一定溫度下，氣體組分的溶解度隨該組分在氣相中的平衡分壓的增大而增大；而在相同平衡分壓條件下，氣體組分的溶解度則隨溫度的升高而減小。氣體在液體中的溶解度（204頁）(1)同一種氣體：在一定溫13傳質(zhì)概述---化工原理第三版編課程課件14傳質(zhì)概述---化工原理第三版編課程課件152)不同的氣體：根據(jù)上面的三個圖，在同一溫度，同一分壓條件下，NH3、SO2、O2溶解度依次減小。所以，對于不同種類的氣體組分，欲得到相同濃度的溶液，易溶氣體僅需控制較低的分壓，而難溶氣體則需較高分壓。2)不同的氣體：根據(jù)上面的三個圖，在同一溫度，同一分壓條件163)總壓的影響問題：欲吸收空氣中的氨氣，設(shè)法增大其中空氣的物質(zhì)的量，氨氣的溶解度受到怎樣影響。那么整個氣體體積縮小呢？溶解度只取決于溶質(zhì)在氣相中的分壓3)總壓的影響溶解度只取決于溶質(zhì)在氣相中的分壓17結(jié)論：加壓和降溫對吸收操作有利；反之，升溫和減壓有利于解吸。吸收劑、溫度T、P一定時，不同物質(zhì)的溶解度不同。

溫度、溶液的濃度一定時，溶液上方分壓越大的物質(zhì)越難溶。對于同一種氣體，分壓一定時，溫度T越高，溶解度越小。對于同一種氣體，溫度T一定時，分壓P越大，溶解度越大。結(jié)論：加壓和降溫對吸收操作有利；反之，升溫和減壓有利于解吸18當(dāng)總壓不高（<5×105Pa）時，在一定溫度下，稀溶液上方溶質(zhì)的平衡分壓與其在液相中的濃度之間存在著如下的關(guān)系：上式表示溶液的濃度低于一定數(shù)值時溶質(zhì)的平衡分壓與它在溶液中的摩爾分率成正比。亨利系數(shù)E值較大表示溶解度較小。一般E值隨溫度的升高而增大。p*

=E·x

式中:p*

---------溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓,kPa；

x----------溶質(zhì)在液相中的摩爾分率

E----------享利系數(shù)，kPa2、亨利定律

當(dāng)總壓不高（<5×105Pa）時，在一定溫度下19

——溶液的密度,kg/m3；M——溶液的平均分子量,kg/kmol

p*

=C/H式中：C——液相中溶質(zhì)的摩爾濃度,kmol/m3;

H——溶解度系數(shù),kmol/m·kN;在亨利定律適用的范圍內(nèi),H是溫度的函數(shù),而與Pe或C無關(guān)。對于一定的溶質(zhì)和溶劑，H值一般隨溫度升高減小。易溶氣體H值較大，難溶氣體H值較小。亨利定律的其它形式

(1)氣相用平衡分壓，液相用物質(zhì)的量濃度表示

——溶液的密度,kg/m3；M——溶20y*=m·x

式中：x——溶質(zhì)在液相中的摩爾分率；

y*——與該液相成平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分率；

m——相平衡常數(shù),無因次。

m=E/P

上式中P為系統(tǒng)總壓，ｍ值越大，表示溶解度越小。(2)溶質(zhì)在液相和氣相中的濃度分別用摩爾分率x、y表示y*=m·x

式中：x——溶質(zhì)在液相中21當(dāng)溶液濃度很低時,上式右端分母約等于1,于是上式可簡化為:Y*=mX

(3)對于低濃度氣體吸收，兩相的組成通常用物質(zhì)的量比來表示當(dāng)溶液濃度很低時,上式右端分母約等于1,于是上式可簡化為:22三、用氣液平衡關(guān)系分析吸收過程

1、判斷過程的方向

例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的氣液相平衡關(guān)系為：，若含氨0.094摩爾分?jǐn)?shù)的混合氣和組成

的氨水接觸,確定過程的方向。解：

用相平衡關(guān)系確定與實際氣相組成

成平衡的液相組成

三、用氣液平衡關(guān)系分析吸收過程1、判斷過程的方向23將其與實際組成比較：

∴氣液相接觸時，氨將從氣相轉(zhuǎn)入液相，發(fā)生吸收過程?；蛘呃孟嗥胶怅P(guān)系確定與實際液相組成成平衡的氣相組成將其與實際組成比較：

∴氨從氣相轉(zhuǎn)入液相，發(fā)生吸收過程。若含氨0.02摩爾分?jǐn)?shù)的混合氣和

x=0.05的氨水接觸，則

將其與實際組成比較：∴氣液相接觸時，氨將從氣相轉(zhuǎn)入液相，24氣液相接觸時，氨由液相轉(zhuǎn)入氣相，發(fā)生解吸過程。此外，用氣液相平衡曲線圖也可判斷兩相接觸時的傳質(zhì)方向具體方法：已知相互接觸的氣液相的實際組成y和x，在x-y坐標(biāo)圖中確定狀態(tài)點，若點在平衡曲線上方，則發(fā)生吸收過程；若點在平衡曲線下方，則發(fā)生解吸過程。

氣液相接觸時，氨由液相轉(zhuǎn)入氣相，發(fā)生解吸過程。252、計算過程的推動力

當(dāng)氣液相的組成均用摩爾分?jǐn)?shù)表示時，吸收的推動力可表示為：

以氣相組成差表示的吸收推動力；以液相組成差表示的吸收推動力。

3、確定過程的極限

所謂過程的極限是指兩相充分接觸后，各相組成變化的最大可能性。

2、計算過程的推動力當(dāng)氣液相的組成均用摩爾26組成為y1的混合氣

增加塔高

減少吸收劑用量

塔底

x1增加

極限

組成為：組成為y1的混合氣增加塔高

增加吸收劑用量塔頂y2降低極限

組成為：組成為y1的混合氣增加塔高減少吸收劑用量塔底x1增加27計算過程推動力與極限圖吸收塔GY1LX1GY2LX2(X,Y)X*-XY-Y*(X`,Y`)XYXYY*X*Y`*X`Y`X`*Y`*-YX`-X`*計算過程推動力與極限圖吸收塔GY1LX1GY2L28界面氣相主體組分組分液相主體1擴(kuò)散物質(zhì)從一相的主體擴(kuò)散到兩相界面（單相中的擴(kuò)散）；2在界面上的擴(kuò)散物質(zhì)從一相進(jìn)入另一相（相際間傳質(zhì)）；3進(jìn)入另一相的擴(kuò)散物質(zhì)從界面向該相的主體擴(kuò)散（單相中的擴(kuò)散）；物質(zhì)傳遞的三個步驟：第二節(jié)物質(zhì)傳遞機(jī)理界面氣相主體組分組分液相主體1擴(kuò)散物質(zhì)從一相的主體擴(kuò)散到兩29物質(zhì)在單相中的傳遞靠擴(kuò)散，發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有分子擴(kuò)散和對流擴(kuò)散兩種。分子擴(kuò)散：依靠分子的無規(guī)則熱運動，主要發(fā)生在靜止或?qū)恿髁黧w中。

對流擴(kuò)散：依靠流體質(zhì)點的湍動和旋渦而傳遞物質(zhì)，主要發(fā)生在湍流流體中。

物質(zhì)在單相中的擴(kuò)散物質(zhì)在單相中的傳遞靠擴(kuò)散，發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有分子30

A

BAB

A

BAB分子擴(kuò)散：在一相內(nèi)部存在濃度差或濃度梯度的情況下，由于分子的無規(guī)則運動而導(dǎo)致的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。分子擴(kuò)散是物質(zhì)分子微觀運動的結(jié)果。擴(kuò)散通量：單位時間內(nèi)單位面積上擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量，其單位為mol/(m2·s)。一、分子擴(kuò)散與費克定律

1分子擴(kuò)散ABABABAB分子擴(kuò)散31式中JA——物質(zhì)A在z方向上的分子擴(kuò)散通量，kmol/(m2s)，與書一致，我們也叫傳遞速率

dCA/dz——物質(zhì)A的濃度梯度，kmol/m4

DAB——物質(zhì)A在介質(zhì)B中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

負(fù)號——表示擴(kuò)散是沿著物質(zhì)A濃度降低的方向進(jìn)行的。當(dāng)物質(zhì)A在介質(zhì)B中發(fā)生擴(kuò)散時，任一點處物質(zhì)A的擴(kuò)散通量與該位置上A的濃度梯度成正比，即：2費克（Fick）定律試分析與傅立葉定律以及牛頓粘性定律的區(qū)別及聯(lián)系。式中JA——物質(zhì)A在z方向上的分子擴(kuò)散通量，kmol32費克定律

費克定律的其它表達(dá)形式：費克定律費克定律的其它表達(dá)形式：33分子擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的特征系數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能力；擴(kuò)散系數(shù)取決于擴(kuò)散質(zhì)和介質(zhì)的種類及溫度等因數(shù)。對于氣體中的擴(kuò)散，濃度的影響可以忽略；對于液體中的擴(kuò)散，濃度的影響可以忽略，而壓強(qiáng)的影響不顯著。物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)可由實驗測得，或查有關(guān)資料，或借助于經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。3、分子擴(kuò)散系數(shù)分子擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的特征系數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能力34等摩爾的逆向擴(kuò)散公式p213與傳熱單層平壁的公式類似，有

等摩爾的逆向擴(kuò)散公式p213與傳熱單層平壁的公式類似，有35對流傳質(zhì)是指發(fā)生在運動著的流體與相界面之間的傳質(zhì)過程。在實際生產(chǎn)中，傳質(zhì)操作多發(fā)生在流體湍流的情況下，此時的對流傳質(zhì)是湍流主體與相界面之間的渦流擴(kuò)散與分子擴(kuò)散兩種傳質(zhì)作用的總和。以濕壁塔吸收為例：吸收劑沿壁面自上而下流動，混合氣體自下而上流過液體表面。考察穩(wěn)定操作狀況下吸收塔設(shè)備任一截面m-n處相界面的氣相一側(cè)溶質(zhì)A濃度分布情況。二、單項內(nèi)的對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)是指發(fā)生在運動著的流體與相界面之間的傳質(zhì)過程。在實際36液相mn相界面氣相滯流內(nèi)層氣相0z?GzG距離zpHpi氣相分壓p氣相有效膜層厚度滯流內(nèi)層厚度液相mn相界面氣相滯流內(nèi)層氣相0z?Gz37

流體主體與相界面之間存在三個流動區(qū)域，即湍流主體、過度層和滯流層。過渡層同時存在分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散，分壓梯度逐漸變小，曲線逐漸平緩。滯流層溶質(zhì)的傳遞主要依靠分子擴(kuò)散作用，由于D值較小，在該區(qū)域內(nèi)分壓梯度較大，曲線陡峭。湍流主體主要依靠渦流擴(kuò)散，大量旋渦引起的混合作用使得氣相主體內(nèi)溶質(zhì)的分壓趨于一致，分壓線為直線。流動區(qū)域流體主體與相界面之間存在三個流動區(qū)域，即湍流主38

延長滯流內(nèi)層的分壓線和氣相主體的分壓線交于H點，此點與相界面的距離為zG，在zG以內(nèi)的流動為滯流，其物質(zhì)傳遞純屬分子擴(kuò)散，此虛擬的膜層稱為有效滯流膜。

整個有效滯流層的傳質(zhì)推動力為氣相主體與相界面處的分壓之差，即全部傳質(zhì)阻力都包含在有效滯流膜層內(nèi)。

延長滯流內(nèi)層的分壓線和氣相主體的分壓線交39

由氣相主體至相界面的對流傳質(zhì)速率為（按有效滯流膜層內(nèi)的分子擴(kuò)散速率計算）式中NA——溶質(zhì)A的對流傳質(zhì)速率，kmol/(m2s)；

zG——氣相有效滯流膜層厚度,m；

kG——氣膜吸收系數(shù)；

p——氣相主體中溶質(zhì)A的分壓,kPa；

pi——相界面處溶質(zhì)A的分壓,kPa；

pBM——惰性組分B在氣相主體中與相界面處的分壓的對數(shù)平均值,kPa；由氣相主體至相界面的對流傳質(zhì)速率為（按有效滯流40在液相中的傳質(zhì)速率為式中zL——液相有效滯流膜層厚度，m；C——液相主體中的溶質(zhì)A濃度，kmol/m3；ci——相界面處的溶質(zhì)A濃度，kmol/m3；cSm——溶劑S在液相主題與相界面處的濃度的對數(shù)均值，kmol/m3；kL——液膜吸收系數(shù)或液膜傳質(zhì)系數(shù)在液相中的傳質(zhì)速率為式中zL——液相有效滯流膜層厚度，m41當(dāng)氣液兩相接觸時，兩相之間有一個相界面，在相界面兩側(cè)分別存在著呈層流流動的穩(wěn)定膜層（有效層流膜層）。溶質(zhì)必須以分子擴(kuò)散的形式連續(xù)的通過這兩個膜層，膜層的厚度主要隨流速而變，流速愈大厚度愈小。在相界面上氣液兩相相互成平衡。在膜層以外的主體內(nèi)，由于流體的充分湍動，溶質(zhì)的濃度分布均勻，可認(rèn)為兩相主體中的濃度梯度為零，即濃度梯度全部集中在兩個有效膜層中。用雙膜理論解釋具有固定相界面的系統(tǒng)及速度不高的兩流體間的傳質(zhì)過程（如濕壁塔），與實際情況是大致相符合的。相間傳質(zhì)：雙膜理論（two-filmtheory）當(dāng)氣液兩相接觸時，兩相之間有一個相界面，在相界面兩側(cè)分別存在42pAcA

pA,i

cA,i氣膜液膜相界面氣相主體液相主體傳質(zhì)方向圖雙膜理論示意圖溶質(zhì)A在氣相中的分壓溶質(zhì)A在液相中的摩爾濃度pAcApA,icA,i氣膜液膜相界面氣相主體液相主體傳43

三、吸收速率方程

吸收過程中的吸收速率是指單位時間內(nèi)，在單位面積上被吸收的溶質(zhì)量。表明吸收速率與吸收推動力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式稱為吸收速率方程。

1氣膜吸收速率方程式

2液膜吸收速率方程式

三、吸收速率方程

吸收過程中的吸收速44吸收過程的總推動力可采用任何一相的主體濃度與其平衡濃度的差值來表示。(1)以（p-p*

）表示總推動力雙膜理論：pi=ci/H亨利定律：p*

=c/H

液相吸收速率方程NA=kL(ci-c)NA=kLH(pi-p*)氣相吸收速率方程NA=kG(p-pi)代入3總吸收速率方程吸收過程的總推動力可采用任何一相的主體濃度與其平衡45代入過程1以（p-p*）表示總推動力的吸收速率方程KG:氣相吸收總系數(shù),單位:kmol/（m2·s·kPa）代入過程1以（p-p*）表示總推動力的吸收速率方程K462以(c*-c)表示總推動力的總吸收速率方程

KL:液相吸收總系數(shù),單位:m/sKG=H·KL同理可有：2以(c*-c)表示總推動力的總吸收速率方程KL:液相吸473、氣膜控制與液膜控制對于易溶氣體,H很大,1/kG>>1/kLH，則KG=kG吸收阻力主要集中在氣膜中,這種吸收稱為氣膜控制。例如:用水吸收氨,氯化氫氣體對于難溶氣體,H很小,H/kG<<1/kL,，則KL=kL這種吸收稱為液膜控制吸收,吸收阻力主要控制在液膜例如:用水吸收氧氣,二氧化碳等3、氣膜控制與液膜控制對于難溶氣體,H很小,H/kG<<148

ｐ、ｃ為推動力Ｙ、Ｘ為推動力ｙ、ｘ為推動力氣膜

NA=KG(p-pi)

NA=kY(Y-Yi)kY=PkG/(1+Y)(1+Yi)NA=ky(y-yi)ky=PkG液膜

NA=kL(Ci-C)NA=kX(Xi-X)kX=kLC/(1+Xi)(1+X)NA=kX(xi-X)kX=CkL氣相NA=KG(P-Pe)KG=1/(1/kG+1/HkL)

氣膜控制

KG=kG

NA=KY(Y-Ye)KY=PKG/(1+Y)(1+Ye)KY=1/(1/kY+m/kX)氣膜控制時KY=kY

NA=Ky(y-ye)Ky=PKGKy=1/(1/ky+m/kX)氣膜控制時Ky=ky

液相

NA=KL(Ce-C)

KL=1/(H/kG+1/kG)液膜控制時KL=kL

NA=KX(Xe-X)

KX=KL./(1+Xe)(1+X)

KX=1/(1/mky+1/kx)液膜控制時KX=kX

NA=Kx(xe-x)Kx=CKL

Kx=1/(1/mky+1/kx)

液膜控制時Kx=kx

傳質(zhì)速率方程式的各種形式

ｐ、ｃ為推動力Ｙ、Ｘ為推動力ｙ、ｘ為推動49建立和不斷更新兩相接觸表面，使之具有盡可能大的接觸面積和盡可能好的流體力學(xué)條件，以利于提高吸收速率，減少設(shè)備的尺寸，同時，氣體通過設(shè)備的阻力要小，以節(jié)省動力消耗。五、吸收塔簡介

1吸收設(shè)備的作用建立和不斷更新兩相接觸表面，使之具有盡可能大的接50液體分布器氣體出口液體入口塔殼填料液體再分布器支承柵板氣體入口液體出口2填料塔的結(jié)構(gòu)與操作液體分布器氣體出口液體入口塔殼填料液體再分布器支承柵板氣體入51習(xí)題1蒸汽管道的外徑為壁面220mm,其上覆蓋一層厚為200mm的保溫層。蒸汽管外表面溫度為177℃，保溫層外表面溫度為40

℃，保溫材料λ=0.52+9×10-4t(w/m·℃)。求每米管長之熱損失。解：分離變量積分習(xí)題1蒸汽管道的外徑為壁面220mm,其上覆蓋一52習(xí)題2（傳熱綜合問題）在1m長的套管換熱器中用熱水將管內(nèi)的果汁從t1=10

℃加熱至t2=50

℃，熱水從進(jìn)口溫度T1=98

℃降至T2=68

℃，兩流體并流流動，求（1）欲將果汁加熱至t?2=60℃，管長需增加多少米？（2）若改用逆流操作后管長增加多少米？（上述各工況下熱水、果汁的流量，入口溫度，所有的物性參數(shù)均不變且忽略熱損失）習(xí)題2（傳熱綜合問題）53解：換熱器中兩流體無相變化，則有Q=qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t2-t1)Q=qm1cp1(98-68)=qm2cp2(50-10)（a）當(dāng)果汁加熱至t?2=60℃時，設(shè)水的出口溫度為T2?，根據(jù)題意有Q=qm1cp1(98-T?2)=qm2cp2(60-10)（b）聯(lián)立式a和b，解得：T?2=60.5

℃解：換熱器中兩流體無相變化，則有Q=qm1cp1(T1-T254對于第一種工況：對于第二種工況：由總傳熱速率方程：Q=KAΔtm，可得代入數(shù)據(jù)得2.1流體為并流時對于第一種工況：對于第二種工況：由總傳熱速率方程：Q=KA55熱水的出口溫度仍為

T?2=60.5℃T1=98℃T2=60.5℃t1=10℃t2=60℃逆流時傳熱溫度差為：代入數(shù)據(jù)得或采用算術(shù)平均值代替2.2流體為逆流時熱水的出口溫度仍為T?2=60.5℃T1=98℃T2=6564-15題1、Q=qmr=941KW2、Tm=333K，Cp=2.19KJ/Kg.KQ=qm1cp1(T1-T2)=91.3KW3、Cp=3.77Q=qm1cp1(T1-T2)=126kw4、tm=85℃,Cp=1.009Q=qm2cp2(t2-t1)=54.7kw5、p=250kpa,ts=127.2℃,tm=83.6℃,Cp=4.196Q=qm1[r+cp1(Ts-T2)]=1063kw4-15題1、Q=qmr=941KW574-161、根據(jù)公式Q=qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t2-t1)求得qm2=2080kg/h，qv2=qm2/ρ=2080/997=2.09m3/h 2、用水量增大，水出口溫度應(yīng)降低。由于水的比熱容及密度變化不大，可認(rèn)為不變從上面公式可知qv2與t2-t1成反比T2=36.9℃4-161、根據(jù)公式584-191、r=2168kJ/kgQ=qm1r=qv2ρcp2(t2-t1)=9800kw所以qm1=1630kg/h2、已知k=800w/m2.℃,水蒸汽p=300kpa，T1=T2=133.3℃所以Δt1=53.3℃,Δt2=33.3℃,Δtm=43.3℃A=Q/KΔtm=28.3m24-191、r=2168kJ/kg594-201、Tm=75℃，cp1=4.191kJ/kg.℃Tm=35℃,cp2=4.174kJ/kg.℃Qm2=3012kg/h2、Δtm并=30.8℃A=Q/KΔtm=1.7m23、Δtm逆=40℃A=Q/KΔtm=1.31m24-201、Tm=75℃，cp1=4.191kJ/kg.60

在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，如果存在濃度梯度，某一組分（或某些組分）將有高濃度區(qū)向地濃度區(qū)移動的趨勢，該移動過程稱為傳質(zhì)過程。

分離過程包括非均相混合物的分離（機(jī)械分離）和均相物質(zhì)的分離（傳質(zhì)分離）。機(jī)械分離：過濾、沉降等傳質(zhì)分離：吸收、蒸餾、干燥、萃取、膜分離等傳質(zhì)概述在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，如果存在濃61一、化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程一、化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程62二、相平衡與熱平衡不同之處：▲達(dá)到相平衡時，一般兩相濃度不相等。▲達(dá)到相平衡時，傳質(zhì)過程仍在進(jìn)行，只不過通過相界面的某一組分的凈傳質(zhì)量為零，因此屬動態(tài)平衡。二、相平衡與熱平衡不同之處：63三、相組成的表示方法三、相組成的表示方法64傳質(zhì)概述---化工原理第三版編課程課件65傳質(zhì)概述---化工原理第三版編課程課件66四．傳質(zhì)方式四．傳質(zhì)方式67重點：雙膜理論、傳質(zhì)基本方程、操作線方程難點：雙膜理論第六章吸收重點：雙膜理論、傳質(zhì)基本方程、操作線方程第六章吸68

第一節(jié)氣體吸收

一、吸收的定義

吸收是氣體混合物與作為吸收劑的液體接觸，使氣體中的某一或某些組分溶于液體的操作。吸收是分離氣體混合物的重要單元操作之一。表示方法A、B、S

第一節(jié)氣體吸收

一、吸收的定義

吸691吸收操作的類型(1)按吸收過程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分類：物理吸收、化學(xué)吸收(2)按吸收過程中體系的溫度變化分類：等溫吸收、非等溫吸收(3)按被吸收組分的數(shù)目分類：單組分吸收、多組分吸收1吸收操作的類型(1)按吸收過程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分類：702吸收操作流程：用乙醇胺除去合成氨工藝中的co22吸收操作流程：用乙醇胺除去合成氨工藝中的co271二、氣—液相平衡關(guān)系1、平衡分壓和平衡溶解度：在一定溫度下,使某一定量氣體與一定量液體溶劑在密閉容器中接觸,溶質(zhì)向溶劑中轉(zhuǎn)移。經(jīng)過足夠長的時間,氣、液相濃度不在改變,宏觀上傳質(zhì)過程停止,達(dá)成平衡。微觀上是氣體進(jìn)出液體的分子數(shù)相等,故稱相際動平衡,簡稱相平衡。達(dá)到平衡時,氣相中溶質(zhì)的壓力稱當(dāng)時條件下的平衡分壓p,而液相中所含溶質(zhì)氣體的濃度即為當(dāng)時條件下的氣體在液體中的溶解度。氣體在液體中的溶解度Ca表明一定條件下吸收過程可能達(dá)到的極限程度二、氣—液相平衡關(guān)系1、平衡分壓和平衡溶解度：72氣體在液體中的溶解度（204頁）(1)同一種氣體：在一定溫度下，氣體組分的溶解度隨該組分在氣相中的平衡分壓的增大而增大；而在相同平衡分壓條件下，氣體組分的溶解度則隨溫度的升高而減小。氣體在液體中的溶解度（204頁）(1)同一種氣體：在一定溫73傳質(zhì)概述---化工原理第三版編課程課件74傳質(zhì)概述---化工原理第三版編課程課件752)不同的氣體：根據(jù)上面的三個圖，在同一溫度，同一分壓條件下，NH3、SO2、O2溶解度依次減小。所以，對于不同種類的氣體組分，欲得到相同濃度的溶液，易溶氣體僅需控制較低的分壓，而難溶氣體則需較高分壓。2)不同的氣體：根據(jù)上面的三個圖，在同一溫度，同一分壓條件763)總壓的影響問題：欲吸收空氣中的氨氣，設(shè)法增大其中空氣的物質(zhì)的量，氨氣的溶解度受到怎樣影響。那么整個氣體體積縮小呢？溶解度只取決于溶質(zhì)在氣相中的分壓3)總壓的影響溶解度只取決于溶質(zhì)在氣相中的分壓77結(jié)論：加壓和降溫對吸收操作有利；反之，升溫和減壓有利于解吸。吸收劑、溫度T、P一定時，不同物質(zhì)的溶解度不同。

溫度、溶液的濃度一定時，溶液上方分壓越大的物質(zhì)越難溶。對于同一種氣體，分壓一定時，溫度T越高，溶解度越小。對于同一種氣體，溫度T一定時，分壓P越大，溶解度越大。結(jié)論：加壓和降溫對吸收操作有利；反之，升溫和減壓有利于解吸78當(dāng)總壓不高（<5×105Pa）時，在一定溫度下，稀溶液上方溶質(zhì)的平衡分壓與其在液相中的濃度之間存在著如下的關(guān)系：上式表示溶液的濃度低于一定數(shù)值時溶質(zhì)的平衡分壓與它在溶液中的摩爾分率成正比。亨利系數(shù)E值較大表示溶解度較小。一般E值隨溫度的升高而增大。p*

=E·x

式中:p*

---------溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓,kPa；

x----------溶質(zhì)在液相中的摩爾分率

E----------享利系數(shù)，kPa2、亨利定律

當(dāng)總壓不高（<5×105Pa）時，在一定溫度下79

——溶液的密度,kg/m3；M——溶液的平均分子量,kg/kmol

p*

=C/H式中：C——液相中溶質(zhì)的摩爾濃度,kmol/m3;

H——溶解度系數(shù),kmol/m·kN;在亨利定律適用的范圍內(nèi),H是溫度的函數(shù),而與Pe或C無關(guān)。對于一定的溶質(zhì)和溶劑，H值一般隨溫度升高減小。易溶氣體H值較大，難溶氣體H值較小。亨利定律的其它形式

(1)氣相用平衡分壓，液相用物質(zhì)的量濃度表示

——溶液的密度,kg/m3；M——溶80y*=m·x

式中：x——溶質(zhì)在液相中的摩爾分率；

y*——與該液相成平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分率；

m——相平衡常數(shù),無因次。

m=E/P

上式中P為系統(tǒng)總壓，ｍ值越大，表示溶解度越小。(2)溶質(zhì)在液相和氣相中的濃度分別用摩爾分率x、y表示y*=m·x

式中：x——溶質(zhì)在液相中81當(dāng)溶液濃度很低時,上式右端分母約等于1,于是上式可簡化為:Y*=mX

(3)對于低濃度氣體吸收，兩相的組成通常用物質(zhì)的量比來表示當(dāng)溶液濃度很低時,上式右端分母約等于1,于是上式可簡化為:82三、用氣液平衡關(guān)系分析吸收過程

1、判斷過程的方向

例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的氣液相平衡關(guān)系為：，若含氨0.094摩爾分?jǐn)?shù)的混合氣和組成

的氨水接觸,確定過程的方向。解：

用相平衡關(guān)系確定與實際氣相組成

成平衡的液相組成

三、用氣液平衡關(guān)系分析吸收過程1、判斷過程的方向83將其與實際組成比較：

∴氣液相接觸時，氨將從氣相轉(zhuǎn)入液相，發(fā)生吸收過程?；蛘呃孟嗥胶怅P(guān)系確定與實際液相組成成平衡的氣相組成將其與實際組成比較：

∴氨從氣相轉(zhuǎn)入液相，發(fā)生吸收過程。若含氨0.02摩爾分?jǐn)?shù)的混合氣和

x=0.05的氨水接觸，則

將其與實際組成比較：∴氣液相接觸時，氨將從氣相轉(zhuǎn)入液相，84氣液相接觸時，氨由液相轉(zhuǎn)入氣相，發(fā)生解吸過程。此外，用氣液相平衡曲線圖也可判斷兩相接觸時的傳質(zhì)方向具體方法：已知相互接觸的氣液相的實際組成y和x，在x-y坐標(biāo)圖中確定狀態(tài)點，若點在平衡曲線上方，則發(fā)生吸收過程；若點在平衡曲線下方，則發(fā)生解吸過程。

氣液相接觸時，氨由液相轉(zhuǎn)入氣相，發(fā)生解吸過程。852、計算過程的推動力

當(dāng)氣液相的組成均用摩爾分?jǐn)?shù)表示時，吸收的推動力可表示為：

以氣相組成差表示的吸收推動力；以液相組成差表示的吸收推動力。

3、確定過程的極限

所謂過程的極限是指兩相充分接觸后，各相組成變化的最大可能性。

2、計算過程的推動力當(dāng)氣液相的組成均用摩爾86組成為y1的混合氣

增加塔高

減少吸收劑用量

塔底

x1增加

極限

組成為：組成為y1的混合氣增加塔高

增加吸收劑用量塔頂y2降低極限

組成為：組成為y1的混合氣增加塔高減少吸收劑用量塔底x1增加87計算過程推動力與極限圖吸收塔GY1LX1GY2LX2(X,Y)X*-XY-Y*(X`,Y`)XYXYY*X*Y`*X`Y`X`*Y`*-YX`-X`*計算過程推動力與極限圖吸收塔GY1LX1GY2L88界面氣相主體組分組分液相主體1擴(kuò)散物質(zhì)從一相的主體擴(kuò)散到兩相界面（單相中的擴(kuò)散）；2在界面上的擴(kuò)散物質(zhì)從一相進(jìn)入另一相（相際間傳質(zhì)）；3進(jìn)入另一相的擴(kuò)散物質(zhì)從界面向該相的主體擴(kuò)散（單相中的擴(kuò)散）；物質(zhì)傳遞的三個步驟：第二節(jié)物質(zhì)傳遞機(jī)理界面氣相主體組分組分液相主體1擴(kuò)散物質(zhì)從一相的主體擴(kuò)散到兩89物質(zhì)在單相中的傳遞靠擴(kuò)散，發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有分子擴(kuò)散和對流擴(kuò)散兩種。分子擴(kuò)散：依靠分子的無規(guī)則熱運動，主要發(fā)生在靜止或?qū)恿髁黧w中。

對流擴(kuò)散：依靠流體質(zhì)點的湍動和旋渦而傳遞物質(zhì)，主要發(fā)生在湍流流體中。

物質(zhì)在單相中的擴(kuò)散物質(zhì)在單相中的傳遞靠擴(kuò)散，發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有分子90

A

BAB

A

BAB分子擴(kuò)散：在一相內(nèi)部存在濃度差或濃度梯度的情況下，由于分子的無規(guī)則運動而導(dǎo)致的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。分子擴(kuò)散是物質(zhì)分子微觀運動的結(jié)果。擴(kuò)散通量：單位時間內(nèi)單位面積上擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量，其單位為mol/(m2·s)。一、分子擴(kuò)散與費克定律

1分子擴(kuò)散ABABABAB分子擴(kuò)散91式中JA——物質(zhì)A在z方向上的分子擴(kuò)散通量，kmol/(m2s)，與書一致，我們也叫傳遞速率

dCA/dz——物質(zhì)A的濃度梯度，kmol/m4

DAB——物質(zhì)A在介質(zhì)B中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

負(fù)號——表示擴(kuò)散是沿著物質(zhì)A濃度降低的方向進(jìn)行的。當(dāng)物質(zhì)A在介質(zhì)B中發(fā)生擴(kuò)散時，任一點處物質(zhì)A的擴(kuò)散通量與該位置上A的濃度梯度成正比，即：2費克（Fick）定律試分析與傅立葉定律以及牛頓粘性定律的區(qū)別及聯(lián)系。式中JA——物質(zhì)A在z方向上的分子擴(kuò)散通量，kmol92費克定律

費克定律的其它表達(dá)形式：費克定律費克定律的其它表達(dá)形式：93分子擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的特征系數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能力；擴(kuò)散系數(shù)取決于擴(kuò)散質(zhì)和介質(zhì)的種類及溫度等因數(shù)。對于氣體中的擴(kuò)散，濃度的影響可以忽略；對于液體中的擴(kuò)散，濃度的影響可以忽略，而壓強(qiáng)的影響不顯著。物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)可由實驗測得，或查有關(guān)資料，或借助于經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。3、分子擴(kuò)散系數(shù)分子擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的特征系數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能力94等摩爾的逆向擴(kuò)散公式p213與傳熱單層平壁的公式類似，有

等摩爾的逆向擴(kuò)散公式p213與傳熱單層平壁的公式類似，有95對流傳質(zhì)是指發(fā)生在運動著的流體與相界面之間的傳質(zhì)過程。在實際生產(chǎn)中，傳質(zhì)操作多發(fā)生在流體湍流的情況下，此時的對流傳質(zhì)是湍流主體與相界面之間的渦流擴(kuò)散與分子擴(kuò)散兩種傳質(zhì)作用的總和。以濕壁塔吸收為例：吸收劑沿壁面自上而下流動，混合氣體自下而上流過液體表面?？疾旆€(wěn)定操作狀況下吸收塔設(shè)備任一截面m-n處相界面的氣相一側(cè)溶質(zhì)A濃度分布情況。二、單項內(nèi)的對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)是指發(fā)生在運動著的流體與相界面之間的傳質(zhì)過程。在實際96液相mn相界面氣相滯流內(nèi)層氣相0z?GzG距離zpHpi氣相分壓p氣相有效膜層厚度滯流內(nèi)層厚度液相mn相界面氣相滯流內(nèi)層氣相0z?Gz97

流體主體與相界面之間存在三個流動區(qū)域，即湍流主體、過度層和滯流層。過渡層同時存在分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散，分壓梯度逐漸變小，曲線逐漸平緩。滯流層溶質(zhì)的傳遞主要依靠分子擴(kuò)散作用，由于D值較小，在該區(qū)域內(nèi)分壓梯度較大，曲線陡峭。湍流主體主要依靠渦流擴(kuò)散，大量旋渦引起的混合作用使得氣相主體內(nèi)溶質(zhì)的分壓趨于一致，分壓線為直線。流動區(qū)域流體主體與相界面之間存在三個流動區(qū)域，即湍流主98

延長滯流內(nèi)層的分壓線和氣相主體的分壓線交于H點，此點與相界面的距離為zG，在zG以內(nèi)的流動為滯流，其物質(zhì)傳遞純屬分子擴(kuò)散，此虛擬的膜層稱為有效滯流膜。

整個有效滯流層的傳質(zhì)推動力為氣相主體與相界面處的分壓之差，即全部傳質(zhì)阻力都包含在有效滯流膜層內(nèi)。

延長滯流內(nèi)層的分壓線和氣相主體的分壓線交99

由氣相主體至相界面的對流傳質(zhì)速率為（按有效滯流膜層內(nèi)的分子擴(kuò)散速率計算）式中NA——溶質(zhì)A的對流傳質(zhì)速率，kmol/(m2s)；

zG——氣相有效滯流膜層厚度,m；

kG——氣膜吸收系數(shù)；

p——氣相主體中溶質(zhì)A的分壓,kPa；

pi——相界面處溶質(zhì)A的分壓,kPa；

pBM——惰性組分B在氣相主體中與相界面處的分壓的對數(shù)平均值,kPa；由氣相主體至相界面的對流傳質(zhì)速率為（按有效滯流100在液相中的傳質(zhì)速率為式中zL——液相有效滯流膜層厚度，m；C——液相主體中的溶質(zhì)A濃度，kmol/m3；ci——相界面處的溶質(zhì)A濃度，kmol/m3；cSm——溶劑S在液相主題與相界面處的濃度的對數(shù)均值，kmol/m3；kL——液膜吸收系數(shù)或液膜傳質(zhì)系數(shù)在液相中的傳質(zhì)速率為式中zL——液相有效滯流膜層厚度，m101當(dāng)氣液兩相接觸時，兩相之間有一個相界面，在相界面兩側(cè)分別存在著呈層流流動的穩(wěn)定膜層（有效層流膜層）。溶質(zhì)必須以分子擴(kuò)散的形式連續(xù)的通過這兩個膜層，膜層的厚度主要隨流速而變，流速愈大厚度愈小。在相界面上氣液兩相相互成平衡。在膜層以外的主體內(nèi)，由于流體的充分湍動，溶質(zhì)的濃度分布均勻，可認(rèn)為兩相主體中的濃度梯度為零，即濃度梯度全部集中在兩個有效膜層中。用雙膜理論解釋具有固定相界面的系統(tǒng)及速度不高的兩流體間的傳質(zhì)過程（如濕壁塔），與實際情況是大致相符合的。相間傳質(zhì)：雙膜理論（two-filmtheory）當(dāng)氣液兩相接觸時，兩相之間有一個相界面，在相界面兩側(cè)分別存在102pAcA

pA,i

cA,i氣膜液膜相界面氣相主體液相主體傳質(zhì)方向圖雙膜理論示意圖溶質(zhì)A在氣相中的分壓溶質(zhì)A在液相中的摩爾濃度pAcApA,icA,i氣膜液膜相界面氣相主體液相主體傳103

三、吸收速率方程

吸收過程中的吸收速率是指單位時間內(nèi)，在單位面積上被吸收的溶質(zhì)量。表明吸收速率與吸收推動力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式稱為吸收速率方程。

1氣膜吸收速率方程式

2液膜吸收速率方程式

三、吸收速率方程

吸收過程中的吸收速104吸收過程的總推動力可采用任何一相的主體濃度與其平衡濃度的差值來表示。(1)以（p-p*

）表示總推動力雙膜理論：pi=ci/H亨利定律：p*

=c/H

液相吸收速率方程NA=kL(ci-c)NA=kLH(pi-p*)氣相吸收速率方程NA=kG(p-pi)代入3總吸收速率方程吸收過程的總推動力可采用任何一相的主體濃度與其平衡105代入過程1以（p-p*）表示總推動力的吸收速率方程KG:氣相吸收總系數(shù),單位:kmol/（m2·s·kPa）代入過程1以（p-p*）表示總推動力的吸收速率方程K1062以(c*-c)表示總推動力的總吸收速率方程

KL:液相吸收總系數(shù),單位:m/sKG=H·KL同理可有：2以(c*-c)表示總推動力的總吸收速率方程KL:液相吸1073、氣膜控制與液膜控制對于易溶氣體,H很大,1/kG>>1/kLH，則KG=kG吸收阻力主要集中在氣膜中,這種吸收稱為氣膜控制。例如:用水吸收氨,氯化氫氣體對于難溶氣體,H很小,H/kG<<1/kL,，則KL=kL這種吸收稱為液膜控制吸收,吸收阻力主要控制在液膜例如:用水吸收氧氣,二氧化碳等3、氣膜控制與液膜控制對于難溶氣體,H很小,H/kG<<1108

ｐ、ｃ為推動力Ｙ、Ｘ為推動力ｙ、ｘ為推動力氣膜

NA=KG(p-pi)

NA=kY(Y-Yi)kY=PkG/(1+Y)(1+Yi)NA=ky(y-yi)ky=PkG液膜

NA=kL(Ci-C)NA=kX(Xi-X)kX=kLC/(1+Xi)(1+X)NA=kX(xi-X)kX=CkL氣相NA=KG(P-Pe)KG=1/(1/kG+1/HkL)

氣膜控制

KG=kG

NA=KY(Y-Ye)KY=PKG/(1+Y)(1+Ye)KY=1/(1/kY+m/kX)氣膜控制時KY=kY

NA=Ky(y-ye)Ky=PKGKy=1/(1/ky+m/kX)氣膜控制時Ky=ky

液相

NA=KL(Ce-C)

KL=1/(H/kG+1/kG)液膜控制時KL=kL

NA=KX(Xe-X)

KX=KL./(1+Xe)(1+X)

KX=1/(1/mky+1/kx)液膜控制時KX=kX

NA=Kx(xe-x)Kx=CKL

Kx=1/(1/mky+1/k