吸收與蒸餾1剖析課件

第七章吸收與蒸餾[目的和要求]1、了解傳質(zhì)的基本概念、分子擴散與渦流擴散；2、了解擴散系數(shù)的影響因素；3、掌握穩(wěn)定分子擴散的基本計算與應(yīng)用；4、了解吸收與解吸的基本概念及吸收過程機理；5、掌握吸收與解吸的一般計算方法；6、重點掌握等溫條件下低濃度逆流吸收塔的計算與應(yīng)用；7、了解蒸餾的基本概念及原理；本章主要內(nèi)容傳質(zhì)理論吸收基本概念、原理與計算蒸餾基本概念、原理與計算本次課主要內(nèi)容1、傳質(zhì)理論結(jié)合三傳理論引出傳質(zhì)理論傳質(zhì)過程與單元操作擴散現(xiàn)象一、傳質(zhì)的基本概念單元操作與三傳的關(guān)系“三傳理論”是單元操作的理論基礎(chǔ)，單元操作是“三傳理論”的具體應(yīng)用。“三傳理論”和單元操作也是食品工程技術(shù)的理論和實踐基礎(chǔ)。生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程單元操作動量傳遞質(zhì)量傳遞熱量傳遞流體輸送、機械分離、沉降、流態(tài)化等加熱、冷卻、蒸發(fā)等吸收、蒸餾、萃取、吸附、干燥、膜分離等均相中，溶質(zhì)由一相轉(zhuǎn)移到另一相的過程。吸收過程（Absorption）利用不同氣相組份在液相溶劑中的溶解度差異，進行選擇性的吸收分離依據(jù)ΔP、ΔCΔy、Δx氣相A+B液相A+SAA脫收吸收相界面?zhèn)髻|(zhì)推動力萃取過程Extraction利用液相各組分在溶劑中的溶解度差異傳質(zhì)推動力ΔC、Δx液相A+B液相A+SA萃取相界面分離依據(jù)蒸餾過程Distillation利用液相各組分的揮發(fā)度差異傳質(zhì)推動力ΔP、ΔCΔy、Δx氣相A+B液相A+BAB精餾相界面分離依據(jù)吸附和干燥過程（Distillation＆Dry）氣液相A+B固相CAA脫附吸附相界面吸附過程固相A+B氣相C+AA干燥相界面A干燥過程熱量氣相液相相界面PGPiCiCLΔPΔC主體主體溶質(zhì)由氣相主體向氣液相界面的擴散推動力溶質(zhì)由氣液相界面向液相主體的擴散推動力傳質(zhì)過程（吸收）的共性氣相傳質(zhì)液相傳質(zhì)溶解②平衡狀態(tài)③衡量單位b、溶質(zhì)A在相界面上溶解，溶解過程；傳質(zhì)：雖然各相內(nèi)主體濃度相等，但界面附近區(qū)域的濃度不相等；理想假設(shè)：氣液界面濃度服從亨利定律Pi=Ci/H傳熱：K或℃?zhèn)髻|(zhì)：濃度或組成的單位復(fù)雜①傳質(zhì)步驟a、溶質(zhì)A由氣相主體到相界面，氣相內(nèi)傳遞；c、溶質(zhì)A自相界面到液相主體，液相內(nèi)傳遞。傳熱：溫度處處相等

物質(zhì)以擴散方式從一處轉(zhuǎn)移到另一處的過程，稱為質(zhì)量傳遞過程，簡稱傳質(zhì)。在一相中發(fā)生的物質(zhì)傳遞是單相傳質(zhì)，通過相界面的物質(zhì)傳遞為相間傳質(zhì)。

傳質(zhì)過程廣泛運用于混合物的分離操作；它常與化學(xué)反應(yīng)共存，影響著化學(xué)反應(yīng)過程，甚至成為化學(xué)反應(yīng)的控制因素。掌握傳質(zhì)過程的規(guī)律，了解傳質(zhì)分離的工業(yè)實施方法，具有十分重要的意義。二、相組成的表示方法均相混合物的分離三、傳質(zhì)過程的共性

單相物系內(nèi)的物質(zhì)傳遞是依靠物質(zhì)的擴散作用來實現(xiàn)的，常見的擴散方式有分子擴散和渦流擴散兩種。前者物質(zhì)靠分子運動從高濃度處轉(zhuǎn)移到低濃度處，物質(zhì)在靜止或滯流流體中的擴散；后者是因流體的湍動和旋渦產(chǎn)生質(zhì)點位移，使物質(zhì)由高濃度處轉(zhuǎn)移到低濃度處的過程。（1）傳質(zhì)的方式與歷程某組分在兩相間傳質(zhì)，步驟是：從一相主體擴散到兩相界面的該相一側(cè)，然后通過相界面進入另一相，最后從此相的界面向主體擴散。相平衡——相際間傳遞的最終狀態(tài)②條件的改變可破壞原有的平衡。（2）傳質(zhì)過程的方向與極限相間傳質(zhì)和相際平衡的共有規(guī)律稀溶液、氣液兩相的平衡關(guān)系遵循亨利定律；理想溶液的氣液相間符合拉烏爾定律。①一定條件下，處于非平衡態(tài)的兩相體系內(nèi)組分會自發(fā)地進行，使體系組成趨于平衡態(tài)的傳遞。③在一定條件下(如溫度、壓力)，兩相體系必然有一個平衡關(guān)系。

①若物質(zhì)在一相中(A相)實際濃度大于其在另一相(B相)實際濃度所要求的平衡濃度，則物質(zhì)將由A相向B相傳遞；PA＞PA*

相間傳質(zhì)過程的方向和極限的判斷：③若物質(zhì)在A相實際濃度等于B相實際濃度所要求的平衡濃度，則無傳質(zhì)過程發(fā)生體系處于平衡狀態(tài)。

PA＝PA*②物質(zhì)在A相實際濃度小于其在B相實際濃度所要求的平衡濃度，則傳質(zhì)過程向相反方向進行，即從B相向A相傳遞；PA＜PA*相平衡關(guān)系指明傳質(zhì)過程的方向，平衡是傳質(zhì)過程的極限，而組分濃度偏離平衡狀態(tài)的程度便是傳質(zhì)過程的推動力。傳質(zhì)速率與傳質(zhì)推動力的大小有關(guān)，可以寫為：即傳質(zhì)速率=傳質(zhì)系數(shù)×傳質(zhì)推動力

（3）傳質(zhì)過程推動力與速率物質(zhì)傳遞的快慢以傳質(zhì)速率表示，定義為：單位時間內(nèi)，單位相接觸面上被傳遞組分的物質(zhì)的量相間傳質(zhì)的每一步有各自的速率方程，稱為分速率方程；整個過程速率方程為總速率方程，相應(yīng)的有傳質(zhì)分系數(shù)和總系數(shù)之分。四、擴散現(xiàn)象

在靜止或滯流流體內(nèi)部，若某一組分存在濃度差，因分子無規(guī)則的熱運動使該組分產(chǎn)生傳質(zhì)的現(xiàn)象稱為分子擴散。1、分子擴散（moleculardiffusion)AAABAAAAAAABBBBBBBBBAAABABABBABBABAⅠⅡ2、Fick定律

1）擴散通量：單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積擴散的物質(zhì)量，J表示，kmol/(m2·s)。2）Fick定律：對雙組分體系，在穩(wěn)態(tài)下組分A在擴散方向上任一點處的擴散通量與該處A的濃度梯度成正比。JA——組分A擴散速率（擴散通量），kmol/（m2·s）；

—組分A在擴散方向z上的濃度梯度（kmol/m3）/m；

DAB——組分A在B組分中的擴散系數(shù)，m2/s。負號：表示擴散方向與濃度梯度方向相反，擴散沿著濃度降低的方向進行。

對氣體，常用分壓梯度來表示如果沿傳質(zhì)Z方向無溫度梯度變化，即試分析與Fourier’sLaw、Newton’sViscosityLaw的區(qū)別及聯(lián)系。

Fick定律幾點說明：A、與導(dǎo)熱不同，分子擴散的特點是：當(dāng)一個分子沿擴散方向移去后，留下的空位由其他分子填空。B、對JA的定義是通過“分子對稱”的截面：既有一個凈A分子通過這截面，也有相等的凈B分子反方向通過同一截面，填補A的凈空位。C、分子對稱面在空間上既可以是固定，也可以是移動的。分子擴散系數(shù)是物質(zhì)的物性常數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴散能力。擴散系數(shù)與介質(zhì)的種類、溫度、壓強、濃度等有關(guān)。氣體擴散系數(shù)一般比液體擴散系數(shù)在數(shù)量級上大105倍左右五、一維穩(wěn)定分子擴散A、等摩爾相互擴散－－蒸餾操作B、單向擴散－－吸收過程1、等摩爾相互擴散(EquimolarCounterDiffusion)PA1PB1PA2PB2JAJBFⅠⅡ兩容器中總P、T相等，PA1>PA2,PB1<PB2;組分A從Ⅰ向Ⅱ擴散凈量等于組分B從Ⅱ向Ⅰ擴散凈量。F—分子對稱面（固定）相對F截面，A擴散通量：

同理，B擴散通量：分子對稱面，大小相等，方向相反總壓一定傳遞速率方程推導(dǎo)邊界條件積分：令擴散距離Z2-Z1=Z，則

在傳質(zhì)過程計算中，傳遞速率是相對于空間固定截面而言，用符號NA表示，定義為單位時間內(nèi)通過單位固定截面的物質(zhì)量。JA是通過分子對稱面，此處是固定的。同理對于液相中的相互擴散，總濃度c=cA+cB認為是常數(shù)；同理得到：PA122’11’FF’ABABZ2、單向擴散(UnidirectionalDiffusion)在吸收過程中，我們假設(shè)：A、氣液相界面只容許溶質(zhì)A通過，惰性氣體B不通過；B、溶劑S不汽化：不逆向通過界面。NA,bNB,bNbNAJAJBPA2單向擴散中存在總體流動(摩爾流動)：1）因分子本身擴散引起的宏觀流動；2）A、B在總體流動中方向相同，流動速度正比于摩爾分率。分子對稱面隨總體流動向界面推移，而不是一固定界面。固定截面而言，單向擴散是總體流動和分子擴散的總效應(yīng)1）通過固定截面F-F’的各通量：PA122’11’FF’ABABZNA,bNB,bNbNAJAJBPA2傳質(zhì)速率方程推導(dǎo)A的分子擴散JA總體流動Nb其中總濃度C＝CA＋CB＝P/RT2）逆向通過截面F-F’的是B分子擴散：3）通過相界面2-2’的只有A的溶解通量NA取截面F-F’及2-2’之間的體系進行物料衡算PA122’11’FF’ABABZNA,bNB,bNbNAJAJBPA2對組分A對組分B總體任一界面處B的分子擴散與總體流動方向相反，大小相等，沒有凈傳質(zhì)，是停滯的。總體流動通量Nb與A穿過界面2-2’的傳質(zhì)通量NA相等由組分B的恒算式代入組分A恒算式得邊界條件代表初終截面處PB的對數(shù)平均值令單向擴散速率方程等摩爾相互擴散速率方程

漂流因子（DriftFactor）：其大小反映了總體流動對傳質(zhì)速率的影響程度，其值>1,為總體流動使傳質(zhì)速率較分子擴散增大的倍數(shù)。

分壓PA高(PB低)時，漂流因數(shù)大，總體流動的影響大。分壓PA低(PB高)時，漂流因數(shù)近似等于1，總體流動的影響小。單向擴散與等摩爾相互擴散相差無幾。對液相中的單向擴散表示液相擴散初終截面處溶劑S的對數(shù)平均濃度值ppB1pA1pA2pB2擴散距離z0zpppB1pA1pA2pB2擴散距離z0zp單向擴散等摩爾相互擴散P