化工原理

化工原理总复习（适用于有机化工、环境工程、应用化学、精细化工专业）2020年3月25日第八章传质过程概论第一节概述传质定义分类四个工具（传质速率方程）第二节扩散与单相传质分子扩散与fick定律等分子反向扩散、单向扩散扩散系数涡流扩散与对流传质第三节质量、热量和动量传递的类比传质定义：当不平衡的两相接触时，物质从一相传递到另一相中的过程称为相间传质过程，简称传质。（均相分离过程）分类：气（汽）－液（吸收、精馏、增湿减湿）气－固（干燥、吸附）液－液（萃取）液－固（浸取、结晶）第一节传质过程概述第一节传质过程概述相组成表示法：1、摩尔分率（气相－y液相－x）、质量分率（无量纲）2、摩尔比、质量比（以二元为例）（无量纲）3、摩尔浓度、质量浓度(kmol/m3)(kg/m3)AAnxn＝AAmm＝AABnxn＝AABmm＝AAnCV＝AAmCV＝第一节传质过程概述研究传质过程的四个工具：1、传质速率方程－－传质过程的快慢2、相平衡－－传质的极限3、物料守恒－－操作线方程4、热量守恒传质推动力传质速率＝＝传质系数浓度差传质阻力第二节扩散与单相传质单相扩散单相扩散相主体相界面另一相主体（溶解）传质过程示意图第二节扩散与单相传质单相内的传质机理：分子扩散：（与导热类似）在单一相内存在浓度差的条件下，由于分子无规则运动而造成的物质传递现象。静止流体或与层流运动方向相垂直的方向上可认为是单纯的分子扩散。对流传质：（与对流传热类似）由分子扩散和涡流扩散共同作用的流体与相界面之间的传质。涡流扩散是由于宏观流体流动而实现的物质传递现象。分子扩散Fick定律：JA－－组分A在Z方向上的分子扩散通量，kmol/m2s；DAB－－组分A在A、B混合物中的扩散系数，m2/s；dCA/dZ－－组分A在Z方向上的浓度梯度，kmol/m4；“－”－－传质方向与浓度梯度方向相反。其型式与描述动量传递过程的牛顿粘性定律、描述热量传递过程的傅利叶热传导定律相类似。AAABdCJDdZ＝－双组分一维稳定的分子扩散1、等分子反向扩散：气相：液相：AAAdCNJDdZ＝＝－AA1A2DNPPRT＝－ALA1A2LLDNCC＝－BBANJJ＝＝－ABNNN0＝＋＝2、单向扩散（组分A通过停滞组分B的扩散）（等分子反向扩散加上总体流动）气相：液相：双组分一维稳定的分子扩散AAAMMCNJNC＝＋AA1A2BmDPNPPRTP＝－MALA1A2LLSmDCNCCC＝－AMNNN＝＝BN0＝漂流因子定义式：气相：液相：物理意义：反映总体流动对传质速率的影响，因为P/PBm1，所以单向扩散比单纯分子扩散流的传质速率大。当混合气中组分A的浓度很低时，总体流动的影响可忽略，可简化为等分子反向扩散的型式。当混合气中组分A的浓度很高时，总体流动对传质速率的影响占主导地位，漂流因子不可忽略。B2B1BmB2B1PPPPlnP－＝B2B1SmB2B1CCCClnC－＝BmPPMsmCC扩散系数定义：单位浓度梯度下物质的扩散通量，是物质的一种传递属性。影响因素：物系、温度、压力（对液相可忽略）、组成（对气相可忽略）单位：m2/s扩散系数组分在气体中的扩散系数：（数量级：10-5）Full公式：适用于常温、高温，不适用于低温。1/2-71.7521/31/3111.0010TDPABABMMvv＝1.75000DDpTpT＝扩散系数0.5-8AS0.67.410DSAMTv＝000DDTT＝组分在液体中的扩散系数：（数量级：10-9）Wilke-Chomg公式：适用于低分子量非电解质的稀溶液。涡流扩散与对流传质膜模型速率方程型式：涡流扩散与分子扩散共同作用的结果。模型分区：层流底层：仅靠分子扩散传质，浓度梯度较大，传质阻力主要集中在该层；过渡区：湍流扩散与分子扩散相当；湍流主体：主要靠涡流扩散传质，浓度梯度接近于零，阻力很小。膜模型将对流扩散简化成溶质通过虚拟层流膜的分子扩散型式。膜模型AAEdCJDDdZ＝－＋第三节质量、热量与动量传递的类比雷诺类比：式中：契尔顿-柯尔本类比：mPmk8uCu＝＝uherecNS8RPRS＝＝ttSS8’＝＝hkdSD＝CSD＝2/32/3trtcSPSS8'＝＝第九章吸收第一节概述第二节吸收过程的相平衡（亨利定律）第三节吸收机理及传质速率方程（双膜理论传质系数）第四节吸收设计计算（操作线方程、最小吸收剂用量、低浓度气体吸收填料层高度计算）第五节传质系数和传质理论第六节其他条件下的吸收（非等温、多组分、化学）第一节概述1.1处理对象1.2定义1.3吸收剂的选择1.4吸收的类型与例子1.5吸收与精馏的比较化工生产中主要用于以下几个目的：①气体混合物的分离，用液体溶剂进行分离：例如在焦化厂焦炉气中含氨，一般用硫酸处理，这样可以回收其中的氨；②制取溶液硫铁矿+O2===SO2H2+Cl2====2HClSO2+O2====SO3HCl+H2O===盐酸SO3+H2O===H2SO4NH3+H2O====氨水用水吸收二氧化氮制造硝酸、用水吸收甲醛以制备福尔马林溶液。③净化气体用碱液去除烟道气中的SO2等有害气体，SO2酸雨。1.1处理对象①利用组分A和B在S中溶解度的差异来实现A和B的分离。②A：溶质；B：惰性组分（认为两者溶解度相差无穷）；S：吸收剂/溶剂；吸收操作所得到的溶液为吸收液，其成分为溶剂S和溶质A；排出的气体为吸收尾气，其主要成分是惰性气体B，还含有残余的溶质A。逆流操作的吸收塔示意图1.2定义③吸收的效果：a.用吸收率表示；b.用吸收液浓度表示；c.用尾气浓度表示。吸收率：EA=被吸收的A/吸收前气体总A选用惰性气体的量为基准，V不变，Y为质量或摩尔比。121211'12'21'11)(YYVYYYVYVYVYV溶质的再生——可用解吸的方法进行，也可用其它方法进行。逆流吸收塔示意图1.2定义①溶解度要求：选择性好（A和B的溶解度差异大）；A的溶解度要大（吸收剂用量少）；A的溶解度在条件改变时，改变较大（便于解吸）。②其它性质：挥发性小（减少损失，减少污染：对环境及对气体产品B）、粘度小（有利于流动及汽、液两相充分接触）、腐蚀小（延长设备寿命）无毒，具有化学稳定性等。最终需综合考虑，一般以“经济性”为指标考虑，往后可能转变为“环境性”“安全性”等。1.3吸收剂的选择1.4吸收的类型与例子1.①多组分吸收：A1，A2…——同时被吸收（计算关键组分）；②单组分吸收：2.根据吸收过程的热效应来分（溶解热/反应热）：③非等温吸收：需知不同T下热力学数据（有时需中间冷却）；④等温吸收：3.根据有无化学反应来定⑤化学吸收：可逆反应：能再生不可逆反应：不能再生⑥物理吸收：能再生以等温、单组分、低浓度、物理吸收为主进行研究。分类：相似：吸收过程和精馏过程进行的方向和极限都取决于组分在汽、液两相中的平衡关系。当汽相中溶质的实际分压高于与液相成平衡的溶质分压时，溶质便由汽相向液相转移，即发生吸收过程。当液相中轻组分分压高于与液相呈平衡的汽相分压时，部分轻组分从液相转移到汽相，同理，部分重组分从汽相转移到液相，实现精馏过程。1.5吸收与精馏的比较区别：精馏操作用加入能量分离剂的方法产生第二相（塔顶冷凝，塔底再沸加热）；吸收操作是用加入质量分离剂的方法直接得到第二相（吸收剂）。精馏操作可以直接获得较纯净的轻、重组分；吸收操作得到的是含有溶质的吸收液，要想得到较纯净的溶质，还需要经过第二个分离操作（如脱吸）。精馏操作中，液相部分汽化与汽相部分冷凝同时发生，每层板上的汽、液相都处于接近饱和的温度下，在相界面两侧轻重组分同时地向着彼此相反的方向传递，二元精馏接近等分子反向扩散过程。而吸收操作中，液相温度远远低于沸点，溶剂没有显著的汽化现象，只有溶质分子由汽相进入液相的单向传递，而汽相中的惰性组分和液相中的溶剂组分处于“停滞”状态，吸收接近单向扩散过程。1.5吸收与精馏的比较2.1相平衡关系2.2亨利定律2.3相平衡关系的应用第二节吸收过程的相平衡以等温、单组分、低浓度、物理吸收为主，研究在一定温度和压力下，汽液两相中组分A的平衡组成关系。对于单组分物理吸收，主要涉及A、B、S三个组分构成的汽液两相。B为惰性组分→在S中不溶；S为不挥发组分→汽相中无S。在恒定的温度与压力下，吸收剂S与A+B的混合气体接触，组分A将向吸收剂S中溶解，直到液相S中A达到饱和，浓度不再增加为止，此时，在任何瞬间进入S中A的分子数与从S中逸出的溶质分子数相等，达到动态平衡。汽相中的溶质分压称为平衡分压或饱和分压；液相中溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度，也就是气体在液体中的溶解度。2.1相平衡关系气体在液体中的溶解度与整个物系的温度、压力及溶质在汽相中的浓度有关。由溶解度曲线所表现出的规律性可知，加压和降温对吸收操作有利，因为加压和降温可以提高气体的溶解度。反之，升温和减压则有利于脱吸。特别要注意的是：汽相中：A的组成可表示为分压或摩尔分数或摩尔比；液相中：A的组成可表示为摩尔分数或摩尔比。因此，平衡关系式有不同的表达式。2.1相平衡关系①摩尔分率：式中：P*——A组分在汽相中的平衡分压，kPa；x——A组分在液相中的平衡浓度，摩尔分数；E——亨利系数，受物系和温度影响，kPa；②摩尔浓度：式中：P*——A组分在汽相中的平衡浓度，摩尔分数；C——A组分在液相中的摩尔浓度，kmol/m3H——溶解度系数，受物系和温度影响，kmol/(kPa·m3)*PEx＝*Pc/H＝ssHEM2.2亨利定律③摩尔分率：式中：y*——每千摩尔气体中所含A组分的摩尔分率；m——相平衡常数，受物系、温度和压力影响，无因次④摩尔比：式中：Y*——每千摩尔惰性气体中所含A组分的摩尔量X——每千摩尔吸收剂中所含A组分的摩尔量亨利系数E、溶解度系数H和相平衡常数m均由实验测得。一般物理化学手册或化工手册都有有关的体系的亨利系数E。*ymx＝*YmX＝亨利定律的表达形式：1.判断过程进行的方向：A点吸收：A从气→液D点解吸：A从液→气2.计算操作点传质推动力：可用实际汽相浓度与和液相成平衡的汽相浓度之差表示；也可用实际液相浓度与和汽相成平衡的液相浓度之差表示。2.3相平衡关系的应用3.推算过程进行的极限：汽液两相成平衡之点为极限点。极限时汽液组成满足相平衡关系，其具体值与汽液相之量有关。例如：A点汽相量无限大，则平衡时，YA*=YAo，XA*=YA*/mXao（上图中水平线）A点汽相量无限小，则平衡时，XA*=XAo，YA*=mXA*=mXAoYao（上图中垂直线）若气液相量均为有限，则沿斜线（斜率为汽液相量之比L/V，由物料衡算可求）向平衡线走，交点处为最终浓度。2.3相平衡关系的应用第三节吸收过程的机理及传质速率3.1双膜理论3.2传质速率方程对流传质分系数总传质系数传质阻力3.1双膜理论双膜：是指气膜和液膜。在汽相流动中，有传质边界层，在边界层之外，由于湍流的原因，各处的浓度近乎均匀，在边界层之内，流动近乎层流，物质的传递依靠扩散进行。这个边界层近似认为是一个膜。双膜理论也称为双阻力模型。双膜理论示意图双膜理论的基本论点：（1）相接触的汽、液两相流体间存在稳定的相界面，界面两侧各有一层很薄的有效层流膜，溶质以分子扩散方式通过双膜。（2）界面上的汽、液两相呈平衡，传质阻力为零。（3）在双膜以外的两相主体，由于流体充分湍动，吸收溶质的浓度均匀，浓度梯度都为零，无传质阻力，全部阻力集中在两个有效层流膜内。3.1双膜理论3.2传质速率方程1、以对流传质分系数表示的速率方程：AiAGAPPkN式中：kG——气膜吸收系数，kmol/(m2·s·kPa)ky——气膜吸收系数，单位与传质速率的单位相同，kmol/(m2·s)kL——液膜吸收系数，kmol/(m2·s·kmol/m