流体流动13剖析

第二章吸收一、定义1.吸收：利用气体在液体中溶解度的差异来分离气体混合物的传质过程。(1)形成溶液溶剂或吸收剂S：吸收所用液体(2)溶质或吸收质A：能溶解的气体组分(3)惰性气体或载体B：不能溶解的气体组分2.解吸：使溶质从溶液中逸出的传质过程，该过程既可使溶剂再生，又可使溶质回收。二、分类物理吸收，H2O吸收CO2√化学吸收，NaOH溶液吸收CO2单组分吸收，H2O吸收乙醇√多组分吸收，液态烃吸收气态烃等温吸收，H2O吸收丙酮√非等温吸收，H2O吸收SO3低浓度吸收高浓度吸收三、用途1．回收混合气体中的有用物质，用硫酸吸收焦炉气中的氨。2．除去有害成分以净化气体，用铜氨液吸收合成气中的CO。3．制取液体产品，用H2O吸收SO3制取H2SO4。形成溶液四、吸收与精馏的区别1．精馏在混合物系内部产生两相，而吸收则是从混合物系外界引入另一相。2．精馏可直接获得较纯的组分，而吸收不能直接获得较纯的组分。3．精馏中进行双向传质，而吸收中进行单向传质。第一节气—液相平衡2-1-1气体的溶解度一、定义1．溶解度：气液两相达到相平衡时，溶质在液相中的浓度，记为CA、x、X。2．平衡分压：气液两相达到相平衡时，溶质在气相中的分压，记为p*、y*、Y*。二、溶解度的特性由相律得所以物系的自由度为3。当总压不太高时，可忽略总压对溶解度的影响，所以溶解度曲线：表示该函数的曲线。（图2-2、图2-3、图2-4）溶解度特性：T↑，CA↓p*↑，CA↑所以：低温高压有利吸收高温低压有利解吸2CF3223F),(*pTfCA2-1-2亨利定律一、亨利定律：在一定的温度和压力（不太高）下，稀溶液中溶质在气相中的平衡分压与其在液相中的溶解度成正比，即：式中p*—溶质在气相中的平衡分压，kN/m2；x——溶质在液相中的摩尔分率；E——亨利系数，kN/m2；或式中CA——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；H——溶解度系数，kmol/(mkN)；或式中y*——溶质在气相中的平衡摩尔分率；m——相平衡常数。二、摩尔比1．定义：Exp*HCpA*mxy*液相中溶剂的摩尔数液相中溶质的摩尔数xxX1数气相中惰性气体的摩尔气相中溶质的摩尔数yyY12、摩尔比表示的亨利定律由得代入得所以所以()当x0.05时，X0.053所以三、亨利定律各系数间的关系1.m和E的关系由得又由分压定律得所以xxX1yyY1XXx1YYy1mxy*XXmYY11**mXYmXXmXYmXXYYXYYmX******)1()1()1(XmmXY)1(1*xxy)1(1mXY*mxyExp**,myEp**Pyp**myEPy**PEm2.H和E的关系设MA——溶质的摩尔质量，kg/kmol；MS——溶剂的摩尔质量，kg/kmol；L——溶液的密度，kg/m3；mA——溶质在液相中的质量浓度，kg/m3；mS——溶剂在液相中的质量浓度，kg/m3；CS——溶剂的摩尔浓度，kmol/m3。则所以代入得又得对稀溶液，所以AAAMCmSSSAALSALSMmMMCMmC)(ASALSASAALAASAAMMCMCMMCCCCCCxExp*)(*ASALSAMMCMECpHCpA*)(1ASALSMMCEMHSLAC,0SSEMHSLAC,0SSEMH2-1-3吸收剂的选择溶解度大选择性好蒸汽压低，挥发损失小稳定性好，不易变质易于再生粘度低，功耗小无毒、无腐蚀、不易燃、不发泡、冰点低、价廉易得第二节传质机理与吸收速率2-2-1分子扩散与菲克定律一、分子扩散：由流体分子的微观运动传递质量的过程。二、菲克定律：在双组分混合流体中的任何一点，某组分沿任一方向的分子扩散通量（单位时间内垂直通过单位面积扩散的质量）与该组分在该方向上的浓度梯度成正比，即式中JA——组分A的分子扩散通量，kmol/(m2s)；CA——组分A的摩尔浓度，kmol/m3；z——扩散方向上的距离，m；——组分A在扩散方向z上的浓度梯度，kmol/m4；DAB——组分A在组分B中的分子扩散系数，m2/s。dzdCDJAABAdzdCA一、分子扩散系数的特性如图所设，当抽掉隔板后，气体A就会向右扩散，气体B就会向左扩散。由菲克定律，得设压力不太高，则在容器中的任何一点，由得而微分上式，得同样由C=Constant，得在任何一点的任何方向上，有所以上述结论也适用于液体。BAABDDdzdCDJAABAdzdCDJBBABnRTPVtConsRTPVnCtanBACCCdzdCdzdCBABAJJDDDBAABTPA,TPB,2-2-2气相中的稳定分子扩散二、等分子反向扩散如图所设，且设如图实验装置中的两个容器为无限大，则抽掉隔板并经过一个不稳定扩散后，有(1)由于1、2截面上的不随时间而变，所以在联通管中的分子扩散是稳定的。(2)由于联通管中任何一点C=Constant，所以在联通管中任何一点的任何方向上有，即联通管中的分子扩散是等分子反向扩散。定义：传质速率：单位时间内垂直通过单位面积传递的质量，由于在联通管中除浓度差引起的分子扩散外，没有其他原因引起质量的传递，所以联通管中的传质速率就等于分子扩散通量，即由)/(,,2smkmolNNBA11,BAppTP11,BAppTP2121BBAApppp1Ap1Bp2Bp2ApP0z12dzdCDJNAAARTnVpAA得微分上式，得所以定积分上式，得所以所以又由得所以pA与z成线性关系，且pA随z减小。显然，上述结论完全适用于组分B。三、一组分通过另一停滞组份的扩散将上述实验装置中右边容器改盛溶剂。设气液相界面只允许A分子通过，且溶剂不挥发。则抽掉隔板并经过一个不稳定扩散后，由于1,i截面上的pA,pB不随时间而变，所以联通管中的传质是稳定的。RTpVnCAAARTdpdCAAdzdpRTDNAAAAdpRTDdzN210AAppAzAdpRTDdzN210AAppAzAdpRTDdzN)(12AAAppRTDzN)(21AAAppRTzDNdzdpRTDNAAtconsDRTNdzdpAAtan定义：总体流动通量：单位时间内垂直通过单位面积由于流体的总体流动沿流体的流动方向传递的A和B的总质量，N，kmol/(m2s)。由于在联通管中除了浓度差引起的分子扩散外，流体的总体流动也引起质量的传递，所以联通管中的传质速率就等于分子扩散通量与总体流动引起的传质速率之和，即由气液相界面不允许B分子通过，得。所以由得所以所以（分子扩散也是等分子反向扩散）且所以11,BAppTPTBiAipp1Ap1BpBipAipP0z1iCCNJNCCNJNBBBAAA0BNdzdCDCCNJBBBtConsCCRTPVnCBAtandzdCdzdCBACCNdzdCDdzdCDJBBAABAJJNCCNCCNCCNJNABAAACCNdzdCDNAAAAdzdCDCCNAAA)1(dzdCDCCCNAAA)(AAAdCCCDCdzN将代入上式得定积分上式，得所以由得所以令——对数平均分压所以由，得RTdpdCRTpCRTPCAAAA,,AAAAAdppPPRTDRTdpRTpRTPRTPDdzNAiAppAAzAdppPPRTDdzN10AiAppAAzApPdpRTDPdzN10AiAppAAzApPpPdRTDPdzN1)(01lnAAiApPpPRTDPzN1lnAAiApPpPRTzDPNBiAiBAppppP1111,BABiAippPppP11BBiAiApppp)(lnln111111AiABBiBBiBBiBBiAiAAppppppPRTzDPppppppRTzDPN11lnBBiBBiBmppppp)(1AiABmApppPRTzDPNBmpP1BmpP对比知反映总体流动对传质的作用。又由，知对传质的作用就象顺水行舟，水流加大了船的速度一样。所以称为漂流因数。又由得所以pA与z成非线性关系，且随pA的减小，也减小，所以pA随z向下弯曲。由，知pB随z向上弯曲。)(21AAAppRTzDNBmpP1BmpPBmpPBmpPAAAdppPPRTDdzNPpPDRTNdzdpAAAdzdpAABpPp2-2-3液相中的稳定分子扩散将上述实验装置中的气液界面移至1截面，则仿效气相中的一组分通过另一静止组分的分子扩散，得由于对液体的分子运动规律远不及对气体研究得充分，因此，只能仿效气相中的分子扩散速率方程写出液相中的相应方程。)('2AAiSmACCCCzDNSiSSiSSmCCCCC22ln2-2-4扩散系数一、气相扩散系数，（低压下）由上式，得二、液相扩散系数（非电解质稀溶液）),,,(ACPTfD介质种类估算查图表实测23000)(TTPPDD2313121235)()11(1036.4BABAvvPMMTDsmD/100.1~101.0244),,(PTfD介质种类),,('ACTfD介质种类smD/105~101'299)(107.7'3/103/115vvTDA2-2-5对流传质一、涡流扩散(对流)：由流体质点的宏观运动传递质量的过程。二、对流传质：湍流流体中分子扩散和涡流扩散两种传质作用之和，即式中。三、传质方式和浓度分布1．层流分子扩散线性层流底层分子扩散近似线性2．湍流过渡流区分子扩散和涡流扩散非线性湍流主体区涡流扩散为主近似水平线四、有效膜：层流底层浓度分布线延线一湍流主体区浓度分布线延线交点与相界面的距离，zG，zL，m。五、对流传质速率方程1．气膜传质速率方程设有效膜的流体按层流流动，则有效膜内的传质方式为一组分通过另一停滞组份的扩散，所以2．液膜传质速率方程同理可得dzdCDDJAE)(smDE/,2涡流扩散系数)(AiAGBmGApppPRTzDPN)('ALAiSmLACCCCzDN2-2-6吸收过程的机理一双膜理论1．气液两相间存在稳定的相界面，界面两侧各有一层有效膜，溶质以分子扩散的传质方式由气相主体进入液相主体。2．在相界面处，气液两相达到平衡。3．在气液两相主体中，溶质浓度均匀。二、溶质渗透理论液面由无数微元流体组成，液面上的每个微元都在与气相接触某一相同时间后进入液相主体。三、表面更新理论液面由无数微元流体组成，但液面上每个微元与气相接触的时间不同，服从某个分布函数，各种年龄的微元被置换下去的机率相等（与年龄无关），而与该年龄的微元数成正比。虽然溶质渗透理论和表面更新理论比双膜理论更接近实验结果，但还不能用于设计计算，所以吸收设备的设计仍以双膜理论为基础。2-2-7吸收速率方程式一、分吸收速率方程（牛顿冷却定律）2．气膜分吸收速率方程令——气膜分传质（吸收）系数，kmol/(m2skPa)。则仿效上式，得3．液膜分吸收速率方程令——液膜分传质（吸收）系数，kmol/(m2skmol/m3)。则仿效上式，得由得所以用作图法可求出界面浓度BmGGpPRTzDk)(iGGAppkN)(iyAyykN)(iYAYYkNSmLLCCzDk')(LiLACCkN)(xxkNixA)(XXkNiXA)(iGGAppkN)(LiLACCkNGLiLikkCCppiiCp,三、总吸收速率方程（总传热方程）仿效分吸收速率方程，得——气相总传质（吸收）系数，kmol/(m2skPa)或kmol/(m2s)。——液相总传质（吸收）系