文档介绍：第三章传质过程
本章重点:吸收过程相平衡和传质机理,吸收速率方程,填料吸收塔及其计算,液体蒸馏方法及分离原理,精馏过程物料衡算和塔板数计算,传质设备、特殊精馏方法和塔设备简介。
难点:吸收速率方程和填料吸收塔计算,精馏过程物料衡算和塔板数计算。
第Ⅰ部分气-液相传质过程的机理与设备简介
物质的传递过程(简称传质过程):物质以扩散的方式从一处转移到另一处的过程。
传质过程分类:当传质在不同相间进行时,按相来划分,有液-固相传质过程(如浸取),气-固相传质过程(如吸附),液-液相传质过程(如萃取),气-液相传质过程(如精馏、吸收)等等。本章仅介绍气-液相传质过程。
§1 气-液相传质过程的机理
化学工程中所有涉及气、液两相接触的单元操作(如精馏、吸收)都有物质在相间的转移。在一定的条件下,物质的转移具有一定的速度,也就是说需要一定的时间才能完成。
物质传递过程三阶段:
物质从一相主体转移到两相界面的一侧;
物质从界面的一侧转移到另一相的一侧,并发
生相应的物理化学变化;
物质从另一相界面一侧转移到另一相的主体中。
从传质的角度来考虑,可以把上面三个阶段概括为两种情况:(1)物质在一相内部的传递-单相中物质的扩散;(2)两相界面上发生的过程-相间传质。
1-1 单相中的物质的扩散
物质在单相中的扩散有分子扩散和对流扩散两种方式。
分子扩散是物质分子在静止流体或层流流体中的扩散,相当于传热中的传导。
对流扩散是物质在湍流流体中发生质点位移的结果,相当于传热中的对流。
分子扩散
(1)当流体作为整体是处于相对静止状态时,只要流体内部组分在各部位上分布不均匀,也就是说有浓度差存在,则由于分子运动的结果,组分的分子将扩散开来,直到组分在流体内各处的浓度相等为止。
(2)工程上遇到的扩散过程,大多数是在流体处于流动状态中进行的,在做层流运动的流体中,与流动方向垂直的截面上如果存在着浓度差,则在此平面上的物质也会借助于分子运动从浓度高的地方移向浓度低的地方。
以上两种均为分子扩散。
分子扩散的速率与物质的性质、传质面积、浓度差和扩散距离有关。这一关系可以用下列数学式,即费克(Fick)定律表示:
在稳定情况下:
式中:N分-扩散组分的分子传质速率[kmol/s]或[kmol/h];
G - 扩散物质量[kmol];
τ- 时间[s]或[h];
等号右边的负号表明传质的方向与浓度增加的方向相反;
A - 传质面积[m2];
c - 扩散组分的浓度[kmol/ m3];
n - 扩散距离[m];
D - 比例系数,称为物质的分子扩散系数[cm2/s]或
[m2/h]。
稳定情况下,分子扩散速率的积分形式为:
式中: (c1 - c2) - 扩散组分的浓度差[kmol/m3];
δ- 扩散层厚度[m];
式(3-I-1a)也经常写成分子传质通量[kmol/m2·s]或[kmol/ m2·h]的形式:
分子扩散系数D是物质的特性常数之一,表示物质在介质中的扩散能力。
在沿扩散方向的单位距离内,扩散组分浓度降低一个单位时,单位时间内通过单位面积的物质量,即为该物质的分子扩散系数,其数值的大小取决于以下各因素:
扩散组分本身的性质。
扩散组分所在的介质的性质。
温度:一般温度升高,扩散系数增大。
压力:一般压力对物质在液体中的扩散系数的影响
小,在气体中影响大。
浓度:一般在液体中浓度对扩散系数的影响大,在
气体中影响小。
如果没有实验数据,物质的分子扩散系数值D可以由经验或半经验公式进行估算。
(1)扩散组分A在气体B中的扩散系数常采用下面的半经验公式估算:
式中:D - 扩散系数[m2/h];
P - 气体总压强[大气压(绝压)]
MA、MB - 气体A、B的摩尔质量[g/mol];
、- 气体A、B的摩尔体积,它是指1摩尔物料在它的沸点下呈液态时的体积(以[cm3]计)。对于较复杂的分子,其摩尔体积可看成是各组成元素的原子体积之和,原子体积一般可从有关手册中查得。分子结构较简单的气体的摩尔体积,一般可不用加和法,而从表中直接查到。