第二章液相层中传质过程
第二章 液液萃取
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（4）溶剂的回收
➢溶剂的损耗在成本控制中占据很重要的地位，有 的甚至占很大比重。必须回收。 ➢要求萃取剂对其他组分的相对挥发度大，且不形 成恒沸物，如果被萃物不挥发或挥发度很低，而萃 取剂为易挥发组分时，则萃取剂的汽化热要小，以 节省能源。（被萃物为液体和固体两种情况？）
夹带损失。例如：水溶解有机溶剂。
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(2) 萃取剂选择要点
① 选择性好：萃取剂对某种组分的溶解能力较大， 对另一种较小，表现为选择性系数大。 ② 萃取容量大：单位体积的萃取剂能萃取大量的目 的物，表现为分配系数大。 ③ 萃取剂与原溶剂的互溶度：二者最好互不溶解， 减少了溶剂分离的步骤。 ④ 萃取剂与原溶剂有较大的密度差，易与原料液相 分层不乳化、不产生第三相。萃取剂密度最好大于 原溶剂（？）
kA
yA xA
kB
yB xB
分配系数反映了被萃组分在两个平衡液相中的分配关系，
分配系数的值越大，被萃物越容易进入萃取相，萃取分离
效果越好。k与溶剂的性质和温度有关，在一定的条件下
为常数，应根据实验来测定；k=0，表示待萃取物不被萃
取，k=∞，表示完全被萃取。
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2. 选择性系数（分离系数）
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• 几种特殊溶剂：醋酸丁酯、丁醇、戊醇、丁酮、甲 基叔丁基醚、这些溶剂在水中或酸性水中溶解度不 大。适用于萃取在酸性水中溶解度大的物质。
• 普通含氧原子的溶剂在酸性溶液中，易与氢离子形 成氢键而易溶于水，而这些含氧的大分子溶剂由于 位阻大，阻碍了氢键的形成，故在水中溶解度小。
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电极过程动力学 ppt课件
§1.1 电极过程动力学的发展
电化学科学的发展大致可以分为三个阶段：电化学热 力学、电化学动力和现代电化学。
电化学热力学研究的是处在平衡状态的电化学体系， 涉及的主要问题是电能和化学能之间的转换的规律。
从19世纪末到20世纪初，在热力学基本原理被牢固地 确立后，用热力学方法研究电化学现象成了电化学研 究的主流，取得了重大的进展，使“电化学热力学” 这部分内容趋于成熟，成为物理化学课程的经典组成 部分。
研究电极过程动力学的首要目的在于找出整个电极过程的控制步 骤,并通过控制步骤来影响整个电极过程的进行速度,而这又建立 在对电极过程基本历程的分析和弄清个分步骤动力学特征的基础 之上。
电极的极化
处在热力学平衡状态的电极体系,因正、负方向的反应速度相等, 净反应速度等于零.相应的平衡电极电势可由Nernst公式计算.当 有外电流通过时,净反应速度不等于零,即原有的热力学平衡受到 破坏,致使电极电势偏离平衡电势,这种现象在化学上称为电极的” 极化现象” 。
“电极/溶液”界面上的电场强度常用界面上的相间电势差---电极电势表 示，
随着电极电势的改变，不仅可以连续改变电极反应的速度，而且可
以改变电极反应的方向。以后还将看到，即使保持电极电势不变，改变
界面层中的电势分布也会对电极反应速度有一定的影响。因而研究“电
极/溶液”界面的电性质，即电极、溶液两相间的电势差以及界面层中的
电化学—研究载流子（电子、空穴、离子）在电化学 体系（特别是离子导体和电子导体的相界面及其邻近 区域）中的运输和反应规律的科学。
电化学所研究的内容有：
（1）电解质溶液理论（离子水化、离子互吸、离子缔合及电导 理论等）；
（2）电化学平衡（可逆电池、电极电位、电动势与热力学函数 间关系等）；
传质分离重点2
第一章：1，平衡分离：根据两相状态不同 , 传统平衡分离过程可分为如下几类：汽液传质过程 : 如液体的蒸馏和精馏。
液液传质过程 : 如萃取。
气液传质过程 : 如吸收、气体的增湿和减湿。
液固传质过程 : 如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分离、区域熔炼等。
气固传质过程 : 如固体干燥、吸附等。
,2，速率分离:膜分离、场分离在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。
膜分离又包括超滤、反渗透、渗析、电渗析等。
速率分离过程特点：节能 环保第二章： 相平衡准则（条件）：相平衡关系的表示方法1 相图2 相平衡常数K3 分离因子即相对挥发度相平衡常数的计算方法：一、状态方程：范德华方程 1维里方程 2 RK 方程 3 SRK 方程 4 PR 方程 5 BWRS 方程6 列线图法 3 4对RK 的修正，精度显著改善，简单方便，但对H 2 H 2S 等物系精度差；5 特别适用于H 2 H 2S 等气体混合物；6 轻烃类组分，仅考虑T P 对K 的影响，忽略了组成。
二、活度系数法：1 Vanlaar(范拉尔)方程、2 Margules(玛古斯)方程、3 Wilson(威尔逊)方程、4 NRTL(有轨双液)方程、5 UNIQUAC(通用拟化学活度系数)方程、S-H 方程1 2 数学表达式简单，容易从活度系数数据估计参数；适应性强，对于非理想性强的物系，包括部分互溶物系结果计算结果也能很满意。
多元物系需要多元的相互作用参数，如果没有，不能用于多元物系计算；都没有考虑T 、P 对模型的影响3 不能直接应用于液液平衡，但修正的T-K- Wilson 可以。
4 能很好地表示二元和多元系统的气液和液液平衡；特别对于含水系统，模型效果好；模型参数多，对每个二元物系都有三个参数。
5 所有表达式中，最复杂的；特别适用于分子大小相差悬殊的混合物。
气液平衡常数的各种简化：（1）汽相为理想气体，液相为理想溶液 适用物系：P<200kPa ，分子结构十分相近的组分溶液可按此类物系处理，如苯-甲苯二元混合物。
电化学合成中的气液相界面传质过程
电化学合成中的气液相界面传质过程气液相界面传质过程在电化学合成中起着关键作用。
本文将从概念、原理和应用几个方面来探讨电化学合成中的气液相界面传质过程。
一、概念气液相界面传质过程是指气体和溶液之间的物质交换现象。
在电化学合成中，电极表面常常有气体产生或者需要气体反应参与，而气液相界面传质过程则是实现气体电化学反应必不可少的环节。
这一过程包括气体的吸附、溶解、扩散和电化学反应等多个步骤。
二、原理气液相界面传质过程的原理主要涉及物质的扩散和反应动力学。
1. 物质扩散：气体分子在溶液中通过扩散来实现从气相到液相的传递。
扩散的速率受到物质浓度梯度、扩散系数和介质的粘度等因素的影响。
2. 反应动力学：气体和溶液之间的化学反应速率也是影响传质过程的重要因素。
反应速率受到反应物浓度、反应温度和催化剂等因素的影响。
三、应用气液相界面传质过程在电化学合成中有着广泛的应用，如电池的气体扩散层、电解槽中的气体供应和溶解以及燃料电池气体电极等。
下面以燃料电池为例来说明应用：1. 燃料电池：燃料电池是一种利用化学能转换为电能的设备。
其中的气液相界面传质过程是产生电能的重要步骤之一。
燃料电池中的氢气和氧气在电极表面发生氧化还原反应，而通过气液相界面的传质过程，使氢气和氧气得以供应并参与反应，产生电能。
2. 气体电极：气体电极是燃料电池中的重要组成部分，通过气液相界面传质过程来实现氢气或其他气体的吸附、溶解和反应。
利用电化学合成的方法，可以调节气体电极的特性，提高反应效率和电能转化效率。
四、总结气液相界面传质过程在电化学合成中具有重要的地位和应用。
了解其概念、原理和应用，对于提高反应效率、优化反应条件以及控制电化学合成过程具有重要意义。
未来的研究中，随着材料科学和电化学技术的发展，进一步深入研究气液相界面传质过程的机制和控制方法，将有助于推动电化学合成技术的发展和应用。
通过以上内容，我们对电化学合成中的气液相界面传质过程有了更深入的了解。
仪器分析(第四版)第二章
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塔板高度
H
2 1 A 0
L
L H n
P12例
n>50，对称的峰形曲线 气相色谱中，n约为103-106，呈趋于正态分布曲线
理论塔板数（n）可根据色谱图上所测得的保留
时间（tR）和峰底宽（Y）或半峰宽（ Y1/2 ）按下
4）k与保留时间的关系
若流动相在柱内线速度为u（一定时间内载气在柱内
流动的距离，若固定相对组分有保留作用，组分在
柱内的线速度us小于u，两者比值为滞留因子
R S uS / u
也可用质量分数表示：
mM RS w mS m M
1 1 mS 1 k 1 mM
推导：
组分和流动相通过长度为L的色谱柱，所需时间为：
理论上可以推导出：
VS 1 kK K VM
相比，: VM / VS, 反映各种色谱柱柱型及其结构特征 填充柱（Packing column）: 6~35 毛细管柱（Capillary column）: 50~1500
结论：
分在两相中质量比，均与组分及固定相的热力学性
1）分配系数是组分在两相中的浓度之比，分配比是组
试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测 器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相 应的电信号，由记录仪所记录下的信号——时间曲线 或信号——流动相体积曲线，称为色谱流出曲线，
常用术语：
基线： 在操作条件下，仅有纯流动相进入检 测器时的流出曲线。 稳定的基线为一直线
基线漂移：基线随时间定向缓慢变化
《化工原理》第十九讲
A3 A2 A 1 Y A3 A2 A Y2*
YNT 1 ANT ANT 1 A 1Y ANT ANT 1 A2 A Y2*
YNT 1 ANT ANT 1 A 1 Y Y2* Y2*
液相总传质单 元高度HOL,m
z
z
dz
V
0
K Y a
Y1 dY L Y2 Y Y* K Xa
X1 dX X2 X* X
z HOG NOG HOL NOL
气相传质单 元数NOG
H OG
V KY aΩ
H OL
L K X aΩ
HOG变化范围为0.15~1.5m
1、气相及液相传质单元高度
难点
2、传质单元数NOG、NOL的计算
五、理论板层数的计算
1、最小吸收剂用量的确定
2、气相及液相总体积吸收系数kmol/(m3.s) 3、气相及液相传质单元高度 4、脱吸因数 S、吸收因数 A 5、传质单元数NOG、NOL的计算公式 6、填料层高度计算公式
二、吸收剂用量的确定
适用条件是什么？
ΔYm
ΔY1 ln
ΔY2 ΔY1
ΔY2
ΔY1 Y1 Y1*
ΔY2 Y2 Y2*
2、数值积分法求NOG的平衡关系是怎样的？
3、用纯溶剂逆流吸收，若液气比等于m，回收率 等于0.9，则NOG等于多少？
4、用清水逆流吸收除去混合物中的有害气体，已知 入塔气体组成，y1=0.1,A=90%，平衡关系y=0.4x， 液相传质单元高度HOL=1.2m，操作液气比为最小液 气比的1.2倍，求：（1）所需填料层高度；（2）如 果填料层高度不受限制，L/V仍为原值，则回收率最 大可以达到多少？
传质过程(化工基础,化学)
不同气体在同一 吸收剂中的溶解度有 很大差异。相同温度 下，二氧化硫的溶解 度较小，氨气和氯化 氢的溶解度较大。
氨在水中的溶解度 总压一定，温度下降，在同一溶剂中， 溶质的溶解度随之增加，有利于吸收 。
温度一定时，总压增 加，在同一溶剂中，
溶质的溶解度x随之
增加，有利于吸收 。
20℃下SO2在水中的溶解度
由于相组成的表示方法有多种，亨利定 律也有多种不同的数学表达形式： p*=c/H H－溶解度系数。 y*=mx m一相平衡常数。 Y*=mX
吸收过程中，气相中的吸收质进入液相，气、 液相的量都发生变化，使吸收计算变得复杂。为简 化计算，工程上采用在吸收过程中数量不发生变化 的气相中的惰性组分和液相中的纯吸收剂为基准。 以混合物中吸收质摩尔数与惰性物质摩尔数的 比来表示气相中吸收质的含量，称为气相摩尔比， 用Y表示； 以液相中吸收质摩尔数与纯吸收剂摩尔数的比 来表示液相中吸收质的含量，称为液相摩尔比，用X 表示。 摩尔比与摩尔分数的关系是： Y=y/(1-y) X=x/(1-x)
（2）传质过程的方向与极限 相间传质和相际平衡所共有的几点规律： ①一定条件下，处于非平衡状态的 两相体系内组分会自动地进行旨在使体 系的组成趋于平衡态的传递。经过足够 长的 时间，体系最终将达到平衡态，此 时相间没有净的质量传递； ② 条件的改变可破坏原有的平衡状 态。如改变后的条件保持恒定，一定时 间后，体系又可达到新的平衡。 ③在一定条件下（如温度、压力）， 两相体系必然存在着一个平衡关系。
5.1传质过程及塔设备简介
1.传质过程的类型 两相间的传质过程，根据相态不同，可分 为流体相间和流固相间的传质两类。 （l）流体相间的传质过程 ①气相—液相：包括气体的吸收、液体的蒸馏、 气体的增湿等单元操作。 ②液相一液相：在均相液体混合物中加入具有选 择性的溶剂，系统形成两个液相。 由于原溶液中各组分在溶剂中溶解度的不 同，它们将在两个液相之间进行分配，即发生 相间传质过程，这就是通常所说的液一液萃取。
传质分离过程课后习题答案及解析
第一章 绪论略第二章习题1. 计算在0.1013MPa 和378.47K 下苯（1）-甲苯（2）-对二甲苯（3）三元系，当x 1 = 0.3125、x 2 =0.2978、x 3 =0.3897时的K 值。
汽相为理想气体，液相为非理想溶液。
并与完全理想系的 K 值比较。
已知三个二元系的wilson 方程参数（单位： J/mol ）：λ12－λ11=－1035.33； λ12－λ22=977.83 λ23－λ22=442.15； λ23－λ33=－460.05 λ13－λ11=1510.14； λ13－λ33=－1642.81在T =378.4 K 时液相摩尔体积（m 3/kmol ）为： =100.91×10 -3 ；=177.55×10 -3 ；=136.69×10 -3安托尼公式为（p s ：Pa ； T ：K ）： 苯：1n =20.7936-2788.51/（T -52.36）； 甲苯：1n=20.9065-3096.52/（T -53.67）；对 -二甲苯：1n =20.989 1-3346.65/（T -57.84）；解：由Wilson 方程得：Λ12=l lV V 12exp[-(λ12-λ11)/RT]=331091.1001055.177⨯⨯×exp[-(1035.33)/(8.314×378.47)]=2.4450Λ21=0.4165 Λ13=0.8382 Λ31=1.2443Λ23=0.6689 Λ32=1.5034 lnγ1=1-ln(Λ12X 2+Λ13X 3)-[3322311313233221122131321211X X X X X X X X X X X X +Λ+ΛΛ+Λ++ΛA +Λ+Λ+]=0.054488 γ1=1.056同理,γ2=1.029; γ3=1.007lnP 1S =20.7936-2788.51/(378.47-52.36)=12.2428, P 1S =0.2075Mpa lnP 2S =20.9062-3096.52/(378.47-53.67)=11.3729, P 2S =0.0869Mpa lnP 3S =20.9891-3346.65/(378.47-57.84)=10.5514, P 3S =0.0382Mpa 作为理想气体实际溶液,K 1=P P S11γ=2.16, K 2=0.88, K 3=0.38003若完全为理想系,K 1=P P S1=2.0484 K 2=0.8578 K 3=0.37712. 在361K 和4136.8kPa 下，甲烷和正丁烷二元系呈汽液平衡，汽相含甲烷0.60387%（ mol ）,与其平衡的液相含甲烷0.1304%。
[复习]传质分离过程
![[复习]传质分离过程](https://img.taocdn.com/s3/m/b5fdf954a55177232f60ddccda38376bae1fe045.png)
传质分离过程1.分离过程可以定义为借助于物理、化学、电学推动力实现从混合物中选择性的分离某些成分的过程。
2.分离过程可分为机械分离和传质分离两大类。
机械分离的对象是两相以上的混合物。
传质分离过程用于各种均相混合物的分离。
特点是有能量传递现象发生。
3.传质分离过程分为平衡分离过程和速率分离过程。
4.相平衡的准则为各相的温度、压力相同，各组分的逸度也相等。
5.相平衡的表示方法有相图、相平衡常数、分离因子。
6.维里方程用来计算气相逸度系数。
7.闪蒸是连续单级蒸馏过程。
8.指定浓度的组分成为关键组分，其中易挥发的成为轻关键组分，难挥发的成为重关键组分。
9.若溜出液中除了重关键组分外没有其他重组分，而釜液重除了轻关键组分外没有其他轻组分，这种情况称为清晰分割。
10.多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别可以归纳为：在多组分精馏中，关键组分的浓度分布有极大值；非关键组分通常是非分配的，即重组分通常仅出现在釜液中，轻组分仅出现在溜出液中；重、轻非关键组分分别在进料板下、上形成接近恒浓的区域；全部组分均存在于进料板上，但进料板浓度不等于进料浓度。
塔内各组分的浓度分布曲线在进料板处是不连续的。
11.最小回流比是在无穷多塔板数的条件下达到关键组分预期分离所需要的回流比。
12.特殊精馏分为萃取精馏（加入的组分称为溶剂）、共沸精馏、加盐精馏。
13.气体吸收是气体混合物一种或多种溶质组分从气相转移到液相的过程。
解吸为吸收的逆过程，即溶质从液相中分离出来转移到气相的过程。
14.吸收过程按溶质数可以分为单组分吸收和多组分吸收；按溶质与液体之间的作用性质可以分为物理吸收和化学吸收；按吸收温度状况可以分为等温吸收和非等温吸收。
15.吸收的推动力是气相中溶质的实际分压与溶液中溶质的平衡蒸气压力之差。
16.难溶组分即轻组分一般只在靠近塔顶的几级被吸收，而在其余级上变化很小。
易溶组分即重组分主要在塔底附近的若干级上被吸收，而关键组分才在全塔范围内被吸收。
化工单元操作-传质过程(吸收)
• 2.解吸方法 • 解吸方法有汽提解吸、减压解吸、加热解吸、
加热减压解吸。工程上很少采用单一的解吸方 法，往往是先升温再减压至常压，最后采用汽 提法解吸。 • （1）汽提解吸 也称为载气解吸法。 • 向解吸塔中通入不含溶质的惰性气体或溶剂蒸 气等气体，降压液面上溶质气体的分压，使吸 收剂中溶质气体更完全的解吸出来，常以空气 、氮气、二氧化碳、水蒸气、吸收剂蒸气作为 载气。
经济上：X 2L (1.1 ~ 2.0)Lmin
4、塔内返混
吸收塔内气液两相可因种种原因造成少量流体发生
与主流提方向相反的流动，这一现象称为返混。
传质设备发生返混会使传质推动力下降、效率降低
或填料层高度增加。
5、吸收剂是否再循环
吸收剂再循环会降低吸收推动力，使填料层 高度加大，但当喷淋密度不足以保证填料的 充分润湿时，必须采用溶剂再循环。
• 第五节 解吸和吸收流程
一、基本概念——解吸
• 从吸收液中分离岀已被吸收的气体吸收 质的操作称为解吸。显然，解吸与吸收 是相反的过程。生产中解吸的作用有两 个：一个是把吸收剂中吸收的气体重新 释放出来，获得高纯度的吸收质气体； 另一个是使吸收剂释放了被吸收的气体 ，使吸收剂从新具有吸收作用，再返回 吸收塔循环使用，节约操作费用。
1、液气比
操作线斜率L/V称为液气比，是吸收剂与惰性气体摩 尔流量之比，反映了单位气体处理量的吸收剂消 耗量的大小。
当气体处理量一定时，确定吸收剂用量就是确定液 气比，是一个重要参数。
液相传质过程
液相传质过程一液相传质方式中的物质传递通常称为液相传质。
在／溶液界面，液相传质是通过蔓延、电迁移和对流来完成。
1．对流对流是指溶液中的粒子随着液体的流淌而一起运动。
它有自然对流和强制对流之分。
液体各部分之间因浓度差或温度差而形成的对流称自然对流，这是自然发生的。
强制对流则是因外力搅拌溶液而引起的对流。
无论哪种对流形式，都可引起电极表面附近溶液的浓度变幻。
2．电迁移电迁移是带电粒子在电场力作用下发生的移动。
在电极表面附近，电活性物质通常由蔓延和电迁移两种方式传递。
为了简化电化学体系的数学处理，往往仅考虑蔓延这一种传递形式，这时需要通过加入大量电解质（称为支持电解陈）来消退电迁移。
3．蔓延蔓延是指溶液中粒子在浓度梯度作用下，自高浓度向低浓度方向发生的移动。
即使溶液在静止状态，也会发生这种传递现象。
应该指出，三种传质方式中往往惟独一种或两种起主导作用。
在电极表面附近，电活性物质通常由蔓延和迁移两种方式传递，对流速率很小。
因此在电极表面区域，蔓延和迁移的流量控制着电极反应的速率以及由此引起的外电路流过的Faraday电流。
明显，所获得的电流包括蔓延电流（(i扩）和迁移电流（i迁），即i=i扩＋i迁i扩和i迁的方向可能相同也可能相反，这取决于电场的方向以及电活性物质所带的电荷。
对于带正电荷、带负电荷和不带电荷三种不同反应物在带负电荷电极上的还原，其电流大小不同。
在极谱分析中，迁移电流被认为是一种干扰电流，将在15.3.4节研究。
通常在溶液中加入大量的支持电解质如KC1，借助其降低被分析物的迁移份额，以消退迁移电流。
在许多仅考虑蔓延的体二线性蔓延传质对于一个电化学反应，随反应的举行，反应粒子会不断地消耗，反应产物则不断地生成。
这样，在电极表面附近的液层中会形成浓度梯度，导致粒子的蔓延。
这种蔓延对电化学反应产生十分重要的影响，经常打算电化学反应的速率和电流的大小。
假如只考虑平面电极上x方向的一维（线性）蔓延传质，反应物在x方向的蔓延流量由Fick(菲克）第一定律给出：第1页共2页。
第二章(2)气液固三相浆态床反应器
流型
当淤浆的性能可作为拟液体时，如颗粒直径≤50µ m， 且固含率不超过16％，气—液两相流动的流动状态分区图 可适用于气—液—固三相鼓泡淤浆反应器。 上述流型间的过渡条件与液体特性、气体分布器的设 计、颗粒特性及床层尺寸等因素有关。 对于高粘度的流体在很低的表观气速下可形成栓塞流。 气体分布器如采用微孔平均直径低于150µ m的素烧陶 瓷板，当表观气速达0.05～0.08m／s时，仍为气泡分散区。 当多孔板孔径超过lmm时，气泡分散区仅存在于很低的表 观气速。 所以，鼓泡淤浆床反应器能否使用图2流动状态分区图 需视淤浆及分布器等具体情况而定。
催化剂不会像固定床中那样产生烧结
浆态反应器的缺点
液相是热载体时，要求所使用的液体为惰性，不与其中某一 反应物发生任何化学反应。要求蒸气压低、热稳定性好，不 易分解，并且其中对催化剂有毒的物质含量合乎要求；如进 行氧化反应时，耐氧化的惰性液相热载体的筛选是一个难点。 催化剂颗粒较易磨损，但磨损程度低于气—固相流化床。 气相呈一定程度的返混，影响了反应器中的总体速率。
浆态床反应器的流体力学
流型
固体完全悬浮的临界气速 气含率
气泡尺寸和分布
流型
鼓泡淤浆床反应器其流体力学特性与气液鼓泡反应器相 同或相接近。
Deckwer等发表了气体 分布器工作良好情况 下气液两相鼓泡反应 器的流型。
0.88
CL 对于无机电解质的水 CS 溶液， ＝0.364。 为单位体积淤浆中 的固体质量，kg／m3。 为气—液鼓泡塔的气 含率。
气含率
图7 固体颗粒浓度及塔径对气含率的影响
气泡尺寸与分布
气泡尺寸及分布，可用摄像技术，或探头技术测量， 在两相气—液鼓泡床或三相鼓泡淤浆床体系中，气泡 在分布器的小孔或喷嘴处形成。 当气泡上升时，它们可能因合并而增大，或因液相中 的湍流剪切力而分裂成更小的气泡。 在给定的条件下气泡在小孔或喷嘴处形成的尺寸大致 是均一的。 气泡的平均尺寸通常采用Sauter平均值(或称体积—表 面积平均值)，对于一组实测的气泡直径，其Sauter平 均值可用下式表示： ni 是尺寸为的气泡的数目 d bi可以为任意的当量直径 d n d3 / n d2
化工原理-气体吸收_图文
• 气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则气体的 溶解度增高。
溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液 相中的浓度的关系曲线。例：图2-2，2-3，2-4。
本章以分析单组分的等温物理吸收为重点，以便掌握最基本 的原理。
• 气体吸收是物质自气相到液相的转移，这是一种传质过程。 • 混合气体中某一组分能否进入溶液里，既取决于该组分的分压，
也取决于溶液里该组分的平衡蒸汽压。如果混合气体中该气体的 分压大于溶液的平衡蒸汽压，这个组分便可自气相转移至液相， 即被吸收。由于转移的结果，溶液里这个组分的浓度便增高，它 的平衡蒸汽压也随着增高，到最后，可以增高到等于它在气相中 的分压，传质过程于是停止，这时称为气液两相达到平衡。 • 反之，如果溶液中的某一组分的平衡蒸汽压大于混合气体中该组 分的分压，这个组分便要从溶液中释放出来，即从液相转移到气 相，这种情况称为解吸（或脱吸）。 • 所以根据两相的平衡关系可以判断传质过程的方向与极限，而且 ，两相的浓度距离平衡愈远，则传质的推动力愈大，传质速率也 愈大。 • 吸收操作的分析，应该从气液两相的平衡关系与传质速率关系着 手，本章各节即如此展开讨论。
y
相对于气相浓度而言实
际液相浓度过饱和
(x>x*)，故液相有释放
o
溶质 A 的能力。
y*=f(x)
吸收溶质
Q
释放溶质
x* x x
结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将 发生从液相到气相的传质，即解吸过程。
传质过程的方向
气、液相浓度(y,x)处于
传质机理、吸收机理、传质方向的判断
传质过程方向主要由相平衡方程 ye=f(x)来判定
例如：设在101.3KPa、200C下稀氨水的相平 衡方程为ye=0.94x，（1）使含氨10%的混合 气和x=0.05的氨水接触；（2）使y=0.05的 含氨混合气与x=0.1的氨水接触。
解：已知m=0.94 已知m=0.94
1） y=0.1，x=0.05 ye=0.94x=0.94×0.05 =0.047 故ye<y; xe=y/m=0.106 故xe>x; 说明多余部分氨气从 气相转入液相 2）y=0.05，x=0.1 ye=0.94x=0.94×0.1 =0.094 故ye<y; xe=y/m =0.053 故xe<x； 说明多余部分氨气从液 相转入气相
双膜理论将两流体相际传质过程简化为经两膜层的稳定 分子扩散的串联过程。对吸收过程则为溶质通过气膜和液膜 的分子扩散过程。 两相相内传质速率可用下面的形式表达为： NA=kg(p-pi) NA=kc(c-ci)
按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验 所得的关联式地结果相差较大； 由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜 层厚度δ1 和δ2 以及界面上浓度pi 和ci 都难以确定； 双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界 面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的， 因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方 式通过此两膜层的假设都难以成立； 该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相 接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传 质过程的计算中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设 计的依据
传质过程的方向判断
• 影响传质的因素 （1）温度 当压强一定，温度升高时，溶解度将减小， 溶质从液相转入气相。相反当温度降低时， 溶解度增加，溶质从气相转入液相 。 （2）压强 当温度一定，分压越高，则溶解度增大，溶 质从气相转入液相。 总之升高温度和提高分压都有助于提高溶解 度。
化学工程中的传热传质过程
化学工程中的传热传质过程在化学工程中，传热传质过程是一个至关重要的环节。
传热传质是指物质内部的能量和物质由高浓度区域向低浓度区域进行传递的过程。
这个过程在化学工程中广泛应用于反应器、蒸馏塔、吸附塔等各种设备中。
本文将探讨传热传质过程的基本原理和在化学工程中的应用。
一、传热传质的基本原理传热传质过程主要包括传热和传质两个方面。
传热是指能量从高温区域传递到低温区域的过程，主要有三种传热方式：导热、对流和辐射。
导热是通过物质与物质之间的直接接触传递能量，对流是由于温度差引起的流体内部的热量传递，辐射是通过电磁波辐射传递热量。
传质是指物质由浓度高的区域向浓度低的区域进行扩散的过程。
传质过程主要包括扩散、对流传质和表面反应传质。
扩散是指由于浓度差引起的物质分子的自发运动，对流传质是由于流体的流动引起的物质传递，表面反应传质是指物质在界面上的化学反应引起的物质传递。
传热传质过程的基本原理是根据物质的热力学性质和守恒定律，通过数学建模和实验验证，得到了一系列传热传质的基本方程。
二、传热传质过程在化学工程中的应用1. 反应器中的传热传质过程在化学反应器中，传热传质过程起到了至关重要的作用。
反应器内部的热量传递要求反应物能够均匀分布，以保证反应达到最高效率。
此外，在液相反应中，传质过程也是保证反应物和催化剂之间充分接触的关键。
2. 蒸馏塔中的传热传质过程蒸馏塔是一种常见的分离设备，在石油化工中广泛应用。
在蒸馏塔中，液相和气相之间的传热传质过程起着重要作用。
液相在塔内被加热蒸发，然后与下游冷凝的气相进行传质，使得不同组分得以分离。
3. 吸附塔中的传热传质过程吸附塔是用于气体或液体分离的设备，其内部包含吸附剂和被吸附物质。
在吸附塔中，被吸附物质通过传质过程被吸附剂吸附，吸附剂在一定条件下再通过逆向传质过程，释放吸附物质。
四、总结传热传质过程在化学工程中具有重要的意义。
准确的传热传质模型和运行参数可以帮助工程师更好地设计和优化化学工程设备，提高生产效率和产品质量。
第二章液相层中传质过程
2.3 实际稳态对流扩散
• 随着离电极表面距离 有增大 , 切向流速逐渐 加大 , 直到超过一定距 离（ 边 ）之后,液体才 以恒定的初速 均匀 u0 地流动 • 这种位于电极表面附 近期间发生了切向流 速变化的液层,称为液 体动力学的"边界层".
2.3 实际稳态对流扩散
• 2.电极表面上各点的边界 层厚度（ 边）是不相同的。 如图3.5 所示,设切向液流 （流速为u0 ）在坐标原点 开始接触电极表面,则前进 距离（y）愈远， 边 值愈 大。二者之间的定量关系 为 y 边 u0 • 3. 电极表面上存在一薄层， 其中反应粒子浓度发生变 化的“扩散层”(厚度为), 与边界层厚（ ）相比, 边 要薄得多.
2.3 实际稳态对流扩散
• 在边界层内扩散层外（ x 边 ）,液体的流速还比较大, 主要是实现动量的传递,实际上,并不出现反应粒子的浓度 差。仅在扩散层内（ x ）,才有浓差现象发生.需要注 意,在扩散层内部,仍然存在液体的切向运动,因而其中的传 质过程是扩散和对流两种作用的联合效果.即使在稳态下, 扩散层并不具有确定的边界 ,其中各点的浓度亦非常数。 • 在对流扩散情况下,虽然在电极表面附近实际存在扩散层, 其含义与理想情况下的稳态扩散并不相同。
(b)
图3.26 线性电势正、反向扫描时电极电势和电流随时间的变化
2.6 线性电势扫描方法
• 采用电势扫描方法，能较快地观察较宽的电势范围内发生 的电极过程，为电极过程研究提供丰富的信息；并且还能 通过对扫描曲线形状的分析估算电极反应参数
dcM z dx
0 ) ExuM z c M z
• 对阴离子有
J A z DA z ( dcAz dx
0 ) Exu A z c z 0 A
3传质速率方程
X
X*
X A,i − X N A = kX ( X A,i − X ) = 1 kX
单相内传质分推动力
相际传质总推动力
气相主体的平衡相的浓度
串联过程的速率相等，由比例合比性质：
X* − X NA = 1 1 + mkY k X
记
1 1 1 = + K X mkY kX
液相总传质系数
液相总吸收速率方程
单相内传质速率方程 (子过程速率) 相际传质速率方程 (串联过程速率)
液相作为被平衡相时 气相作为被平衡相时 的相际总传质推动力 和总传质系数
气相
液相
的相际总传质推动力 和总传质系数
N A = kG ( pA − pA,i )
= kL (cA,i − cA )
= KG ( p A − p ∗ ) A
总浓度c’=CS+CA 分压（或分浓度）
pB pA
（气相中停滞组分是 惰性气体。停滞气膜 由惰气+溶质构成）
cS,i cA,i
（液相中停滞组 分是溶剂。停滞 液膜由溶质+溶 剂构成）
cS
cA pA,i NA NA NA NA
气相主体区
Z=0 Z=z
液相主体区
1、气相内传质速率方程
D p ( pA − pA,i ) NA = RTZG pB,m
第四部分 传质速率方程
预备
全塔操作温度T，操作总压p一定。
y2 x2 稳态操作的吸收塔，气液相组成沿塔高
方向分布稳定。 在任一塔截面处截取一微元段，分析
l
y(l) x(l)
l
T , p, y, Y , pA T , p, x, X , cA , c
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2.2 理想情况下稳态过程
• 如上左图中的毛细管的一端，毛细管内的溶液是不能流动 的。强烈的搅拌毛细管以外的溶液，使其各处浓度均匀。 在阴极上有电流通过并发生还原反应时，毛细管内存在着 浓度梯度（扩散区），而毛细管以外的溶液没有任何浓度 梯度（对流区）。整个毛细管长度l等于扩散层厚度。稳态 时l中各点浓度与时间无关。稳态下的流量恒定是稳态扩散 的特征。
2.3 实际稳态对流扩散
• 在边界层内扩散层外（ x 边 ）,液体的流速还比较大, 主要是实现动量的传递,实际上,并不出现反应粒子的浓度 差。仅在扩散层内（ x ）,才有浓差现象发生.需要注 意,在扩散层内部,仍然存在液体的切向运动,因而其中的传 质过程是扩散和对流两种作用的联合效果.即使在稳态下, 扩散层并不具有确定的边界 ,其中各点的浓度亦非常数。 • 在对流扩散情况下,虽然在电极表面附近实际存在扩散层, 其含义与理想情况下的稳态扩散并不相同。
1 / 2 1 / 6 1 / 2 0 I d nFD2 / 3u0 v y c
2.4 稳态极化曲线形式
• 下面可分两种情况来分析极化曲线的具体形式： • 1.反应产物生成独立相,即
s s aR f R cR 1
0' 平
RT s ln cO nF
• 最后代入可得到 ：
0' 平
•
1/ பைடு நூலகம்
RT I ln nF I d I
2.4 稳态极化曲线形式
2.5 电场对稳态传质影响
• 下面试推导扩散层中电场 对稳态电流影响的定量关 系,根据液相传质基本方程 式(3.6),因扩散层中x=0, 则对于阳离子应有
J M z DM z (
I nF
ci I d nFDi l
0
相应于 c 0 （称为“完全浓差极化”），I 将趋近最大极限 值，通常称其为稳态极限扩散电流密度（Id），即
2.2 理想情况下的稳态过程
• 反应粒子的扩散系数D并不是一个严格的常数,与溶液的浓 度、温度、粘度系数及粒子半径参数有关,在溶液粘度和 温度一定时, 主要决定于粒子本身的半径：
(b)
图3.26 线性电势正、反向扫描时电极电势和电流随时间的变化
2.6 线性电势扫描方法
• 采用电势扫描方法，能较快地观察较宽的电势范围内发生 的电极过程，为电极过程研究提供丰富的信息；并且还能 通过对扫描曲线形状的分析估算电极反应参数
0
s RT cO ln s nF c R 0' 平
s cO
若考虑反应产物R自电极表面的扩散流失速度，即可得到
I nFDR
s 0 cR cR
( I d I ) O nFDO
R
nFDR
R
s cR
0 (cR 0)
2.4 稳态极化曲线形式
• 由此可以求得反应产物的表面浓度
2.2 理想情况下的稳态过程
• 达到稳态后毛细管内的深度梯度可表示为
dci ci ( x l ) ci ( x 0) ci0 cis dx l l
稳态下的流量为
J 扩,i Di c0 i ci l
s
与此扩散速度相应的稳态扩散电流密度为 0 s ci ci I nFJ扩,i nFDi l s
2.3 实际稳态对流扩散
• 在 x 0 处不存在对流 传质过程, 可以利用此 处的浓度梯度来计算 扩散层的有效厚度 有效
有效
c0 cs dc ( ) x 0 dx
有效 D 1/ 3 （ ） 边 v
有效 D1 / 3 v1 / 6 y1 / 2 u0 1 / 2
• 采用CHI660A电化学工作站，可以使电极电势在一定的范 围内以恒定的速度扫描。如果采用的是三角波电势扫描信 号（如图3.26所示），称为线性循环扫描法。因通常记录 的是电流随扫描电势的变化，常称为循环伏安法。
－ t Ic O+e R
i
－ i
转换 时间
平
r O
0
t
Ia
R－ e
(a)
2.2 理想情况下稳态过程
2.2.1
稳态扩散和非稳态扩散 • 电极反应开始进行后 , 必然引起电极表面附近液层中反应 粒子的浓度变化 ,破坏了反应前浓度均匀分布的平衡状态 , 随着电极表面液层中出现的浓度差 , 同时发生了扩散传质 过程. 在电极反应的初始阶段 ,指向电极表面的扩散传质不 中以完全补偿电极反应所引起的反应粒子的消耗 , 因而随 着电极反应的进行 ,将使浓度变化继续向深处发展 .习惯上 将这种扩散过程的初始发展阶段称为“非稳态阶段”或 “暂态阶段”。 • 然而,,当出现浓度差的范围延伸到电极表面附近的薄液 层以外, 以致出现了较强的对流传质过程时 , 则指抽电极表 面的反应粒子的流量已中以完全补偿由于电极反应而引起 的消耗. 这时电极表面附近液层中的浓度差仍然存在 , 但却 不再发展,称为“稳态扩散阶段”。
s cR
I R nFDR
RT O DR RT I d I ln ln nF R DO nF I
• 整理后得到
0' 平
• 当 I I d 时，
2
0' 1 / 2 平
RT O DR ln nF R DO
可以看作是一个不随体系浓度改变的常数,习惯上称为 1/ 2 “半波电势”。
dcM z dx
0 ) ExuM z c M z
• 对阴离子有
J A z DA z ( dcAz dx
0 ) Exu A z c z 0 A
2.5 电场对稳态传质影响
• 设 |z-|=z+=z，利用电中性关系及 D RT u 0 nF 可改写成 RT dc 0
2.3 实际稳态对流扩散
• 随着离电极表面距离 有增大 , 切向流速逐渐 加大 , 直到超过一定距 离（ 边 ）之后,液体才 以恒定的初速 均匀 u0 地流动 • 这种位于电极表面附 近期间发生了切向流 速变化的液层,称为液 体动力学的"边界层".
2.3 实际稳态对流扩散
• 2.电极表面上各点的边界 层厚度（ 边）是不相同的。 如图3.5 所示,设切向液流 （流速为u0 ）在坐标原点 开始接触电极表面,则前进 距离（y）愈远， 边 值愈 大。二者之间的定量关系 为 y 边 u0 • 3. 电极表面上存在一薄层， 其中反应粒子浓度发生变 化的“扩散层”(厚度为), 与边界层厚（ ）相比, 边 要薄得多.
kT Di 6ri
• 常温下扩散系数D的温度系数约为：2%/ C
2.3 实际稳态对流扩散
• 2.3.1 平面电极 • 在大多数情况下,电极附近液相中的传质过程一般同时存在扩散和对流 的影响,因而常称实际情况下的稳态 扩散为“对流扩散”。. • 与理想情况下的稳态扩散过程相类比,处理实际扩散过程需要解决的问 题是,如何处理“扩散层厚度”的概念,或者说如何确定“扩散层有效 厚度”。考虑到自然对流现象的定量处理极为复杂,而且它的传质能力 远不如人工搅拌作用,因此,下面主要讨论在不出现湍流的前提下按特 定方式对流的液体中出现的稳态扩散过程. • 假设由于搅拌作用面引起的液流方向与电极表面平行 ,不出现湍流,则 电极附近的液层具有下列基本性质： • 1. 电极表面附近切向液流速度有分布见图3.6，图中箭头的长短表示 切向流速有大小。由图可见, 除 x 0 处外,液体均不是完全静止的, 随 着离电极表面距离有增大,切向流速逐渐加大,直到超过一定距离（ • 边 ）之后,液体才以恒定的初速 u 0 均匀地流动。这种位于电极表面 附近期间发生了切向流速变化的液层,称为液体动力学的“边界层”, 边为边界层厚度。
扩散
Id RT 平 ln( ) nF Id I
这类极化曲线的特征见上图3.14(a),(b)
2.4 稳态极化曲线形式
• 2.反应开始前R不存在( cR 0 )，而反应后生成物可溶。 0 0 ，不可能出现由R氧化为O的阳极 在这种情况下，因 cR 电流。在出现浓差极化后，电极电势为
I nFu M n ( nF dx E x c)
RT dc Exc 0 nF dx
• 在二式中消去Ex后得到
0 I 2nFu M n
RT dc dc 2nFD M n nF dx dx
• 可见,由于在扩散中存在电场的影响,致使电流值正好增大 了一倍
2.6 线性电势扫描方法
2.3 实际稳态对流扩散
• 实际情况下稳态扩散时反应粒子的流量和相应的 电流密度为: c0 c s
J x D
I nFD c0 cs
有效
有效
c0
I d nFD
有效
• 如果电极附近的液体流动情况如图3.5所示
1 / 2 1 / 6 1 / 2 I nFD2 / 3u0 v y (c 0 c s )
• 在实际的电化学体系中, 上述三种液相传质过程 总是同时平行进行的,即 总流量应有：
电
扩散 电迁 电极表面 附近液层 （扩散区）
Ji J 对,i J 扩,i J 迁,i
dci 0 vx ci D （ ） E u i x i ci dx
表 面
• 在离电极表面较远处， 扩散和电迁传质作用可 以忽略不计，在电极表 面附近的薄层液体中， 起主要作用的是扩散和 电迁过程。
第二章电极/溶液”界面附近液相 中的传质过程
袁雪红
目录
2.1 液相传质中若干基本概念 2.2 理想情况下稳态过程 2.3 实际稳态对流扩散 2.4 稳态极化曲线形式 2.5 电场对稳态传质影响 2.6 线性电势扫描方法
2.1 液相传质中若干基本概念
对流
极
扩散 反应粒子 对流 电迁 远离电极表面 （对流区）