⑴ 1-溴丁烷的制備實驗在迴流冷凝管上為什麼要用氣體吸收裝置
實際上是都要用的。球形冷凝管是迴流的時候用的，直形冷凝管是蒸餾的版時候用的。權做這個實驗的時候，是先迴流在蒸餾，所以都要用的。注意迴流的時候，要保持品位呢迴流30~40分鍾，待完全冷卻後在蒸餾，蒸餾收集95~99攝氏度之間的餾分。其實很好做的。還有每次加熱前都要往圓底燒瓶里加2~3粒沸石，千萬不能忘記哦！
⑵ 什麼時候用氣體吸收裝置，如何選擇吸收劑
反應中生成抄的有毒和襲刺激性氣體(如鹵化氫、二氧化硫)或反應時通入反應體系而沒有完全轉化的有毒氣體(如氯氣)，進入空氣中會污染環境，此時要用氣體吸收裝置吸收有害氣體。 選擇吸收劑要根據被吸收氣體的物理、化學性質來決定。可以用物理吸收劑，如用水吸收鹵化氫；也可以用化學吸收劑，如用氫氧化鈉溶液吸收氯和其它酸性氣體。（摘抄自網路文庫）
⑶ 化學實驗中的尾氣吸收裝置是什麼意思/
尾氣吸收裝置就是把實驗中排放出來的有害有毒氣體再通過一個裝置反應分解成無害無毒氣體排放出來。
⑷ 關於實驗室製取氯氣的尾氣吸收裝置!
氯與鹼反應速度不快，所以不用倒扣漏斗．
與鹼液或水反應速度快的必須用倒扣漏斗，比如HCL
⑸ 有什麼吸收二氧化碳或溫室氣體的裝置
據我所知：多植樹造林是關鍵，因為CO2能被植被吸收而釋放出氧氣，從而降低CO2在大氣中的含量。（CO2是溫室氣體的一種）,你也可以用「鹼石灰」（由氫氧化鈉NaOH和生石灰CaO組成的混合物，可以吸收CO2），還有潛艇中制氧時用的物質進行吸收CO2-------^-^要不用澄清石灰水來反應：
CO2+Ca(OH)2=CaCO3+H2O
⑹ 用什麼辦法或者裝置可以吸收化學氣體
具體情況具體分析：
中學化學常見氣體的實驗室製法
⑴氧氣
製取原理——含氧化合物自身分解
製取方程式——2KClO3=2KCl+3O2↑
裝置——略微向下傾斜的大試管,加熱
檢驗——帶火星木條,復燃
收集——排水法或向上排氣法
⑵氫氣
製取原理——活潑金屬與弱氧化性酸的置換
製取方程式——Zn+H2SO4 === Zn2SO4+H2↑
裝置——啟普發生器
檢驗——點燃,淡藍色火焰,在容器壁上有水珠
收集——排水法或向下排氣法
⑶氯氣
製取原理——強氧化劑氧化含氧化合物
製取方程式——MnO2+4HCl(濃)MnCl2+Cl2↑+2H2O
裝置——分液漏斗,圓底燒瓶,加熱
檢驗——能使濕潤的藍色石蕊試紙先變紅後褪色;
除雜質——先通入飽和食鹽水(除HCl),再通入濃H2SO4(除水蒸氣)
收集——排飽和食鹽水法或向上排氣法
尾氣回收——Cl2+2NaOH=== NaCl+NaClO+H2O
⑷硫化氫
①製取原理——強酸與強鹼的復分解反應
②製取方程式——FeS+2HCl=== FeCl2+H2S↑
③裝置——啟普發生器
④檢驗——能使濕潤的醋酸鉛試紙變黑
⑤除雜質——先通入飽和NaHS溶液(除HCl),再通入固體CaCl2(或P2O5)(除水蒸氣)
⑥收集——向上排氣法
⑦尾氣回收——H2S+2NaOH=== Na2S+H2O或H2S+NaOH=== NaHS+H2O
⑸二氧化硫
①製取原理——穩定性強酸與不穩定性弱酸鹽的復分解
②製取方程式——Na2SO3+H2SO4=== Na2SO4+SO2↑+H2O
③裝置——分液漏斗,圓底燒瓶
④檢驗——先通入品紅試液,褪色,後加熱又恢復原紅色;
⑤除雜質——通入濃H2SO4(除水蒸氣)
⑥收集——向上排氣法
⑦尾氣回收——SO2+2NaOH=== Na2SO3+H2O
⑹二氧化碳
①製取原理——穩定性強酸與不穩定性弱酸鹽的復分解
②製取方程式——CaCO3+2HClCaCl2+CO2↑+H2O
③裝置——啟普發生器
④檢驗——通入澄清石灰水,變渾濁
⑤除雜質——通入飽和NaHCO3溶液(除HCl),再通入濃H2SO4(除水蒸氣)
⑥收集——排水法或向上排氣法
⑺氨氣
①製取原理——固體銨鹽與固體強鹼的復分解
②製取方程式——Ca(OH)2+2NH4ClCaCl2+NH3↑+2H2O
③裝置——略微向下傾斜的大試管,加熱
④檢驗——濕潤的紅色石蕊試紙,變藍
⑤除雜質——通入鹼石灰(除水蒸氣)
收集——向下排氣法
⑻氯化氫
①製取原理——高沸點酸與金屬氯化物的復分解
②製取方程式——NaCl+H2SO4Na2SO4+2HCl↑
③裝置——分液漏斗,圓底燒瓶,加熱
④檢驗——通入AgNO3溶液,產生白色沉澱,再加稀HNO3沉澱不溶
⑤除雜質——通入濃硫酸(除水蒸氣)
⑥收集——向上排氣法
⑼二氧化氮
①製取原理——不活潑金屬與濃硝酸的氧化—還原;
②製取方程式——Cu+4HNO3===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
③裝置——分液漏斗,圓底燒瓶(或用大試管,錐形瓶)
④檢驗——紅棕色氣體,通入AgNO3溶液顏色變淺,但無沉澱生成
⑤收集——向上排氣法
⑥尾氣處理——3NO2+H2O===2HNO3+NO
NO+NO2+2NaOH===2NaNO2+H2O
⑩一氧化氮
①製取原理——不活潑金屬與稀硝酸的氧化—還原;
②製取方程式——Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
③裝置——分液漏斗,圓底燒瓶(或用大試管,錐形瓶)
④檢驗——無色氣體,暴露於空氣中立即變紅棕色
⑤收集——排水法
⑾一氧化碳
①製取原理——濃硫酸對有機物的脫水作用
②製取方程式——HCOOHCO↑+H2O
③裝置——分液漏斗,圓底燒瓶
④檢驗——燃燒,藍色火焰,無水珠,產生氣體能使澄清石灰水變渾濁
⑤除雜質——通入濃硫酸(除水蒸氣)
⑥收集——排水法
⑿甲烷
①製取方程式——CH3COONa+NaOH CH4↑+Na2CO3
②裝置——略微向下傾斜的大試管,加熱
③收集——排水法或向下排空氣法
⒀乙烯
①製取原理——濃硫酸對有機物的脫水作用
②製取方程式——CH3CH2OH CH2=CH2↑+H2O
③裝置——分液漏斗,圓底燒瓶,加熱
④除雜質——通入NaOH溶液(除SO2,CO2),通入濃硫酸(除水蒸氣)
收集——排水法
⒁乙炔
①製取原理——電石強烈吸水作用
②製取方程式——CaC2+2H2OCa(OH)2+CH CH↑
③裝置——分液漏斗,圓底燒瓶(或用大試管,錐形瓶)
④檢驗——無色氣體,能燃燒,產生明亮的火焰,並冒出濃的黑煙
⑤除雜質——通入硫酸銅溶液(除H2S,PH3),通入濃硫酸(除水蒸氣)
收集——排水法或向下排氣法
⑺ 難溶氣體吸收採用什麼設備
氣體吸收
8.1概述
(1)吸收的目的:在化學工業種,將氣體混合物種的各組分加以分離,
其目的是:
① 回收或捕獲氣體混合物中的有用物質,以製取產品;
② 除去工藝氣體中的有害成分,使氣體凈化,以便進一步加工處理,如有害氣體會使催化劑中毒,必須除去;或除去工業放空尾氣中的有害物,以免污染大氣.
(2)吸收的依據
為達到吸收分離氣體混合物的目的,要用什麼物質(溶劑,吸收劑),其分離的依據使什麼 (氣體混合物中各組分在溶劑中的溶解度不同,若各組分在吸收劑中的溶解度差異越大,吸收
的選擇性越好)例如欲分離氨氣+空氣的混合物,可選擇水做溶劑,因為氨水在水中的溶解度最大,而空氣幾乎不溶於水.
(3)工業吸收設備及氣,液兩相接觸方式
我們已經了解了吸收的依據,下面再思考一個問題,上述密閉容器能否用作工業吸收設備 (可以,但吸收效果不好,原因在於氣,液兩相接觸情況不好)對工業吸收設備有什麼要求 (盡可能提供氣,液兩相有足夠大的接觸面積,盡可能使氣,液兩相接觸充分,盡可能使氣,液兩相的傳質推動力大(逆流))為達到上述要求,目前工業上常用的吸收設備使塔設備,按氣,液兩相在塔中的接觸方式不同分為級式接觸和微分接觸兩大類.
在工業上,上述兩種不同接觸方式的傳質設備不僅用於氣體吸收,同樣也可用於液體精餾,萃取等其他傳質單元操作.兩類設備可採用完全不同的計算方法,本章吸收主要討論填料塔的計算方法,下章精餾主要討論板式塔的計算方法,而兩種方法之間的關系及具體的塔結構及其設計計算在塔設備一章中介紹.
在工業上,兩種形式的塔設備大多情況均為連續操作,即設備內的參數都不隨時間變化,稱為定態連續過程.當然也可以式間歇操作的非定態過程,很少見,故後面除特殊說明外,均指連續定態操作.
(4)工業吸收流程
由流程圖可見,採用吸收操作實現氣體混合物的分離必須解決下列問題:
① 選擇合適的溶劑,使能選擇性比溶解某個(或某些)被分離組風;
② 提供適當的傳質設備(多位填料塔,也有板式塔)以實現氣液兩相的接觸,使被分離組分得以從氣相轉移到液相(吸收)或相反(解吸);
③ 溶劑的再生,即脫除溶解於其中的被分離組分以便循環使用.除了製取溶液產品只需單獨吸收外,一般都要進行解吸操作,使溶劑再生循環使用.
總之,一個完整的吸收分離過程一般包括吸收和解吸兩個組成部分.
(5)溶劑的選擇
吸收操作的成功與否在很大程度上決定於溶劑的性質,特別是溶劑與氣體混合物之間的相平衡關系.根據物理化學中有關相平衡的知識可知,評價溶劑優劣的主要依據應包括以下幾點:
① 溶劑應對被分離組分(溶質)有較大的溶解度,或者說在一定的溫度與濃度下,溶質的平衡分壓要低.這樣,從平衡角度來說,處理一定量混合氣體所需溶劑量較少,氣體中溶質的極限殘余濃度亦可降低;就過程數率而言,溶質平衡分壓↓,過程推動力大,傳質數率快,所需設備尺寸小.
② 溶劑對混合氣體中其他組分的溶解度要小,即溶劑應具備較高的選擇性.若溶劑的選擇性不高,將同時吸收混合物中的其他組分,只能實現組分間某種程度的增濃而不能實現較為完全的分離.
③ 溶質在溶劑中的溶解度應對溫度的變化比較敏感,即不僅在低溫下溶解度要大,平衡分壓要小,而且隨著溫度升高,溶解度應迅速下降,平衡分壓應迅速上升.這樣,被吸收的氣體容易解吸,溶劑再生方便.
④ 溶劑的蒸汽壓要低,不易揮發.一方面是為了減少溶劑在吸收和再生過程的損失,另一方面也是避免在氣體中引入新的雜質.
⑤ 溶劑應有較好的化學穩定性,以免使用過程中發生變質;
⑥ 溶劑應有較低的粘度,不易產生泡沫,以實現吸收塔內良好的氣液接觸和塔頂的氣液分離.
⑦ 溶劑應盡可能滿足價廉,易得,無毒,不易燃燒等經濟和安全條件.
實際上很難找到一個理想得溶劑能夠滿足上述所有要求,應對可供選擇得溶劑做全面得評價,以便作出經濟,合理得選擇.
(6)吸收操作得經濟性
吸收總費用=設備(塔,換熱器等)折舊費+操作費(佔比重大)
操作費用主要包括:
① 氣,液兩相流經吸收設備得能量消耗;
② 溶劑得揮發度損失和變質損失;
③ 溶劑得再生費用,即解吸操作費用.(在三者中佔比例最大)
常用得解吸方法有升溫,吹氣,減壓,其中升溫與吹氣特別是升溫與吹氣同時使用最為常見.減壓有利解吸,加壓有利吸收,溶劑在吸收與解吸設備之間循環,其間得加熱和冷卻,泄壓與加壓必消耗較多得能量,故採用減壓解吸不常見.若溶劑得溶解能力差,離開吸收塔得吸收液中溶質濃度低,則所需得溶劑循環量大,再生能耗也大.若溶劑得溶解能力對溫度變化不敏感,所需解吸溫度較高,溶劑再生得能耗也將增大.
若吸收了溶質以後得溶液是產品,此時不再需要溶劑的再生,這種吸收過程自然是最經濟的.
提高吸收操作經濟性的一種措施是對吸收系統進行優化設計(使系統的總費用最低),單塔吸收優化設計較容易,解題指南中有介紹(課程優化設計要做),吸收—解吸系統優化設計較難,許多問題有待研究解決(感興趣的同學可去解決)
(7)物理吸收和化學吸收
① 物理吸收:吸收時溶質與溶劑不發生明顯的化學反應,如上述洗油吸收苯,水吸收CO2,SO2等.
② 化學吸收:吸收時溶質與溶劑或溶液中的其它物質發生化學反應.如CO2在水中的溶解度甚低,但若用K2CO3水溶液吸收CO2,則在液相中發生下列反應:
K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3
從而使K2CO3水溶液具有較高的吸收CO2的能力,作為化學吸收可被利用的化學反應一般都滿足以下條件:
可逆性.若該反應不可逆,溶劑將難以再生和循環使用
較高的反應數率.若反應速率較慢,應研究加入適當的催化劑以加快反應速率.
(8)本章所作的基本假定
① 單組分吸收.其餘組分可視為一個惰性組分
② 溶劑的蒸汽壓很低,因此氣相中不含溶劑蒸汽
8.2氣液相平衡
吸收(傳質)與傳熱兩個過程的相似處:
傳熱與吸收過程均由三步構成(解釋三步相似),但兩個過程也有不同處:傳熱的推動力是兩流體的溫度差,過程的極限是兩流體的溫度相等;吸收的推動力不是兩相的濃度差,過程的極限也不是兩相的濃度相等.這是由於氣液之間的相平衡不同於冷熱流體之間的熱平衡,氣液相平衡關系是吸收過程的重要基礎,我們將詳細討論它.
8.2.1平衡溶解度
在一定的溫度與總壓下,使一定量的溶劑與溶質接觸,溶質便由氣相向液相轉移,隨著溶液濃度的逐漸增高,傳質速率將逐漸減慢,最後降為零,此時液相中溶質達到飽和,濃度達到一最大限度(為液相中溶質A的摩爾分數,下標e代表平衡),這時稱氣液兩相達到相平衡,稱為平衡溶解度,簡稱為溶解度(溶解度可以用不同的方式表示,相平衡關系亦可用不同的方式表示,如～,～,～,～等).
注意:此時並非沒有溶質分子繼續進入液相,只是任何瞬間進入液相的溶質分子數與從液相逸出的溶質分子數恰好相等,在宏觀上過程就象是停止了.這種狀態稱為相際動平衡,簡稱相平衡.
(1)溶解度曲線
對單組分物理吸收的物系,根據相律,自由度數F為F=C-Φ+2=3-2+2=3(C=3,溶質A,惰性組分B,溶劑S,Φ=2,氣,液兩相),即在溫度,總壓,氣,液相組成共4個變數中,由3個自變數(獨立變數),另1個是它們的函數,故可將平衡時溶質在氣相中的分壓表達為溫度,總壓和溶解度的函數:
有關氣液相平衡關系的理論還不夠完善,故上述平衡關系的具體函數形式還不能從理論上推出,一般時針對具體物系進行實驗測定.實驗表明,當總壓不太高(一般<0.5Mpa)時,對平衡的影響可以忽略,而溫度對平衡的影響頗大.圖8-3為不同溫度下氨在水中的溶解度曲線.從此圖可以看出,↑同一下↓或同一下↑.～圖直接反映了相平衡的本質(氣相組成用分壓表示直觀),可直截了當地用以思考與分析.後面在討論吸收塔的計算問題時所涉及到的許多關系式如物料衡算關系式,填料層高度計算式等其中的氣液組成均用摩爾分數(氣相),(液相)表示,故以摩爾分數,表示的相平衡關系可以方便地與吸收的上述關系一起對整個吸收過程進行數學描述.圖8-4為SO2 在101.3Kpa下在水中的溶解度曲線,圖中氣,液組成用摩爾分數,表示.圖8-3～關系曲線為何不指定總壓 (或吸收)
②解吸(<解吸)
(2)指明過程的極限
(3)計算過程的推動力
8.3 擴散和單相傳質
在分析任一化工過程時都需要解決兩個基本問題:過程的極限和過程的數率.吸收過程的極限決定於吸收的相平衡常數,在8.2節中作了討論.本節將討論吸收的速率問題.吸收過程涉及兩相間的物質傳遞,它包括三個步驟:
溶質由氣相主體傳遞到兩相界面,即氣相內的物質傳遞;
溶質在相界面上的溶解,由氣相轉入液相,即界面上發生的溶解過程
溶質自界面被傳遞至液相主體,即液相內的物質傳遞.
通常,第②步即界面上發生的溶解過程很容易進行,其阻力很小()故認為相界面上的溶解推動力亦很小,小至可認為其推動力為零,則相界面上氣,液組成滿足相平衡關系,這樣總過程的速率將由兩個單相即①步氣相和③步液相內的傳質速率所決定.無論是氣相還是液相,物質傳遞的機理包括以下兩種.
(1)分子擴散.類似於傳熱中的熱傳導,是分子微觀運動的宏觀統計結果.混合物中存在溫度梯度,壓強梯度及濃度梯度都會產生分子擴散,本章僅討論因濃度梯度而造成的分子擴散速率.發生在靜止或層流流體里的擴散就是分子擴散.
(2)對流傳質.是憑藉流體質點的湍流和漩渦而引起的擴散稱為對流傳質.發生在湍流流體里的傳質除分子擴散外更主要的是對流傳質.
將一勺砂糖投於杯水中,片刻後整杯的水都會變甜,這就是分子擴散的結果.若用勺攪動杯中水,則將甜得更快更均勻,那便是對流傳質的結果.
以下僅討論定態條件下雙組分物系的分子擴散和對流傳質.
8.3.1雙組分混合物中的分子擴散
(1)費克定律
只要流體內部有濃度梯度,就會產生分子擴散,在恆溫恆壓下,一維分子擴散速率可用費克定律表達如下:
濃度梯度指向濃度增加的方向,而擴散向濃度降低的方向進行,故式中加-負號.為組分A在雙組分混合物A,B中的擴散系數.
對雙組分混合物,在總濃度(對氣相也可說總壓)各處相等及=常數的前提下,也有
(前提為常數,對氣壓為總壓不變)
也就是說費克定律中的""為"分子對稱面",A,B兩組分的分子擴散速率大小相等,方向相反,否則就不能保證總濃度(或總壓)不變.
(2)分子擴散與主體流動
氣液相界面只允許溶質A溶解穿過,惰性氣體B不能溶解穿過,也不允許溶劑S逆向汽化通過.由於界面處A組分不斷被溶解吸收,,A組分存在濃度梯度 ,其方向指向A組分濃度高的方向為正,而A組分的分子擴散方向與其相反,朝界面擴散惰性氣體B組分由於不能被液體吸收,故B組分在相界處的濃度高於氣相主體,B組分存在濃度梯度,其方向指向B組分濃度高的方向為正,而B組分的分子擴散方向與其相反,朝氣相主體擴散.
當液相能以同一速率向界面供應B組分時,界面處保持恆定,則,這種情況屬於等分子反向擴散(下一章精餾屬於這種情況).吸收過程液相不存在B組分,不可能向截面提供B組分,故吸收過程所發生的是組分A的單向擴散,而不是等分子反向擴散.
由於界面處組分A被液體吸收及組分B反向擴散離開界面,都將導致截面處氣體總壓降低,使氣相主體與界面之間產生微小壓差,這一壓差必然促使混合氣體向界面流動,此流動稱為主體流動.
主體流動不同於擴散流(或),擴散流是分子微觀運動的宏觀結果,它所傳遞的是純組分A或純組分B.主體流動系宏觀運動,它同時攜帶組分A與B流向界面.在定態條件下,主體流動所帶組分B的量必恰好等於組分B反向擴散的量,以使保持恆定.
因氣相主體與界面間的微小壓差便足以造成必要的主體流動,因此氣相各處的總壓(或)仍可認為基本上是相等的,即的前提依然成立.
(3)分子擴散的速率方程
通過靜止或層流氣膜中與界面平行的任一靜止平面PQ的物流由三個:兩個擴散流和,及一個主體流動.設通過靜止考擦平面PQ的凈物流為N,對平面PQ作總物料衡算可得
式中:N——
——
——
——
上式說明,盡管主體流動與凈物流的含義不同,但主體流動的速率與凈物流速率N必相等.
為了求出組分A因分子擴散和主體流動而造成的傳質速率,可在平面PQ處組分A作物料衡算得:
式中: ——因組分A存在濃度梯度引起的分子擴散速率;
——主體流動中A所佔的傳遞速率.
一般情況下,對雙組分物系,凈物流速率N即包括組分A也包括組分B,即
故: (8-16)
與有關
(4)分子擴散速率的積分式
上式分子擴散速率微分式中包含和兩個未知數,只有已知和之間的關系時,才能積分求解,下面討論兩種常見的情況.
等分子反向擴散(精餾)
等分子反向擴散時沒有凈物流(因而也無主體流動=0),則,故
令,為擴散距離,積分上式得
此式表明等分子反向擴散時組分A的濃度分布為一直線.如圖8-11所示.
對氣相
單向擴散(吸收)
前已述及,吸收過程主體流動所帶組分B的量必等於組分B反向分子擴散的量,故惰性組分B的凈傳遞速率,可改寫為:
令
則
故
此式表面單向擴散時組分A的濃度分布為一對數函數,如圖8-12所示.
對氣相
與等分子反向擴散速率方程相比,單向擴散時多了一個因子或, ,我們稱之為漂流因子(數),它反映了主體流動對傳質速率的影響,,主體流動作用,對吸收愈好,這就如順水推舟,水流使船速加大,故稱之為漂流因子.若,,主體流動的影響可略去.
8.3.2擴散系數
擴散系數是物質的一種傳遞性質.它在傳質中的作用與導熱系數在傳熱中的作用相類似,但比導熱系數更為復雜:一種物質的擴散總是相對於其他物質而言的,所以它至少要涉及兩種物質,同一組分在不同混合物中的擴散系數是不一樣的;擴散系數還與體系體系的溫度,總壓(氣相)或濃度(液相有關).目前,擴散系數可由以下3種途徑獲得:
試驗測得.試驗測定是求物質擴散系數的根本途徑,後面通過例8-2說明試驗測定擴散系數的方法,當然還有其他的試驗測定法.
有的手冊中查得.
藉助某些經驗的或半經驗的公式進行估算(查不到D又缺乏進行試驗測定的條件時).
組分在氣體中的擴散系數
表8-1列出總壓在101.3kpa下某些氣體在空氣中的擴散系數數值,由表可見氣體擴散系數的值約為.
經分子運動論的理論推導與試驗修正,可以得到估算氣體擴散系數的半經驗式,如式(8-23)所示.該式形式復雜不須記住,只要能正確使用即可.由該式可知氣體擴散系數D與A,B兩組分的性質,體系和溫度,壓強有關.對一定物系氣體D與絕對溫度T的1.81次方成正比,與壓強p成反比,式(8-24)須記住.
例8-2,解:
通過靜止氣體層的擴散為單向擴散,且為一非定態過程,但因擴散距離z的變化緩慢,故可作為擬定態處理.擴散速率可用式(8-22)表示
為求D必須知道,設汽化時間為,則的汽化速率也可用液面高度變化的速率表示,即
所以
=
=9.12×10-6m2/s
注意:①本題的難點在何處 ()②本解法與書本解法的區別在何處
組分在液體中的擴散系數
表8-3列出了某些物質在液體中的擴散系數,由於液體中的分子要比氣體中的分子密集的多,可以預計其擴散系數要比氣體中的擴散系數小的多,由表8-3知,液體中的擴散系數的數量級約為10-5cm2/s,為氣相中的萬分之一(氣相約10-1～1cm2/s).
由於液體中的擴散在理論上還不成熟,用半經驗式估算流體擴散系數不如氣體可靠.此外,液體中組分的濃度對擴散系數由很大的影響.對很稀的非電解溶液可按(8-25)估算.此式亦不須記住,但須記住式(8-26),D與T成正比,與成反比.
8.3.3對流傳質
(1)對流傳質的貢獻
通常傳質設備中的流體都是流動的,流動流體與相界面之間的物質傳遞稱為對流傳質(如前述溶質由氣相主體傳到相界面及由相界面傳到液相主體).流體的流動加快了相內的物質傳遞,層流及湍流兩種流動加快傳質的原因如下:
層流流動
此時溶質A組分再垂直於流動方向上的傳質機理仍為分子擴散,但流動改變了橫截面MN上的濃度分布,以氣相於相界面的傳質為例,組分A的濃度分布由靜止氣體的直線1變為曲線2,根據分子擴散速率方程式
由於相界面出濃度梯度變大,強化了傳質.
湍流流動
大多數傳質設備中流體的流動都屬於湍流.湍流主體中流體產生大量的漩渦,引起流體質點間的劇烈混合,促進了橫向(傳質方向)的物質傳遞,流體主體的濃度分布被均化,濃度分布如曲線3所示.界面處的濃度梯度進一步變大,在主體濃度與界面濃度差相等的情況下,傳質速率得到進一步的提高.
(2)對流傳質速率
對流傳質現象極為復雜,以湍流流動為例:在湍流主體中存在大量漩渦,傳質只要靠渦流擴散;靠近界面附近有一層很薄的層流底層,傳質主要靠分子擴散;在湍流主體和層流底層之間的過渡區漩渦擴散和分子擴散都存在.對流擴散速率可仿照分子擴散的速率寫成:
不像D那樣是物性參數,它與流體的湍動程度有關,也與流體質點的位置有關,難於用試驗的方法測定,故的表達式形式好看但不好用,因而不能將代入的表達式中積分求出對流傳質速率,怎麼辦 目前一般是仿照對流給熱,將對流傳質速率方程寫成類似於牛頓冷卻定律或的形式,即認為正比於流體主體濃度與界面濃度之差,但與對流傳熱不同的是氣液兩相的濃度都可用不同的單位表示,所以可寫成多種形式:
氣相與界面間的
式中: 以分壓差表示推動力的氣相傳質系數或
式中: 以摩爾分數差表示推動力的氣相傳質系數
界面與液相間的
式中: 以濃度差表示推動力的液相傳質系數
或
式中: 以摩爾分數差表示推動力的液相傳質系數
注意:各有與相應的推動力一一對應,他們的單位是什麼
比較以上各式可得出:
上述處理方法實際上是將一組流體主體濃度和界面濃度之差作為對流傳質的推動力,而將影響對流傳質的眾多因素包括到氣相(或液相)傳質系數中.現在問題歸結到如何得到各種具體條件下的傳質系數(用試驗測定的方法),對這么復雜的問題,具體用何種試驗研究方法比較適宜 (因次分析法)
(3)傳質系數的無因次關聯式
找出影響傳質系數的因素,式中d為定性尺寸,D為擴散系數
對各變數的因次進行分析,得出無因次數群的函數表達式:
式中:准數定義見p19
由試驗測定函數的定量關系
對降膜式吸收器 ,
然而,實際使用的傳質設備形式各樣(各種填料塔和板式塔),塔內流動情況十分復雜,兩相的接觸面液往往難以確定,這使對流傳質分系數(氣相或液相)的一般准數關聯式遠不及傳熱那樣完善和可靠.同學們以後設計塔設備時要查閱有關的文獻資料找出自己的設計條件相近的傳質系數關聯式,有條件應通過試驗測定.
8.3.4三傳(質量,動量,熱量傳遞)類比
三傳之間彼此有些類似的規律可進行類比研究(自學).
8.3.5對流傳質理論
上述關於對流傳質問題的處理方法時基於因次分析的試驗法,並未對對流傳質過程做理論上的探討.為了揭示對流傳質系數的物理本質,從理論上說明各因素對它的影響,不少研究者採用數學模型法加以研究,提出了多種傳質模型.我們先簡要回顧上學期學過的數學模型法的主要研究步驟:
將復雜的真實過程本省簡化成易於用數學方程式描述的物理模型;
對所得到的物理模型進行數學描述即建立數學模型;
通過試驗對數學模型的合理性進行檢驗並測定模型參數.
不同的研究者對過程的理解不同從而導出不同的模型,下面簡要介紹三個重要的產值模型.
有效膜理論(惠特曼 Whitman,1923年)
物理模型惠特曼對復雜的對流傳質過程作如下簡述:a,氣液相界面兩側各存在一層靜止的或作層流流動的氣膜和液膜,其厚度分別為和,氣相或液相主體內由於流體高度團動混合均勻故不存在濃度差,所有濃度差集中於有效氣膜和液膜內,故氣相和液相的傳質阻力也全部集中於該兩層有效膜內;b,靜止或層流有效 膜中的傳質是定態的分子擴散.
數學模型.
根據上述有效膜物理模型,通過膜的擴散為分子擴散,且吸收為單向擴散,故分別可用式(8-22)和式(8-20)描述氣膜和液膜的傳質情況:
氣膜
式中:
液膜
式中
③ 試驗測定模型參數
中分別包含了待定的參數與,既有效膜的厚度,稱之為數學模型參數,需由試驗測定.如果該模型能有效地反映過程的實質,那麼,應主要取決於流體的流動狀況(流體湍動越劇烈,膜厚度越薄,反之亦然)而與溶質組分A的擴散系數D無關,然而以上兩式預示均正比於D,而試驗結果表面,兩者不符合.若為了與試驗結果相吻合,有效膜厚度不僅與流動狀況有關,而且與擴散系數D有關.這樣,,不是實際存在的有效膜厚度,而是一種虛擬的或當量的膜厚,從而失去了該膜型應具有的理論含義.
由於有效膜理論與實際情況有些不符,促使許多研究者對對流傳質理論進行了更深入的研究,從不同的角度研究提出的理論,下面介紹兩種)
溶質滲透理論(希格比 Higbie,1935年)
希格比認為液體在流動過程中每隔一定時間發生一次完全的混合,使液體的濃度均勻化,在時間內,液相中發生的不再是定態的擴散過程,而是非定態的擴散過程.根據上述假設經數學描述得到:
與試驗結果較吻合,但難以測定.
表面更新理論(丹克沃茨 Danckwerts,1951年)
丹克沃茨認為液體在流動過程中表面不斷更新,即不斷地有液體從主體轉為界面而暴露於氣相中,這種界面不斷更新使傳質過程大大強化,其原因在於原來需要通過緩慢的擴散過程才能將溶質傳至液體深處,現通過表面更新,深處的液體就有機會直接與氣體接觸以接受傳質.定義S為表面更新頻率,經過數學描述並求解得到:
與試驗結果較吻合,但S難求.
綜上所述,溶質滲透理論和表面更新理論比有效膜理論更接近實際情況,但或S難以測定,將它們用於傳質過程的設計仍有一段距離,故目前用於傳質設備設計主要還是有效膜理論.
8.4 相際傳質
溶質從一個相轉移到另一個相稱為相際傳質或兩相間的傳質.吸收過程的相際傳質是由氣相與界面間的對流傳質,界面上溶質組分的溶解,液相與界面間的對流傳質三個過程串聯而成.解決吸收過程相際傳質速率問題目前是用雙膜模型.
雙膜模型
雙膜模型的要點如下:
在相互接觸的氣液兩相間存在著穩定的相界面,界面兩側分別存在著一個很薄的有效層流氣膜和液膜,被吸收的溶質組分只能分子擴散的方式通過這兩層膜,氣相和液相的濃度變化(即推動力)及阻力均分別幾種在這兩層膜中,故
氣相與界相=氣相傳質推動力/氣相傳質阻力
界面與液相=液相傳質推動力/液相傳質阻力
在相界面上不存在傳質阻力,所需傳質推動力等零,即在界面上氣,液兩相濃度成平衡,.
對稀溶液:(通過原點的直線)
或在計算范圍內平衡線近似為直線:(圖8-19)
相際傳質速率方程
以上求的兩個式子中可通過試驗測定求得,但兩式中的界面組成難求,實際使用時須設法從式中消去.如何消去呢 既然我們討論的是定態傳質問題,氣相與界面間的傳質速率應等於界面與液相的傳質速率,即
為消去界面濃度,上式最右端分子分母均乘以m,並將串聯過程的推動力加和以及阻力加即得:
對稀溶液,則,故上式成為:
吸收總推動力/吸收總阻力
令 (總阻力=氣膜阻力+液膜阻力,符合雙膜模型 )
以氣相摩爾分數差為總推動力的總傳質系數,.
思考題:①若平衡關系為,上式成立否 為什麼:
②為得到以為總推動力的總傳質(相對傳質)速率方程,該如何處理
=吸收總推動力/吸收總阻力
比較的表達式可知
③ 你能導出解吸時的總傳質(相際傳質)速率方程嗎 若能請導出其表達式,並與吸收的方程比較.
解吸時總推動力與吸收相反,但總傳質系數與吸收相同.
(3)傳質速率方程的各種表達形式
由於傳質速率方程中的傳質系數可用總傳質系數或某一相的分傳質系數兩種方法表示,相應的推動力也有總推動力或某一相的推動力兩種,而氣液相的濃度又可以用不同的方法表示,相平衡方程亦有不同的表達形式,故傳質速率方程也有多種形式.表8-4列出了幾種常用的速率方程,使用時應特別注意不同的推動力應對應於不同的傳質系數.在解題指南p267表15-2中列出了相平衡方程為所對應的傳質速率方程.上標*代表平衡相當於教材下標e,Y,X為摩爾比,它們於y,x的關系為,,今後若題目給定的時該形式的相平衡方程,就要使用與之相應的傳質速率方程.另外表15-2中的H與本教材表8-4中的H為倒數關系.
8.4.2傳質阻力的控制步驟
從前面根據雙膜模型導出的結果可知總傳質阻力為氣膜傳質阻力與液膜傳質阻力之和,即
,
(1) 氣膜阻力控制
當時,,即,此時的傳質阻力主要集中於氣膜,稱這種情況為"氣膜阻力控制".顯然,對於氣膜阻力控制的吸收過程,欲提高傳質速率,在選擇設備形式及確定操作條件時需設法提高以減小氣膜阻力,如氣體流率,.這與對流傳熱時為提高傳熱傳熱速率需設法提高小的以減小傳熱阻力類似.易溶氣體溶解度大,平衡線斜率m小,其吸收過程往往是氣膜阻力控制,如用水吸收,用弄硫酸吸收水蒸汽等均為氣膜控制.
(2)液膜阻力控制
當時,,即,此時的傳質阻力只要集中於液膜,稱這種情況為"液膜阻力控制".顯然,對於液膜阻力控制的吸收過程,欲提高傳質速率,在選擇設備形式及確定操作條件時需設法提高以減小氣膜阻力,如液體流率,.難溶氣體溶解度小,平衡線斜率m大,其吸收過程多為液膜控制,如用水吸收等均為液膜控制.
用水吸收及丙酮蒸汽,氣膜阻力和液膜阻力各佔一定比例,此時應同時設法減小氣膜阻力和液膜阻力,傳質速率才會有明顯提高,我們稱這種情況為"雙膜控制".
例8-4
8.5低含量氣體吸收
8.5.1吸收過程的數學描述
以逆流填料吸收塔為例,如右圖所示
(1)底含量氣體吸收底特點
① G,L可視為常量
② 吸收過程時等溫底(不必進行熱衡)
③ 傳質系數為常量
底含量氣體吸收底上述特點將使計算過程大為簡化.
(2)全塔物料衡算
(3)料衡算和傳遞速率的微分表達式
沿塔高(的正方向)氣液濃度是連續變化的,傳質推動力和傳質速率也是沿塔高變化的,必須先列出無聊衡算和傳質速率的微分表達式,然後沿塔高積分得到積分式才能用於吸收過程計算.取微元塔段作物料衡算得
對氣相 ()
式中:G——,為塔截面積;
——,為傳質面積;
——,為傳質面積,為填料體積;
——,高度.
對液相
(4)傳質速率積分式
(5)傳質單元數欲傳質單元高度
令
⑻ 實驗室製取HCl吸收裝置
是 可以的 如上所說
1，用倒置的漏斗。
2，用球形管代替導管。
3，再裝水的燒杯版內放些不溶於水的，權密度比水重的有機溶劑，如四氯化碳，再將試管插入四氯化碳溶液中，也可。
註：球形管似導管，但中間有一球形空間
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