吸收过程的传质速率.ppt

第三节 吸收过程的传质速率,吸收过程： （1）由气相主体到相界面气相一侧； （2）在相界面上溶解，从相界面气相一侧进入液相一侧； （3）从液相一侧界面到液相主体。,一、分子扩散与菲克定律,分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。,扩散速率（rate of diffusion）： 单位时间通过单位面积扩散的物质量，J表示，kmol/(m2s)。,费克（Fick）定律：,组分A沿扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m4）；,说明： 负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行； 下标AB表示组分A在组分B中扩散。,理想气体：,式中 pA 气体混合物中组分A的分压力，kPa； T 热力学温度，K； R 摩尔气体常数，8.314kJ/（kmolK）,分子扩散两种形式： 双组分等摩尔相互扩散，或称等摩尔逆向扩散(equimolar counter diffusion) 单方向扩散(unidirectional diffusion)，或称组分A通过组分B的扩散(diffusion of A through stagnent B）。,二、等摩尔逆向扩散,等摩尔逆向扩散： A、B两个组分相互扩散的物质量nA、nB相等，此时两组分的扩散速度相等，但方向相反。,总压一定,因为：JA=JB,所以：DAB=DBA=D,1.总体流动：因溶质扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流动。 2.总体流动的特点： 因分子本身扩散引起的宏观流动。 A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率。,三、单方向扩散,NAM、NBM整体移动中组分A、B的传递速率，kmol/(m2s)； pA、pB组分A、B的分压力，kPa。,气相中组分A单方向扩散时的传质速率方程,气相：,液相：,漂流因数意义： 其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。,漂流因数的影响因素： A浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。 A低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。,漂流因子或移动因子(drift factor),四、分子扩散系数,扩散系数的意义： 反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；D，m2/s。 D的来源： 查手册；半经验公式；测定 D的影响因素： 介质种类、温度、压力、浓度,（1）气相中的D,范围：10-510-4m2/s,经验公式,（2）液相中的D,范围：10-9510-9m2/s,【例5-3】有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，5小时后，管内液面降到距管口20.5mm，管内液体温度保持293K，大气压为100kPa，此条件下，丙酮的饱和蒸气压为24kPa。求丙酮在空气中的扩散系数。,单位面积液面汽化的速率用液面高度变化的速率：,=,解,流体作湍流运动时，由于质点的无规则运动，相互碰撞和混合，若存在浓度梯度的情况下，组分会从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。 因质点运动无规则，所以涡流扩散速率很难从理论上确定，通常采用描述分子扩散的菲克定律形式表示，即,五、单相内的对流传质,注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物 性常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关 。,总扩散通量：,（一）、单相内对流传质的有效模型,1）靠近相界面处层流内层： 传质机理仅为分子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的变化较陡。 2）湍流主体： 涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水平线。 3）过渡区： 分子扩散+涡流扩散，pA随z的变化逐渐平缓。,膜模型(film model) ： 单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散 。 有效膜厚ZG由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点G，则厚度ZG为G到相界面的垂直距离。,以分压差表示推动力的气相传质系数， kmol/（m2skPa）。,（二）气相传质速率方程,（三）液相传质速率方程,以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相 传质系数，kmol/（m2skmol/m3）或m/s 。,六、两相间传质的双膜理论,相际对流传质三大模型： 双膜模型、溶质渗透模型、表面更新模型。,（一）双膜模型,双膜模型的基本论点（假设）,（1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩散方式通过气膜和液膜。 （2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力。 （3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以涡流扩散的形式传质。,双膜模型也称为双膜阻力模型,1.气相传质速率方程,传质速率气膜传质系数（气相主体的参数-界面处的参数）,2.液相传质速率方程,传质速率液膜传质系数（界面处的参数液相主体的参数）,（三）气液两相界面的溶质组成,Xi、Yi的求解方法： （1）若已知Y、X以及kX/KY,可与平衡关系YimXi联立求解； （2）作图法。,操作点,O,I（界面）,0,问题的引出：,kX、KY的实验测定有诸多困难,求解NA困难,越过界面溶质组成求解,七、总传质速率方程,（一）总传质速率方程 1.以（Y-Y*）为推动力的总传质速率方程,在稳态传质过程中，溶质通过气相与通过液相的传质速率相等。,相间传质总阻力,推动力,总传质速率方程,相间传质总阻力气膜阻力+液膜阻力 KY气相总传质系数，kmol/(m2s),2.以（ X*-X）为推动力的总传质速率方程,在稳态传质过程中，溶质通过气相与通过液相的传质速率相等。,1/KX,相间传质总阻力,推动力,总传质速率方程,相间传质总阻力气膜阻力+液膜阻力 KX液相总传质系数，kmol/(m2s),（二）气膜控制与液膜控制 （1）溶质的溶解度很大,溶质的溶解度 很大，m很小,传质阻力集中于气膜中，称为气膜阻力控制或气膜控制(gas-film control),(a)气相阻力控制 （易溶气体气相阻力大）,提高传质速率的措施：1.提高气体流速； 2.加强气相湍流程度。,（2）溶质的溶解度很小,溶质的溶解度 很小，m很大,传质阻力集中于液膜中，称为液膜阻力控制或液膜控制(liquid-film control),(b)液相阻力控制 （难溶气体液相阻力大）,提高传质速率的措施： 1.提高液体流速； 2.加强液相湍流程度。,八、传质速率方程式的各种表示形式,气相 两相间 液相 两相间,传质总阻力与双膜传质阻力的关系 （气液相平衡关系服从亨利定律）,【例5-4】110kPa下操作的氨吸收塔，某截面上，含氨0.03摩尔分率的气体与氨浓度为1kmol/m3的氨水接触，已知气相传质系数kG=510-9kmol/(m2sPa)，液