环境工程原理第五章2.ppt

第三节吸收过程的速率 分子扩散 因浓度差 由分子热运动使组分从浓度高处传递至低处的现象 静止或层流 湍流扩散 因流动或搅拌 由质点的宏观随机运动 湍流 使组分从浓度高处传递至低处的现象 吸收过程 1 A由气相主体到相界面 气相内传递 2 A在相界面上溶解 溶解过程 3 A自相界面到液相主体 液相内传递 单相内传递 称对流传质 方式 分子扩散 湍流扩散 一 分子扩散与费克定律 分子扩散现象 菲克定律 温度 总压一定 组分A在扩散方向上任一点处的扩散速率与该处A的浓度梯度成正比 扩散速率 单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 扩散通量 面积扩散的物质量 J表示 kmol m2 s 实际过程多为在流动情况即稳态条件下进行 非稳态分子扩散 JA 组分A扩散速率 扩散速率 kmol m2 s 组分A在扩散方向z上的浓度梯度 kmol m3 m DAB 组分A在B组分中的扩散系数 m2 s 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 理想气体 5 12 分子扩散两种形式 等摩尔逆向扩散 单向扩散 二 等摩尔逆向扩散 PA1 PA2 PB1 PB21 2截面上 PA1 PA2 PB1 PB2保持不变 称为稳定状态下的分子扩散 等摩尔逆向扩散 任一截面处两个组分的扩散速率大小相等 方向相反 又总压一定 P PA1 PB1 PB2 PA2 Z Z1 Z2 JA JB DAB DBA D AB 等摩尔逆向扩散传质速率方程 传质速率定义 任一固定的空间位置上 单位时间内通过单位面积的物质量 记作N kmol m2 s 气相 NA 5 16 积分 液相 NA 5 16 讨论 2 组分的浓度与扩散距离z成直线关系 1 3 等摩尔逆向扩散发生在蒸馏过程中 即易挥发组分A与难挥发组分B的摩尔汽化热相等时 冷凝1mol组分B所放出的热正好汽化1mol组分A 三 组分A通过 静止 组分B的扩散 A溶B不溶 NMcA c 1 整体移动 因溶质 扩散到界面溶解于溶剂中 造成界面总压与主体总压的微小压差 使得混合物向界面处的移动 1 因分子本身扩散所引起的宏观流动 2 A B在总体移动中方向相同 传递速率正比于摩尔分率 整体移动的特点 整体移动传递速率 2 B不溶 界面处B分压增大 产生反向扩散 JB NBM 表观上 静止 A的传递速率为分子扩散与整体移动两者之和 B为静止 传递速率为0 又 分子扩散 JA JB NM cB c 传质速率方程 微分式 在气相扩散 积分式 5 17 5 17 组分B分压力的对数平均值 积分式 同理液相也可表为 讨论 1 p pBm 1 NA JA 若cA很小 p pBm 1 整体移动可忽略不计 2 漂流因数 移动因子 无因次 影响漂流因数的因素 浓度高 漂流因数大 整体流动的影响大 低浓度时 漂流因数近似等于1 整体流动的影响小 漂流因数意义 其大小反映了整体移动对传质速率的影响程度 其值为整体移动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数 四 分子扩散系数气体 0 1 1 0cm2 s 液体 1 10 5 5 10 5cm2 s 扩散系数的意义 单位浓度梯度下的扩散速率 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的影响因素 A B T P 浓度 D的来源 查手册 半经验公式 测定一般有 例5 4 有一直立的玻璃管 底端封死 内充丙酮 液面距上端管口11mm 上端有一股空气快速通过 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 z 快速流动的空气 丙酮 pA1 pA pA2 0 pB1 p pA pB2 p PA2pA1 测定丙酮在空气中的扩散系数 恒温槽 单位面积液面汽化的速率用液面高度变化的速率来表示 解 5 19 五 单相内的对流传质静止流体或层流 分子扩散湍流流体 湍流扩散 涡流扩散 流体作湍流运动时 若流体内部存在浓度梯度 流体质点便会靠质点的无规则运动 相互碰撞和混合 组分从高浓度向低浓度方向传递 这种现象称为湍流扩散 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 对流传质 湍流流体与某一界面之间的传质 包含了分子扩散和涡流扩散 一 单相内对流传质的有效膜模型 1 单相内对流传质过程 液体吸收气体为例 pAG pAi cAi cAL 气相 液相 G G E 湿壁塔 液体由上而下沿壁流动 与由下而上的气体逆流而行 相互接触而传质的设备 上图的一半 2 有效膜模型 单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层 厚度为 G 内 膜层内的传质形式仅为分子扩散 有效膜厚 G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E 则厚度 G为E到相界面的垂直距离 厚度为 G的膜层称为有效层流膜或虚拟膜 该处理方法为有效膜模型 以分压差表示推动力的气相传质分系数 kmol m2 s kPa 气膜传质系数 传质系数 吸收的推动力 5 20 5 21 二 气相传质速率方程 三 液相传质速率方程 以浓度差表示推动力的液相传质分系数 kmol m2 s kmol m3 液膜传质系数 传质系数 液膜传质的推动力 5 22 5 24 5 23 同理 作业 253页 5 11题 谢谢 六 两相间传质的双膜理论 要点 1 相界面两侧分别有呈层流流动的稳定膜层 有效膜层 溶质以分子扩散方式连续通过两个膜层 2 在相界面上 气液两相成平衡 符合亨利定律 3 而气相及液相内呈湍流 即主体内无浓度梯度 1 气相传质速率方程 NA 传质速率 kmol m2 s pA pi 溶质在气相主体处的分压 界面处的分压kG 以分压差为推动力的气膜传质系数 kmol m2 s Pa y yi 溶质在气相主体处的量分数 界面处的量分数ky 以量分数差为推动力的气膜传质系数 kmol m2 s Y Yi 溶质在气相主体处的摩尔比 界面处的摩尔比kY 以摩尔比差为推动力的气膜传质系数 kmol m2 s 5 25 5 26 5 27 根据有效膜理论 问题 界面上的pi yi Yi ci xi Xi以及各种kG ky kY kL kx kX如何得到或测得 5 28 5 29 5 30 操作点 O I 界面 cA kmol m3 cA pA kPa 0 3 气 液两相界面的浓度 由O点出发 作斜率为的直线 与平衡线交点即为I 界面点 从图上读取界面分压和浓度 但kG kL仍未知 所以最好的办法是速率方程不含界面处溶质的组成 由 5 25 与 5 28 七 总传质速率方程式实际上 pi ci kG kL难以测定 一 总传质速率方程式 对气相对液相 与液相主体浓度cA平衡的气相平衡分压 kPa 与气相主体分压pA平衡的液相平衡浓度 kmol m3 以气相推动力 pA pA 为基准的总传质系数 称气相总传质系数 或气相传质总系数 kmol m2skPa 以液相推动力 cA cA 为基准的总传质系数 称液相总传质系数 或液相传质总系数 m s 变通处理 总传质系数与气膜 液膜传质系数的关系 平衡时 关系满足亨利定律 且有 由图 OI斜率 又 KG kmol m2skPa KL kmol m2skmolm 3 1 以 Y Y 为推动力的总传质速率方程思路 变通 亨利定律亨利定律 气相 液相 总传质速率 5 34 5 35 相间传质总阻力 气膜阻力 液膜阻力 KY单位 kmol m s 2 以 X X 为推动力的总传质速率方程思路 变通 亨利定律亨利定律 气相 液相 总传质速率 5 38 5 39 相间传质总阻力 气膜阻力 液膜阻力 5 40 比较5 35和5 39有 KX单位 kmol m2 s 二 气膜控制与液膜控制 对5 35 5 39的近似 1 气膜控制 H很大 m很小 KG kG KY kY溶解度很大的情况 1 ci cA pA pi pA pA 2 平衡线斜率很小 3 加大气相湍流程度可提高KY 2 液膜控制 H很小 m很大 KL kL KX kX溶解度很小的情况 1 pi pA ci cA cA cA 2 平衡线斜率很大 3 加大液相湍流程度可提高KX pA pi pA cA ci cA 3 对中等溶解度的溶质 传质总阻力中气膜阻力与液膜阻力均不能忽略 要提高总传质系数 必须同时增大气相和液相的湍动程度 4 气体在水中溶解度难易程度通常以m来区分 m100为难溶气体 八 传质速率方程式的各种表示形式 气相液相两相间两相间 浓度低时 浓度低时 cixiXi piyiYi cA pA x y X Y pA c y x Y X 传质方向 液相主体 气相主体 气膜 界面 液膜 传质系数之关系 传质总阻力与双膜传质阻力的关系 m 气液相平衡常数 量纲为1H 溶解度系数 kmol m3kPa 例5 在总压为100kPa 温度为30 时 用清水吸收混合气中的氨 已知kG