食品工程原理 吸收与蒸馏(一)

1、第七章吸收与蒸馏本章学习的目的与要求n了解扩散系数的影响因素了解扩散系数的影响因素n掌握稳定分子扩散的基本计算与掌握稳定分子扩散的基本计算与应用应用n重点掌握等温条件下低浓度逆流吸收塔重点掌握等温条件下低浓度逆流吸收塔的计算与应用的计算与应用n重点掌握两组份连续精馏塔的计算重点掌握两组份连续精馏塔的计算n重点掌握逐板计算法及图解法求解理论板重点掌握逐板计算法及图解法求解理论板数的方法数的方法 在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将有由高浓度区向低浓度度梯度，某一组分（或某些组分）将有由高浓度区向低浓度区移

2、动的趋势，该移动过程称为区移动的趋势，该移动过程称为传质过程传质过程。 分离过程包括机械分离和传质分离。分离过程包括机械分离和传质分离。机械分离：过滤、沉降等机械分离：过滤、沉降等传质分离：吸收、蒸馏、干燥、萃取、膜分离等传质分离：吸收、蒸馏、干燥、萃取、膜分离等界面界面气相气相主体主体组分组分组分组分液相液相主体主体1 扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）；扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）；2 在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；3 进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的扩散）；进入

3、另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的扩散）；物质传递的三个步骤：第一节 传质学基础混合物组成的表示方法名称符号定义单位质量浓度AmA/Vkg/m3物质量浓度cAnA/Vkmol/m3质量分率aAmA/(mA+mB)无因次摩尔分率 气yA、 液xAnA/(nA+nB)无因次摩尔比 气YA、 液XAnA/nB无因次 物质在单相中的传递靠扩散，发生在流体中的扩散有物质在单相中的传递靠扩散，发生在流体中的扩散有分子分子扩散扩散和和涡流扩散涡流扩散两种。两种。分子扩散分子扩散：由浓度（或温度）不均引起，依靠分子的无规则由浓度（或温度）不均引起，依靠分子的无规则 热运动，主要发生在静止或层流流

4、体中。热运动，主要发生在静止或层流流体中。 涡流扩散涡流扩散：依靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质，主要依靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质，主要 发生在湍流流体中。（分子扩散同时存在）发生在湍流流体中。（分子扩散同时存在） 物质在单相中的扩散 A BAB A BABdzdcDJAABA式中式中 JA物质物质A在在z方向上的分子扩散通量，方向上的分子扩散通量，kmol/(m2s) dCA/dz物质物质A的浓度梯度，的浓度梯度，kmol/m4 DAB物质物质A在介质在介质B中的分子扩散系数，中的分子扩散系数，m2/s 负号负号表示扩散是沿着物质表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。浓度降低的方向

5、进行的。 当物质当物质A在介质在介质B中发生扩散时，任一点处物质中发生扩散时，任一点处物质A的扩散通的扩散通量与该位置上量与该位置上A的浓度梯度成正比，即：的浓度梯度成正比，即：一、分子扩散与菲克定律扩散通量扩散通量：单位时间内单位面积上扩散传递的物质量：单位时间内单位面积上扩散传递的物质量mol/(m2s)。费克定律dzdcDJBBAB气体常用分压梯度表示，气体常用分压梯度表示，Z方向上等温扩散时有方向上等温扩散时有对于对于B组分：组分：dzdPRTDJAA仿照分子扩散仿照分子扩散，涡流扩散通量涡流扩散通量dzdcDJAeB假定：假定：pA1 pA2 pB11，漂流因子的大小直接反映了整体流

6、动在传质中所占分漂流因子的大小直接反映了整体流动在传质中所占分量的大小，即漂流因子体现了整体流动对传质速率的影响。量的大小，即漂流因子体现了整体流动对传质速率的影响。单向扩散的传质通量单向扩散的传质通量分子扩散系数是物质的物性常数之一，表示物质在介质中分子扩散系数是物质的物性常数之一，表示物质在介质中的扩散能力；的扩散能力；扩散系数取决于扩散质和介质的种类及温度等因素。扩散系数取决于扩散质和介质的种类及温度等因素。对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；对于液体中的扩散，浓度的影响不可以忽略，而压强的影对于液体中的扩散，浓度的影响不可以忽略，而压强的影响不显

7、著。响不显著。 物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借助于物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借助于经验或半经验公式进行计算。经验或半经验公式进行计算。三、分子扩散系数 在湍流流体中同时存在涡流扩散在湍流流体中同时存在涡流扩散 和分子扩散（涡流扩散占和分子扩散（涡流扩散占主导地位主导地位 ），其总扩散通量为），其总扩散通量为z)(ddcDDJAEA 物质在湍流的流体中传质，主要凭藉湍流流体质点的湍动物质在湍流的流体中传质，主要凭藉湍流流体质点的湍动和旋涡引起流体各部分之间的剧烈混合，这使传质规模及速率和旋涡引起流体各部分之间的剧烈混合，这使传质规模及速率都远大于分子扩散。都远大

8、于分子扩散。1.2 对流传质与相间传质 1. 对流传质非物性常数非物性常数（1）单相内对流扩散的有效膜模型）单相内对流扩散的有效膜模型 由气相主体至相界面的对流传质速率为（按有效滞流膜层由气相主体至相界面的对流传质速率为（按有效滞流膜层内的分子扩散速率计算）内的分子扩散速率计算）)()(iGiBmGAppkpppRTzDpN式中式中 NA溶质溶质A 的对流传质速率，的对流传质速率，kmol/(m2s)； zG气相有效滞流膜层厚度气相有效滞流膜层厚度,m； kG气膜吸收系数；气膜吸收系数； p气相主体中溶质气相主体中溶质A的分压的分压,kPa； pi相界面处溶质相界面处溶质A的分压的分压,kPa

9、； pBM惰性组分惰性组分B在气相主体中与相界面处的分压的对数平均在气相主体中与相界面处的分压的对数平均 值值,kPa； 在液相中的传质速率为在液相中的传质速率为)()(cckccczCDNiLiSmLA式中式中 zL液相有效滞流膜层厚度，液相有效滞流膜层厚度，m； c液相主体中的溶质液相主体中的溶质A浓度，浓度，kmol/m3； ci相界面处的溶质相界面处的溶质A浓度，浓度， kmol/m3； cSm溶剂溶剂S在液相主题与相界面处的浓度的对数均在液相主题与相界面处的浓度的对数均 值，值， kmol/m3； kL液膜吸收系数或液膜传质系数液膜吸收系数或液膜传质系数根据浓度表示方法不同，可以得到

10、不同的相内传质根据浓度表示方法不同，可以得到不同的相内传质速率方程速率方程传质系数对流传质对流传热Sherwood数 Reynold数 Schmidt数 待求函数为Sh=f(Re,Sc) DdkSh dNu udR eudR eDScPrCP 当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧分别存在着呈滞流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必分别存在着呈滞流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必须以分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度主要须以分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度主要随流速而变，流速愈大厚度愈小。随流速而变，流速愈大厚度愈小。在相界面上气液两相相互成平衡，不存在传质阻力。在相界面上气液两相相互成平衡，不存在传质阻力。在膜层以外的主体内，由于流体的充分湍动，溶质的浓度分在膜层以外的主体内，由于流体的充分湍动，溶质的浓度分布均匀，可认为两相主体中的浓度梯度为零，即浓度梯度全部布均匀，可认为两相主体中的浓度梯度为零，即浓度梯度全部集中在两个有效膜层中。集中在两个有效膜层中。 用双膜理论解释具有固定相界面的系统及速度不高的两流体用双膜理论解释具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质过程（如湿壁塔），与实际情况是大致相符合的。间的传质过程（如湿壁塔），与实际情况是大致相符合的。2.相间传质的双