《化工原理》第十七讲

1、第十七讲主要内容第二章 吸收重点难点2-2 传质机理与吸收速率一、吸收过程描述二、物质在单相内传递的概念及其数学描述（一）、分子扩散与菲克定律（二）、气相中的稳定分子扩散 三、物质在相际间的传质过程、传质模型及吸收速率1、菲克定律4、双膜理论要点及其优缺点2、分子扩散系数D的获取3、双膜理论要点及其优缺点2、一组分通过另一停滞组分的扩散1、一组分通过另一停滞组分的扩散的理解1、等摩尔反向扩散2、一组分通过另一停滞组分的扩散3、分子扩散系数D的获取1、双膜理论3、分子扩散系数D的获取吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤：溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；溶质在相界面上的溶解

2、，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程；溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。单相内物质传递的机理分子扩散 涡流扩散（对流传质）2-2 传质机理与吸收速率一、吸收过程描述气相主体 液相主体 相界面溶解气相扩散 液相扩散 2-2 传质机理与吸收速率2-2 传质机理与吸收速率（一）、分子扩散与菲克定律1、扩散分类分子扩散、涡流扩散 1).分子扩散现象一相内部有浓度差异的条件下，由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象 分子传质又称为分子扩散，简称为扩散分子传质在气相、液相和固相中均能发生二、物质在单相内传递的概念及其数学描述描述分子扩散过程的基本定律费克第一定律。 DAB 组分A在组

3、分B中的扩散系数，m2/s 及 DBA 组分B在组分A中的扩散系数，m2/s JA扩散通量 ：单位面积上单位时间内扩散传递的物质的量 ，单位：kmol/(m2.s) 。 与傅立叶定律以及牛顿粘性定律比较 2).菲克定律（二）、气相中的稳定分子扩散 1）等摩尔反向扩散过程描述 例如精馏过程 分子扩散系数间的关系 对于双组分物系：微分得由A、B两种气体所构成的混合物中，A与B的扩散系数相等。 等摩尔反向扩散的传质通量 传递速率(传质通量） NA 在任一固定的空间位置上，单位时间通过单位面积的A物质量，称为A的传递速率，以NA表示，单位：kmol/(m2.s) 分离变量并进行积分，积分限为： 传质速

4、率为：2）一组分通过另一停滞组分的扩散 过程描述例如吸收数学描述（传递速率）设总体流动通量为N，其中物质A的通量为：PQ扩散方向z气液界面JAJB主体流动NNA总体流动中物质B向右传递的通量为 而即将 和代入 若扩散在气相中进行，则： 即分离变量后积分漂流因数，无因次。反映总体流动对传质速率的 影响。 因PpBm，所以漂流因数 练习：漂流因子的数值=1，表示 。已知分子扩散时，通过某一考察面PQ有四股物流：组分A的传递速率NA、组分A的分子扩散速率JA、总体流动通量N。试用,=,=;=,=,.（三）、液体中的稳态分子扩散1）.等分子反方向扩散参照气体中的等分子反方向扩散过程，可写出 组分A在溶

5、剂B中的扩散系数，m2/s 参照气体中的一组分通过另一停滞组分的扩散过程，可写出2）.一组分通过另一停滞组分的扩散或（三）、液体中的稳态分子扩散其中停滞组分 B对数平均物质的量浓度停滞组分 B对数平均摩尔分数（三）、液体中的稳态分子扩散（四）扩散系数 D与扩散质和扩散介质的种类、体系的温度和压力有关。 扩散质的分子体积越小，扩散越容易，D的值越大； 温度越高，分子的运动速度越高，D的值越大； 体系的压力越低，分子的自由路径越大，D的值越大。扩散系数数值的获得 查相关手册 通过经验公式计算 通过实验测定扩散系数的影响因素：1.气体中的扩散系数D 通常，扩散系数与系统的温度、压力、浓度以及物质的性

6、质有关。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关，只是温度及压力的函数。某些双组分气体混合物的扩散系数列于表2-2中。估算气体扩散系数经验公式福勒公式 组分A、B的摩尔质量，kg/kmol； 组分A、B的分子扩散体积，cm3/mol。（四）、扩散系数 由福勒公式可知，气体扩散系数与 成正比、与 成反比。根据该关系，可得 、 下的扩散系数，m2/s； 、 下的扩散系数，m2/s。（四）、扩散系数气相中的扩散系数简单分子的扩散体积 69.70(SF6)16.10Ar114.80（CCl2F2）20.10air 12.70H2O16.60O2 14.90NH317.90N2 35.90

7、N2O2.88He 26.90CO26.70D2 18.90CO7.07H2v /（cm3/mol）物 质v /（cm3/mol）物 质（四）、扩散系数气相中的扩散系数原子的扩散体积20.2杂 环 5.69(N)20.2芳香环 5.48O 17.0(S) 1.98H 19.5(Cl) 16.50C/（cm3/mol）元 素/（cm3/mol）元 素（四）、扩散系数气相中的扩散系数2.液体体中的扩散系数D 液体中溶质的扩散系数不仅与物系的种类、温度有关，而且随溶质的浓度而变。液体中的扩散系数可从有关资料中查得，某些低浓度下的二组元液体混合物的扩散系数列于表2-3中。液体中的扩散系数，其值一般在

8、m2/s 范围内。估算液体扩散系数经验公式威尔基公式 溶剂 B 的摩尔质量，kg/kmol； 溶质在正常沸点下的分子体积，cm3/mol。 溶剂 B 的黏度，Pa s； 溶剂 B 的缔合因子；（四）、扩散系数液相中的扩散系数常见溶剂的缔合因子 溶剂名称水甲 醇乙 醇苯非缔合溶剂缔合因子2.61.91.51.01.0某些物质在正常沸点下的分子体积物 质分 子 体 积VbA/（cm3/mol）物 质分 子 体 积VbA/（cm3/mol）空气29.9 H2O18.9H214.3H2S32.9O225.6NH325.8N231.2NO 23.6Br253.2N2O 36.4Cl248.4SO2 44

9、.8CO30.7I271.5CO234.02-2 传质机理与吸收速率（五）、对流传质1、涡流扩散涡流扩散系数，m2/s2、对流传质mn气相滞流内层相界面气相液相气体分压ppizGzG距离z气相有效膜层厚度滞流内层厚度液相中对流传质速率关系式：（一）、相际间的对流传质过程 三、物质在相际间的传质过程、传质模型及吸收速率2-2 传质机理与吸收速率 设组分 A从气相传递到液相（如吸收），该过程由以下3步串联而成： 组分A从气相主体扩散到相界面； 在相界面上组分A由气相转入液相； 组分A由相界面扩散到液相主体。 一般来说，相界面上组分A从气相转入液相的过程很快，相界面传质阻力可以忽略。因此，相际间传质

10、的阻力主要集中在气相和液相中。若其中一相传质阻力较另一相大得多，则另一相传质阻力可以忽略，此种传质过程即称之为“该相控制”。 （一）、相际间的对流传质过程 1.双膜模型 惠特曼(Whiteman) 于1923年提出，最早提出的一种传质模型。pbcb停滞膜模型（双阻力模型）双膜模型示意图（二）、相际间对流传质模型 双膜理论模型的要点 当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳 定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞 膜气膜和液膜，溶质A经过两膜层的传质方式 为分子扩散。 在气液相界面处，气液两相处于平衡状态，无 传质阻力。 在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流 体强烈湍动，各处浓度均匀一

11、致，无传质阻力。 （二）、相际间对流传质模型 缺点：该模型传质机理假定过于简单，因此不能反映出传质的真实情况双膜理论的优点：双膜理论为传质模型奠定了初步的基础，用该理论描述具有固定相界面的系统及速率不高的两流体间的传质过程，与实际情况大体符合，按此模型所确定的传质速率关系，至今仍是传质设备设计的主要依据 吸收速率(absorption rate)吸收的速率决定了吸收操作的生产强度，也是吸收 设备选型和设备设计的重要依据。（三）、相际间的对流传质速率（吸收速率） 气相主体 液相主体 相界面p ZGZLpi ci c 气膜液膜1、一相中的传质速率数学描述 依据双膜模型，组分A通过气膜、液膜的扩散通

12、量方程分别为设对流传质速率方程分别为 比较得气膜吸收系数液膜吸收系数kG,kL的求解：对流传质系数关联式2-4 根据双膜模型，导出 双膜理论的模型参数液膜厚度 zL气膜厚度 zG或 i、气膜吸收速率方程式 思考：公式中的推动力和阻力如何表达？ii、液膜吸收速率方程式 思考：公式中的推动力和阻力如何表达？2、界面浓度 3、总吸收系数及其相应的吸收速率方程式pbcb什么是气膜控制？思考：气相总吸收系数，kmol/(m2.s.KPa)注意：稳态传质的定义NA=常数实例：水吸收氨、氯化氢等易容气体1、什么是液膜控制？2、分析气膜控制时，KL与kG的关系，液膜控制时，KG与kL的关系思考：液相总吸收系数，kmol/(m2.s)气相总吸收系数，kmol/(m2.s)实例：水吸收氧、氢或二氧化碳等难容气体推导ky,kx,Ky之间的关系，并分析气膜控制和液膜控制的简化公式。思考：1、气相总吸收系数