化工原理第五章吸收过程的传质速率资料课件.ppt
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- 化工 原理 第五 吸收 过程 传质 速率 资料 课件
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1、5/3/2023第三节第三节 吸收过程的传质速率吸收过程的传质速率一、分子扩散与菲克定律一、分子扩散与菲克定律二、单向对流传质过程二、单向对流传质过程三、两相间的传质过程三、两相间的传质过程四、吸收过程的总传质速率方程四、吸收过程的总传质速率方程第五章第五章吸 收5/3/2023一、吸收过程分析一、吸收过程分析气相气相液相液相相界面相界面溶解溶解气相扩散气相扩散 液相扩散液相扩散 气相主体气相主体 液相主体液相主体 三步两过程三步两过程1、吸收过程的构成、吸收过程的构成5/3/20232、吸收过程传质的方式、吸收过程传质的方式吸收过程吸收过程相间传质过程相间传质过程单相传质过程单相传质过程分子
2、扩散过程分子扩散过程对流传质过程对流传质过程5/3/2023二、单相传质过程中的分子扩散二、单相传质过程中的分子扩散1、什么是分子扩散、什么是分子扩散【定义定义】静止的流体内部静止的流体内部,若某一组分存在浓度差浓度差,则因分子无规则的热运动热运动使该组分由浓度较高处高处传递至浓度较低处低处,这种现象称为分子扩散分子扩散。2、分子扩散的两种形式、分子扩散的两种形式分子扩散等分子反向扩散等分子反向扩散单相扩散单相扩散5/3/2023分子扩散现象分子扩散现象5/3/2023分子扩散现象分子扩散现象5/3/20235/3/2023 费克(A.Fick)在1855年在实验的基础上提出了菲克第一定律菲克
3、第一定律,指出:“由两组分A和B组成的混合物中,在恒定温度、总压恒定温度、总压条件下,若组分A只沿z方向扩散,浓度梯度为浓度梯度为dcA/dz,则任一点处组分A的扩扩散通量与该处散通量与该处A的浓度梯度成正比的浓度梯度成正比”,即:3、分子扩散的基本规律、分子扩散的基本规律费克定律费克定律dzdcJAA5/3/2023【定义定义】单位时间单位时间内通过垂直于垂直于扩散方向的单位截单位截面积面积扩散扩散的物质量,称为扩散通量扩散通量(扩散速率扩散速率),以符号符号J表示,单位为kmol/(m2s)。【作用作用】扩散通量可以用来表征扩散进行的快慢程快慢程度度。【扩散通量扩散通量】5/3/2023【
4、费克定律的费克定律的数学表达式数学表达式】dzdcDJAABA式中 JA组分A在扩散方向z上的扩散通量,kmol/m2s dcA/dz组分A在扩散方向z上的浓度梯度,kmol/m4;DAB组分A在组分B中的扩散系数,m2/s。【说明说明】负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反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。5/3/20234、等摩尔(分子)逆(反)向扩散、等摩尔(分子)逆(反)向扩散(1)什么是等分子反向扩散)什么是等分子反向扩散BAJJ【定义定义】通过连通管内连通管内任一截面处两个组分的扩散扩散速率大小相等、方向相反速率大小相等、方向相反时,此扩散过程称为等分等分
5、子反向扩散子反向扩散。T p T p cA1 cA2 cB1 cB2 1 2 C cB2 cB1 cA1 cA2 0 z 扩散距离 z 图 5-8 等分子反向扩散 AB5/3/2023扩散过程中,任任一截面上总浓度维一截面上总浓度维持不变持不变,即:ccA+cB(2)等分子反向扩散的浓度特点)等分子反向扩散的浓度特点constdzdcA浓度梯度为常数 T p T p cA1 cA2 cB1 cB2 1 2 C cB2 cB1 cA1 cA2 0 z 扩散距离 z 图 5-8 等分子反向扩散 cAcB5/3/2023DAB=DBA=D【结论结论】在双组分混合物中,组分A在组分B中的扩散系数等于组
6、分B在组分A中的扩散系数。(3)等分子反向扩散的扩散系数)等分子反向扩散的扩散系数ccAcB常数常数dzdcdzdcBABAJJ将以上关系式代入菲克定律式,得到:由于则组分A在组分B中的扩散系数组分B在组分A中的扩散系数5/3/2023【传质速率传质速率】在任一固定的空间位置上,单位时间单位时间内通过垂直于传递方向垂直于传递方向的单位面积单位面积传递传递的物质的量,以符号符号N表示,单位为kmol/(m2s)。【表达式表达式】在等分子反向扩散中,物质的传递方式传递方式仅为分子扩散,组分A的传质速率等于其扩散速率传质速率等于其扩散速率即:dzdcDJNAAA(4)等分子反向扩散的传质速率)等分子
7、反向扩散的传质速率5/3/2023ZcA1cA2NA边界条件边界条件:z=0,cA=cA1;z=Z,cA=cA2;AcczDdcdzNA2A1A0对上式积分:)(A2A1AccZDN液相传质速率液相传质速率AAdcNDdz 5/3/2023 如果A、B组成的混合物为理想气体理想气体,由:)(A2A1AppRTZDN气相传质速率气相传质速率RTpVncAAAAAp Vn RTZpA1pA2NA5/3/2023【等摩尔(分子)逆向扩散的特点等摩尔(分子)逆向扩散的特点】(1)系统中各处的总浓度c(总压力p)相等;(2)JAJB(两组分反方向的扩散速率相等);(3)浓度(压力)梯度为常数;(4)DA
8、BDBAD;(5)传质速率方程式为:)()(2121AAAAAAccZDppRTZDJN5/3/20235、单向扩散及速率方程、单向扩散及速率方程【例如例如】在气体吸收中在气体吸收中,A为被吸收组分,B为惰性组分,液相不存在组分B,不可能向界面提供组分B。因此,吸收过程吸收过程所发生的是组分组分A通过通过“静止静止”组分组分B的单方向扩散的单方向扩散,而不是等分子反向扩散。(1)什么是单向扩散)什么是单向扩散【特点特点】一种组分扩散扩散,另外一种组分“静止静止”。5/3/2023【说明说明】当A、B双组分气体混合物与液体溶剂接触时,气相主体中的组分A扩散到界面,然后通过界面进入液相,造成在界面
9、左侧附近总压造成在界面左侧附近总压降低降低,使气相主体与界面产生一小压差,促使A、B混合混合气体由气相主体向界面处流气体由气相主体向界面处流动动,此流动称为总体流动。(2)单向扩散的特点)单向扩散的特点整(总、主)体流动整(总、主)体流动 ApA1pA2pB1pB2p1=pA1+pB1p2=pA2+pB2 A,B总体流动总体流动p1p2气相气相液相液相5/3/2023【说明说明】(1)整体流动将B组分使得气液相界面附近B组分分压增大,故B组分将向主体扩散;(2)整体流动将A组分带到了气液相界面,故气相气相中中A A组分的传质量比单纯的组分的传质量比单纯的分子扩散过程多分子扩散过程多。(3)单向
10、扩散的质量传递特点)单向扩散的质量传递特点5/3/2023【扩散流】【扩散流】(分子扩散引分子扩散引起的物料流起的物料流)是分子微观微观运动运动的宏观结果,所传递传递的是纯组分的是纯组分A或纯组分B。【整体(整体(主体主体)流动)流动】是物流的宏观运动宏观运动,它同时携带组分携带组分A与与B流向界面。(4)整体流动与扩散流的区别)整体流动与扩散流的区别扩散流扩散流整体流动整体流动5/3/2023 若整体流动中整体流动中B组分的传递速率为组分的传递速率为NBM,扩散流中扩散流中B组分的传递速率为组分的传递速率为JB,则:ccNNJBBMB 即JB与NBM两者数值相等,方向相反。由于B组分的浓度维
11、持不变,表观表观上上B组分是组分是“静止静止”的的。(5)“静止静止”组分组分B扩散流扩散流整体流动整体流动5/3/2023(5)单向扩散的传质速率方程)单向扩散的传质速率方程 单向扩散的传质速率方程基本计算式单向扩散的传质速率方程基本计算式 ccNJNAAAA式中 JA分子扩散(扩散流扩散流)所传递的量;NAcA/c主体流动主体流动所传递的量。5/3/2023单向扩散单向扩散传质速率方程的积分式传质速率方程的积分式对于气相气相可推得:)(A2A1AppppRTZDNBm式中:B1B2B1B2BmlnpppppB组分在组分在1,2两处的两处的对数平均分压对数平均分压Bmpp漂流因子漂流因子5/
12、3/2023【说明说明】以上两式称为某组分单向扩散时的传质速单向扩散时的传质速率方程式率方程式,适用于某一组分在扩散时,另一组分是“静止静止”的,或处于滞流滞流的状态。对于液相液相可推得:)(21AABmAccccZDN式中 1212lnBBBBBmcccccB组分在组分在1,2两处的两处的对数平均摩尔浓度对数平均摩尔浓度5/3/2023【漂流因子几点说明漂流因子几点说明】(1)因ppBm或ccBm,故p/pBm1或c/cBm 1。(2)漂流因子反映了总体流动对传质速率的影响程总体流动对传质速率的影响程度度,溶质的浓度愈大,其影响愈大。(3)漂流因子的大小为总体流动使传质速率传质速率较单纯分子
13、扩散速率增大的倍数增大的倍数。)(A2A1AppppRTZDNBm)(A2A1AppRTZDN单纯分子扩散传质速率单纯分子扩散传质速率单相扩散传质速率单相扩散传质速率5/3/2023千里江陵一日还千里江陵一日还【问题问题】顺水行舟为何快?顺水行舟为何快?5/3/20236、分子扩散系数、分子扩散系数【说明说明】(1)表明了单位浓度梯度下的扩散通量;(2)反映了某组分在一定介质(气相或液相)中的扩散能力扩散能力,是物质特性常数物质特性常数之一;(3)其值随物系种类、温度、浓度或总压物系种类、温度、浓度或总压的不同而变化。(1)分子扩散系数的物理意义)分子扩散系数的物理意义zcJDddAA单位(m
14、2/s)5/3/2023 目前,扩散系数可由以下扩散系数可由以下3种种途径获得途径获得:实验测定实验测定。实验测定是获取物质扩散系数的根本途径;从有关手册中查得手册中查得(表5-2、5-3);借助某些经验的或半经验的公式进行估算经验的或半经验的公式进行估算(查不到D又缺乏进行试验测定的条件时)。(2)分子扩散系数的获取)分子扩散系数的获取5/3/2023一些物质在空气中的扩散系数(一些物质在空气中的扩散系数(0,101.33kPa)注:DCO2=0.138(cm2/s)5/3/2023一些物质在水中的扩散系数(一些物质在水中的扩散系数(20,稀溶液),稀溶液)注:DCO2=1.5010-9(m
15、2/s)5/3/2023(3)气体扩散系数的估算)气体扩散系数的估算在简化条件下,经分子运动论的理论推导与实验修正,Fuller(富勒)等人提出了如下半经验公式半经验公式:2313175.17)()()11(1000.1 BABAvvPMMTD当知道某一温度和压力下的扩散系数时,可由下式求算另一温度和压力下求算另一温度和压力下的扩散系数:75.1122112TTPPDD5/3/2023(4)液体中的扩散系数的估算)液体中的扩散系数的估算 对于很稀的非电解质溶液(溶质溶剂),其扩散系数常用惠尔凯惠尔凯(Wilke-Chang)公式估算:6.05.08)(104.7ASvTMD 对给定的系统,可由
16、温度 T1下的D1扩散系数推算T2下的D2,如:212112()TDDT5/3/2023二、单相对流传质过程二、单相对流传质过程【定义定义】流动着的流体与流体与某一界面某一界面(如气液相界面)之间或两个有限互溶的两个有限互溶的流动流体之间发生的传质流动流体之间发生的传质,称为对流传质。【特点特点】同时存在分子扩分子扩散散与涡流扩散涡流扩散。5/3/20231、什么是涡流扩散(湍流扩散)、什么是涡流扩散(湍流扩散)【定义定义】依靠流体质点依靠流体质点的的位移位移,使组分从浓度,使组分从浓度高处向浓度低处移动的高处向浓度低处移动的过程,称为涡流扩散过程,称为涡流扩散。5/3/2023【表达式表达式
17、】因质点运动无规则,所以涡流扩散速率涡流扩散速率很难从理论上确定很难从理论上确定,通常采用描述分子扩散的菲克采用描述分子扩散的菲克定律形式表示定律形式表示,即:dzdcDJEAA式中 JA涡流扩散速率,kmol/(m2s);DE涡流扩散系数,m2/s。2、涡流扩散速率、涡流扩散速率5/3/2023(1)涡流扩散系数与分子扩散系数不同,DE不是物不是物性常数性常数。影响DE的因数众多,其值与流体流动状态流动状态及所处的位置所处的位置有关,DE的数值很难通过实验准确测的数值很难通过实验准确测定定;(2)由于涡流扩散是借助于流动质点的位移进行的质量传递,故其扩散速率远大于分子扩散速率扩散速率远大于分
18、子扩散速率;(3)物系内各处的浓度比较均匀浓度比较均匀。【有关说明有关说明】5/3/2023层流内层层流内层分子扩散过渡区过渡区分子扩散、涡流扩散湍流主体湍流主体涡流扩散气相气相液相液相相界面相界面3、对流传质速率、对流传质速率(1)过程分析)过程分析5/3/2023 一般情况下,对流传质速率可写成:(2)对流传质速率的计算式)对流传质速率的计算式【说明说明】(1)由于DE不像D那样是物性参数,它与流体的湍动程度有关,也与流体质点的位置有关,既不能使用公式计算,也难于用试验的方法测定。(2)NA的表达式形式好看但不好用表达式形式好看但不好用,并不能将NA的表达式积分求出对流传质速率NA。+()
19、AAEAAdcNJJDDdz(分子)(流)5/3/20234、有效层流膜模型、有效层流膜模型(1)对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的层流膜层内,膜层内的传质形式仅为分子扩散膜层内的传质形式仅为分子扩散。(2)层流膜外层流膜外流体高度湍流,无浓度差(没有推动力),故没有质量传递过程没有质量传递过程。(3)层流膜的厚度层流膜的厚度ZL 层流内层分压梯度线延长线层流内层分压梯度线延长线与液相主体浓度线与液相主体浓度线cA相交于一点相交于一点L,L到相界面的垂直距离。5/3/2023气相气相液相液相【模型要点模型要点】(1)膜的厚度为)膜的厚度为ZL;(2)膜内为分子扩散;)膜内为分子扩散;(3)
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