吸收過程的機理與過程速率

1、藥品生產(chǎn)技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫-制藥單元操作技術(shù)教學(xué)設(shè)計教 師 姓 名授課班級授課形式講授授 課 日 期 授課時數(shù)2授課內(nèi)容情景6 吸收過程及操作任務(wù)2 吸收過程的機理與過程速率教學(xué)目的知 識目 標(biāo)1、了解傳質(zhì)的基本方式2、理解雙膜理論的觀點3、理解吸收速率與吸收速率方程4、掌握吸收過程的控制因素能 力目 標(biāo)1、能夠根據(jù)實驗現(xiàn)象，說明吸收的擴散方式，進一步了解吸收速率。2、能夠吸收理論，進一步分析吸收傳質(zhì)過程。3、能夠根據(jù)吸收速率方程，判定吸收過程的控制因素。思 想目 標(biāo)1.具有分析問題解決問題的能力；2.具有一定組織協(xié)調(diào)能力；3.具有搜索、整理材料及文字表達相關(guān)能力教 學(xué) 重 點吸收速率與吸收速

2、率方程教 學(xué) 難 點吸收速率與吸收速率方程更新、補充、刪 節(jié) 內(nèi) 容使 用 教 具多媒體課 外 作 業(yè)課 后 體 會授課主要內(nèi)容及課堂教學(xué)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié) 課 程 內(nèi) 容 設(shè) 計教學(xué)方法時間min組織復(fù)習(xí)引入新課小結(jié)作業(yè)1. 吸收的溶解度、氣液相平衡及影響因素？2. 寫出亨利定律表達式？了解了上述內(nèi)容后，吸收過程如何進行的？任務(wù)2吸收過程的機理與過程速率一、吸收傳質(zhì)的方式 物質(zhì)在單一相（氣相或液相）中的傳遞是擴散作用。發(fā)生在流體中的擴散有分子擴散與渦流擴散兩種，一般發(fā)生在靜止或?qū)恿鞯牧黧w內(nèi)，憑借流體分子的熱運動而進行的物質(zhì)傳遞，即為分子擴散；發(fā)生在湍流流體內(nèi)，憑借流體質(zhì)點的湍動和漩渦而進行物質(zhì)傳遞

3、即是渦流擴散。分子擴散分子擴散是物質(zhì)在同一相內(nèi)存在濃度差的條件下，由流體分子的無規(guī)則的熱運動而引起的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。習(xí)慣上把分子擴散稱為擴散。分子擴散速率主要取決于擴散物質(zhì)和流體的某些物理性質(zhì)。依據(jù)菲克定律，當(dāng)物質(zhì)A在介質(zhì)B中發(fā)生擴散時，其擴散速率與其在擴散方向上的濃度梯度成正比。如圖6-6所示。其關(guān)系表示為： (6-21)式中 組分A的分子擴散速率，kmol/(m2·s)； 組分A的濃度，kmol/m3； 沿擴散方向的距離，m； 分子擴散系數(shù)。表示組分A在介質(zhì)B中的擴散能力，m2/s。 式中負號表示擴散方向與濃度梯度相反。圖6-6 分子擴散示意圖 擴散系數(shù)D是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，其值

4、一般由實驗測定。D值越大，表示擴散越快。一般情況下，對較小的分子而言，在氣相中的擴散系數(shù)為0.11cm2/s，在液相中的擴散系數(shù)約為在氣相中的1/(104105)。渦流擴散 渦流擴散是物質(zhì)在有濃度差的條件下，通過湍流流體完成物質(zhì)傳遞的過程。渦流擴散時，物質(zhì)擴散不僅要靠分子本身的擴散作用，還需借助湍流流體的攜帶作用而傳遞，且后一種作用是主要的，故渦流擴散速率比分子擴散速率大得多。因渦流擴散系數(shù)很難測定和計算，故常將分子擴散和渦流擴散綜合起來考慮，也即是對流擴散。對流擴散對流擴散是湍流主體與相界面之間的渦流擴散與分子擴散共同作用的結(jié)果。因?qū)α鲾U散過程極為復(fù)雜，影響因素眾多，所以對流擴散速率一般采用

5、類似對流傳熱的處理方法，將對流擴散分解為渦流擴散和分子擴散作用，其表達式為： （6-22）式中 渦流擴散系數(shù)，m2/s。渦流擴散系數(shù)不是物質(zhì)的物性常數(shù)，它與湍流程度有關(guān)，且隨位置而不同。實驗表明，對于多數(shù)氣體渦流擴散系數(shù)比分子擴散系數(shù)高過100倍，對于液體其渦流擴散系數(shù)比分子擴散系數(shù)高105倍甚至更多。二、雙膜理論吸收過程是氣液兩相間的傳質(zhì)過程（即相際間傳質(zhì)），對這種傳質(zhì)過程的機理，曾有很多不同的理論，但其中應(yīng)用較廣泛的仍是劉易斯和惠特曼在20世紀(jì)20年代提出的雙膜理論，理論模型如圖6-7所示。雙膜理論的基本論點是：在氣液兩流體相接觸處有一穩(wěn)定的相界面(即是相界面)。在相界面兩側(cè)附近各有一層穩(wěn)

6、定的氣膜和液膜，這兩層薄膜可近似認(rèn)為由氣液兩流體的滯流層組成，層內(nèi)吸收質(zhì)以分子擴散方式進行傳質(zhì)，膜層的厚度隨流體的流速而變，流速愈大膜層厚度愈小。在兩膜以外的氣液兩相分別為氣相主體和液相主體，氣液兩相主體內(nèi)，因流體充分湍流，溶質(zhì)的濃度均勻，相內(nèi)無濃度梯度，其濃度變化（阻力）主要集中在兩膜內(nèi)；無論氣液兩相主體內(nèi)溶質(zhì)濃度是否達到平衡，在相界面處，溶質(zhì)在氣液兩相中的濃度均達平衡，即界面上沒有阻力。圖6-7 雙膜理論示意圖吸收過程 ：氣相中吸收質(zhì)的p>p* 時，吸收質(zhì)以p-p*推動力克服氣膜厚度的阻力，以分子擴散的方式通過氣膜到相界面上，界面上 pi 和Ci 成平衡，吸收質(zhì)以Ci C的濃度差推動

7、力克服液膜厚度的阻力，以分子擴散穿過液膜，從界面擴散到液相主體，完成此過程。對于具有穩(wěn)定相界面的系統(tǒng)以及流動速度不高的兩流體間的傳質(zhì)，雙膜理論與實際情況是相當(dāng)符合的，依據(jù)這一理論的基本概念所確定的吸收過程的傳質(zhì)速率關(guān)系，至今仍是吸收設(shè)備設(shè)計的主要依據(jù)，且對實際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。但是對于具有自由相界面的系統(tǒng)，尤其是高湍動的兩流體間的傳質(zhì)，雙膜理論就表現(xiàn)出了它的局限性?；诖司窒扌?，后續(xù)又提出了一些新的理論，如溶質(zhì)滲透理論、表面更新理論、界面動力狀態(tài)理論等，這些理論對于相際傳質(zhì)過程的界面狀態(tài)及流體力學(xué)因素的影響等方面的研究和描述都有所進步，但因其數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜，應(yīng)用于傳質(zhì)設(shè)備的計算或解決實

8、際問題時均較困難。三、氣體吸收速率方程由雙膜理論的傳質(zhì)機理可知，吸收過程的相際傳質(zhì)是由氣相主體與界面的對流傳質(zhì)、界面上溶質(zhì)組分的溶解、液相主體與界面的對流傳質(zhì)三個過程構(gòu)成，仿照間壁兩側(cè)對流傳熱過程傳熱速率的分析思路，其對流傳質(zhì)過程的傳質(zhì)速率的表達式及傳質(zhì)阻力分析如下：1、氣相主體與界面的對流傳質(zhì) （6-23）或 （6-24）式中 單位時間內(nèi)組分A擴散通過單位面積的物質(zhì)的量，即傳質(zhì)速率，kmol/(m2·s) 溶質(zhì)A在氣相主體與界面處的分壓，kPa； 溶質(zhì)A在氣相主體與界面處的摩爾分?jǐn)?shù)； 以分壓差表示傳質(zhì)推動力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·s·kPa)以摩爾分?jǐn)?shù)

9、差表示傳質(zhì)推動力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·s)。2、液相主體與界面的對流傳質(zhì) （6-25）或 （6-26） 式中 溶質(zhì)A在液相主體與界面處的濃度，kmol/m3； 溶質(zhì)A在液相主體與界面處的摩爾分?jǐn)?shù)； 以摩爾濃度差表示傳質(zhì)推動力的液相傳質(zhì)系數(shù)， m/s；以摩爾分?jǐn)?shù)差表示傳質(zhì)推動力的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·s)。說明：相界面上的濃度、，依據(jù)雙膜理論應(yīng)成平衡關(guān)系，但是依據(jù)圖6-7所示，濃度、是無法測取的。上述描述的均為相內(nèi)吸收過程的傳質(zhì)速率，盡管傳質(zhì)推動力的表達方式不同，其傳質(zhì)速率均正比于界面濃度與流體主體濃度差。將其它所有影響對流傳質(zhì)的因素均包括在氣相（或液相

10、）傳質(zhì)系數(shù)之中，而傳質(zhì)系數(shù)、的數(shù)據(jù)只有根據(jù)具體操作條件由實驗測定，它與流體流動狀態(tài)和流體物性（密度、粘度）、擴散系數(shù)、傳質(zhì)界面形狀等因素有關(guān)。對流傳質(zhì)系數(shù)可依據(jù)有關(guān)經(jīng)驗式，查有關(guān)手冊即可得到。3、相際傳質(zhì)速率方程-吸收總傳質(zhì)速率方程氣相和液相傳質(zhì)速率方程中均涉及到相界面上的濃度（、），因相界面在傳質(zhì)過程中是變化的，這些參數(shù)很難獲取。工程上常利用相際傳質(zhì)速率方程來表示吸收總傳質(zhì)速率方程，即為： (6-27) (6-28) (6-29) (6-30)式中 、分別與氣相主體或液相主體組成成平衡關(guān)系的濃度； 、用摩爾比表示的氣相主體與液相主體濃度；以氣相濃度差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2&#

11、183;s·kN/m2)；以液相濃度差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，m/s；以氣相摩爾比濃度差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)；kmol/(m2·s)；以液相摩爾比濃度差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)；kmol/(m2·s)。說明：上述各氣、液相傳質(zhì)系數(shù)與總傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系如下：故 (6-31)同理有： (6-32)由上述分析可知，氣液兩相相際傳質(zhì)總阻力等于各分阻力之和，總推動力等于各分推動力之和。 4、傳質(zhì)過程的控制分析 對于易溶氣體，H值均很大，在kG、kL數(shù)量級相同或接近時，式（6-31）中的、存在如下關(guān)系，此時吸收過程阻力絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可忽略不計，則式（6-31）可

12、簡化為或,即氣膜阻力控制著整個吸收過程，吸收總推動力的絕大部分用于克服氣膜阻力，該吸收為氣膜控制吸收。如用水吸收NH3、HCl等易溶的氣體的吸收過程。對于氣膜控制的吸收過程，要強化傳質(zhì)過程，提高吸收速率，在選擇設(shè)備形式及確定吸收操作條件時，應(yīng)特別注意減小氣膜阻力。如提高氣速、增加氣體濃度等。對難溶氣體，H值均很小，在kG、kL數(shù)量級相同或接近時，式（6-32）中的、存在如下關(guān)系，此時吸收過程阻力絕大部分存在于液膜之中，氣膜阻力可忽略不計，則式（6-32）可簡化為或,即液膜阻力控制著整個吸收過程，吸收總推動力的絕大部分用于克服液膜阻力，該吸收為液膜控制吸收。如用水吸收O2、CO2等較難溶的氣體的吸收過程。對于液膜控制的吸收過程，要強化傳質(zhì)過程，提高吸收速率，在選擇設(shè)備形式及確定吸收操作條件時，應(yīng)特別注意減小液膜阻力。如采用較高的吸收壓力、較低的吸收溫度等。對于中等溶解度的氣體吸收過程，氣膜阻力和液膜阻力均不可忽略。要提高吸收過程速率，必須兼顧氣、液膜阻力的降低，方能得到滿意結(jié)果。復(fù)述本節(jié)內(nèi)容：1. 簡單蒸餾與平衡蒸餾的流程2.