化工基礎(chǔ)ch4(吸收)(2)

1、2022-5-9第第第第第第四四四四四四章章章章章章 吸收吸收吸收吸收吸收吸收一、一、分子擴散與菲克定律分子擴散與菲克定律 二、二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散氣相中的穩(wěn)定分子擴散 三、三、擴散系數(shù)擴散系數(shù)四、對流傳質(zhì)四、對流傳質(zhì) 五、五、吸收機理吸收機理雙膜理論雙膜理論六、吸收速率方程式六、吸收速率方程式 第第第第第第三三三三三三節(jié)節(jié)節(jié)節(jié)節(jié)節(jié) 傳質(zhì)機理與吸收速率傳質(zhì)機理與吸收速率傳質(zhì)機理與吸收速率傳質(zhì)機理與吸收速率傳質(zhì)機理與吸收速率傳質(zhì)機理與吸收速率2022-5-9吸收過程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，包括三個步驟：吸收過程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，包括三個步驟：溶質(zhì)由氣相主體傳遞到兩相界面，即溶質(zhì)由氣相主體傳

2、遞到兩相界面，即氣相內(nèi)的物質(zhì)傳遞氣相內(nèi)的物質(zhì)傳遞；溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即界面上發(fā)生界面上發(fā)生的溶解過程；的溶解過程；溶質(zhì)自界面被傳遞至液相主體，即溶質(zhì)自界面被傳遞至液相主體，即液相內(nèi)的物質(zhì)傳遞液相內(nèi)的物質(zhì)傳遞。單相內(nèi)物質(zhì)傳遞的機理單相內(nèi)物質(zhì)傳遞的機理分子擴散分子擴散 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)2022-5-9一、分子擴散與菲克定律一、分子擴散與菲克定律一、分子擴散與菲克定律一、分子擴散與菲克定律一、分子擴散與菲克定律一、分子擴散與菲克定律 1、分子擴散：、分子擴散： 一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由于分子一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由于分子的無規(guī)則

3、熱運動而造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。的無規(guī)則熱運動而造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。AB2菲克定律菲克定律 1）擴散通量）擴散通量 ： 單位面積上單位時間內(nèi)擴散傳遞的物質(zhì)量單位面積上單位時間內(nèi)擴散傳遞的物質(zhì)量 ，單位：單位：kmol /(m2s) 。2022-5-92）菲克定律）菲克定律 dzdCDJAABA 試分析與傅立葉定律以及牛頓粘性定律的區(qū)別及試分析與傅立葉定律以及牛頓粘性定律的區(qū)別及聯(lián)系。聯(lián)系。 3）分子擴散系數(shù)間的關(guān)系）分子擴散系數(shù)間的關(guān)系對于雙組分物系：對于雙組分物系：RTPcccBAT常數(shù)2022-5-9dzdcdzdcBABAJJ根據(jù)菲克定律：根據(jù)菲克定律： dzdcDJAABAdzdcDBBA

4、BAABDD由由A、B兩種氣體所構(gòu)成的混合物中，兩種氣體所構(gòu)成的混合物中，A與與B的擴散系數(shù)相等。的擴散系數(shù)相等。 2022-5-9二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散 1等摩爾反向擴散等摩爾反向擴散1）等摩爾反向擴散）等摩爾反向擴散 例如精餾過程例如精餾過程 2022-5-92）傳遞速率）傳遞速率 在任一固定的空間位置上，單位時間通過單位面積的在任一固定的空間位置上，單位時間通過單位面積的A物質(zhì)量，稱為物質(zhì)量，稱為A的傳遞速率，以的傳遞速率，以NA表示。表示。 dzdcDJNAAAdz

5、dpRTDA分離變量并進行積分，積分限為：分離變量并進行積分，積分限為： 11 0AAppz22 AAppzz2022-5-9210AAPpAzAdpRTDdzN)(12AAAppRTDzN傳質(zhì)速率為：傳質(zhì)速率為：)(12AAAppzRTDN2、一組分通過另一停滯組分的擴散、一組分通過另一停滯組分的擴散 1）一組分通過另一停滯組分的擴散）一組分通過另一停滯組分的擴散 2022-5-9例如吸收例如吸收2）傳遞速率）傳遞速率設(shè)總體流動通量為設(shè)總體流動通量為N，其中物質(zhì)其中物質(zhì)A的通量為：的通量為：2022-5-9CcNNyAA總體流動中物質(zhì)總體流動中物質(zhì)B向右傳遞的通量為向右傳遞的通量為 CcNN

6、yBBCcNJNAAACcNJNBBB而而0BNCcNJBBCcNJBA即2022-5-9CcNCcNNABAANN 將將 dzdcDJAABAANN 和和代入代入 CcNJNAAAdzdccCDCNAAA若擴散在氣相中進行，則：若擴散在氣相中進行，則： RTpcAARTPC 2022-5-9dzdppPPRTDNAAAdzpdpRTDPNBAA即即分離變量后積分分離變量后積分210BBppBBzApdpRTDPdzN12lnBBAppzRTDPN2022-5-92211BABApppp1221BBAApppp)(ln122112BBAABBAppppppzRTDPN)(21AABmpppPR

7、TzDBmpP漂流因數(shù)，無因次。反映總體流動對傳質(zhì)速率的漂流因數(shù)，無因次。反映總體流動對傳質(zhì)速率的 影響。影響。 因因PpBm，所以漂流因數(shù)所以漂流因數(shù) 1BmpP2022-5-9三、擴散系數(shù)三、擴散系數(shù)三、擴散系數(shù)三、擴散系數(shù)三、擴散系數(shù)三、擴散系數(shù) 分子擴散系數(shù)簡稱擴散系數(shù)，它是物質(zhì)的特性常數(shù)之分子擴散系數(shù)簡稱擴散系數(shù)，它是物質(zhì)的特性常數(shù)之一。同一物質(zhì)的擴散系數(shù)隨介質(zhì)的種類、溫度、壓強及濃一。同一物質(zhì)的擴散系數(shù)隨介質(zhì)的種類、溫度、壓強及濃度的不同而變化。物質(zhì)在不同條件下的擴散系數(shù)一般需要度的不同而變化。物質(zhì)在不同條件下的擴散系數(shù)一般需要通過實驗測定。通過實驗測定。1、物質(zhì)在氣體中的擴散系數(shù)

8、、物質(zhì)在氣體中的擴散系數(shù) 氣體氣體A在氣體在氣體B中（或中（或B在在A中）的擴散系數(shù)，可按馬中）的擴散系數(shù)，可按馬克斯韋爾克斯韋爾吉利蘭（吉利蘭（Maxwell-Gilliland）公式進行估算公式進行估算 2022-5-92、物質(zhì)在液體中的擴散系數(shù)、物質(zhì)在液體中的擴散系數(shù) 物質(zhì)在液體中的散系數(shù)與組分的性質(zhì)、溫度、粘度以及物質(zhì)在液體中的散系數(shù)與組分的性質(zhì)、溫度、粘度以及濃度有關(guān)。濃度有關(guān)。 對于很稀的非電解溶液，物質(zhì)在液體中的擴散系數(shù)對于很稀的非電解溶液，物質(zhì)在液體中的擴散系數(shù) smTaMDAB/)(104 . 726 . 02/1122313121235)()11(1036. 4BABAvv

9、PMMTD2022-5-9四、對流傳質(zhì)四、對流傳質(zhì)四、對流傳質(zhì)四、對流傳質(zhì)四、對流傳質(zhì)四、對流傳質(zhì) 1、渦流擴散、渦流擴散 憑籍流體質(zhì)點的流動和旋渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。憑籍流體質(zhì)點的流動和旋渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。擴散通量擴散通量 ：dzdcDDJAE)(2、對流傳質(zhì)、對流傳質(zhì) 流動流體與兩相界面之間的傳質(zhì)流動流體與兩相界面之間的傳質(zhì)1）固定界面）固定界面 氣固兩相或液固兩相間的界面氣固兩相或液固兩相間的界面 2022-5-9 2）流動界面）流動界面 氣液兩相間的界面氣液兩相間的界面2022-5-9 對于等摩爾反方向擴散對于等摩爾反方向擴散 )(21AAGABAPPRTZDN對于單向擴散對于單向擴散

10、 12()ABAAAGBmDPNPPZ RT P2022-5-9五、吸收機理五、吸收機理五、吸收機理五、吸收機理五、吸收機理五、吸收機理雙膜理論雙膜理論雙膜理論雙膜理論雙膜理論雙膜理論 1、雙膜理論、雙膜理論相互接觸的氣液兩相間有一個穩(wěn)定的界面，相互接觸的氣液兩相間有一個穩(wěn)定的界面，界面上界面上沒有沒有傳質(zhì)阻力，傳質(zhì)阻力，氣液兩相處于平衡狀態(tài)氣液兩相處于平衡狀態(tài)。界面兩側(cè)分別存在著兩層膜，氣膜和液膜。氣相一側(cè)叫界面兩側(cè)分別存在著兩層膜，氣膜和液膜。氣相一側(cè)叫氣膜，液相一側(cè)叫液膜氣膜，液相一側(cè)叫液膜 ，這兩層膜均很薄，這兩層膜均很薄，膜內(nèi)的流體是膜內(nèi)的流體是滯流流動，溶質(zhì)以分子擴散的方式進行傳質(zhì)

11、滯流流動，溶質(zhì)以分子擴散的方式進行傳質(zhì)。 膜外的氣液相主體中，膜外的氣液相主體中，流體流動得非常劇烈，溶質(zhì)的濃流體流動得非常劇烈，溶質(zhì)的濃度很均勻，度很均勻，傳質(zhì)的阻力可以忽略不計，傳質(zhì)阻力集中在兩傳質(zhì)的阻力可以忽略不計，傳質(zhì)阻力集中在兩層膜內(nèi)。層膜內(nèi)。 2022-5-92022-5-9六、吸收速率方程式六、吸收速率方程式六、吸收速率方程式六、吸收速率方程式六、吸收速率方程式六、吸收速率方程式 吸收速率：吸收速率： 單位面積，單位時間內(nèi)吸收的溶質(zhì)單位面積，單位時間內(nèi)吸收的溶質(zhì)A的摩爾數(shù)，的摩爾數(shù)，用用NA表示，單位通常用表示，單位通常用kmol/m2s。吸收傳質(zhì)速率方程：吸收傳質(zhì)速率方程： 吸

12、收速率與吸收推動力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式吸收速率與吸收推動力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式 吸收速率吸收速率 = 傳質(zhì)系數(shù)推動力傳質(zhì)系數(shù)推動力 1、氣膜吸收速率方程式、氣膜吸收速率方程式 )(iBmGABAppPPRTZDN2022-5-9GBmGABkRTPZPD令令)(iGAppkN 氣膜吸收速率方程式氣膜吸收速率方程式Gk氣膜吸收系數(shù)，氣膜吸收系數(shù)， kmol / (m2skPa)。 也可寫成：也可寫成： GiAkppN12022-5-9當氣相的組成以摩爾分率表示時當氣相的組成以摩爾分率表示時 )(iyAyykNyk以以 y表示推動力的氣膜吸收系數(shù)，表示推動力的氣膜吸收系數(shù)，kmol / (m2s)。 當氣

13、相組成以摩爾比濃度表示時當氣相組成以摩爾比濃度表示時 )(iYAYYkNYk以以 Y表示推動力的氣膜吸收系數(shù)，表示推動力的氣膜吸收系數(shù)，kmol / (m2s)。 2022-5-92、液膜吸收速率方程式、液膜吸收速率方程式 )(ccczCDNismLA令令 LsmLkcZCD)(cckNiLA或或 LiAkccN1液膜吸收速率方程液膜吸收速率方程Lk以以 c為推動力的液膜吸收系數(shù)，為推動力的液膜吸收系數(shù)，m/s； 2022-5-9當液相的組成以摩爾分率表示時當液相的組成以摩爾分率表示時 )(xxkNixAxk以以 x為推動力的液膜吸收系數(shù)，為推動力的液膜吸收系數(shù)，kmol / (m2.s)。

14、當液相組成以摩爾比濃度表示時當液相組成以摩爾比濃度表示時 )(XXkNiXAXk以以 X為推動力的液膜吸收系數(shù)，為推動力的液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。 2022-5-93、界面濃度、界面濃度)()(cckppkNiLiGAGLiikkccpp當已知兩相組成的平衡關(guān)系，如當已知兩相組成的平衡關(guān)系，如 )(*cfp 和和上式聯(lián)立便可上式聯(lián)立便可 求出求出 iicp ,2022-5-9pcAIcipi2022-5-94、總吸收系數(shù)及相應(yīng)的吸收速率方程式、總吸收系數(shù)及相應(yīng)的吸收速率方程式1）以氣相組成表示總推動力的吸收速率方程式）以氣相組成表示總推動力的吸收速率方程式a）以以p為推動力的吸收

15、速率方程為推動力的吸收速率方程 *)(ppKNGAGK 以以 p為推動力的氣相總吸收系數(shù)，為推動力的氣相總吸收系數(shù)，kmol /(m2.s.Pa) *p與液相主體濃度與液相主體濃度C成平衡的氣相分壓，成平衡的氣相分壓，Pa。 2022-5-9)(*yyKNyA b）以以y為推動力的吸收速率方程為推動力的吸收速率方程2）以液相組成表示總推動力的吸收速率方程式）以液相組成表示總推動力的吸收速率方程式 yK以以y為推動力的氣相總吸收系數(shù)，為推動力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。 yKa）以以C為推動力的吸收速率方程為推動力的吸收速率方程 )*(ccKNLALK以以C為推動力的液相總吸收系數(shù)

16、，為推動力的液相總吸收系數(shù)，m /s 2022-5-9b）以以x為推動力的吸收速率方程為推動力的吸收速率方程 )(*xxKNxAxK以以x為推動力的液相總吸收系數(shù)，為推動力的液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s) 3）用摩爾比濃度為總推動力的吸收速率方程式）用摩爾比濃度為總推動力的吸收速率方程式適用條件：溶質(zhì)濃度很低時適用條件：溶質(zhì)濃度很低時 a）以以 *)(YY 表示總推動力的總吸收速率方程式表示總推動力的總吸收速率方程式據(jù)分壓定律據(jù)分壓定律Pyp YYy1YYPp1*1*YYPp2022-5-9代入代入 *)(ppKNGA)*1*1(YYPYYPKNGA*)(*)1)(1 (YYYYPKN

17、GA令令 YGKYYPK*)1)(1 (*)(YYKNYAYK以以 Y為推動力的氣相總吸收系數(shù)，為推動力的氣相總吸收系數(shù)，kmol /(m2.s) 2022-5-9b）以以 )*(XX表示總推動力的吸收速率方程式表示總推動力的吸收速率方程式 )*(XXKNXAXK以以 X為推動力的液相總吸收系數(shù)，為推動力的液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s) 5、各種吸收系數(shù)之間的關(guān)系、各種吸收系數(shù)之間的關(guān)系1）總系數(shù)與分系數(shù)的關(guān)系）總系數(shù)與分系數(shù)的關(guān)系 *)(ppKNGAGAKNPP*)(iGAppkNGAikNpp2022-5-9)(cckNiLALAikNcc由亨利定律：由亨利定律： iiHpc *H

18、pc )(cckNiLA*)(ppHkiLLAiHkNpp*)()(*ppppppiiLAGAHkNkN2022-5-9LAGAGAHkNkNKNLGGHkkK111LGGHkkK1,1,1分別為分別為總阻力、氣膜阻力和液膜阻力總阻力、氣膜阻力和液膜阻力 即即總阻力總阻力=氣膜阻力氣膜阻力+液膜阻力液膜阻力 同理同理 LGLkkHK112022-5-9xyykmkK11xyxkmkK111在溶質(zhì)濃度很低時在溶質(zhì)濃度很低時 11YYXmKkkYXXmkkK1112）總系數(shù)間的關(guān)系）總系數(shù)間的關(guān)系 a）氣相總吸收系數(shù)間的關(guān)系氣相總吸收系數(shù)間的關(guān)系 GyPKK2022-5-9)1)(1 (*YYPK

19、KGY當溶質(zhì)在氣相中的濃度很低時當溶質(zhì)在氣相中的濃度很低時 PKKGYb）液相總傳質(zhì)系數(shù)間的關(guān)系液相總傳質(zhì)系數(shù)間的關(guān)系 LxLXCKKCKK,c）氣相總吸收系數(shù)與液相總吸收系數(shù)的關(guān)系氣相總吸收系數(shù)與液相總吸收系數(shù)的關(guān)系yxLGmKKHKK,2022-5-93）各種分系數(shù)間的關(guān)系）各種分系數(shù)間的關(guān)系 GyPkk LxCkk 6、傳質(zhì)速率方程的分析、傳質(zhì)速率方程的分析 1）溶解度很大時的易溶氣體）溶解度很大時的易溶氣體 LGGHkkK111GGkK11GGkK即氣膜控制氣膜控制GLkHk112022-5-9氣膜控制例：水吸收氨或例：水吸收氨或HCl氣體氣體 液膜控制例：水吸收氧、例：水吸收氧、CO2 2022-5-92）溶