化工原理課件：5-2 吸收過程的傳質速率

1、5.2 吸收過程的傳質速率 用液體吸收劑吸收氣體中某一組分，是該組分從氣相轉移到液相的傳質過程。它包括三個步驟： 該組分從氣相主體傳遞到氣液兩相界面的 氣相一側； 在相界面上溶解，從相界面的氣體一側進 入液相一側； 從液相一側界面向液相主體傳遞。 在氣液兩相界面與氣相或液相之間的傳質稱為對流傳質。物質在一相中的傳遞是靠擴散作用完成的。對流傳質中同時存在分子擴散與湍流擴散。5.2 吸收過程的傳質速率主要內容：分子擴散與費克定律等摩爾逆向擴散組分A經(jīng)過靜止組分B的擴散分子擴散系數(shù)單相內的對流傳質兩相間傳質的雙膜理論總傳質速率方程傳質速率方程式的各種表示形式5.2.1 分子擴散與費克定律 當流體內部

2、某一組分存在濃度差時，則因微觀的分子熱運動使組分從濃度高處擴散到濃度低處的現(xiàn)象稱為分子擴散。其中 稱為分子擴散系數(shù)，m2/s。擴散速率單位時間通過單位面積擴散的物質量。 以 表示，單位kmol/(m2s)。費克定律描述分子擴散速率的基本定律。可與傅立葉定律對比理解！5.2.1 分子擴散與費克定律其他表達式：5.2.2 等摩爾逆向擴散如圖穩(wěn)定狀態(tài)下的分子擴散：積分上式得： 等摩爾逆向擴散形式可見于蒸餾操作中，而在吸收操作中，在分子擴散的同時經(jīng)常伴有流體的整體移動。 5.2.2 等摩爾逆向擴散5.2.3 組分A經(jīng)過靜止組分B的擴散 吸收過程是組分A通過“靜止”組分B的單方向擴散。 在氣液界面附近的

3、氣相中，組分A向液相溶解，組分B不能進入液相。A分子不斷通過相界面進入液相，在相界面的氣相一側會留下“空穴”，混合氣體便會自動地向界面遞補，這樣就發(fā)生了A、B兩種分子并行向相界面遞補的運動，這種遞補運動形成混合物的整體移動。 組分A從氣相主體至界面的傳遞速率為分子擴散與整體移動兩者速率之和。 表觀上沒有組分B的傳遞。即：5.2.3 組分A經(jīng)過靜止組分B的擴散積分上式：對穩(wěn)態(tài)吸收過程得：上式可改寫為：或稱為漂流因子或移動因子5.2.3 組分A經(jīng)過靜止組分B的擴散單向擴散的另一傳質速率方程式： 該式也適于液相。漂流因子反映了整體移動對傳質速率的影響，其值大于1。5.2.3 組分A經(jīng)過靜止組分B的擴

4、散5.2.4 分子擴散系數(shù) 分子擴散系數(shù)是物質的物性常數(shù)之一，表征物質在介質中的擴散能力。同一物質的擴散系數(shù)隨介質的種類、溫度、壓力及濃度的不同而變化。擴散系數(shù)一般由實驗確定，無實驗數(shù)據(jù)時也可借助某些經(jīng)驗或半經(jīng)驗的公式進行估算。5.2.5 單相內的對流傳質 對流傳質通常指流體與某一界面之間的傳質。其中同時存在分子擴散和湍流（渦流）擴散。 當流體流動或攪拌時，由于流體質點的宏觀隨機運動（湍流），使組分由濃度高處向濃度低處移動的現(xiàn)象稱為湍流擴散，又稱渦流擴散。 (1)單相內對流傳質的有效膜模型 “膜模型”5.2.5 單相內的對流傳質有效層流膜或虛擬膜(2) 氣相傳質速率方程式 令 略去下標，則有下

5、列氣相傳質速率方程式： 稱為氣膜傳質系數(shù)或氣相傳質系數(shù)，kmol/(m2skPa) 5.2.5 單相內的對流傳質可聯(lián)系對流傳熱來理解！ (3) 液相傳質速率方程式 令 略去下標，則有下列液相傳質速率方程式： 稱為液膜傳質系數(shù)或液相傳質系數(shù)，kmol/(m2skmol/m3) 5.2.5 單相內的對流傳質5.2.6 兩相間傳質的雙膜理論 (1) 雙膜理論 當氣液兩相接觸時，兩相之間有一個相界面，界面兩側分別存在著呈層流流動的穩(wěn)定膜層，即有效層流膜層，流體以分子擴散的方式連續(xù)通過這兩個膜層。在膜層外的氣液兩相主體中呈湍流狀態(tài)。膜層厚度主要隨流體流速而變，流速越大厚度越小。 在相界面上氣液兩相互成平

6、衡，界面上沒有傳質阻力。 在膜層外的主體內，湍動充分，溶質濃度基本均勻，即濃度梯度全部集中在兩個膜層內。 基本論點（基本假設內容)： 5.2.6 兩相間傳質的雙膜理論 (1) 雙膜理論 氣相傳質速率方程式 氣膜傳質系數(shù)單位 5.2.6 兩相間傳質的雙膜理論(2) 氣相與液相的傳質速率方程式 液相傳質速率方程式 液膜傳質系數(shù)單位 5.2.6 兩相間傳質的雙膜理論(2) 氣相與液相的傳質速率方程式 或已知應用平衡關系即可求得5.2.6 兩相間傳質的雙膜理論 (3) 氣液兩相界面溶質的組成 圖解確定界面組成：5.2.7 總傳質速率方程(1) 總傳質速率方程 以 為推動力的總傳質速率方程 又 以 為推

7、動力的總傳質速率方程 令 相間傳質總阻力=氣膜阻力+液膜阻力氣相總傳質系數(shù)5.2.7 總傳質速率方程(1) 總傳質速率方程 以 為推動力的總傳質速率方程 液相總傳質系數(shù)關系：5.2.7 總傳質速率方程(1) 總傳質速率方程 傳質推動力與阻力(1) 總傳質速率方程 5.2.7 總傳質速率方程 當溶質的溶解度很大，即其相平衡常數(shù)很小時，液膜傳質阻力比氣膜傳質阻力小很多，則有： 此時，傳質阻力集中在氣膜中，稱為氣膜阻力控制或氣膜控制。 易溶氣體氣相阻力大。 要提高總傳質系數(shù)，應增大氣相湍動程度。5.2.7 總傳質速率方程(2) 氣膜控制與液膜控制 用水吸收NH3、HCl等屬于氣膜阻力控制的傳質過程。

8、 當溶質的溶解度很小，即其相平衡常數(shù)很大時，氣膜傳質阻力比液膜傳質阻力小很多，則有： 此時，傳質阻力集中在液膜中，稱為液膜阻力控制或液膜控制。 難溶氣體液相阻力大。 要提高總傳質系數(shù)，應增大液相湍動程度。5.2.7 總傳質速率方程(2) 氣膜控制與液膜控制 用水吸收CO2, O2屬于液膜阻力控制的傳質過程。 對于中等溶解度的溶質，在傳質總阻力中氣膜阻力與液膜阻力均不可忽視，要提高總傳質系數(shù)，須同時增大氣相和液相的湍動程度。 用氣液相平衡常數(shù)來區(qū)分氣體在水中溶解的難易程度。當m100時，可認為是難溶氣體；1m100，認為是中等溶解度的氣體。5.2.7 總傳質速率方程(2) 氣膜控制與液膜控制 用

9、水吸收SO2屬于雙膜阻力聯(lián)合控制的傳質過程。 5.2.8 傳質速率方程式的各種表示形式傳質系數(shù)之間的關系： 濃度低時，濃度低時，穩(wěn)態(tài)吸收過程的幾種傳質速率方程式： 5.2.8 傳質速率方程式的各種表示形式傳質總阻力和雙膜傳質阻力的關系（氣液相平衡關系符合亨利定律）液膜控制氣膜控制5.2.8 傳質速率方程式的各種表示形式液膜控制氣膜控制傳質總阻力和雙膜傳質阻力的關系（氣液相平衡關系符合亨利定律）5.2.8 傳質速率方程式的各種表示形式液膜控制氣膜控制傳質總阻力和雙膜傳質阻力的關系（氣液相平衡關系符合亨利定律）5.2.8 傳質速率方程式的各種表示形式使用傳質速率方程式應注意以下幾點： （1）各種傳

10、質速率方程式是等效的。采用任何傳質速率方程式均可計算吸收過程的速率。 （2）任何傳質系數(shù)的單位都是kmol/(m2s單位推動力)。當推動力以無因次的摩爾分率或摩爾比表示時，傳質系數(shù)的單位簡化為kmol/(m2s)，即與傳質速率的單位相同。 5.2.8 傳質速率方程式的各種表示形式 （4）上述各傳質速率方程式，都是以氣液組成保持不變?yōu)榍疤岬?，因此只適合于描述穩(wěn)態(tài)操作的吸收塔內任一橫截面上的速率關系，而不能直接用來描述全塔的傳質速率。在塔內不同橫截面上的氣液組成各不相同，其吸收速率也不相同。 使用吸收速率方程式應注意以下幾點： （3）必須注意各傳質速率方程式中的傳質系數(shù)與傳質推動力的正確搭配及其單位的一致性。傳質系數(shù)的倒數(shù)即表示傳質過程的阻力，阻力的表達形式也必須與推動力的表達形式相對應。 5.2.8 傳質速率方程式的各種表示形式5.2 吸收過程的傳質速率例5-4 含氨極少的空氣于101.33kPa、20下被水吸收。已知氣膜傳質系數(shù) ，液膜傳質系數(shù) ，溶解度系數(shù) 。氣液相平衡關系服從亨利定律。求：氣相總傳質系數(shù) 、 ；液相總傳質系數(shù) 、 。 重點理解“氣膜控制”與“液膜控制”的含義；熟悉傳質總阻力與雙膜傳質阻力的關系及各傳質系數(shù)之間的關系。應用公式：5.2 吸收過程的傳質速率本節(jié)小結1、掌握分子擴散、渦流擴散的概念；2、了