傳質機理與吸收速率

傳質(擴散)的基本方式擴散的基本方式分子傳質（擴散）渦流擴散2.2.1分子擴散與費克定律2.2傳質機理與吸收過程速率如圖：左、右兩室分別充入同P、同T但性質不同的A、B兩種氣體。A、B分子在濃度差的作用下，向低濃區(qū)作分子擴散。由于容器中P始終恒定，可知:右移的A分子數=左移的B分子數。1.分子擴散

A

BAB

A

BAB2

溶質滲透模型1935年希格比(Higbie)提出。其要點為：溶質開始從界面進入液膜直到建立穩(wěn)定的濃度梯度需要一段過渡時間，在此期間，溶質從相界面向液膜深度方向逐步滲透，其滲透過程為一段不穩(wěn)定的傳質過程，常采用不穩(wěn)定傳質方程來描述。

擴散過程進行的快慢可用“擴散通量J：單位擴散面積上，單位時間內擴散傳遞的物質量，kmol/(m2.s)”表示。A在B中的擴散式：在等分子反方向擴散時，有：JA=-JB

而：2.菲克（Fick）定律在上述容器中

于是，上式可以寫成：上式表明：在有A、B兩組分組成的氣體中，無論A在B中擴散或反之，擴散系數相等。DAB

=

DBA

=

D2.2.2、氣相中的穩(wěn)定分子擴散1、等分子反方向擴散PA1PB1PPA2PB2PAB等分子反方向擴散示意圖假定：PA1>PA2

PB1<PB2

PA1+PB1=PA2+PB2=P表征任何情況下傳質快慢的“傳遞速率N：單位時間、單位傳質面積上通過的物質量”，在只有等分子反方向擴散的傳質過程中=擴散通量J。對A積分：邊界條件：由上式可知即：分壓p在聯通管長度范圍內的分布呈直線。例A—NH3(g)，B—N2(g)的混合氣，以不同濃度分裝在左、右兩大容器中，z=0.61m,d=24.4mm,T=25℃,P=101.3kPa;pA1=20kPa,pA2=6.67kPa。擴散條件下，NH3-N2的D=2.30×10-5m2/s。求：1、單位時間自容器1向容器2傳遞的NH3(g)量NA.A,[kmol/s];2、z=0.305m處的pA,[kPa]解：1.NA.A：2、一組分通過另一停滯組分的擴散應用背景：吸收操作液相相界面氣相NA(溶質)NB＝0a：A、B分子在1，2截面間分壓差的作用下，進行著等分子反方向擴散，在聯通管的任意截面處都有：JA=-JBb：作為A分子，擴散到膜位置時順利通過，無滯留。B分子最初能以“與A相同的擴散通量”向左擴散，但由于膜的存在，膜右側的B無法穿過膜彌補膜左側出現的空缺。c：B仍在管內△PB的作用下繼續(xù)向左擴散，這樣更加加劇膜左側“附近”總壓P2的降低,導致產生△P=P1-P2。d：在△P的作用下，A+B一起向右移動—“總體流動”(相應的總體“傳遞通量”用N表示)。在總體流動的作用下，P2有所回升。同時，隨總體流動而來的A穿過膜,B繼續(xù)被膜攔截下來，使pB2左回升。于是，B有在與最初的a相同的△PB下作分子擴散。當擴散穩(wěn)定時，即存在等分子反方向擴散，又存在總體流動。在總體流動中，A占(cA/C)N,B占(cB/C)N；C=cA+cB。A物質的：傳遞速率NA=擴散通量JA+總體傳遞通量份額(cA/C)N∵膜的作用,B分子的“凈”通量NB=0?！嘤校篔B=－(cB/C)N又∵JA=－JB∴JA=(cB/C)N代入前式：NA=(cB/C)N+(cA/C)N=N這證實了：穩(wěn)定情況下，總體流動通量N=A的傳遞通量（傳遞速率）NA。用體積摩爾濃度表示用分壓表示分離變量，并積分：為了與單純的分子擴散的傳質速率有一個可比性，根據pA1+pB1=pA2+pB2=P，有：pA1-pA2=pB2-pB1

P/pBm—漂流因數，反映總體流動對傳質速率的影響?！呖傆蠵>pBm∴P/pBm≥1?？梢姡锌傮w流動時NA↑。比較:例

A—NH3(g)，B—N2(g)的混合氣，以不同濃度分裝在左、右兩大容器中，z=0.61m,d=24.4mm,T=25℃,P=101.3kPa;pA1=20kPa,pA2=6.67kPa。擴散條件下，NH3-N2的D=2.30×10-5m2/s。（同上例）求：1、求NH3通過停滯的N2擴散時，單位時間自容器1向容器2傳遞的NH3(g)量NA.A,[kmol/s];2、z=0.305m處的pA,[kPa]。

解：1.NA.A：pB1=101.3-20=81.3kPapB2=P-pA2=101.3-6.67=94.6kPaP/pBm=101.3/87.8=1.154在無上例的基礎時，直接用下式計算更方便2.2.3、液相中的穩(wěn)態(tài)分子擴散（1）液相中等分子反方向的擴散（2）液相中一組分通過另一停滯組分的擴散2.2.4擴散系數分子擴散系數簡稱擴散系數，它是物質的特性常數之一。擴散系數是計算分子擴散通量的關鍵。同一物質的擴散系數隨介質的種類、溫度、壓力及組成的不同而變化。對于氣體中的擴散，組成的影響可以忽略；對于液體中的擴散，組成的影響不能忽略，而壓力的影響可以忽略。

物質的擴散系數可由實驗測得，或從有關的資料中查得，有時也可由經驗的或半經驗的公式計算，詳細內容參考有關書籍。2.2.5對流傳質1.渦流擴散憑籍流體質點的湍動和旋渦來傳遞物質的現象，稱為渦流擴散。對于渦流擴散，其擴散通量表達式為在湍流流體中，分子擴散和渦流擴散同時存在，但渦流擴散的通量遠大于分子擴散的通量，一般可忽略分子擴散的影響。分子擴散系數D

是物質的物理性質，它僅與溫度、壓力及組成等因素有關；而渦流擴散系數DE

則與流體的性質無關，它與湍動的強度、流道中的位置、壁面粗糙度等因素有關。因此，渦流擴散系數較難確定。2.對流傳質運動流體與固體表面之間，或兩個有限互溶的運動流體之間的質量傳遞過程統(tǒng)稱為對流傳質。對流傳質的速率不僅與質量傳遞的特性因素（如擴散系數）有關，而且與動量傳遞的動力學因素（如流速）等密切相關。描述對流傳質的基本方程，與描述對流傳熱的基本方程相對應，可采用下式表述對流傳質系數2.2.6

吸收過程機理先對對流傳質過程作一定的假定，然后，根據假定建立描述對流傳質過程的數學模型，最后求解對流傳質模型，即可得出對流傳質系數的計算式。1923年惠特曼(Whiteman)提出，最早的傳質模型。要點：1、氣液兩相接觸時，兩相間存在穩(wěn)定的相界面，界面兩側各有一個很薄的停滯膜，溶質A以分子擴散的方式通過此膜層。1、雙膜模型2、在氣液相界面處，氣液兩相處于平衡狀態(tài);在兩個停滯膜以外的氣液兩相主體中，由于流體的強烈湍動，各處濃度均勻一致。3、雙膜理論將復雜的相際傳質過程歸結為兩種流體停滯膜層的分子擴散過程，依此模型，在相界面處及兩相主體中均無傳質阻力存在。故，整個相際傳質過程的阻力便全部集中在兩個停滯膜層內。因此，雙膜模型又稱雙阻力模型。1951年丹克沃茨(Danckwerts)提出.其要點為：在氣液兩相