化工原理第六章第三節(jié)講稿

化工原理第六章第三節(jié)講稿2023/4/27第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一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，即界面上發(fā)生的溶解過程；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。單相內(nèi)物質(zhì)傳遞的機理分子擴散

對流傳質(zhì)2023/4/27第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一一、分子擴散與菲克定律

1、分子擴散：

一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由于分子的無規(guī)則熱運動而造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。AB2．菲克定律

1）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：kmol/(m2.s)。2023/4/27第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2）菲克定律

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。

3）分子擴散系數(shù)間的關(guān)系對于雙組分物系：2023/4/27第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)菲克定律：

由A、B兩種氣體所構(gòu)成的混合物中，A與B的擴散系數(shù)相等。

2023/4/27第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散

1．等摩爾反向擴散1）等摩爾反向擴散

例如精餾過程

2023/4/27第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2）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A物質(zhì)量，稱為A的傳遞速率，以NA表示。

分離變量并進行積分，積分限為：

2023/4/27第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一傳質(zhì)速率為：2、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

2023/4/27第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一例如吸收2）傳遞速率設(shè)總體流動通量為N，其中物質(zhì)A的通量為：2023/4/27第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一總體流動中物質(zhì)B向右傳遞的通量為

而即2023/4/27第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一將

和代入

若擴散在氣相中進行，則：

2023/4/27第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一即分離變量后積分2023/4/27第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一——漂流因數(shù)，無因次。反映總體流動對傳質(zhì)速率的影響。

因P＞pBm，所以漂流因數(shù)

2023/4/27第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一三、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)一般需要通過實驗測定。1、物質(zhì)在氣體中的擴散系數(shù)氣體A在氣體B中（或B在A中）的擴散系數(shù)，可按馬克斯韋爾—吉利蘭（Maxwell-Gilliland）公式進行估算

2023/4/27第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2、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)

2023/4/27第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一四、對流傳質(zhì)

1、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。擴散通量：2、對流傳質(zhì)流動流體與兩相界面之間的傳質(zhì)1）固定界面氣固兩相或液固兩相間的界面

2023/4/27第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

2）流動界面氣液兩相和液液兩相間的界面2023/4/27第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一對于等摩爾反方向擴散

對于單向擴散

2023/4/27第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一五、吸收機理——雙膜理論

1、雙膜理論相互接觸的氣液兩相間有一個穩(wěn)定的界面，界面上沒有傳質(zhì)阻力，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)叫氣膜，液相一側(cè)叫液膜，這兩層膜均很薄，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)。

膜外的氣液相主體中，流體流動的非常劇烈，溶質(zhì)的濃度很均勻，傳質(zhì)的阻力可以忽略不計，傳質(zhì)阻力集中在兩層膜內(nèi)。2023/4/27第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一六、吸收速率方程式

吸收速率：

單位面積，單位時間內(nèi)吸收的溶質(zhì)A的摩爾數(shù)，用NA表示，單位通常用kmol/m2.s。吸收傳質(zhì)速率方程：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=傳質(zhì)系數(shù)×推動力

1、氣膜吸收速率方程式

2023/4/27第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一令——氣膜吸收速率方程式——氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s.kPa)。

也可寫成：

2023/4/27第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一當氣相的組成以摩爾分率表示時

—以

表示的氣膜吸收系數(shù)，knoll/(m2.s)。

當氣相組成以摩爾比濃度表示時

—以

表示推動力的氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

2023/4/27第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2、液膜吸收速率方程式

令

或

——液膜吸收速率方程—以

為推動力的液膜吸收系數(shù)，m/s；

2023/4/27第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一當液相的組成以摩爾分率表示時

—以

為推動力的液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

當液相組成以摩爾比濃度表示時

—以

為推動力的液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

2023/4/27第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一3、界面濃度當已知兩相組成的平衡關(guān)系，如

和上式聯(lián)立便可

求出

2023/4/27第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一pcAIcipi2023/4/27第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一4、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a）以△p為推動力的吸收速率方程

—以

為推動力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s.Pa)—與液相主體濃度c成平衡的氣相分壓，Pa。

2023/4/27第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

b）以△y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△y為推動力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。

a）以△c為推動力的吸收速率方程

—以△c為推動力的液相總吸收系數(shù)，m/s

2023/4/27第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一b）以△x為推動力的吸收速率方程

—以△x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適用條件：溶質(zhì)濃度很低時

a）以

表示總推動力的總吸收速率方程式據(jù)分壓定律2023/4/27第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一代入

令

—以

為推動力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)

2023/4/27第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一b）以

表示總推動力的吸收速率方程式

—以

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1）總系數(shù)與分系數(shù)的關(guān)系

2023/4/27第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一由亨利定律：

2023/4/27第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一分別為總阻力、氣膜阻力和液膜阻力

即總阻力=氣膜阻力+液膜阻力

同理

2023/4/27第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一在溶質(zhì)濃度很低時

2）總系數(shù)間的關(guān)系

a）氣相總吸收系數(shù)間的關(guān)系

2023/4/27第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一當溶質(zhì)在氣相中的濃度很低時

b）液相總傳質(zhì)系數(shù)間的關(guān)系

c）氣相總吸收系數(shù)與液相總吸收系數(shù)的關(guān)系2023/4/27第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一3）各種分系數(shù)間的關(guān)系

6、傳質(zhì)速率方程的分析

1）溶解度很大時的易溶氣體

——氣膜控制2023/4/27第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一氣膜控制例：水吸收氨或HCl氣體

液膜控制例：水吸收氧、CO2

2023/4/27第38頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2）溶解度很小時的難溶氣體當H很小時，

——液膜控制

3）對于溶解度適中的氣體吸收過程

氣膜阻力和液膜阻力均不可忽略，要提高過程速率，必須兼顧氣液兩端阻力的降低。2023/4/27第39頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一小結(jié)：吸收速率方程

與膜系數(shù)相對應(yīng)的吸收速率式與總系數(shù)對應(yīng)的速率式

用一相主體與界面的濃度差表示推動力用一相主體的濃度與其平衡濃度之差表示推動力2023/4/27第40頁，共43頁，2023年，2月20日，星