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文檔簡介

吸收過程的速率第一頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二吸收過程的三個步驟1.溶質(zhì)由氣相主體傳遞到相界面氣相一側(cè)(氣相內(nèi)物質(zhì)傳遞)2.溶質(zhì)跨越相界面——溶解而進入液相(界面上發(fā)生的溶解過程)3.溶質(zhì)由界面液相一側(cè)轉(zhuǎn)移到液相主體(液相內(nèi)物質(zhì)傳遞)由傳質(zhì)角度來考慮,分為兩種情況:1、物質(zhì)在一相內(nèi)部的傳遞——單相中的物質(zhì)傳遞2、界面上的溶解——一般假定溶解阻力很小,則界面上氣液兩相滿足相平衡關(guān)系第二頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二

單相內(nèi)傳質(zhì)的基本方式1.分子擴散—分子的微觀運動,一般體現(xiàn)在靜止流體、以及流體作層流時與流體流動相垂直的方向上。2.渦流擴散—憑借流體質(zhì)點的湍動和漩渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象,是流體的宏觀流動導(dǎo)致質(zhì)點位移。第三頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二一、雙組分混合物中的分子擴散

(分子擴散實質(zhì)是分子的微觀隨機運動)

1.費克定律只要流體內(nèi)部有濃度梯度,就會產(chǎn)生分子擴散,在恒溫恒壓下,一維定態(tài)分子擴散速率可用費克定律表達如下:——擴散速率,kmol/m2·s

——A在雙組分混合物中擴散系數(shù),m2/s——組分A在擴散方向Z上的濃度梯度,kmol/m4負號表示擴散方向與濃度梯度方向相反

第四頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二對于理想氣體

R——摩爾氣體常數(shù),8.314kJ/kmol·K

第五頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二對雙組分混合物,在總濃度(對氣相也可說總壓)各處相等及=常數(shù)的前提下,也有

(前提為常數(shù),對氣壓為總壓不變)A、B兩組分的分子擴散速率大小相等,方向相反,否則就不能保證總濃度(或總壓)不變。雙組分混合物中的分子擴散

第六頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二比較:表明三個傳遞的相似性費克定律牛頓粘性定律傅立葉定律

對于雙組分混合物,在產(chǎn)生A的擴散流JA的同時,必伴有大小相同、方向相反的B的擴散流,按費克定律:

第七頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二表示物質(zhì)在介質(zhì)中擴散能力,是物質(zhì)的一種傳遞性質(zhì)。其值受溫度、壓強、組分濃度的影響。一般通過實驗測定,查已有的手冊,借助某些經(jīng)驗的或半經(jīng)驗的公式進行估算(查不到D又缺乏進行實驗測定的條件時)。

氣相擴散系數(shù)D=0.1~1.0cm2/s液相擴散系數(shù)D=1×10-5~5×10-5cm2/s,與液體的黏度成反比分子擴散系數(shù)D第八頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二2.分子擴散和主體流動(整體移動)

靜止或?qū)恿鳉鈱樱ぃ┮合嘀黧w氣相主體第九頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二

在定態(tài)傳質(zhì)過程中,氣液界面氣相一側(cè)有一厚度為δ的靜止(或?qū)恿鳎﹥?nèi)層。

氣層內(nèi)各處總壓相等

存在擴散JA,由于界面上無積累,A必以相同速率JA溶解并傳遞到液相中去。同理

的存在,必有一反向的JB由界面向氣相主體擴散。

下面對界面上B的供應(yīng)進行討論。

第十頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二(1)等分子反方向擴散

設(shè)液相能以同一速率JB供應(yīng)組分B,使界面上CBi保持定值。例如:蒸餾過程,在A和B氣化潛熱相等時,此時在任一斷面上,存在著二股擴散流:

且第十一頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二(2)組分A通過靜止組分B的擴散(單向擴散)

例如:在吸收過程中,B為惰性氣體,液相中不存在B,不可能向界面提供B。但由于A的溶解和組分B的反向擴散,使界面處的總壓稍有下降,這一壓差導(dǎo)致混合氣體由氣相主體向界面流動。此一流動稱為主體流動(或整體移動)NM。

主體流動時,攜帶著A、B兩組分流向界面。在定態(tài)條件下,主體流動所帶B的量(NBM)必定恰好等于JB,以保持界面上CBi的定態(tài)。

同時由于各處壓強相等,

依然存在。

只要不滿足等分子反向擴散的條件,都必然出現(xiàn)主體流動。第十二頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二3.分子擴散速率方程

在任一斷面上,存在著三個物流:JA,、JB和NM

其凈物流:(表明凈物流的量=主體流動的量)在斷面處,對A作物料運算:

表明在擴散方向上,A的傳遞速率NA為分子擴散流JA與主體流動中A量之和。

界面氣相主體液相NAMNBMJAJB

分子擴散和主體流動PQ擴散方向zNM

第十三頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二

NM=N=NA+NB組分A的分子擴散速率方程對雙組分體系,凈物流速率N既包括組分A也包括組分B,即第十四頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二4.分子擴散速率的積分式(1)等分子反向擴散

沒有凈物流N=0

對定態(tài)擴散,NA=常數(shù)對理想氣體表明在擴散方向上,組分濃度與擴散距離的關(guān)系為一直線。

第十五頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二(2)單向擴散

B的凈物流第十六頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二在定態(tài)擴散時,

其中:

同理,在氣相擴散中:

比較以上這兩種擴散方式,由于主體流動的存在,使單向擴散比等分子反向擴散速率增大或倍,此倍數(shù)恒大于1,稱漂流因子。當(dāng)混合物中溶質(zhì)濃度很低時,≈,漂流因子接近1。第十七頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二二、單相內(nèi)的對流傳質(zhì)

1.渦流擴散——借助于流體在流動中產(chǎn)生的漩渦所引起的物質(zhì)之間的劇烈混合。*與對流傳熱類似,對流傳質(zhì)指流體與界面之間的傳質(zhì),同時包括分子擴散和渦流擴散的存在。

2.對流傳質(zhì)——

指發(fā)生在運動著的流體與相界面之間的傳質(zhì)過程。第十八頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二液氣界面界面pAiZG’ZG0pAGGG’傳質(zhì)的有效層流膜在左圖上取一截面分析,分析氣相濃度的變化,在相界面處有一層流內(nèi)層,其厚度為

ZG:氣相有效膜層厚度ZG’:滯留內(nèi)層厚度3.對流傳質(zhì)邊界(有效膜)模型以濕壁塔為例氣液兩相逆流接觸第十九頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二層內(nèi)——分子擴散為主,傳質(zhì)速率小,濃度差大

層外——渦流擴散為主,由過渡區(qū)轉(zhuǎn)變到湍流區(qū),濃度差小,在主體流動區(qū)無濃度梯度。仿照傳熱邊界層理論,將層外渦流擴散折合成通過一定厚度的層流內(nèi)層的分子擴散。組合成傳質(zhì)邊界層ZG(稱為有效膜),集中全部傳質(zhì)阻力。

氣相

同理,液相

第二十頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二4.對流傳質(zhì)速率方程

由于ZG,ZL難以測定,仿照對流傳熱,寫出類牛頓冷卻定律形式:

氣相

液相

kG氣相傳質(zhì)分系數(shù),kmol/m2·s·kPakL液相傳質(zhì)分系數(shù),kmol/m2·s·(kmol/m3)氣相推動力p-pi,kPa液相推動力Ci-C,kmol/m3第二十一頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二氣膜阻力

液膜阻力

5.傳質(zhì)分系數(shù)的無量綱關(guān)聯(lián)式

使用量綱分析法,可得k=f(ρ,μ,u,d,D)

Sherwood準數(shù):

對流傳熱Reynolds準數(shù):

Schmidt準數(shù):

對降膜式吸收器:在Re>2100,Sc=0.6~3000Sh=0.023Re0.83Sc0.33

第二十二頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二三、兩相間傳質(zhì)的雙膜理論

擴散方向雙膜理論示意圖相界面氣膜液膜氣相主體液相主體ZGZLpAcApiciGL第二十三頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二基本論點

1.當(dāng)氣液兩相接觸時,兩相之間有一穩(wěn)定的相界面。在界面兩側(cè)各有一很薄的有效層流(滯流)膜層,吸收質(zhì)以分子擴散方式通過此兩膜層。2.在相界面上,氣液兩相成平衡。3.在膜層外的主體中,由于充分湍動,溶質(zhì)的濃度基本上是均勻的。即兩相主體中濃度梯度為零?!獡Q句話說,濃度梯度全部集中在兩膜層內(nèi)——膜層內(nèi)包括了吸收的全部阻力,膜外不存在傳質(zhì)阻力。雙膜理論適用于具有固定傳質(zhì)面的吸收設(shè)備,例如低氣速填料塔。

第二十四頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二四、總系數(shù)及傳質(zhì)速率方程式

由于界面參數(shù)(pi,Ci)難以確定,以及kG,kL測定困難,故建立以總推動力為基準的總傳質(zhì)速率方程式。

1.總傳質(zhì)速率方程式

總推動力:以氣相表示

kPa

以液相表示

kmol/m3

第二十五頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二總傳質(zhì)系數(shù):氣相KGkmol/m2·s·kPa液相KLkmoj/m2·s·(kmoL/m3)總阻力:以氣相表示1/KG以液相表示1/KL

氣膜傳質(zhì)速率方程式

液膜傳質(zhì)速率方程式

第二十六頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二2.總系數(shù)與分系數(shù)的關(guān)系

應(yīng)用加和性法則

第二十七頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二總阻力=氣膜阻力+液膜阻力

同樣,用液相來表示

3.氣液兩相界面濃度

由傳質(zhì)分速率方程得:

第二十八頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二O0pApAipA*CACAiCA*-kL/kG平衡線主體濃度與界面濃度圖由上圖可見,由O點引斜率為的直線,交平衡線之點即為界面狀態(tài)

第二十九頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二對

當(dāng)

時,

表示傳質(zhì)阻力集中在氣膜中,稱氣膜控制。在氣膜控制時,要提高吸收速率,應(yīng)考慮減少氣膜厚度ZG,增強氣流湍流程度。

4.溶解度影響——氣膜控制和液膜控制

(1)易溶系統(tǒng)——溶質(zhì)溶解度大,H小,平衡線斜率小

第三十頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二氣膜阻力控制液膜阻力控制pAOpApipA*OcAcicA*IpipA*cAcicA*I第三十一頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二(2)難溶系統(tǒng)——溶質(zhì)溶解度小,H大,平衡線斜率大

當(dāng)

時,

表示傳質(zhì)阻力集中在液膜中,稱液膜控制。在液膜控制時,要提高吸收速率,應(yīng)考慮減少液膜厚度ZL,增強液體湍流程度。

第三十二頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二5.用摩爾比(比摩爾分數(shù))表示的傳質(zhì)速率方程

界面氣相主體液相主體氣膜液膜傳質(zhì)方向pA(c*)y(x*)Y(X*)piyiYicixiXic(pA*)x(y*)X(Y*)傳質(zhì)推動力第三十三頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二總系數(shù)為KX、KYkmol/m2·s分系數(shù)為kx、kYkmol/m2·s

傳質(zhì)系數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

對于氣相,當(dāng)氣相濃度小時,

對于液相,當(dāng)液相濃度小時,

第三十四頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二例題已知某低組成氣體溶質(zhì)被吸收時,平衡關(guān)系服從亨利定律,氣膜吸收系數(shù)kG=2.74×10-7kmol/(m2·s·kPa),液膜吸收系數(shù)kL=6.94×10-5m/s,H=2/3

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