氣體吸收課件

相際擴(kuò)散與傳質(zhì)原理

概

述

擴(kuò)散是一種在物理驅(qū)動(dòng)下單組分通過混合物的運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散最通常的原因是擴(kuò)散組分濃度梯度的存在。

Diffusionisthemovement,undertheinfluenceofaphysicalstimulus,ofanindividualcomponentthroughamixture.Themostcommoncauseofdiffusionisaconcentrationgradientofthediffusingcomponent.

Aconcentrationgradienttendstomovethecomponentinsuchadirectionastoequalizeconcentrationsanddestroythegradient.濃度梯度驅(qū)使擴(kuò)散組分朝著使?jié)舛染鶆蚧姆较驍U(kuò)散，從而使?jié)舛忍荻融呌谙Аhenthegradientismaintainedbyconstantlysupplyingthediffusingcomponenttothehigh-concentrationendofthegradientandremovingitatthelowconcentrationend,thereisasteady-statefluxofthediffusingcomponent.Thisischaracteristicofmanymass-transferoperations.

當(dāng)不斷地向高濃度一端提供擴(kuò)散組分，從低濃度一端除去擴(kuò)散組分時(shí)，擴(kuò)散組分便具有穩(wěn)定的傳質(zhì)通量。這就是許多傳質(zhì)操作的特點(diǎn)。Forexample,whenammoniaisremovedfromagasbyabsorptioninwaterinapackedcolumn,ateachpointinthecolumnaconcentrationgradientinthegasphasecausesammoniatodiffusetothegas-liquidinterface,whereitdissolves,andagradientintheliquidphasecausesittodiffuseintothebulkliquid.

例如，當(dāng)在填料塔中用水吸收氣體中的NH3時(shí)，在塔內(nèi)的任意一點(diǎn)上，在氣相濃度梯度的驅(qū)使下，NH3由氣相主體擴(kuò)散至氣～液界面，在界面上溶解，然后，在液相濃度梯度驅(qū)使下，擴(kuò)散至液相主體。

Instrippingasolutefromaliquidthegradientsarereversed;herediffusionbringssolutefromthebulkliquidtotheinterfaceandfromthereintothegasphase.

當(dāng)從吸收液中解吸溶質(zhì)時(shí)，濃度梯度與吸收過程相反。在此，擴(kuò)散作用使溶質(zhì)從液相主體移至界面，再從界面移至氣相。

Insomeothermass-transferoperationssuchasleachingandadsorption,unsteady-statediffusiontakesplace,andthegradientsandfluxesdecreasewithtimeasequilibriumisapproached.

在其它一些諸如浸取和吸咐操作中發(fā)生的是不穩(wěn)定擴(kuò)散，隨著過程趨于平衡，擴(kuò)散組分的濃度梯度和通量隨時(shí)間而降低。

Althoughtheusualcauseofdiffusionisaconcentrationgradient,diffusioncanalsobecausedbyanactivitygradient,asinreverseosmosis,byapressuregradient,byatemperaturegradient,orbytheapplicationofanexternalforcefield,asinacentrifuge.

雖然擴(kuò)散的一般原因是濃度梯度，但能動(dòng)梯度也能引起擴(kuò)散如反滲透過程，壓力梯度、溫度梯度和外場力都可引起擴(kuò)散，如離心分離。Moleculardiffusioninducedbytemperatureisthermaldiffusion,andthatfromanexternalfieldisforceddiffusion.Bothareuncommoninchemicalengineering.Onlydiffusionunderaconcentrationgradientisconsideredinthischapter.由溫度引起的分子擴(kuò)散稱為熱擴(kuò)散，由外場力引起的擴(kuò)散稱為強(qiáng)制擴(kuò)散。這兩種擴(kuò)散方式在化學(xué)工程中并不常見。本章僅討論由濃度梯度引起的質(zhì)量擴(kuò)散。Diffusionisnotrestrictedtomoleculartransferthroughstagnantlayersofsolidorfluid.Italsotakesplacewhenfluidsofdifferentcompositionsaremixed.

擴(kuò)散并不局限于分子通過固體或液體停滯膜的傳遞。當(dāng)不同組成的流體相混合時(shí)也會(huì)發(fā)生擴(kuò)散。

Thefirststepinmixingisoftenmasstransfercausedbytheeddymotioncharacteristicofturbulentflow.Thisiscallededdydiffusion.Thesecondstepismoleculardiffusionbetweenandinsidetheverysmalleddies.

混合過程首先是因湍流的渦流特性引起的質(zhì)量傳遞。這一過程被稱為渦流擴(kuò)散。其次是在微小的漩渦間及其內(nèi)部的分子擴(kuò)散。

Sometimesthediffusionprocessisaccompaniedbybulkflowofthemixtureinadirectionparalleltothedirectionofdiffusion.

有時(shí)擴(kuò)散過程還伴隨著與擴(kuò)散方向相平行的混合物主體流動(dòng)。Inallthemass-transferoperations,diffusionoccursinatleastonephaseandofteninbothphases.Indistillation,thelowboilerdiffusesthroughtheliquidphasetotheinterfaceandawayfromtheinterfaceintothevapor.

在所有的質(zhì)量傳遞操作中，擴(kuò)散至少在一相中發(fā)生，更多則是在兩相中發(fā)生。蒸餾時(shí)，低沸物由液相擴(kuò)散至界面，離開界面進(jìn)入汽相。Roleofdiffusioninmasstransfer擴(kuò)散在質(zhì)量傳遞中的角色

Thehighboilerdiffusesinthereversedirectionandpassesthroughthevaporintotheliquid.Inleaching,diffusionofsolutethroughthesolidphaseisfollowedbydiffusionintotheliquid.

高沸物逆向擴(kuò)散從汽相進(jìn)入液相。浸取時(shí)，溶質(zhì)擴(kuò)散穿過固相，然后再擴(kuò)散進(jìn)入液相。

Inliquidextraction,thesolutediffusesthroughtheraffinatephasetotheinterfaceandthenintotheextractphase.Incrystallization,solutediffusesthroughthemotherliquortothecrystalsanddepositsonthesolidsurfaces.

液～液萃取時(shí)，溶質(zhì)從萃余相擴(kuò)散至液～液界面，然后進(jìn)入萃取相。結(jié)晶時(shí)，溶質(zhì)由母液擴(kuò)散到晶體，然后積淀于晶體表面。

Inhumidificationordehumidificationthereisnodiffusionthroughtheliquidphasebecausetheliquidphaseispureandnoconcentrationgradientthroughitcanexist;butthevapordiffusestoorfromtheliquid-gasinterfaceintooroutofthegasphase.

增濕和減濕時(shí)，因液相是純液體，無濃度梯度存在。故液相無擴(kuò)散。但增濕時(shí)，蒸汽離開氣液界面，擴(kuò)散進(jìn)入氣相；而減濕時(shí)，則為蒸汽朝向氣液界面，擴(kuò)散離開氣相。

Inmembraneseparationsdiffusionoccursinalltherephases:inthefluidsoneithersideofthemembraneandinthemembraneitself.

膜分離時(shí)，所有相中即膜兩側(cè)的流體中和膜自身內(nèi)均會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象。Chap.8GasabsorptionThischapterdealswiththemass-transferoperationsknownasgasabsorptionandstripping

ordesorption.⒈氣體吸收:

利用氣體混合物各組份在吸收劑中的溶解度不同，而使氣體混合物得以分離的單元操作。Ingasabsorptionasolublegasisabsorbedfromitsmixturewithaninertgasbymeansofliquidinwhichthesolutegasismoreorlesssoluble.§8-1Introduction

氣體混合物：MixtureorRichGas～A+B

溶質(zhì)：Solute～A

惰性氣體：AnInertGas～B

吸收劑：Solvent～S

溶解度：Solubility

分離：Separation

可溶的：Soluble

單元操作：UnitOperation

吸收液：AbsorbingliquidorThestrongliquid

尾氣：DilutegasorLeangasKEYWORDS§8-1Introduction2規(guī)定3Examples（P546）⑴AmajorapplicationofabsorptiontechnologyistheremovalofCO2andH2Sfromnaturalgas

（天然氣）orsynthesisgas

（合成氣）byabsorptioninsolutionsofamines（有機(jī)胺）oralkalinesalts（堿式鹽）.⑵Anotherexampleisthewashingofammoniafromamixtureofammoniaandairbymeansofliquidwater.§8-1Introduction4Thesolute&theabsorbingliquidThesoluteissubsequentlyrecoveredfromtheliquidbydistillation,andtheabsorbingliquidcanbeeitherdiscardedorreused.5Adsorptionsometimesasoluteisremovedfromaliquidbybringingtheliquidintocontactwithaninertgas;suchanoperation,thereverseofgasabsorption,isdesorptionorgasstripping.§8-1Introduction

Acommonapparatususedingasabsorptionandcertainotheroperationsisthepackedtower.Therichgasentersthedistributingspacebelowthepackingandflowsupwardthroughtheinterstices(空隙)inthepackingcountercurrenttotheflowoftheliquid.

填料：

Packing

填料塔：Packedtower6Theprocessofgasabsorption§8-1Introduction⑴

Thepackingprovidesalargeareaofcontactbetweentheliquidandgasandencouragesintimatecontactbetweenthephases.⑵Thesoluteintherichgasisabsorbedbythefreshliquidenteringthetower,anddilute,orlean,gasleavesthetop.⑶Theliquidis

enrichedinsoluteasitflowsdownthetower,andconcentratedliquid,calledthestrongliquid,leavesthebottomofthetowerthroughtheliquidoutlet.§8-1Introduction7Majorapplicationsforgasabsorptionincommercialindustry⑴Purificationofthematerialgases

原料氣凈化

CO2

andH2Sareremovedfromnaturalgasorsynthesisgasbyabsorptioninsolutionsofaminessalts.

在合成NH3工藝中，來自變換工段的變換氣約含28％CO2。因C02可使catalyst中毒。所以，變換氣進(jìn)合成塔前，必須經(jīng)過水洗和銅洗兩個(gè)工段，將CO2的含量減小到0.01％以下。

§8-1Introduction⑵Recoveringofusingmaterials⑶Preparationofsomesolution

Forexamples:NO2isabsorbedbyliquidwater.→HNO3

～化學(xué)吸收HClisabsorbedbyliquidwater.→HCl～物理吸收⑷Purificationofwastegas8Classification

⑴Absorptionandabsorptionwithchemicalreaction

物理吸收與化學(xué)吸收⑵Isothermalabsorptionandno-isothermalabsorption

等溫吸收與非等溫吸收§8-1Introduction

Ingeneral，當(dāng)氣體溶解于液體時(shí)，常常伴隨有溶解熱。若有化學(xué)反應(yīng)存在，還會(huì)有反應(yīng)熱。這些因素最終導(dǎo)致溶液溫度逐漸升高。但若熱效應(yīng)較小，或氣相中A的濃度很低，或吸收劑用量很大時(shí)，溫度升高不顯著，便可以認(rèn)為是Isothermalabsorption。⑶Singleandmultiplecomponentabsorption

單組份吸收與多組份吸收Singlecomponent:混合氣中只有一個(gè)組份進(jìn)入液相。Multicomponent:混合氣中有兩或更多組份進(jìn)入液相。Thischapterdealswiththeisothermalsingleabsorption?！?-1Introduction9Thischapterwilldiscusssomequestions:⑴吸收過程進(jìn)行的限度和影響因素

～Phase-equilibrium～相平衡⑵吸收劑用量的計(jì)算（操作型問題）

～

Calculationofamountoftheliquid⑶吸收塔高度的計(jì)算（設(shè)計(jì)型問題）～Calculationoftowerheight⑷提高吸收塔生產(chǎn)能力的措施

～

Methodstoenhancetheabilityofabsorptiontower10吸收設(shè)備吸收設(shè)備有多種結(jié)構(gòu)。但以塔設(shè)備最為常用。★填料塔

packedtower

板式塔

platetower§8-1Introduction一.Thesolubilityofgasintheliquid

AtTandP,S+mixtureofgasesofA+B,intimatecontact

。隨著兩者的不斷接觸，soluteAfromgasphase→transfertoliquidphase,until液相中solute達(dá)到un-saturation。

ItisdynamicbalanceatthemomentwhichconcentrationsofAareconstantwithin

L&V,thatis,theamountofmoleculesofAenteringinLphase

=

theamountofmoleculesofAescapingfromLphase.2.1Solubilityatequilibrium

平衡溶解度

Equilibriumbetweenliquidandgas～⑴limitationofgasabsorption

從宏觀上看，吸收過程終止，即氣液兩相達(dá)到相平衡。顯然，此時(shí)A在液相中的濃度最大。此濃度稱為飽和濃度，或溶質(zhì)A的溶解度CA※.∴Definitionsolubility:

2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度1.Solubilitycurve

～溶解度曲線Assume:thatonlyonecomponentistransferredbetweenphases.AccordingtothephaseruleofF=c–p+2,p=2andtherearethreecomponents,c=3.

F=3–2+2=3Therearefourvariables:Pressure,Temperature,andtheconcentrationsofcomponentAinliquidandgas.Thetemperatureandpressuremaybefixed.Oneconcentrationmaybechosenastheremainingindependentvariable.Theotherconcentrationisthendetermined.

2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度溶解度曲線的3種表示方式，即3種氣～液平衡相圖(簡稱相圖)。ForexampleFig.8-4，

p=101.3kpa，t=40℃,allpointsof(ye,xe)onthecurvepertainto(關(guān)于）thesametemperatureandpressure.2Factorsaffectingonsolubility∵Accordingtothephaserule,F=3∴InthefourvariablesofT,P,pAandcA,therearethreeindependentvariablesonly.where:pA

～partialpressureofAingasphase.2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度⑴Affectionoftemperature

分析相圖Fig.8-3，F(xiàn)orexample:atpA=20kPa，

T=30℃,xA*=0.12；

T=60℃,xA*=0.045.

T↑→xA*↓

溫度愈低，愈有利于吸收。But，在實(shí)際吸收操作時(shí)，已選擇確定了某一合適的吸收溫度?！?.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度⑵Affectionofpressure實(shí)驗(yàn)證明:WhenPislessthan5atm,theaffectionmaybeneglectedbypressureontheequilibriafor

system.Commonlythepressureinthesystemofabsorptionoperation<5atm.ThenxA*=f(pA)orpA*=f(xA)如Fig.8-3，atT=30℃,pA=20kPa,xA*=0.12；

pA=40kPa,xA*=0.19.

即：pA愈高，愈有利于吸收。2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度⑶因氣液平衡理論研究尚不完善，氣液相平衡數(shù)據(jù)一般都是對(duì)特定物系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定的。測定的結(jié)果或用相圖表示，或用表格表示。

2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度在進(jìn)行具體計(jì)算時(shí)，需要相關(guān)的平衡數(shù)據(jù)。若手算，人工查圖或查表；若機(jī)算，則可將圖或表上的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)回歸，得到經(jīng)驗(yàn)回歸方程xA*=f(pA)orpA*=f(xA)提供于計(jì)算機(jī)使用。⑷Conclusions:

a.系統(tǒng)壓力不太高時(shí)的等溫吸收，可認(rèn)為氣體在液體中的溶解度只取決于該氣體的分壓；

b.吸收操作的適宜條件：低溫高壓。2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度3DifferencesofsolubilityofgasesinliquidO2:OxygenCO2:CarbonDioxideSO2:SulphurDioxideNH3:Ammonia

如圖,由實(shí)驗(yàn)測得T=293K下

SO2,CO2,NH3andO2

在水中的溶解度曲線。顯然，在一定溫度和分壓下，不同氣體得溶解度相差很大。2.1Solubilityatequilibrium2.1SolubilityatequilibriumForexample:atPi=20kpaCO2*=0.00028kmol/m3,CCO2*=0.0078kmol/m3,CSO2*=0.337kmol/m3,CNH3*=14.71kmol/m3.一、Thesolubilityofgasintheliquid

3DifferencesofsolubilityofgasesinliquidphaseCCO2*/CO2*=28倍，CNH3*/CSO2*＝43倍

∴根據(jù)氣體在水中溶解度的大小，可把氣體大致分為如下四類：

難溶氣體～O2難溶于水,非常難以吸收；較難溶氣體～CO2居中↑，較難吸收；

較易溶氣體～SO2居中↓,較易吸收；易溶氣體～NH3易溶于水，非常容易吸收。

2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度二、

Henry’slaw～亨利定律

1Henry’slaw～稀溶液(？)下的溶解度

Fordilutesolution,namely,在原點(diǎn)附近，

Straightlinethroughpointo

由Fig.8-3：pe

=Ex

(8-1)

Fig.9-3：pe=HCA(8-2)

Fig.8-4：ye=mx(8-3)上3式中E、H和m是溶解度曲線在O點(diǎn)附近的斜率，即以不同單位表示的亨利常數(shù)。

∵H的因次是pa/(kmol/m3)orpa/(kg/m3)，

∴H也稱為溶解度系數(shù)；

∵E的因次是pa∴也稱E為Henryefficient；

∵m無因次

∴又稱m為相平衡常數(shù)。2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度1Henry’slaw

～亨利定律

經(jīng)驗(yàn)回歸方程

pA*=f(xA):

O2:pA*=73300CO2

CO2:pA*=2580CCO2

SO2:pA*=36.5CSO2

NH3:pA*=1.38CNH3二、

Henry’slaw～亨利定律2RelationshipsamongE,Handm

∵Where：CM=totalmoleconcentration[kmol(A+S)/m3Solution]∴E=HCM,m=E/P3FeatureofE,Handm⑴T↑→E,Handm↑(Seep366Table2)⑵在同一溶劑中，E↑→愈難溶。

∴byE可定量判斷吸收過程的難易程度。2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度

4Henry’slawsuitsforsomeconditions

⑴適合常壓或接近常壓下的難溶氣體;

⑵對(duì)易溶氣體只適宜于低濃度;⑶氣相組份分壓→常壓。

5用比摩爾分率表示的亨利定律比摩爾分率：L～phase:X=CAL/Cs

V～phase:Y=CAG/CBObviously,x=X/（1+X）,y=Y/(1+Y)Substitutethemintoy=mx:

溶液很稀時(shí),Xveryverysmall,1+(1-m)X→1∴Ye=mX

～在吸收計(jì)算中使用最為廣泛。2.1Solubilityatequilibrium～平衡溶解度一、判別過程的方向

例:atP=101.3kpa,T=20℃,ye＝0.94x.x=0.05Dilutesolutionammonia

與y=0.1

mixtureofNH3+airIntimatecontact。

此時(shí),absorptionorde-absorption?Howtodetermine?Accordingtophasediagram.

或根據(jù)氣相傳質(zhì)推動(dòng)力：y

＞

ye

或根據(jù)液相傳質(zhì)推動(dòng)力：x＜xe,ye＝0.94×0.05=0.047<y=0.1

Absorption§2.2相平衡與吸收過程的關(guān)系吸收or解吸?一、判別過程的方向x=0.1Dilutesolutionammonia

與y=0.05

mixtureofNH3+airIntimatecontact。Accordingtophasediagram.

或根據(jù)氣相傳質(zhì)推動(dòng)力：y＜ye

或根據(jù)液相傳質(zhì)推動(dòng)力：x＞xeye＝0.94×0.1=0.094>y=0.05

Stripping§2.2相平衡與吸收過程的關(guān)系吸收or

解吸?§2.2相平衡與吸收過程的關(guān)系Conclusion:ify>yeorx<xe,thatis,pointAlocatingintheregionofup-lefttheequilibrium,thenabsorption;

ify<yeorx>xe,thatis,pointAlocatingintheregionofdown-righttheequilibrium,

thenstripping.二.指明吸收過程的極限★x1,max=x1e=y1/m

～溶劑離開塔底時(shí)的最高含量★y2,min=y2e=mx2

～氣體混合物離開

塔頂時(shí)的最低含量§2.2相平衡與吸收過程的關(guān)系三.Calculationofdrivingforceforabsorptionprocess∵Equilibriumislimitationoftheprocess。∴只有不平衡的兩相互相接觸才會(huì)發(fā)生氣體的吸收或解析?！?.2相平衡與吸收過程的關(guān)系∴吸收推動(dòng)力：若以氣相濃度計(jì)算，則：Δy＝y(tǒng)-ye若以液相濃度計(jì)算，則：Δx=xe-x§2.2相平衡與吸收過程的關(guān)系一.DiffusionFeatures:1.～

What’sdiffusion？Diffusionisthemovement,undertheinfluenceofaphysicalstimulus（物理驅(qū)動(dòng)）,ofanindividualcomponent（單獨(dú)的組份）

throughamixture.3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures（擴(kuò)散和單向傳質(zhì)）§3Diffusionandmasstransferwithinsinglephase一.Diffusion（P511）2.～Whyreason?Themostcauseofdiffusionisaconcentrationgradientofthediffusingcomponent.3.～

Purpose?Aconcentrationgradient（濃度梯度）

tendstomovethecomponentinsuchadirectionastoequalizeconcentrationanddestroythegradient.3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures（擴(kuò)散和單向傳質(zhì)）§3Diffusionandmasstransferwithinsinglephase一.Diffusion（P511）4.～

Steady-statefluxWhenthegradientismaintainedbyconstantlysupplyingthediffusingcomponenttothehigh-concentrationendofthegradientandremovingitatthelow-concentrationend,thereisasteady-statefluxofthediffusingcomponent.Thisischaracteristicofmanymass-transferoperations.3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures5.～OtherreasonsAlthoughtheusualcauseofdiffusionisaconcentrationgradient,diffusioncanalsobecausedbyanactivitygradient（能動(dòng)梯度）,asinreverseosmosis（反滲透）,byapressuregradient,byatemperaturegradient,orbytheapplicationofanexternalforcefield（外場力）,asinacentrifuge（離心力場）.3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures6.What’sthermaldiffusion?熱擴(kuò)散

Moleculardiffusioninducedbytemperaturegradientisthermaldiffusion.7.What’stheforcediffusion?強(qiáng)制擴(kuò)散

Moleculardiffusioninducedbytheapplicationofaforcefromanexternalfiledisforceddiffusion.3.1MoleculardiffusioninbinarymixturesDiffusioninadirection擴(kuò)散方向

Diffusioninadirectionisperpendiculartotheinterface

betweenthephasesandatadefinitelocationintheequipment.9.Steadystate

Steadystateisassumed,andtheconcentrationsatanypointdonotchangewithtime.3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures二.Fick’sfirstlawofdiffusionforabinarymixture

(P514)（雙組份擴(kuò)散時(shí)的費(fèi)克第一定律）1.What’sFick’sfirstlaw?∵分子擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)是分子的微觀隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。

∴對(duì)于一定溫度和壓力下的一維定態(tài)擴(kuò)散，其統(tǒng)計(jì)規(guī)律可用宏觀的方式表達(dá)。這就是費(fèi)克定律：

Where:JA=thediffusionfluxofcomponentA;[Amoles/perunitareaperunittime]

～

[Amoles/m2·s]3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures

dCA/dz=theconcentrationgradientofcomponentAdiffusinginadirection，[(mol/m3)/m]DAB=DiffusivityofcomponentAincomponentB，[m2/s]Referenceto（8-9）,asimilarequationforcomponentB:∵ForbinarymixtureDAB=DBA=DThenJA=－JB

（8-13）

3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures

2.“現(xiàn)象定律”～

That’sphenomenalaw.上學(xué)期已經(jīng)學(xué)過兩個(gè)基本定律：牛頓粘性定律:

～Newton’slawofviscosity

～Molecularmomentumtransport傅立葉定律:

～Fourier’slawofheatconduction

～

MolecularenergytransportComparisontothosethreeformulas:⑴傳遞的物理量：動(dòng)量，熱量，質(zhì)量

～momentum,energy,andmass3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures

⑵均為傳遞通量：（傳遞的物理量）/m2·s

大小

(Magnitudes):與對(duì)應(yīng)強(qiáng)度因素梯度成正比。方向（Directions):沿著濃度減小的方向傳遞。⑶各式中的系數(shù)僅為狀態(tài)函數(shù)，即是T,P和組成的函數(shù)，而于流動(dòng)無關(guān)?！嘤纸y(tǒng)一稱這三個(gè)定律為“現(xiàn)象定律”～

That’sphenomenalaw.∴大家在學(xué)習(xí)質(zhì)量傳遞時(shí)，完全可以與前面所學(xué)過的動(dòng)量、熱量傳遞進(jìn)行類比。3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures三.Moleculardiffusionandbulkflow

～分子擴(kuò)散與主體流動(dòng)1.Moleculardiffusion

如圖所示：當(dāng)擋板被提起后，在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，必有A分子向右移動(dòng)，B分子向左移動(dòng)。3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures∵所討論的系統(tǒng)均為連續(xù)介質(zhì)∴在容器內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生空位，即有一個(gè)A分子向右移動(dòng)，一定會(huì)有一個(gè)B分子向左移動(dòng)。即對(duì)于P-Qplane而言，通過的凈物質(zhì)為0，JA=－JB

?！噙@種擴(kuò)散現(xiàn)象稱為

等分子反方向擴(kuò)散

～Equimolaldiffusion.

3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures2.One-waydiffusion（one-componentmasstransfer）～單向擴(kuò)散如圖，可溶性氣體A通過氣體B的單向擴(kuò)散。當(dāng)A被S吸收時(shí)，A→擴(kuò)散，留下空位。∵是連續(xù)介質(zhì)∴此空位不會(huì)被保留，勢必由上方的混合氣體來填補(bǔ)。這樣便產(chǎn)生了趨于相界面的“主體流動(dòng)”。Bulkflow～

Theconvectivebulkflowoftheliquid）。3.BulkFlowBulkflowisthatthemolecularsymmetricplanemovestoG--Linterfacewithtotalfluidflow.Itsdrivingforceis（PA1-PA2）.PA2isslightlylessthanPA1.4.吸收操作中的主體流動(dòng)

Obviously,thereisthebulkflowingasabsorptionoperation.BecausethereisnoBinS,Sdon’tofferBtogasphase,andthecomponentAisone-waydiffusioninliquidphase.3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures四.Diffusionequations

～

分子擴(kuò)散的速率方程由分子擴(kuò)散和主體流動(dòng)引起的質(zhì)量傳遞速率可通過總物料衡算和費(fèi)克定律導(dǎo)出。

由圖8-10，對(duì)PQ平面To

totalmaterial

balance,通過PQ面的凈物流N=NM+JA+JB

(算術(shù)和)

∵JA=－JB∴N=NM

（8-14）Knownfrom式(8-14):

⑴N與NM的物理意義不同(?)，但速率[kmol/s]

相等?！鄬?duì)于靜止平面⑵Forequimolardiffusion:∵N=0,∴NM=03.1Moleculardiffusioninbinarymixtures⑶MakeamaterialbalanceforcomponentA:IngeneralNconsistsofNAandNBforbinarymixtureA+B,thatis,N=NA+NBThen：

～MoleculardiffusionrateequationforcomponentA

∵∴（8-14）～（8-16）均為分子擴(kuò)散速率微分式，不能直接使用，需要積分。3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures五.Interpretationofdiffusionequationof（8-16）1.Equation(8-16)isthebasicequationformass-transferinanon-turbulentfluidphase.2.ItaccountsfortheamountofcomponentAcarriedbytheconvectivebulkflowofthefluidandtheamountofAbeingtransferredbymoleculardiffusion.3.Thevectornatureofthefluxesandconcentrationgradientsmustbeunderstood,sincethesequantitiesarecharacterizedbydirectionsandmagnitudes.3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures4.Asderived,thepositivesenseofthevectorisinthedirectionofincreasingz,whichmaybeeithertowardorawayfromtheinterface.5.AsshowninEq(8-16),thesignofthegradientisoppositetothedirectionofthediffusionflux,sincediffusionisinthedirectionoflowerconcentration,or”downhill”,liketheflowofheat“down”atemperaturegradient.6.ThereareseveraltypesofsituationscoveredbyEq(8-16).3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures⑴Thesimplestcaseiszeroconvectiveflowandequal-molarcounter-diffusionofAandB,asoccursinthediffusionmixingoftwogases.ThisisalsothecaseforthediffusionofAandBinthevaporphasefordistillationsthathaveconstantmolaroverflow.⑵Thesecondcommoncaseisthediffusionofonlyonecomponentofthemixture,wheretheconvectiveflowiscausedbythediffusionofthatcomponent.3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures⑶Examplesincludeevaporationofaliquidwithdiffusionofthevaporfromtheinterfaceintoagasstreamandcondensationofavaporinthepresenceofanocondensablegas.⑷Manyexamplesofgasabsorptionalsoinvolvediffusionofonlyonecomponent,whichcreatesaconvectiveflowtowardtheinterface.7.Thesetwotypesofmasstransferingasesaretreatedinthefollowingsectionforthesimplecaseofsteady-statemasstransferthroughastagnantgaslayerorfilmofknownthickness.3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures六.分子擴(kuò)散速率的積分式1.Equimolaldiffusion2.Onlyonewaydiffusion

Atsteady-state:

NA=constant～NA≠f（z）

1－CA/CM

=

CB/CM,dCA=－dCB，NAdz=DCMdCB/CB

3.1MoleculardiffusioninbinarymixturesB.C.1.z=0，CB=CB1B.C.2.z=δ，CB=CB23.1Moleculardiffusioninbinarymixtures

3.AnalysisEq.(17-16）～(8-20)a.★One-waydiffusion～(SeeP517Fig.17.1)

組份A的濃度分布為～對(duì)數(shù)曲線

★Equimolardiffusion

組份A的濃度分布為～線性b.One-waydiffusion:增加一項(xiàng)（CM/CBM）顯然，CM/CBM>1。

所以，

CM/CBM被稱為漂流因子。3.1Moleculardiffusioninbinarymixtures

與溶解度系數(shù)同理，由于溶液熱力學(xué)理論發(fā)展的不盡如人意，擴(kuò)散系數(shù)一般也是由實(shí)驗(yàn)確定的。如果有的話，可以直接使用。然而，很多時(shí)候是沒有的，需要利用一定條件下的已知值去求。

D=f（T,P,

組成，擴(kuò)散相，μ）3.2Diffusivities～（P518～522）gasphase不同物質(zhì)組成liquidphaseingasphaseorliquidphase一.Diffusivities的來源1.Byexperimentalmeasurements.2.Forcommonmaterials,

在有關(guān)手冊中找到。

Forexample:P365Appendix1,～P3661.(2)3.半經(jīng)驗(yàn)公式

Forexampleseqs.（8-23）and（8-25）.

3.2Diffusivities

二.RelationshipsbetweendiffusivityandT、Pandμ.Forgasphase:Eq.(8-23)orForliquidphase:Eq.(8-25）只改變狀態(tài)參數(shù)T,P,

有:Known:Gas:T↑→D↑↑,P↑→D↓.

Liquid:

T↑→D↑,μ↑→D↓.3.2Diffusivities三.組份在gasphaseandliquidphase擴(kuò)散系數(shù)的比較。1.Fromtable1ingasphase:D～10-4m2/s

Fromtable3inliquidphase:D～10-9m2/s

相差5個(gè)數(shù)量級(jí)。2.液體中組份濃度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)有較顯著的影響。CA↑→D↑

一般來說，組分在氣、液相的擴(kuò)散速率相差約100倍。3.2Diffusivities一.對(duì)流傳質(zhì)濃度分布從流動(dòng)角度看：靜止流體：u=0～線性層流（Laminar-flow）

Re較小～對(duì)數(shù)曲線湍流（Turbulence）

Re較大，強(qiáng)化了傳質(zhì)過程～二.雙膜理論（Filmtheory）P528

～即對(duì)流傳質(zhì)的理論模型盡管，前面已推導(dǎo)到（8-20）式。但存在兩個(gè)問題：3.3MasstransferwithconvectionQues.1:式（8-20）中的δ實(shí)際上是一個(gè)假想出的擴(kuò)散層厚度.它在實(shí)際操作中很難準(zhǔn)確測定。影響它的因素很多。

∵分子擴(kuò)散過程是一個(gè)隨機(jī)的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。Ques2:

只研究了一相內(nèi)的傳質(zhì)問題。但吸收涉及到G～L兩相內(nèi)的傳質(zhì)。

∴式（8-20）在實(shí)際操作中很難直接使用。從上世紀(jì)20年代以來，人們一直都是以L－H雙膜理論來解決G～L間的傳質(zhì)問題。3.3Masstransferwithconvection1.雙膜理論的基本論點(diǎn)⑴在氣、液兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面。界面兩側(cè)各有一個(gè)很薄的有效滯流膜。溶質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過此二膜。⑵在相界面上，氣液兩相達(dá)到平衡。⑶膜以外的氣液兩相中心區(qū)，由于兩條充分流動(dòng)，溶質(zhì)濃度均勻,全部濃度梯度集中在兩個(gè)有效膜層內(nèi)。3.3Masstransferwithconvection2.在單相內(nèi)的傳質(zhì)速率方程∵在膜內(nèi)以分子擴(kuò)散方式通過∴氣相：NA=kG（pG－pi）（8-28）

液相：NA=kL（Ci－CL）（8-30）∵為穩(wěn)定吸收∴（8-28）＝（8-30）

NA=kG（pG－pi）=kL（Ci－CL）3.界面濃度

∵根據(jù)⑵：在相界面處，氣液兩相達(dá)到平衡。

∴pi=HCi3.3Masstransferwithconvection氣相主體液相主體界面濃度,只有一個(gè)獨(dú)立變量～遵循相平衡關(guān)系一.Totalequationofrateinpartialpressuredifference∵AccordingtoNA=kG(pG－pi)=kL(Ci－CL)NA與G-phaseorLiquid-p濃度和界面濃度有關(guān)。But：⑴Thisinterface～假設(shè)的；

⑵在一些特殊情況下它是存在，但很難測定。而：G～L主體的濃度是可以測定的。

∴類似于傳熱～用冷熱流體的進(jìn)出口溫度，傳質(zhì)～用主體濃度。令：CL=(1/H)pL*andCi=(1/H)pi代入上式：4.1Equationofrateformasstransferwithconvection§4Betweeng-phaseandl-phaseformasstransfer4.1Equationofrateformasstransferwithconvection總傳質(zhì)系數(shù)Overallcoefficient總傳質(zhì)推動(dòng)力（兩相）OveralldrivingforceIndividualcoefficientinGPIndividualcoefficientinLP二.傳質(zhì)速率方程的各種表達(dá)形式

(Interpretationsfortable8－4)1.Fluxformasstransfer∵

傳質(zhì)通量（NA）

=傳質(zhì)系數(shù)×傳質(zhì)推動(dòng)力∴表達(dá)形式很多，見Table8-4.

4.1Equationofrateformasstransferwithconvection⑴與相有關(guān)；⑵不同因次的表達(dá)方法有關(guān)。[Kmol/m2·s]

三.DimensionlessNumbersformass-transfer(seeP19）

4.1Equationofrateformasstransferwithconvection

∵對(duì)流條件下的傳質(zhì)，且在一定溫度、壓力條件下

∴有關(guān)的參數(shù)：ρ、u、D、μ、d、k(對(duì)流傳質(zhì)系數(shù))類似于對(duì)流傳熱。對(duì)流傳質(zhì)的無因次準(zhǔn)數(shù)有兩個(gè)：Sh、Sc1.SherwoodnumberSh=kd/D～表征了對(duì)流傳質(zhì)與分子擴(kuò)散的關(guān)系2.SchimidtnumberSc=μ/（ρD）～表征了流動(dòng)與傳質(zhì)的關(guān)系

Obviously:Sh=f（Re,Sc）

目的：求出對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，k=f（ρ,u,d,D）→KForexample:a.具有串聯(lián)電路的特征即總阻力＝氣膜阻力＋液膜阻力b.實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于一定吸收設(shè)備水溶液體系，

kL～

10-3m/s,kG～

10-3～10-4[kmol/m2·atm·s]∴EorH對(duì)KG有重要影響

EorH

：veryhigh

～verylow4.2Stepsofcontrollingresistanceformass-transfer.RT=rG+rL～串聯(lián)電路一.Fort