第二章吸收ppt.ppt

2.2.3 2.2.3 液相中的稳态分子扩散液相中的稳态分子扩散1.液相中分子扩散的特点1 1）液相中的扩散速度气相中的扩散速度；）液相中的扩散速度气相中的扩散速度；2 2）D D气相气相 10 105 5D D液相液相；3 3）液相中的物质浓度气相中的物质浓度；）液相中的物质浓度气相中的物质浓度；4 4）物质在液相和气相中的扩散通量数量级相当。）物质在液相和气相中的扩散通量数量级相当。5 5）物质在液相中往往发生的是单向扩散。）物质在液相中往往发生的是单向扩散。2.2.液相中的扩散通量方程液相中的扩散通量方程 对于一组分通过另一停滞组分的扩散过程，对于一组分通过另一停滞组分的扩散过程，仿照气相的传质速率关系式，有：仿照气相的传质速率关系式，有：溶质A在溶剂S中的扩散系数，m2/s。溶剂 S 的对数平均浓度式中其中：2.2.4 2.2.4 扩散系数扩散系数扩散系数的意义扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映 某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性 特性常数之一；D,m2/s。D D的影响因素的影响因素：A、B、T、P、浓度,对于气相的扩散，组成的影响可以忽略，对于液相中的扩散，组成的影响不可忽略，而压强的影响不显著。D D的来源：的来源：查手册；半经验公式；测定 对于二元气体扩散系数的估算，通常可用马克斯韦尔-吉利兰（Maxwell-Gilliland）公式进行估算：1.1.气相中的气相中的D D式中式中 D D扩散系数，扩散系数，m m2 2/s;/s;p p总压力，总压力，kPa;kPa;T T温度，温度，K;K;M MA A、M MB B分别为分别为A A、B B两种物质的摩尔质两种物质的摩尔质 量，量，g/mol;g/mol;A A、B B分别为分别为A A、B B两种物质的分子体积，两种物质的分子体积，cmcm3 3/mol;/mol;分子体积可以看作是物质分子中各种元素分子体积可以看作是物质分子中各种元素的原子体积按各自数目加和起来。的原子体积按各自数目加和起来。对于一定的气体物质，扩散系数与总压成对于一定的气体物质，扩散系数与总压成反比，而与绝对温度的反比，而与绝对温度的3/23/2次方成正比，即：次方成正比，即：2.2.液相中的液相中的D D 对于很稀的非电解质溶液，可用下式估算：对于很稀的非电解质溶液，可用下式估算：式中式中 D D物质在稀溶液中的扩散系数，物质在稀溶液中的扩散系数，m m2 2/s;/s;T T温度，温度，K;K;液体的粘度，液体的粘度，PaPas;s;A A扩散物质的分子体积，扩散物质的分子体积，cmcm3 3/mol;/mol;0 0常数，对于扩散物质在水、甲醇或苯中的稀溶液，常数，对于扩散物质在水、甲醇或苯中的稀溶液，其值可分别取其值可分别取8 8、14.914.9、22.8,cm22.8,cm3 3/mol./mol.固体中的扩散系数须靠实验确定。固体中的扩散系数须靠实验确定。1 1涡流扩散涡流扩散涡流扩散：涡流扩散：流体作流体作湍流运动湍流运动时，若流体内部时，若流体内部 存在浓度梯度，流体质点便会靠存在浓度梯度，流体质点便会靠 质点的无规则运动，相互碰撞和质点的无规则运动，相互碰撞和 混合，组分从高浓度向低浓度方混合，组分从高浓度向低浓度方 向传递，这种现象称为涡流扩散。向传递，这种现象称为涡流扩散。2.2.5 2.2.5 对流传质对流传质注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性 常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关。总扩散通量：总扩散通量：JA扩散通量，扩散通量，kmol/(m2s)；DE涡流扩散系数，涡流扩散系数，m2/s。D分子扩散系数，分子扩散系数，m2/sTTWtWt热流体热流体冷流体冷流体pApAicAicA气相气相液相液相 T tZGZLH2 2对流传质对流传质过程过程（1）单相内对流传质过程）单相内对流传质过程pApAi0pAz界面pApAi0pA相相界界面面H有效膜有效膜层流底层流底层层1 1）靠近相界面处层流内层：）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分传质机理仅为分 子扩散，溶质子扩散，溶质A A的浓度梯度较大，的浓度梯度较大，p pA A随随 z z的变化较陡。的变化较陡。2）湍流主体）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，溶质浓度均一化，pA随随z的变化近似为水的变化近似为水 平线。平线。3）过渡区）过渡区：分子扩散分子扩散+涡流扩散，涡流扩散，pA随随z的的 变化逐渐平缓。变化逐渐平缓。（2 2）有效膜模型）有效膜模型 单相对流传质的传质阻力全部集中在一层单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚虚拟的膜层拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散内，膜层内的传质形式仅为分子扩散 。有效膜厚有效膜厚Z ZG G由层流内层浓度梯度线延长线与流由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点体主体浓度线相交于一点H H，则厚度，则厚度Z ZG G为为H H到相界面到相界面的垂直距离。的垂直距离。3 3单相对流传质速率方程单相对流传质速率方程（1 1）气相对流传质速率方程）气相对流传质速率方程（1 1）液相液相对流传质速率方程对流传质速率方程1).1).气液接触有稳定的相界面，在相界面上两相互成平衡，气液接触有稳定的相界面，在相界面上两相互成平衡，界面上不存在传质的阻力；界面上不存在传质的阻力；2 2).).在相界面的两侧各有一层流体膜（层流底层），物质在相界面的两侧各有一层流体膜（层流底层），物质是以扩散的方式通过此膜，且传质阻力集中在两层膜内；是以扩散的方式通过此膜，且传质阻力集中在两层膜内；3 3).).两相的流动主体完全湍流，浓度均匀，膜内的传质推两相的流动主体完全湍流，浓度均匀，膜内的传质推动力为流体主体浓度与界面浓度的差。动力为流体主体浓度与界面浓度的差。条件：条件：流体流速较小（但为湍流），有固定的传质相界面流体流速较小（但为湍流），有固定的传质相界面2.2.6 2.2.6 吸收过程的机理吸收过程的机理1.1.双膜理论双膜理论双膜模型的浓度分布气气气气相相相相主主主主体体体体液液液液相相相相主主主主体体体体P PA AP PA iA iC CA iA iC CA A 气膜气膜气膜气膜液膜液膜 GG L L相界面相界面相界面相界面传质传质传质传质方向方向方向方向距离距离距离距离z z z z虚线为真实浓度分布曲线虚线为真实浓度分布曲线实线为修正浓度分布曲线实线为修正浓度分布曲线双膜模型的浓度分布气气相相主主体体液液相相主主体体P PA AP PA iA iC CA iA iC CA A 气膜气膜液膜液膜 GG L L相界面相界面传质传质方向方向距离距离z z虚线为真实浓度分布曲线虚线为真实浓度分布曲线实线为修正浓度分布曲线实线为修正浓度分布曲线2.2.溶质渗透理论溶质渗透理论 在气液高度湍动时，相界面具有不稳定性，因此用双膜理论来在气液高度湍动时，相界面具有不稳定性，因此用双膜理论来描述不切合实际。描述不切合实际。主主要要假假定定：流流体体流流动动过过程程中中，每每隔隔一一段段时时间间0 0发发生生一一次次完完全混合，全混合，使浓度均匀化。使浓度均匀化。液相中的扩散是非定态过程。液相中的扩散是非定态过程。气气相相中中溶溶质质向向液液相相的的渗渗透透速速率率与与界界面面处处的的溶溶质质浓度梯度成正比。浓度梯度成正比。接接触触时时间间越越短短，接接触触效效率率越越高高，则则按按时时间间平平均均计算的传质速率越大计算的传质速率越大3.3.表面更新理论（对表面更新理论（对HigbieHigbie溶质渗透理论的改进）溶质渗透理论的改进）流体微元表面暴露时间（年龄）不是常数流体微元表面暴露时间（年龄）不是常数0 0，而与而与 具有和其年龄相同的流体微元个数成正具有和其年龄相同的流体微元个数成正比。比。新的膜分离理论：新的膜分离理论：液膜分离技术液膜分离技术渐进前沿模型渐进前沿模型。吸收速率吸收速率为单位相际传质面积上单位时间内吸收的为单位相际传质面积上单位时间内吸收的溶质量。溶质量。推动力为组成差，吸收阻力的倒数为推动力为组成差，吸收阻力的倒数为吸收系数吸收系数。概述概述2.2.7 2.2.7 吸收速率方程式吸收速率方程式气膜吸收气膜吸收系数，系数，kmol/（m2skPa）。）。1.1.气膜吸收速率方程气膜吸收速率方程 对对于于传传质质：k kG G ,k ky y 气气膜膜吸吸收收系系数数，1/k1/kG G，1/1/k ky y气膜气膜阻力阻力 液液膜吸收膜吸收系数，系数，kmol/（m2skmol/m3）。2.2.液膜吸收速率方程液膜吸收速率方程 对对于于传传质质：k kx x ,k kL L 液液膜膜吸吸收收系系数数，1/k1/kx x，1/1/k kL L液膜液膜阻力阻力 根据双膜理论，界面处的气液浓度符合根据双膜理论，界面处的气液浓度符合平衡关系平衡关系。同时，在定态状况下，气液两膜中的同时，在定态状况下，气液两膜中的传质速率相等传质速率相等。、cAi 解析法解析法3 3.界面组成界面组成=f（cAi）图解法图解法直线直线通过定点通过定点A A (c cA A，p pA A)斜率：斜率：-k kL L /k kG G界面组成的确定界面组成的确定4.4.总吸收系数及其相应的吸收速率方程式总吸收系数及其相应的吸收速率方程式 1)1)以以(p p-p p*)表示总推动力的吸收速率方程式表示总推动力的吸收速率方程式 相加得相加得式中：式中：K KG G气相总吸收系数，气相总吸收系数，kmol/(mkmol/(m2 2s skPa)kPa)。总阻力总阻力液膜阻力液膜阻力气膜阻气膜阻力力令令则则 NA=KG（pApA*）对于易溶气体，对于易溶气体，H H值很大值很大 气膜阻力气膜阻力控控制整个吸收制整个吸收过程的速率过程的速率气膜气膜控制控制示例：水吸收氨示例：水吸收氨提高传质速率的措施：提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相提高气体流速；加强气相湍流程度。湍流程度。气膜控制示意图气膜控制示意图2 2)以以(c c*-c c)表示总推动力的吸收速率方程式表示总推动力的吸收速率方程式 相加得相加得式中：式中：K KL L液液相总吸收系数，相总吸收系数，m m/s/s。总阻力总阻力液膜阻力液膜阻力气膜阻气膜阻力力令令则则 NA=KL（cA*cA）对于对于难难溶气体，溶气体，H H值很值很小小 液液膜阻力膜阻力控控制整个吸收制整个吸收过程的速率过程的速率液液膜膜控制控制示例：水吸收示例：水吸收氧氧提高传质速率的措施：提高传质速率的措施：提高液体流速；加强液相提高液体流速；加强液相湍流程度。湍流程度。液膜控制示意图液膜控制示意图3)3)以（以（Y YY*Y*）表示总推动力的吸收速率方程式）表示总推动力的吸收速率方程式：当吸收质在气相中组成很小时当吸收质在气相中组成很小时4)4)以（以（X XX X*）表示总推动力的吸收速率方程式）表示总推动力的吸收速率方程式：当吸收质在液相中组成很小时当吸收质在液相中组成很小时5)5)小结小结 由于推动力所涉及的范围不同及浓度的表示由于推动力所涉及的范围不同及浓度的表示方法不同，吸收速率方程式呈现了多种不同的形方法不同，吸收速率方程式呈现了多种不同的形态。可以把它们分为两类：一类是与膜系数相对态。可以把它们分为两类：一类是与膜系数相对应的速率式，采用一相主体与界面处应的速率式，采用一相主体与界面处的浓度之差的浓度之差表示推动力，诸如：表示推动力，诸如：另一类是与总系数相对应的速率式，采用任一相主体另一类是与总系数相对应的速率式，采用任一相主体的浓度与其平衡的另一相浓度之差表示推动力，诸如：的浓度与其平衡的另一相浓度之差表示推动力，诸如：总吸收系数表达总吸收系数表达式式吸收膜系数换算吸收膜系数换算式式总吸收系数的换总吸收系数的换算算 吸收系数的表达式及换算吸收系数的表达式及换算