对流扩散与相间传质优秀课件.ppt

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1、对流扩散与相间传质1 1 1 1第1页，本讲稿共25页A.A.对流扩散对流扩散对流扩散对流扩散a.a.涡流扩散（湍流扩散）涡流扩散（湍流扩散）涡流扩散（湍流扩散）涡流扩散（湍流扩散）分子扩散：涡流扩散：总扩散：D分子扩散系数，一定物系在温度、压力不变时为常数分子扩散系数，一定物系在温度、压力不变时为常数DE涡流扩散系数，是随流体流动状态、位置等条件变涡流扩散系数，是随流体流动状态、位置等条件变 化的状态参数化的状态参数 由于由于DE难以测定和计算，使上述式难以应用，必须采取难以测定和计算，使上述式难以应用，必须采取 其他处理方法。其他处理方法。对流扩散与相间传质对流扩散与相间传质对流扩散与相间

2、传质对流扩散与相间传质2 2 2 2第2页，本讲稿共25页b.b.对流扩散与有效膜概念对流扩散与有效膜概念对流扩散与有效膜概念对流扩散与有效膜概念 把湍流主体与相界面之间（或反之）的传质称为把湍流主体与相界面之间（或反之）的传质称为对流扩散对流扩散包括分子扩散和涡流扩散。包括分子扩散和涡流扩散。以简单的湿壁塔为例讨论以简单的湿壁塔为例讨论有效膜有效膜概念。概念。气相侧溶质分布 G传传质质方方向向液液体体气气体体层流 缓冲层 湍流核心ppipZ相相界界面面G3 3 3 3第3页，本讲稿共25页G虚拟滞流层（或称有效膜），全部传质推动力虚拟滞流层（或称有效膜），全部传质推动力(p-pi)，即全部阻

3、力都集中在有效膜内。即全部阻力都集中在有效膜内。这可以按有效膜内的分子扩散速率写出有气相到相界面的对这可以按有效膜内的分子扩散速率写出有气相到相界面的对流扩散速率关系，即流扩散速率关系，即同样，对液相侧同样，对液相侧如以传热中如以传热中Newton冷却定律的形式表述，则冷却定律的形式表述，则气膜液膜4 4 4 4第4页，本讲稿共25页kL液相对流动传质分系数（以液膜两端浓度差为推动液相对流动传质分系数（以液膜两端浓度差为推动 力），力），kL=DLC/(L cBM)，m/skG气相对流动传质分系数（以气膜两端分压差为推动气相对流动传质分系数（以气膜两端分压差为推动 力），力），kG=DGP/(

4、RTG pBM)，kmol/m2.s.kpa 提出有效膜概念后，可以用分子扩散速率方程描述对流提出有效膜概念后，可以用分子扩散速率方程描述对流 扩散速率，但是由于扩散速率，但是由于G与与L是虚拟量难以确定，所是虚拟量难以确定，所 以以kG、kL不能由定义式算出不能由定义式算出 可以像在传热中处理可以像在传热中处理一样，实验测定一样，实验测定kG、kL，归纳成，归纳成 经验式。经验式。另僻新径另僻新径相间传质。相间传质。但是，与但是，与不同（导热壁分开），不同（导热壁分开），kG、kL由多由多变的相截面分开，有交互作用，难以测定变的相截面分开，有交互作用，难以测定5 5 5 5第5页，本讲稿共2

5、5页B.B.相间传质相间传质相间传质相间传质由于相间传质过程的复杂性，采用由于相间传质过程的复杂性，采用数学模型法数学模型法处理。处理。a.a.相间传质模型相间传质模型相间传质模型相间传质模型介绍简单、实用的介绍简单、实用的双膜理论模型双膜理论模型。模型要点：模型要点：ZP p pi C ci c相相界界面面气气膜膜液液膜膜气相主体液相主体GL 在相界面两侧，分别存在在相界面两侧，分别存在 呈层流流动的气膜、液膜，呈层流流动的气膜、液膜，其厚度随流体流动状态变其厚度随流体流动状态变 化，溶质连续通过两膜；化，溶质连续通过两膜；相界面溶解阻力很小，认为相界面溶解阻力很小，认为 气、液在此达相平衡

6、状态；气、液在此达相平衡状态；两膜以外的气、液相主体充分湍流，无浓度梯度。两膜以外的气、液相主体充分湍流，无浓度梯度。6 6 6 6第6页，本讲稿共25页ZP p pi C ci c相相界界面面气气膜膜液液膜膜气相主体液相主体GL7 7 7 7第7页，本讲稿共25页双膜理论的局限性：双膜理论的局限性：由于流体湍流扰动（尤其在板式塔中），不可能保持固由于流体湍流扰动（尤其在板式塔中），不可能保持固 定的相界面；定的相界面；b.b.相间传质速率方程相间传质速率方程相间传质速率方程相间传质速率方程气、液相传质速率方程：气、液相传质速率方程：其中界面组成其中界面组成 pi、ci 难以测定，下面用双膜理

7、论模型处理。难以测定，下面用双膜理论模型处理。没有考虑气、液两相的相互影响。没有考虑气、液两相的相互影响。8 8 8 8第8页，本讲稿共25页 Henry定律适于气、液相平衡的情况定律适于气、液相平衡的情况据相平衡知识据相平衡知识 p*=c/H据双膜模型要点据双膜模型要点pi=ci/H代入液相传质速率方程式NA=kL(ci-c)=kLH(pi-p*)在稳态下在稳态下两式相加9 9 9 9第9页，本讲稿共25页KG气相传质总系数，气相传质总系数，kmol/m2.s.kpaKL液相传质总系数，液相传质总系数，m/sKG=HKL NA=KG(p-p*)得总传质速率方程式同理同理 NA=KL(c*-c

8、)10101010第10页，本讲稿共25页 总传质速率方程的分析总传质速率方程的分析 传质推动力的图示传质推动力的图示由点由点(p,c)已知已知 kL,kGpi,ciNAA平平衡衡线线pc-kL/kGppic ci气膜液膜11111111第11页，本讲稿共25页平平衡衡线线pcAPp*c c*气相液相 平衡线上方的平衡线上方的A A点离平衡线近点离平衡线近总推动力总推动力由气由气 到液到液;A A点在平衡线上点在平衡线上总推动力总推动力=0;=0;A A点在平衡线下方点在平衡线下方总推动力总推动力00传质由液到气。传质由液到气。12121212第12页，本讲稿共25页 传质阻力与过程的控制步骤

9、传质阻力与过程的控制步骤已知已知与与(p-p*)对应的总阻力对应的总阻力 1/KG 气膜阻力气膜阻力 1/kG 液膜阻力液膜阻力 1/HkL与与(c*-c)对应的总阻力对应的总阻力 1/KL 气膜阻力气膜阻力 H/kG 液膜阻力液膜阻力 1/kL 其中其中kG、kL对一定设备变化范围不大（对一定设备变化范围不大（10-410-5左右），左右），但溶解度系数但溶解度系数H对不同物系相差很大。对不同物系相差很大。溶解度很大的气体溶解度很大的气体易溶气体，如水吸收易溶气体，如水吸收NH3、HCl等，等，其其H很大很大1/HkL1/kGKGkG气膜阻力控制。气膜阻力控制。13131313第13页，本讲

10、稿共25页 溶解度很小的气体溶解度很小的气体难溶气体，如水吸收难溶气体，如水吸收O2、CO2等，等，其其H很小很小 H/kG 1/kLKLkL液膜阻力控制。液膜阻力控制。控制步骤的确定为强化过程提供了依据。控制步骤的确定为强化过程提供了依据。以摩尔分数差为推动力的传质速率方程以摩尔分数差为推动力的传质速率方程工程上常以摩尔分数表示浓度，下面作转换。工程上常以摩尔分数表示浓度，下面作转换。注意：此部分内容在教材中没有，但对以后的学注意：此部分内容在教材中没有，但对以后的学习有帮助，请注意听。习有帮助，请注意听。14141414第14页，本讲稿共25页Kx=mKy 以上总传质系数式仅适于平衡线服从

11、以上总传质系数式仅适于平衡线服从Henry定律定律(直线直线)的情的情 况，如为曲线，则通常采用分传质系数和界面浓度计算。况，如为曲线，则通常采用分传质系数和界面浓度计算。15151515第15页，本讲稿共25页本讲要点本讲要点本讲要点本讲要点 相间传质是一串联速率过程相间传质是一串联速率过程，了解各相内传质阻力的相对大，了解各相内传质阻力的相对大小，以及整个过程中的小，以及整个过程中的控制控制步骤步骤，对强化传质过程是重要的，对强化传质过程是重要的，它能指出过程强化目标。它能指出过程强化目标。对流扩散对流扩散包括分子扩散和涡流扩散，由于流体的流动，尤包括分子扩散和涡流扩散，由于流体的流动，尤

12、其是涡流的混合作用，大大其是涡流的混合作用，大大强化了传质过程强化了传质过程。引入引入有效膜模型有效膜模型后，虽然使对流扩散过程的数学描述得以后，虽然使对流扩散过程的数学描述得以简化，但由于有效膜厚及界面浓度难以测定，工程计算问题并简化，但由于有效膜厚及界面浓度难以测定，工程计算问题并未得到解决。未得到解决。实际传质过程多数为相间传质，由于相界面传递过程的复实际传质过程多数为相间传质，由于相界面传递过程的复杂性，过程的描述采用了数学模型法，杂性，过程的描述采用了数学模型法，双膜模型双膜模型是最简单且是是最简单且是目前工程上仍使用的相间传质模型，用此模型建立的相间传质目前工程上仍使用的相间传质模

13、型，用此模型建立的相间传质速率方程回避了难以测定的界面浓度，速率方程回避了难以测定的界面浓度，方便了工程计算方便了工程计算。16161616第16页，本讲稿共25页C.C.例例例例a.a.相平衡对两相传质推动力及其分配的影响相平衡对两相传质推动力及其分配的影响相平衡对两相传质推动力及其分配的影响相平衡对两相传质推动力及其分配的影响 吸收塔某截面气液两相浓度分别为吸收塔某截面气液两相浓度分别为 y=0.05，x=0.01(摩摩尔分率尔分率)，在操作温度下气液平衡关系为，在操作温度下气液平衡关系为y=2x，气液两侧的，气液两侧的体积传质系数体积传质系数 kya=kxa=0.026kmol/(m3.

14、s)，试求：，试求：该截面的两相传质总推动力、传质总阻力、传质速率及该截面的两相传质总推动力、传质总阻力、传质速率及推动力在气液两侧的分配；推动力在气液两侧的分配；若降低吸收剂的温度，使相平衡关系变为若降低吸收剂的温度，使相平衡关系变为y=0.4x，假设，假设两相浓度及传质系数保持不变，传质推动力、传质总阻力、两相浓度及传质系数保持不变，传质推动力、传质总阻力、传质速率及推动力的分配等的变化。传质速率及推动力的分配等的变化。17171717第17页，本讲稿共25页吸收塔某截面 处：y=0.05，x=0.01，操作条件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。解：解：传质

15、总推动力传质总推动力(y=2x)传质总推动力传质总推动力(y=0.4x)用气相浓度差表示用气相浓度差表示 y=y-mx=0.05-20.01=0.03用液相浓度差表示用液相浓度差表示x=y/m-x=0.05/2-0.01=0.015或或 x=y/m=0.03/2=0.015与气相总推动力相配与气相总推动力相配用气相浓度差表示用气相浓度差表示 y=y-mx=0.05-0.40.01=0.046用液相浓度差表示用液相浓度差表示x=y/m-x=0.05/0.4-0.01=0.115或或 x=y/m=0.046/0.4=0.115传质总阻力与总传质系数传质总阻力与总传质系数与气相总推动力相配与气相总推

16、动力相配18181818第18页，本讲稿共25页与气相总推动力相配与气相总推动力相配吸收塔某截面 处：y=0.05，x=0.01，操作条件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。与液相总推动力相配与液相总推动力相配Kya=0.00867 kmol/(m3.s)Kxa=0.0173 kmol/(m3.s)与液相总推动力相配与液相总推动力相配Kya=0.0186 kmol/(m3.s)Kxa=0.00743 kmol/(m3.s)19191919第19页，本讲稿共25页或或 Kxa=Kyam=0.008672 =0.0173 kmol/(m3.s)或或 Kxa=Kyam=

17、0.008670.4 =0.00743 kmol/(m3.s)NA=Kyay=0.008670.03=2.6010-4 kmol/(m3.s)传质速率传质速率NA=Kyay=0.01860.046=8.5510-4 kmol/(m3.s)吸收塔某截面 处：y=0.05，x=0.01，操作条件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。或NA=Kxax=0.01730.015 =2.6010-4 kmol/(m3.s)或NA=Kxax=0.007430.115 =8.5510-4 kmol/(m3.s)20202020第20页，本讲稿共25页 m=2时，液相阻力占总阻力时，

18、液相阻力占总阻力2/3，总推动力的，总推动力的2/3用于液相传质用于液相传质推动力与阻力的分配推动力与阻力的分配 温度降低后，液相阻力大幅度减少，气相阻力的绝对值虽未温度降低后，液相阻力大幅度减少，气相阻力的绝对值虽未改变，但在总阻力所占比例相对增大而成为主要阻力。相应总改变，但在总阻力所占比例相对增大而成为主要阻力。相应总阻力的大部分也用于气相传质阻力的大部分也用于气相传质 吸收塔某截面 处：y=0.05，x=0.01，操作条件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。21212121第21页，本讲稿共25页b.b.流体流量对传质阻力的影响流体流量对传质阻力的影响流体

19、流量对传质阻力的影响流体流量对传质阻力的影响 一填料吸收塔，在操作条件下一填料吸收塔，在操作条件下kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，已知已知kyG 0.7，试分别计算，试分别计算m=0.1及及m=5两种情况下，气体流两种情况下，气体流量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。解：m=0.1时，原工况的总传质阻力为：m=5时，原工况的总传质阻力为：或或22222222第22页，本讲稿共25页填料吸收塔，在操作条件下：填料吸收塔，在操作条件下：kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，已知，已知kyG 0.7，试分，试分别计算别计算m=0.

20、1及及m=5两种情况下，气体流量增加一倍时，总传质阻力减少的百两种情况下，气体流量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。分数。当气体流量增加一倍，总传质阻力减少为：当气体流量增加一倍，总传质阻力减少为：或或23232323第23页，本讲稿共25页两工况的传质阻力之比为：两工况的传质阻力之比为：填料吸收塔，在操作条件下：填料吸收塔，在操作条件下：kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，已知，已知kyG 0.7，试分别计算，试分别计算m=0.1及及m=5两种情况下，气体流量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。两种情况下，气体流量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。或或24242424第24

21、页，本讲稿共25页 对于易溶气体对于易溶气体(m较小较小)，传质阻力通常集中在气侧，传质阻力通常集中在气侧，气体，气体流量的大小及其湍动情况对传质阻力的影响很大。流量的大小及其湍动情况对传质阻力的影响很大。对于难溶对于难溶气体气体(m较大较大)，传质阻力通常集中在液侧，传质阻力通常集中在液侧，此时气体流量的，此时气体流量的大小及其湍动情况虽可改变气侧阻力，但对总阻力的影响很大小及其湍动情况虽可改变气侧阻力，但对总阻力的影响很小。同样道理，液体流量大小及其湍动情况对传质总阻力的小。同样道理，液体流量大小及其湍动情况对传质总阻力的影响，与气体相反。影响，与气体相反。25252525第25页，本讲稿共25页