化工原理課件：5-2 吸收過程的傳質(zhì)速率

1、5.2 吸收過程的傳質(zhì)速率 用液體吸收劑吸收氣體中某一組分，是該組分從氣相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)過程。它包括三個(gè)步驟： 該組分從氣相主體傳遞到氣液兩相界面的 氣相一側(cè)； 在相界面上溶解，從相界面的氣體一側(cè)進(jìn) 入液相一側(cè)； 從液相一側(cè)界面向液相主體傳遞。 在氣液兩相界面與氣相或液相之間的傳質(zhì)稱為對流傳質(zhì)。物質(zhì)在一相中的傳遞是靠擴(kuò)散作用完成的。對流傳質(zhì)中同時(shí)存在分子擴(kuò)散與湍流擴(kuò)散。5.2 吸收過程的傳質(zhì)速率主要內(nèi)容：分子擴(kuò)散與費(fèi)克定律等摩爾逆向擴(kuò)散組分A經(jīng)過靜止組分B的擴(kuò)散分子擴(kuò)散系數(shù)單相內(nèi)的對流傳質(zhì)兩相間傳質(zhì)的雙膜理論總傳質(zhì)速率方程傳質(zhì)速率方程式的各種表示形式5.2.1 分子擴(kuò)散與費(fèi)克定律 當(dāng)流體內(nèi)部

2、某一組分存在濃度差時(shí)，則因微觀的分子熱運(yùn)動(dòng)使組分從濃度高處擴(kuò)散到濃度低處的現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。其中 稱為分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。擴(kuò)散速率單位時(shí)間通過單位面積擴(kuò)散的物質(zhì)量。 以 表示，單位kmol/(m2s)。費(fèi)克定律描述分子擴(kuò)散速率的基本定律?？膳c傅立葉定律對比理解！5.2.1 分子擴(kuò)散與費(fèi)克定律其他表達(dá)式：5.2.2 等摩爾逆向擴(kuò)散如圖穩(wěn)定狀態(tài)下的分子擴(kuò)散：積分上式得： 等摩爾逆向擴(kuò)散形式可見于蒸餾操作中，而在吸收操作中，在分子擴(kuò)散的同時(shí)經(jīng)常伴有流體的整體移動(dòng)。 5.2.2 等摩爾逆向擴(kuò)散5.2.3 組分A經(jīng)過靜止組分B的擴(kuò)散 吸收過程是組分A通過“靜止”組分B的單方向擴(kuò)散。 在氣液界面附近的

3、氣相中，組分A向液相溶解，組分B不能進(jìn)入液相。A分子不斷通過相界面進(jìn)入液相，在相界面的氣相一側(cè)會(huì)留下“空穴”，混合氣體便會(huì)自動(dòng)地向界面遞補(bǔ)，這樣就發(fā)生了A、B兩種分子并行向相界面遞補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)，這種遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)形成混合物的整體移動(dòng)。 組分A從氣相主體至界面的傳遞速率為分子擴(kuò)散與整體移動(dòng)兩者速率之和。 表觀上沒有組分B的傳遞。即：5.2.3 組分A經(jīng)過靜止組分B的擴(kuò)散積分上式：對穩(wěn)態(tài)吸收過程得：上式可改寫為：或稱為漂流因子或移動(dòng)因子5.2.3 組分A經(jīng)過靜止組分B的擴(kuò)散單向擴(kuò)散的另一傳質(zhì)速率方程式： 該式也適于液相。漂流因子反映了整體移動(dòng)對傳質(zhì)速率的影響，其值大于1。5.2.3 組分A經(jīng)過靜止組分B的擴(kuò)

4、散5.2.4 分子擴(kuò)散系數(shù) 分子擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的物性常數(shù)之一，表征物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能力。同一物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)隨介質(zhì)的種類、溫度、壓力及濃度的不同而變化。擴(kuò)散系數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)確定，無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)也可借助某些經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的公式進(jìn)行估算。5.2.5 單相內(nèi)的對流傳質(zhì) 對流傳質(zhì)通常指流體與某一界面之間的傳質(zhì)。其中同時(shí)存在分子擴(kuò)散和湍流（渦流）擴(kuò)散。 當(dāng)流體流動(dòng)或攪拌時(shí)，由于流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀隨機(jī)運(yùn)動(dòng)（湍流），使組分由濃度高處向濃度低處移動(dòng)的現(xiàn)象稱為湍流擴(kuò)散，又稱渦流擴(kuò)散。 (1)單相內(nèi)對流傳質(zhì)的有效膜模型 “膜模型”5.2.5 單相內(nèi)的對流傳質(zhì)有效層流膜或虛擬膜(2) 氣相傳質(zhì)速率方程式 令 略去下標(biāo)，則有下

5、列氣相傳質(zhì)速率方程式： 稱為氣膜傳質(zhì)系數(shù)或氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2skPa) 5.2.5 單相內(nèi)的對流傳質(zhì)可聯(lián)系對流傳熱來理解！ (3) 液相傳質(zhì)速率方程式 令 略去下標(biāo)，則有下列液相傳質(zhì)速率方程式： 稱為液膜傳質(zhì)系數(shù)或液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2skmol/m3) 5.2.5 單相內(nèi)的對流傳質(zhì)5.2.6 兩相間傳質(zhì)的雙膜理論 (1) 雙膜理論 當(dāng)氣液兩相接觸時(shí)，兩相之間有一個(gè)相界面，界面兩側(cè)分別存在著呈層流流動(dòng)的穩(wěn)定膜層，即有效層流膜層，流體以分子擴(kuò)散的方式連續(xù)通過這兩個(gè)膜層。在膜層外的氣液兩相主體中呈湍流狀態(tài)。膜層厚度主要隨流體流速而變，流速越大厚度越小。 在相界面上氣液兩相互成平

6、衡，界面上沒有傳質(zhì)阻力。 在膜層外的主體內(nèi)，湍動(dòng)充分，溶質(zhì)濃度基本均勻，即濃度梯度全部集中在兩個(gè)膜層內(nèi)。 基本論點(diǎn)（基本假設(shè)內(nèi)容)： 5.2.6 兩相間傳質(zhì)的雙膜理論 (1) 雙膜理論 氣相傳質(zhì)速率方程式 氣膜傳質(zhì)系數(shù)單位 5.2.6 兩相間傳質(zhì)的雙膜理論(2) 氣相與液相的傳質(zhì)速率方程式 液相傳質(zhì)速率方程式 液膜傳質(zhì)系數(shù)單位 5.2.6 兩相間傳質(zhì)的雙膜理論(2) 氣相與液相的傳質(zhì)速率方程式 或已知應(yīng)用平衡關(guān)系即可求得5.2.6 兩相間傳質(zhì)的雙膜理論 (3) 氣液兩相界面溶質(zhì)的組成 圖解確定界面組成：5.2.7 總傳質(zhì)速率方程(1) 總傳質(zhì)速率方程 以 為推動(dòng)力的總傳質(zhì)速率方程 又 以 為推

7、動(dòng)力的總傳質(zhì)速率方程 令 相間傳質(zhì)總阻力=氣膜阻力+液膜阻力氣相總傳質(zhì)系數(shù)5.2.7 總傳質(zhì)速率方程(1) 總傳質(zhì)速率方程 以 為推動(dòng)力的總傳質(zhì)速率方程 液相總傳質(zhì)系數(shù)關(guān)系：5.2.7 總傳質(zhì)速率方程(1) 總傳質(zhì)速率方程 傳質(zhì)推動(dòng)力與阻力(1) 總傳質(zhì)速率方程 5.2.7 總傳質(zhì)速率方程 當(dāng)溶質(zhì)的溶解度很大，即其相平衡常數(shù)很小時(shí)，液膜傳質(zhì)阻力比氣膜傳質(zhì)阻力小很多，則有： 此時(shí)，傳質(zhì)阻力集中在氣膜中，稱為氣膜阻力控制或氣膜控制。 易溶氣體氣相阻力大。 要提高總傳質(zhì)系數(shù)，應(yīng)增大氣相湍動(dòng)程度。5.2.7 總傳質(zhì)速率方程(2) 氣膜控制與液膜控制 用水吸收NH3、HCl等屬于氣膜阻力控制的傳質(zhì)過程。

8、 當(dāng)溶質(zhì)的溶解度很小，即其相平衡常數(shù)很大時(shí)，氣膜傳質(zhì)阻力比液膜傳質(zhì)阻力小很多，則有： 此時(shí)，傳質(zhì)阻力集中在液膜中，稱為液膜阻力控制或液膜控制。 難溶氣體液相阻力大。 要提高總傳質(zhì)系數(shù)，應(yīng)增大液相湍動(dòng)程度。5.2.7 總傳質(zhì)速率方程(2) 氣膜控制與液膜控制 用水吸收CO2, O2屬于液膜阻力控制的傳質(zhì)過程。 對于中等溶解度的溶質(zhì)，在傳質(zhì)總阻力中氣膜阻力與液膜阻力均不可忽視，要提高總傳質(zhì)系數(shù)，須同時(shí)增大氣相和液相的湍動(dòng)程度。 用氣液相平衡常數(shù)來區(qū)分氣體在水中溶解的難易程度。當(dāng)m100時(shí)，可認(rèn)為是難溶氣體；1m100，認(rèn)為是中等溶解度的氣體。5.2.7 總傳質(zhì)速率方程(2) 氣膜控制與液膜控制 用

9、水吸收SO2屬于雙膜阻力聯(lián)合控制的傳質(zhì)過程。 5.2.8 傳質(zhì)速率方程式的各種表示形式傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系： 濃度低時(shí)，濃度低時(shí)，穩(wěn)態(tài)吸收過程的幾種傳質(zhì)速率方程式： 5.2.8 傳質(zhì)速率方程式的各種表示形式傳質(zhì)總阻力和雙膜傳質(zhì)阻力的關(guān)系（氣液相平衡關(guān)系符合亨利定律）液膜控制氣膜控制5.2.8 傳質(zhì)速率方程式的各種表示形式液膜控制氣膜控制傳質(zhì)總阻力和雙膜傳質(zhì)阻力的關(guān)系（氣液相平衡關(guān)系符合亨利定律）5.2.8 傳質(zhì)速率方程式的各種表示形式液膜控制氣膜控制傳質(zhì)總阻力和雙膜傳質(zhì)阻力的關(guān)系（氣液相平衡關(guān)系符合亨利定律）5.2.8 傳質(zhì)速率方程式的各種表示形式使用傳質(zhì)速率方程式應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1）各種傳

10、質(zhì)速率方程式是等效的。采用任何傳質(zhì)速率方程式均可計(jì)算吸收過程的速率。 （2）任何傳質(zhì)系數(shù)的單位都是kmol/(m2s單位推動(dòng)力)。當(dāng)推動(dòng)力以無因次的摩爾分率或摩爾比表示時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)的單位簡化為kmol/(m2s)，即與傳質(zhì)速率的單位相同。 5.2.8 傳質(zhì)速率方程式的各種表示形式 （4）上述各傳質(zhì)速率方程式，都是以氣液組成保持不變?yōu)榍疤岬模虼酥贿m合于描述穩(wěn)態(tài)操作的吸收塔內(nèi)任一橫截面上的速率關(guān)系，而不能直接用來描述全塔的傳質(zhì)速率。在塔內(nèi)不同橫截面上的氣液組成各不相同，其吸收速率也不相同。 使用吸收速率方程式應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （3）必須注意各傳質(zhì)速率方程式中的傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)推動(dòng)力的正確搭配及其單位的一致性。傳質(zhì)系數(shù)的倒數(shù)即表示傳質(zhì)過程的阻力，阻力的表達(dá)形式也必須與推動(dòng)力的表達(dá)形式相對應(yīng)。 5.2.8 傳質(zhì)速率方程式的各種表示形式5.2 吸收過程的傳質(zhì)速率例5-4 含氨極少的空氣于101.33kPa、20下被水吸收。已知?dú)饽髻|(zhì)系數(shù) ，液膜傳質(zhì)系數(shù) ，溶解度系數(shù) 。氣液相平衡關(guān)系服從亨利定律。求：氣相總傳質(zhì)系數(shù) 、 ；液相總傳質(zhì)系數(shù) 、 。 重點(diǎn)理解“氣膜控制”與“液膜控制”的含義；熟悉傳質(zhì)總阻力與雙膜傳質(zhì)阻力的關(guān)系及各傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系。應(yīng)用公式：5.2 吸收過程的傳質(zhì)速率本節(jié)小結(jié)1、掌握分子擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散的概念；2、了