传质系数和传质理论

第五节
2.溶质渗透理论
传质系数和传质理论
工业设备中进行的气液传质过程， 工业设备中进行的气液传质过程，相界面上的流体总是不断地与主流 混合而暴露出新的接触表面。希格比（Higbie） 混合而暴露出新的接触表面。希格比（Higbie）认为流体在相界面上暴 露的时间很短， 露的时间很短，溶质不可能在膜内建立起如双膜理论假设的那种稳定的 浓度分布。 浓度分布。 溶质通过分子扩散由表面不断 θ ∞ cAi 地向主体渗透， 地向主体渗透 ， 每一瞬时均有 不同的瞬时浓度分布和与之对 应的界面瞬时扩散速率（ 应的界面瞬时扩散速率 （ 与界 面上的浓度梯度成正比） 面上的浓度梯度成正比）。 流体表面暴露的时间越长， 流体表面暴露的时间越长，膜 内浓度分布曲线就越平缓， 内浓度分布曲线就越平缓 ， 界 面上溶质扩散速率随之下降。 面上溶质扩散速率随之下降。 界面 距相界面的距离 液相浓度cA
第五节
β
传质系数和传质理论
γ
Sh G = α (ReG ) (ScG )
PD (ReG )B (ScG )γ kG = α RTp Bm
适用范围: 适用范围: 湿壁塔或拉西环填料塔 ReG = 2×103~3.5×104 ScG = 0.6~2.5 P = 101~303 kPa(绝压) 模型参数: 模型参数:
θ 增加
cA0
第五节
传质系数和传质理论
直到时间为θ 直到时间为θc时，膜内流体与主流发生一次完全混合而使浓度重新均匀 后发生下一轮的表面暴露和膜内扩散。 称为汽、 后发生下一轮的表面暴露和膜内扩散 。 θc 称为汽 、 液接触时间或溶质渗 透时间，是溶质渗透理论的模型参数， 透时间 ， 是溶质渗透理论的模型参数 ， 气 、 液界面上的传质速率应是该 时段内的平均值。 时段内的平均值。 由该理论解析求得液相传质系数
k L = SDAB
第五节
传质系数和传质理论
该理论得出的传质系数正比于扩散系数D 次方； 该理论得出的传质系数正比于扩散系数DAB的0.5次方； 该理论的模型参数是表面更新机率S 而不是接触时间θ 该理论的模型参数是表面更新机率S， 而不是接触时间θc ； 目前还不能对θc和S进行理论预测，因此用上述两个理论来 目前还不能对θ 进行理论预测， 预测传质系数还有困难； 预测传质系数还有困难； 溶质渗透理论和表面更新理论指出了强化传质的方向， 溶质渗透理论和表面更新理论指出了强化传质的方向 ， 即 降低接触时间或增加表面更新机率。 降低接触时间或增加表面更新机率。
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传质系数和传质理论
一、传质系数 二、 传质理论
第五节
一、传质系数
传质系数和传质理论
传质系数的影响因素 物系的性质 填料的结构 操作条件 传质系数的来源 实验测定 经验公式 准数关联式
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1.传质系数的实验测定
传质系数和传质理论
由填料层高度计算式： 由填料层高度计算式：
V Yb Ya h= KY a Ym V (Yb Ya ) KY a = hYm
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1.双膜理论
传质系数和传质理论
气 液 相界面 液相主体 气相主体 膜 膜 p pi = Ci / H Ci
pi
δ1
δ2
C
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传质系数和传质理论
按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比， 按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式 的结果相差较大； 的结果相差较大； 由此理论所得的传质系数计算式形式简单， 由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度 δ1 和 都难以确定； δ2 以及界面上浓度 pi 和 Ci 都难以确定； 双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动 双膜理论存在着很大的局限性， 的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的， 的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳 定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以 成立； 成立； 该理论提出的双阻力概念， 该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体 相中，而界面阻力可忽略不计的概念， 相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了 广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据； 广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；
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传质系数和传质理论
3.传质系数的准数关联式 (1) 计算气相传质系数的准数关联式
Sh G = α (Re G ) (Sc G )
β
γห้องสมุดไป่ตู้
气相舍伍德准数
RTp Bm l Sh G = kG P D
d e u0 ρ
气体通过填料层的雷诺数 Re G = 气相施密特准数
G
4G = a G
Sc G =
G ρG D
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传质系数和传质理论
(2) 常压下用水吸收二氧化碳
用水吸收二氧化碳属难溶气体吸收，吸收阻力主要在液膜侧。 用水吸收二氧化碳属难溶气体吸收，吸收阻力主要在液膜侧。计算液 相体积传质系数的经验公式为
k L a = 2.57U 0.96
U — 液相喷淋密度，m3/(m2h) 。单位时间喷淋在单位塔截 液相喷淋密度， 面上的液相体积， 面上的液相体积， 适用条件： 适用条件： 直径为10 32mm陶瓷环填料塔； 10- mm陶瓷环填料塔 (1) 直径为10-32mm陶瓷环填料塔； 喷淋密度U 20m h)； (2) 喷淋密度U为3-20m3/(m2 h)； 气体的空塔质量速度G 30h)； (3) 气体的空塔质量速度G为30-580 kg/(m2 h)； 操作温度为21 27℃ 21(4) 操作温度为21-27℃。
Ga =
3 gl 3 ρ L 2 L
液相的伽利略准数
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上述准数中： 上述准数中：
传质系数和传质理论
填料比表面积m a— 填料比表面积m2/m3 ; 液膜传质系数， kL — 液膜传质系数，m/s ; /c— 液相漂流因子; cSm/c 液相漂流因子; l g — 特征尺寸，取填料直径m ; 特征尺寸，取填料直径m —重力加速度，m/s2 ; 重力加速度， 重力加速度
液体的粘度， s/m L — 液体的粘度，Ns/m2 ; ρL — 液体的密度 kg/m3 ; D’ — 溶质在液相中的分子扩散系数 m2/s ; W — 液体的空塔质量速度，kg/(m2s). 液体的空塔质量速度， s). s)
第五节
二、 传质理论 1.双膜理论
传质系数和传质理论
2.溶质渗透理论 3.表面更新理论
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传质系数和传质理论
(3) 用水吸收二氧化硫
kG a = 9.9 × 104 G 0.7W 0.25
k L a = bW 0.82
b-─与温度有关的常数，见P69表9-3 与温度有关的常数，
适用条件： 适用条件： (1)气体的空塔质量流速G为 320-4150kg/(m2h) 气体的空塔质量流速G 320-4150kg/(m h)； (2)液体的空塔质量流速W为 4400-58500 kg/(m2h)； 液体的空塔质量流速W 4400(3)直径为25mm的环形填料。 直径为25mm的环形填料。 25mm的环形填料
注意： 注意：实验测定的传质系数用于吸收或解吸塔设计 计算时，设计体系的物性、 计算时，设计体系的物性、操作条件及设备性能应与实 验测定时的情况相同或相近。 验测定时的情况相同或相近。
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传质系数和传质理论
2.传质系数的经验公式 2.传质系数的经验公式 (1) 用水吸收氨
kG a = 6.07 × 104 G 0.9W 0.39
应用场合 湿壁塔 填料塔 α 0.023 0.066 β 0.83 0 .8 γ 0.44 0.33
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D
传质系数和传质理论
溶质在气相中的分子扩散系数m /s； -─溶质在气相中的分子扩散系数m2/s； 气相漂流因子； P/pm -─气相漂流因子； 气相传质系数kmol/(m kG -─气相传质系数kmol/(m2skPa) ； 通用气体常数kJ/ (kmol R -─通用气体常数kJ/ (kmolK ) ； L -─特征尺寸 m ； 混合气体的密度kg/m ρG -─混合气体的密度kg/m3； T -─温度 K； 混合气体的粘度N G -─混合气体的粘度Ns/m2 ； 气体的空塔质量流速； G -─气体的空塔质量流速； 填料层中流体通道的当量直径， a/ε De -─填料层中流体通道的当量直径，de=4a/ε，（a为填料的比表面 为填料层的空隙率m m2/m3，ε为填料层的空隙率m3/m3）； 气体在填料空隙中的实际流速， =u/ε 为空塔气速m/s m/s） U0 -─气体在填料空隙中的实际流速，u0=u/ε（u为空塔气速m/s）；
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传质系数和传质理论
(2)计算液相传质系数的准数关联式
Sh L = 0.000595(Re L )
液相舍伍德准数 液体通过填料层的雷诺数 液相施密特准数
0.67
(Sc L )0.33 (Ga )0.33
cSm l Sh L = k L c D′
4W Re L = a L
L Sc L = ρ L D′
式中： 气相体积传质分系数， kPa)； 式中：kGa —— 气相体积传质分系数，kmol/(m3.h.kPa)； G W —— 气相空塔质量流速，kg/(m2.h)； 气相空塔质量流速， h)； —— 液相空塔质量流速，kg/(m2.h)； 液相空塔质量流速， h)；
适用条件： 适用条件： 直径为12 mm陶瓷环填料塔 12. 陶瓷环填料塔。 (1) 直径为12.5mm陶瓷环填料塔。
kL = 2
πθc
DAB
该理论指出传质系数与扩散系数D 次方成正比， 该理论指出传质系数与扩散系数DAB的 0.5 次方成正比，比双膜理 论更加接近于实验值，表明其对传质机理分析更加接近实际。 论更加接近于实验值，表明其对传质机理分析更加接近实际。
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3.表面更新理论
传质系数和传质理论
气液接触表面是在连续不断地更新，而不是每隔一定的周期θ 气液接触表面是在连续不断地更新，而不是每隔一定的周期θc才发生 一次。 一次。 处于表面的流体单元随时都有可能被更新， 处于表面的流体单元随时都有可能被更新 ， 无论其在表面停留时间 龄期）的长短，被更新的机率相等。 （龄期）的长短，被更新的机率相等。 引入一个模型参数 S 来表达任何龄期的流体表面单元在单位时间内 被更新的机率（更新频率） 被更新的机率（更新频率）。 由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样， 由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样，将龄期为 0→∞ 的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，解析求得传质系数为： 的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，解析求得传质系数为：