3. 传质原理(1)

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
有自由界面的系统,尤其是剧烈湍动的 相间传质过程,如填料塔的吸收操作,膜模型 与实际不符。
溶质渗透理论 表面更新理论 24
溶质渗透理论-希格比(Higbie)1935
在很多过程工业的传质设备中,例如填料塔内的气液
接触,由于接触时间短且湍动剧烈,所以在任意一个微元
液体与气体的界面上,所溶解的气体中的组分向微元液体
一、分子扩散与菲克定律
1. 分子扩散
在一相内部存在浓度差或浓度梯度的情况下,由于分子的无规则运动而导致的物 质传递现象。分子扩散是物质分子微观运动的结果。
AA
BB
AA
BB
非稳态分子扩散过程 工业生产中,一般为稳态过程,下面讨论稳态条件下双组分物 系的分子扩散,稳态扩散条件下,各处浓度不随时间发生变化。
pB1
pA2
z1
z2
上两式两边同除以该组分的分子量,得A,B组分的扩散摩尔通量:
NA
=

DAB RT
dpA dx
NB
=

DBA RT
dpB dx
对于稳态传递过程,P=PA+PB=常数
dp dpA dpB 0 则 dpA dpB
(3)
dx dx dx
dx dx
由式(1)、(2)、(3)得 DAB=DBA=D
➢对于气体中的扩散,浓度的影响可以忽略;温度升高扩散
系数增大,与系统压强成反比。
➢对于液体中的扩散,浓度的影响不可以忽略,而压强的影
响不显著。
➢在固体中的扩散速率小于在液体及气体中的扩散速率。
扩散系数的来源:
实验测定 物理化学手册,化学工程手册等查阅 经验或半经验公式估算
计算公式
– 气相扩散系数(马克斯维尔-吉利兰公式)
44
NA A (2.03107 ) 4.68104 9.501011kmol / s
(2)相距0.305m时的分压
传递过程处于稳态过程,所以NA A 常数
D
RTz '
pA1 pA2'
NA
p
' A2
pA1
N ARTz' D
20
2.03107 8.315 298 0.305 2.30 105
e 厚的层流膜(虚拟膜、当量膜、有效膜) 内,对流传质的作用就
折合成了相当于物质通过 e
距离的分子扩散过程,这种简化处理的
21
理论称为膜模型。
(2)对流传质速率方程
对于气相
NA
DG
RTG
P pBm
pA1 pA2
令:kG
DG
RTG
P pBm
N A kG ( pA1 pA2 )
kG:气相对流传质系 数
1
D
3
4.36105T 2
p v1A3
1
M
A
v1B3
2
1 MB
2
结构复杂的物质的分子体积可由克普加和法则由
原子体积作近似估算
vCH3COOH 14.8 2 3.7 4122 68.4cm3 / mol
扩散系数的修正
3
D
D0
p0 p
T T0
2
– 液相中扩散系数的经验公式
D'
1、双组分等摩尔相互扩算,或称等摩尔逆向扩散
2、单方向扩散,或称组分A通过静止组分B的扩散
菲克定律与傅里叶定律比较
g
=
-D
dc A
A
dx
q t
n
菲克定律与傅里叶定律形式上相似,区别在于: A、热传导传递的是能量,分子扩散传递的是物质。
B、分子扩散,一个分子转移后,留下相应的空间, 必由其他分子补充,即介质中的一个或多个组分是运 动的,因此,扩散通量存在一个相对于什么截面的问 题;而在热传导中,介质通常是静止的而只有能量以 热能的方式进行传递。
dC/dx——浓度梯度,kmol/m4
D——分子扩散系数,m2/s
负号——表示扩散是沿着物质浓度降低的方向进行的,与浓度梯度方
向相反。
实际应用:
CA1-CA2
gA = D x
适用条件:双组分混合物,经验定律
该定律在形式上与牛顿黏性定律、傅立叶热传导定律相似。
对于理想气体混合物,组分A的浓度cA与其分压力pA的关系为:
试求:(1)单位时间内自容器1向容器2传递的NH3量 kmol/s, (2)连通管中与截面1相距0.305m处NH3的分压。
1
2
解:
(1)
NA
D RTz
(
pA1
pA2 )
2.30105 (20 8.315 298 0.61
6.67)
NA 2.03107 kmol / m2 s
A d 2 0.02442 4.68104 m2
26
表面更新理论推导出的液膜传质系数为
kL DLS
kL,按整个液面的平均值计的液相传质系数; S,表面更新频率,即单位时间内液体表面被 更新的百分率,s-1
27
三个传质模型都有可接受的物理概念,但都包含 一个难以测定的模型参数。
实际上,只有少数情况下可由理论推算传质系 数。绝大多数情况下,采用量纲分析结合实验测定 的方法,确定用无量纲数群表示的对流传质系数关 联式,应用到工程实际中。
由量纲分析(根据一切量所必须具有的形式来分
析判断事物间数量关系所遵循的一般规律)得特
征数关联式:
Re---雷诺数,流动状态的影响,d当量直径
Sh f (Re, Sc)
Sc---施密特数,物性的影响 Sc =
Sh---施伍德数,分子扩散阻力/对流扩散阻力
D D
(3)其他传质理论简介
膜模型适用于有固定相界面的系统或相 界面无明显扰动的相间传质过程,如湿壁塔的 吸收操作。
13.3kPa
三. 单向扩散
p
总压p
pB2 pA2
气 相
gB
主 gA

0
界面
pB1
在气体吸收中溶质A溶
解于溶剂中,惰性气体B不
溶解于溶剂中,则液相中
pA1 不存在组分B,此过程为组
gB
gA 液相 分 A 通 过 另 一 “ 静 止 ” 组 分B的单向扩散。
x
等分子反向扩散:
NA
D RTz
(
pA1
扩散速率(通量):单位时间内单位面积上扩散传递的物质量,
其单位为 kmol/(m2·s),表征扩散过程进行的快慢 。
5
2. 菲克(Fick)定律
当物质A在介质B中发生扩散时,任一点处物质A的扩散速率
与该位置上A的浓度梯度成正比,即:
g D dC dx
式中 g——物质在x方向上的分子扩散通量(扩散速率),kmol/(m2·s)
7.7 1015T
1
1
(vA3 v03 )
五、对流传质的基本公式
对流传质:分子扩散和湍流扩散的综合 对流传质:流体流动状态、速度分布、温度梯度等影响
在湍流流体中同时存在湍流扩散 和分子扩散(湍流扩散占主导
地位 ),其总扩散通量为
gA
(D
DE )
dCA dx
式中 D —— 分子扩散系数,m2/s; DE —— 湍流扩散系数,m2/s; dCA/dx —— 沿x方向的浓度梯度,kmol/m4; gA —— 总扩散通量,kmol/(m2•s)
pA2 )
单向扩散:
NA
D RTz
P pBm ( pA1 pA2 )
pBm
pB2 pB1 ln pB2
pB1
P ——漂流因数,无因次。因p>pBm,所以漂流因数 pBm
P 1 pBm
➢ 漂流因子的大小反映了总体流动对传质速率的影响程度;
➢ 溶质的浓度愈大,其影响愈大;
➢ 当混合物中溶质A的浓度较低时,pBm≈P ,两者相等。
对于等分子反向扩散 gA= - gB
(1)
组分A的传递速率为:
gA
DAB
dCA dx
M ADAB RT
dpA dx
(2)
注意:在上述条件下,扩散为稳定过程,gA为常数; pA—x呈线性关系。
组分B的传递速率为:
gB
DBA
dCB dx
M B DBA RT
dpB dx
(3)
P
P
pA1
pB2
8
二、等摩尔逆向扩散
pA1
pB1
B
p1
A
pA2
pB2
2
P
假定:pA1> pA2 pB1< pB2
pA1+ pB1= pA2 + pB2 =P
在总压和温度相同的情况下,联通管内任一截面上单位时 间单位面积上向右传递的A的物质量与向左传递的B的物质量 必定相等,此现象称为等摩尔逆向扩散(等分子反向扩散)。
注:涡流扩散系数DE不是物性常数,它与湍动有关,且随位置而不同。由 于其难以测定,常将分子扩散和涡流扩散结合在一起考虑。
1.涡流扩散
层流与湍流的本质区别: 层流,质点仅沿着主流方向运动; 湍流,除沿主流方向运动外,在其他方向上还存在脉动(或出 现涡流、漩涡)
涡流扩散:由于涡流产生的质量传递过程。
涡流扩散速率比分子扩散速率大得多,强化了相内的物质传
对(2)积分可得:
NA = ( pA1-pA2) D / RT kmol/(m2.s) x
例题:在下图所示的两个大容器内,分别装有组成不同的
NH3和N2两种气体的混合物。连通管长0.61m,内径24.4 mm,系 统的温度为25℃,压强为1 atm 。左侧容器内NH3的分压为20kPa, 右侧容器内的NH3的分压为6.67kPa。已知在25℃、1 atm的条件下, NH3-N2的扩散系数为2.30×10-5m2/s。
质量传递现象 工业生产的蒸馏、吸收、干燥 及萃取等单元操作
相界面
气相主体
液相主体
溶解
气相扩散
液相扩散
吸收过程涉及两相间的 物质传递,它包括三个步骤: 一、溶质由气相主体传递到两 相界面,即气相内的物质传递。 二、溶质在界面上的溶解,由 气相转入液相,即界面上发生 的溶解过程。 三、溶质自界面被传递至液体 主体,即液相内的物质传递。 气液两相界面与气相或液相之 间的传质称为对流传质。
递。对流传热同时存在热传导类似,涡流扩散的同时也伴随分子
扩散。 没有严格的理论描述
对流传质模型
膜模型 溶质渗透理论
表面更新理论
(1)膜模型
c
三个区
CA1 F
层流内层:分子扩散,浓度分
G
布是直线或近似直线
H
过渡区:涡流扩散和分子扩散, CA2
E
曲线
z
湍流区:涡流扩散,近似为一 条水平线
0
e
将流体主体与固体壁面之间的传质阻力折合为与其阻力相当的
四、分子扩散系数
➢分子扩散系数是物质的特征系数之一,表示物质在介质中
的扩散能力;
➢扩散系数可以理解为沿扩散方向,在单位时间内每单位浓
度降的情况下,通过单位表面积所扩散的物质的量
➢扩散系数取决于扩散质和介质的种类及温度等因数。
➢物质在液相中的扩散系数小于在气相中的扩散系数,一般
为1.15*10-5cm2/s;
对于液相
NA
DLC
CL Bm
cA1 cA2
kL
DL
L
C cBm
N A kL (CA1 CA2 )
kL:液相对流传质系 数
22
影响对流传质系数的因素: ①物性参数,包括分子扩散系数、黏度、密度; ②操作参数,包括流速、温度、压力; ③传质设备特性参数,几何定性尺寸d
k f (D, , ,u, d,T, P)
内部进行非定态分子扩散,经过一个很短暂的接触时间后,
这个微元液体又与液体主体混合。假设所有液体微元在界
面上和气体相接触的时间都是相同的,导出液膜传质系数

kL 2
DL
渗透模型参数,是气液相每次接触
的时间 25
表面更新理论-丹克沃茨(Danckwerts)1951
理论认为溶质渗透理论所假定的每个液体微元在表面和气体 相接触的时间都保持相同是不可能的。实际情况是各个液体微元 在相界面上的停留时间不同,而是符合随机的寿命分布规律,且 不同寿命的表面液体微元被新鲜的液体微元置换的概率是相同的。 该理论将液相分为界面和主体两个区域,在界面区里,质量传递 是按照渗透模型进行,不同的是这里的微元不是固定的,而是不 断地与主体内的微元发生交换进行表面的更新;在主体内,全部 液体达到均匀一致的浓度。
c M A p , dc M Adp ,代入上式的费克定律另一种表达式:
RT
RT
g M AD dpA RT dx
• 通量(即扩散速率 )是浓度和速度的 乘积,其单位由相
实际应用:
应的浓度和速度的
单位决定,可以是
gA = ( pA1-pA2 ) MAD / RT
x
质 量 通 量 kg/(m2·s) 或摩尔通量 mol/(m2·s)等。
物质在单相中的扩散
传质基本方式: ① 分子传质(扩散):浓度差。 ② 对流传质:流体的宏观运动。
分子扩散:依靠分子的无规则热运动传递物Βιβλιοθήκη Baidu,主要发生在 静止或层流流体中。
湍流扩散:依靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质,主要发 生在湍流流体中。
对于任何过程都需要解决两个基本问题:一是过程的极限, 传质过程的极限取决于吸收的相平衡关系,另一是过程的速率。
第四章 传质原理
传质:是指在两种或两种以上的组元构成的混合物系 中,如果其中各处浓度不同(存在浓度差)时,则必 发生减少浓度不均匀性的过程,各组元将由浓度大 的地方向浓度小的地方迁移,即质量传递现象。
现将传质过程与传热过程相对照来研究两个问题: (1) 气体吸收过程的推动力是什么?(传热过程的推动力:温 差) ➢ 传质的推动力 —— 浓度差 (2) 若气液两相能充分完全的接触,则吸收过程的极限是什么? (传热过程的极限:T=t) ➢ 传质的极限 —— 相平衡
相关文档
最新文档