化工原理第六章第三節(jié)講稿

1、化工原理第六章第三節(jié)講稿2022/9/4第1頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二吸收過(guò)程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，包括三個(gè)步驟：溶質(zhì)由氣相主體傳遞到兩相界面，即氣相內(nèi)的物質(zhì)傳遞；溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即界面上發(fā)生的溶解過(guò)程；溶質(zhì)自界面被傳遞至液相主體，即液相內(nèi)的物質(zhì)傳遞。單相內(nèi)物質(zhì)傳遞的機(jī)理分子擴(kuò)散 對(duì)流傳質(zhì)2022/9/4第2頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二一、分子擴(kuò)散與菲克定律 1、分子擴(kuò)散： 一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由于分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。AB2菲克定律 1）擴(kuò)散通量 ：?jiǎn)挝幻娣e上單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量

2、，單位：kmol/(m2.s) 。2022/9/4第3頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二2）菲克定律 試分析與傅立葉定律以及牛頓粘性定律的區(qū)別及聯(lián)系。 3）分子擴(kuò)散系數(shù)間的關(guān)系對(duì)于雙組分物系：2022/9/4第4頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二根據(jù)菲克定律： 由A、B兩種氣體所構(gòu)成的混合物中，A與B的擴(kuò)散系數(shù)相等。 2022/9/4第5頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二二、氣相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散 1等摩爾反向擴(kuò)散1）等摩爾反向擴(kuò)散 例如精餾過(guò)程 2022/9/4第6頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二2）傳遞

3、速率 在任一固定的空間位置上，單位時(shí)間通過(guò)單位面積的A物質(zhì)量，稱為A的傳遞速率，以NA表示。 分離變量并進(jìn)行積分，積分限為： 2022/9/4第7頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二傳質(zhì)速率為：2、一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散 1）一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散 2022/9/4第8頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二例如吸收2）傳遞速率設(shè)總體流動(dòng)通量為N，其中物質(zhì)A的通量為：2022/9/4第9頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二總體流動(dòng)中物質(zhì)B向右傳遞的通量為 而即2022/9/4第10頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42

4、分，星期二將 和代入 若擴(kuò)散在氣相中進(jìn)行，則： 2022/9/4第11頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二即分離變量后積分2022/9/4第12頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二漂流因數(shù)，無(wú)因次。反映總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的 影響。 因PpBm，所以漂流因數(shù) 2022/9/4第13頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二三、擴(kuò)散系數(shù) 分子擴(kuò)散系數(shù)簡(jiǎn)稱擴(kuò)散系數(shù)，它是物質(zhì)的特性常數(shù)之一。同一物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)隨介質(zhì)的種類、溫度、壓強(qiáng)及濃度的不同而變化。物質(zhì)在不同條件下的擴(kuò)散系數(shù)一般需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。1、物質(zhì)在氣體中的擴(kuò)散系數(shù) 氣體A在氣體B中（或B

5、在A中）的擴(kuò)散系數(shù)，可按馬克斯韋爾吉利蘭（Maxwell-Gilliland）公式進(jìn)行估算 2022/9/4第14頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二2、物質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù) 物質(zhì)在液體中的散系數(shù)與組分的性質(zhì)、溫度、粘度以及濃度有關(guān)。 對(duì)于很稀的非電解溶液，物質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù) 2022/9/4第15頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二四、對(duì)流傳質(zhì) 1、渦流擴(kuò)散 憑籍流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)和旋渦來(lái)傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。擴(kuò)散通量 ：2、對(duì)流傳質(zhì) 流動(dòng)流體與兩相界面之間的傳質(zhì)1）固定界面 氣固兩相或液固兩相間的界面 2022/9/4第16頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月

6、20日，0點(diǎn)42分，星期二 2）流動(dòng)界面氣液兩相和液液兩相間的界面2022/9/4第17頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二 對(duì)于等摩爾反方向擴(kuò)散 對(duì)于單向擴(kuò)散 2022/9/4第18頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二五、吸收機(jī)理雙膜理論 1、雙膜理論相互接觸的氣液兩相間有一個(gè)穩(wěn)定的界面，界面上沒(méi)有傳質(zhì)阻力，氣液兩相處于平衡狀態(tài)。界面兩側(cè)分別存在著兩層膜，氣膜和液膜。氣相一側(cè)叫氣膜，液相一側(cè)叫液膜 ，這兩層膜均很薄，膜內(nèi)的流體是滯流流動(dòng)，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的方式進(jìn)行傳質(zhì)。 膜外的氣液相主體中，流體流動(dòng)的非常劇烈，溶質(zhì)的濃度很均勻，傳質(zhì)的阻力可以忽略不計(jì)，傳

7、質(zhì)阻力集中在兩層膜內(nèi)。 2022/9/4第19頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二2022/9/4第20頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二六、吸收速率方程式 吸收速率： 單位面積，單位時(shí)間內(nèi)吸收的溶質(zhì)A的摩爾數(shù)，用NA表示，單位通常用kmol/m2.s。吸收傳質(zhì)速率方程：吸收速率與吸收推動(dòng)力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式 吸收速率=傳質(zhì)系數(shù)推動(dòng)力 1、氣膜吸收速率方程式 2022/9/4第21頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二令 氣膜吸收速率方程式氣膜吸收系數(shù)， kmol/(m2.s.kPa)。 也可寫成： 2022/9/4第22頁(yè)，共43頁(yè)，

8、2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二當(dāng)氣相的組成以摩爾分率表示時(shí) 以 表示的氣膜吸收系數(shù)，knoll/(m2.s)。 當(dāng)氣相組成以摩爾比濃度表示時(shí) 以 表示推動(dòng)力的氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。 2022/9/4第23頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二2、液膜吸收速率方程式 令 或 液膜吸收速率方程以 為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，m/s； 2022/9/4第24頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二當(dāng)液相的組成以摩爾分率表示時(shí) 以 為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。 當(dāng)液相組成以摩爾比濃度表示時(shí) 以 為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，kmo

9、l/(m2.s)。 2022/9/4第25頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二3、界面濃度當(dāng)已知兩相組成的平衡關(guān)系，如 和上式聯(lián)立便可 求出 2022/9/4第26頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二pcAIcipi2022/9/4第27頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二4、總吸收系數(shù)及相應(yīng)的吸收速率方程式1）以氣相組成表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式a）以p為推動(dòng)力的吸收速率方程 以 為推動(dòng)力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s.Pa) 與液相主體濃度c成平衡的氣相分壓，Pa。 2022/9/4第28頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月2

10、0日，0點(diǎn)42分，星期二 b）以y為推動(dòng)力的吸收速率方程2）以液相組成表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 以y為推動(dòng)力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。 a）以c為推動(dòng)力的吸收速率方程 以c為推動(dòng)力的液相總吸收系數(shù)，m/s 2022/9/4第29頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二b）以x為推動(dòng)力的吸收速率方程 以x為推動(dòng)力的液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s) 3）用摩爾比濃度為總推動(dòng)力的吸收速率方程式適用條件：溶質(zhì)濃度很低時(shí) a）以 表示總推動(dòng)力的總吸收速率方程式據(jù)分壓定律2022/9/4第30頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二代入 令 以 為

11、推動(dòng)力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s) 2022/9/4第31頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二b）以 表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 以 為推動(dòng)力的液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s) 5、各種吸收系數(shù)之間的關(guān)系1）總系數(shù)與分系數(shù)的關(guān)系 2022/9/4第32頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二由亨利定律： 2022/9/4第33頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二分別為總阻力、氣膜阻力和液膜阻力 即總阻力=氣膜阻力+液膜阻力 同理 2022/9/4第34頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二在溶質(zhì)濃度很

12、低時(shí) 2）總系數(shù)間的關(guān)系 a）氣相總吸收系數(shù)間的關(guān)系 2022/9/4第35頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二當(dāng)溶質(zhì)在氣相中的濃度很低時(shí) b）液相總傳質(zhì)系數(shù)間的關(guān)系 c）氣相總吸收系數(shù)與液相總吸收系數(shù)的關(guān)系2022/9/4第36頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二3）各種分系數(shù)間的關(guān)系 6、傳質(zhì)速率方程的分析 1）溶解度很大時(shí)的易溶氣體 氣膜控制2022/9/4第37頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二氣膜控制例：水吸收氨或HCl氣體 液膜控制例：水吸收氧、CO2 2022/9/4第38頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二2）溶解度很小時(shí)的難溶氣體當(dāng)H很小時(shí)， 液膜控制 3）對(duì)于溶解度適中的氣體吸收過(guò)程 氣膜阻力和液膜阻力均不可忽略，要提高過(guò)程速率，必須兼顧氣液兩端阻力的降低。2022/9/4第39頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二小結(jié) ：吸收速率方程 與膜系數(shù)相對(duì)應(yīng)的吸收速率式與總系數(shù)對(duì)應(yīng)的速率式 用一相主體與界面的濃度差表示推動(dòng)力用一相主體的濃度與其平衡濃度之差表示推動(dòng)力2022/9/4第40頁(yè)，共43頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)42分，星期二2022/9/4第41頁(yè)，共