對流擴散與相間傳質(zhì)

對流擴散與相間傳質(zhì)1第1頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月A.對流擴散a.渦流擴散（湍流擴散）分子擴散：渦流擴散：總擴散：D──分子擴散系數(shù)，一定物系在溫度、壓力不變時為常數(shù)DE──渦流擴散系數(shù)，是隨流體流動狀態(tài)、位置等條件變化的狀態(tài)參數(shù)由于DE難以測定和計算，使上述式難以應(yīng)用，必須采取其他處理方法。對流擴散與相間傳質(zhì)2第2頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月b.對流擴散與有效膜概念

把湍流主體與相界面之間（或反之）的傳質(zhì)稱為對流擴散──包括分子擴散和渦流擴散。以簡單的濕壁塔為例討論有效膜概念。氣相側(cè)溶質(zhì)分布

δG’傳質(zhì)方向液體氣體層流緩沖層湍流核心ppipZ相界面δG3第3頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月δG’──虛擬滯流層（或稱有效膜），全部傳質(zhì)推動力(p-pi)，即全部阻力都集中在有效膜內(nèi)。這可以按有效膜內(nèi)的分子擴散速率寫出有氣相到相界面的對流擴散速率關(guān)系，即同樣，對液相側(cè)如以傳熱中Newton冷卻定律的形式表述，則氣膜液膜4第4頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月kL──液相對流動傳質(zhì)分系數(shù)（以液膜兩端濃度差為推動力），kL=DLC/(δL’cBM)，m/skG──氣相對流動傳質(zhì)分系數(shù)（以氣膜兩端分壓差為推動力），kG=DGP/(RTδG’pBM)，kmol/m2.s.kpa提出有效膜概念后，可以用分子擴散速率方程描述對流擴散速率，但是由于δG’與δL’是虛擬量難以確定，所以kG、kL不能由定義式算出

可以像在傳熱中處理α一樣，實驗測定kG、kL，歸納成經(jīng)驗式。──另僻新徑─→相間傳質(zhì)。但是，與α不同（導(dǎo)熱壁分開），kG、kL由多變的相截面分開，有交互作用，難以測定5第5頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月B.相間傳質(zhì)由于相間傳質(zhì)過程的復(fù)雜性，采用數(shù)學(xué)模型法處理。a.相間傳質(zhì)模型介紹簡單、實用的雙膜理論模型。模型要點：ZPppiCcic相界面氣膜液膜氣相主體液相主體δG’δL’①在相界面兩側(cè)，分別存在呈層流流動的氣膜、液膜，其厚度隨流體流動狀態(tài)變化，溶質(zhì)連續(xù)通過兩膜；②相界面溶解阻力很小，認為氣、液在此達相平衡狀態(tài)；③兩膜以外的氣、液相主體充分湍流，無濃度梯度。6第6頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月ZPppi

Ccic相界面氣膜液膜氣相主體液相主體δG’δL’7第7頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月雙膜理論的局限性：①由于流體湍流擾動（尤其在板式塔中），不可能保持固定的相界面；b.相間傳質(zhì)速率方程氣、液相傳質(zhì)速率方程：其中界面組成pi、ci難以測定，下面用雙膜理論模型處理。②沒有考慮氣、液兩相的相互影響。8第8頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴Henry定律適于氣、液相平衡的情況據(jù)相平衡知識

p*=c/H據(jù)雙膜模型要點②pi=ci/H代入液相傳質(zhì)速率方程式NA=kL(ci-c)=kLH(pi-p*)在穩(wěn)態(tài)下兩式相加9第9頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月KG──氣相傳質(zhì)總系數(shù)，kmol/m2.s.kpaKL──液相傳質(zhì)總系數(shù)，m/sKG=HKLNA=KG(p-p*)得總傳質(zhì)速率方程式同理NA=KL(c*-c)10第10頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵總傳質(zhì)速率方程的分析①傳質(zhì)推動力的圖示由點(p,c)──已知kL,kG─→pi,ci─→NAA平衡線pc-kL/kGppic

ci氣膜液膜11第11頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月平衡線pcAPp*c

c*氣相液相平衡線上方的A點離平衡線近──總推動力↓──由氣到液;A點在平衡線上──總推動力=0;A點在平衡線下方──總推動力<0──傳質(zhì)由液到氣。12第12頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月②傳質(zhì)阻力與過程的控制步驟已知與(p-p*)對應(yīng)的總阻力1/KG氣膜阻力1/kG液膜阻力1/HkL與(c*-c)對應(yīng)的總阻力1/KL氣膜阻力H/kG液膜阻力1/kL其中kG、kL對一定設(shè)備變化范圍不大（10-4～10-5左右），但溶解度系數(shù)H對不同物系相差很大。溶解度很大的氣體──易溶氣體，如水吸收NH3、HCl等，其H很大──1/HkL<<1/kG─→KG≈kG──氣膜阻力控制。13第13頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月溶解度很小的氣體──難溶氣體，如水吸收O2、CO2等，其H很小──H/kG<<1/kL─→KL≈kL──液膜阻力控制?？刂撇襟E的確定為強化過程提供了依據(jù)。③以摩爾分數(shù)差為推動力的傳質(zhì)速率方程工程上常以摩爾分數(shù)表示濃度，下面作轉(zhuǎn)換。注意：此部分內(nèi)容在教材中沒有，但對以后的學(xué)習(xí)有幫助，請注意聽。14第14頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月Kx=mKy以上總傳質(zhì)系數(shù)式僅適于平衡線服從Henry定律(直線)的情況，如為曲線，則通常采用分傳質(zhì)系數(shù)和界面濃度計算。15第15頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月本講要點■相間傳質(zhì)是一串聯(lián)速率過程，了解各相內(nèi)傳質(zhì)阻力的相對大小，以及整個過程中的控制步驟，對強化傳質(zhì)過程是重要的，它能指出過程強化目標。■

對流擴散包括分子擴散和渦流擴散，由于流體的流動，尤其是渦流的混合作用，大大強化了傳質(zhì)過程?！鲆胗行つＰ秃螅m然使對流擴散過程的數(shù)學(xué)描述得以簡化，但由于有效膜厚及界面濃度難以測定，工程計算問題并未得到解決?！鰧嶋H傳質(zhì)過程多數(shù)為相間傳質(zhì)，由于相界面?zhèn)鬟f過程的復(fù)雜性，過程的描述采用了數(shù)學(xué)模型法，雙膜模型是最簡單且是目前工程上仍使用的相間傳質(zhì)模型，用此模型建立的相間傳質(zhì)速率方程回避了難以測定的界面濃度，方便了工程計算。16第16頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月C.例a.相平衡對兩相傳質(zhì)推動力及其分配的影響吸收塔某截面氣液兩相濃度分別為y=0.05，x=0.01(摩爾分率)，在操作溫度下氣液平衡關(guān)系為y=2x，氣液兩側(cè)的體積傳質(zhì)系數(shù)kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，試求：⑴該截面的兩相傳質(zhì)總推動力、傳質(zhì)總阻力、傳質(zhì)速率及推動力在氣液兩側(cè)的分配；⑵若降低吸收劑的溫度，使相平衡關(guān)系變?yōu)閥=0.4x，假設(shè)兩相濃度及傳質(zhì)系數(shù)保持不變，傳質(zhì)推動力、傳質(zhì)總阻力、傳質(zhì)速率及推動力的分配等的變化。17第17頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收塔某截面處：y=0.05，x=0.01，操作條件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。解：⑴傳質(zhì)總推動力(y=2x)⑵傳質(zhì)總推動力(y=0.4x)用氣相濃度差表示Δy=y-mx=0.05-2×0.01=0.03用液相濃度差表示Δx=y/m-x=0.05/2-0.01=0.015或Δx=Δy/m=0.03/2=0.015與氣相總推動力相配用氣相濃度差表示Δy=y-m’x=0.05-0.4×0.01=0.046用液相濃度差表示Δx=y/m’-x=0.05/0.4-0.01=0.115或Δx=Δy/m’=0.046/0.4=0.115傳質(zhì)總阻力與總傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)總阻力與總傳質(zhì)系數(shù)與氣相總推動力相配18第18頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月與氣相總推動力相配與氣相總推動力相配吸收塔某截面處：y=0.05，x=0.01，操作條件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。與液相總推動力相配Kya=0.00867kmol/(m3.s)Kxa=0.0173kmol/(m3.s)與液相總推動力相配Kya=0.0186kmol/(m3.s)Kxa=0.00743kmol/(m3.s)19第19頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月或Kxa=Kyam=0.00867×2=0.0173kmol/(m3.s)或Kxa=Kyam=0.00867×0.4=0.00743kmol/(m3.s)NA=KyaΔy=0.00867×0.03=2.60×10-4kmol/(m3.s)傳質(zhì)速率傳質(zhì)速率NA=KyaΔy=0.0186×0.046=8.55×10-4kmol/(m3.s)吸收塔某截面處：y=0.05，x=0.01，操作條件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)?；騈A=KxaΔx=0.0173×0.015=2.60×10-4kmol/(m3.s)或NA=KxaΔx=0.00743×0.115=8.55×10-4kmol/(m3.s)20第20頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月m=2時，液相阻力占總阻力2/3，總推動力的2/3用于液相傳質(zhì)推動力與阻力的分配推動力與阻力的分配溫度降低后，液相阻力大幅度減少，氣相阻力的絕對值雖未改變，但在總阻力所占比例相對增大而成為主要阻力。相應(yīng)總阻力的大部分也用于氣相傳質(zhì)

吸收塔某截面處：y=0.05，x=0.01，操作條件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。21第21頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月b.流體流量對傳質(zhì)阻力的影響一填料吸收塔，在操作條件下kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，已知ky∝G0.7，試分別計算m=0.1及m=5兩種情況下，氣體流量增加一倍時，總傳質(zhì)阻力減少的百分數(shù)。解：m=0.1時，原工況的總傳質(zhì)阻力為：m=5時，原工況的總傳質(zhì)阻力為：或或22第22頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月填料吸收塔，在操作條件下：kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，已知ky∝G0.7，試分別計算m=0.1及m=5兩種情況下，氣體流量增加一倍時，總傳質(zhì)阻力減少的百分數(shù)。當氣體流量增加一倍，總傳質(zhì)阻力減少為：當氣體流量增加一倍，總傳質(zhì)阻力減少為：或或23第23頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月兩工況的傳質(zhì)阻力之比為：兩工況的傳質(zhì)阻力之比為：填料吸收塔，在操作條件下：kya=kxa=0.026kmol