吸收3.pdf
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1、2012-09-04 第八章吸收第八章吸收 一、分子扩散与菲克定律一、分子扩散与菲克定律 二、气相中的稳定分子扩散二、气相中的稳定分子扩散 三、扩散系数三、扩散系数 四、对流传质四、对流传质 五、吸收机理五、吸收机理双膜理论双膜理论 六、吸收速率方程式六、吸收速率方程式 第三节 传质机理与吸收速率 第三节 传质机理与吸收速率 2012-09-04 吸收过程涉及两相间的物质传递,包括三个步骤:吸收过程涉及两相间的物质传递,包括三个步骤: 1. 溶质由气相主体传递到相界面,即气相内的物质传递气相内的物质传递; 2. 溶质在相界面上溶解,即界面上发生的溶解过程界面上发生的溶解过程; 3. 溶质自界面
2、被传递至液相主体,即液相内的物质传递液相内的物质传递。 单相内物质传递的机理 分子扩散分子扩散 对流传质对流传质 2012-09-04 一、分子扩散与菲克定律一、分子扩散与菲克定律 1、分子扩散、分子扩散:一相内部有浓度差异 浓度差异的条件下,由于分子的无 规则热运动而造成的物质传递现象。 AB 2012-09-04 2)菲克定律)菲克定律 A J 1)扩散速率)扩散速率(rate of diffusion) : 单位面积单位时间扩散传递的物质量,单 位:kmol/(m2.s)。 A AB dC = -D dz 2012-09-04 A AAB dc J = -D dz JA组分A扩散速率,
3、kmol/(m2s); 组分A在扩散方向z上的浓度梯度(kmol/m3)/m; z c d d A DAB 组分A在B组分中的扩散系数;m2/s。 负号:表示扩散方向与浓度梯度方向相反,扩散沿着浓度 降低的方向进行 试分析与傅里叶定律和牛顿粘性定律的区别及联系试分析与傅里叶定律和牛顿粘性定律的区别及联系。 2012-09-04 dz dc dz dc BA = BA JJ= 根据菲克定律: dz dc DJ A ABA = dz dc D B BA = BAAB DD= 由A、B两种气体所构成的混合物中,A与与B的扩散系数相等的扩散系数相等。 2)分子扩散系数间的关系2)分子扩散系数间的关系
4、对于双组分物系: V n RT P ccC BA =+=常数 2012-09-04 二、气相中的稳定分子扩散二、气相中的稳定分子扩散 1等摩尔反向扩散1等摩尔反向扩散 1)等摩尔反向扩散(1)等摩尔反向扩散(动画动画) PA1 PA2 PB2 PB1 2012-09-04 2)传质速率2)传质速率 单位时间通过单位面积的A 物质量,称为A 的传质速 率,以N NA A 表示,对等摩尔反方向扩散, NA =JA。 dz dc DJN A AA = dz dp RT D A = 分离变量并进行积分,积分限为: 11 0 AA ppz= 22 AA ppzz= 2012-09-04 = 2 1 0
5、A A P p A z A dp RT D dzN )( 12AAA pp RT D zN= 传质速率为: )( 12AAA pp zRT D N= 2012-09-04 有A、B双组分气体混合物与液体溶剂接触,组分A溶解于液 相,组分B不溶于液相,显然液相中不存在组分B。因此,吸收 过程是组分A通过“静止”组分B的单方向扩散。 在气液界面附近的气相中,有组分A向液相溶解,其浓度降低 ,分压力减小。因此,在气相主体与气相界面之间产生分压力梯 度,则组分A从气相主体向界面扩散。 同时,界面附近的气相总压力比气相主体的总压力稍微低一点 ,将有A、B混合气体从主体向界面移动,称为整体移动(bulk
6、motion)。 2、一组分、一组分 A 通过另一停滞组分通过另一停滞组分 B 的扩散的扩散 1)一组分)一组分 A 通过通过另一停滞组分另一停滞组分 B 的扩散的扩散 2012-09-04 对于组分B来说,在气液界面附近不仅不被液相吸收,而且 还随整体移动从气相主体向界面附近传递。因此,界面处组分B 的浓度增大。而从主体向界面的整体移动所携带的B组分,其传 递速率以NBM表示。 在总压力恒定的条件下,因界面处组分A的分压力减小,则 组分B的分压力必定增大,则在界面与主体之间产生组分B的分 压力梯度,会有组分B从界面向主体扩散,扩散速率用JB表示。 两者大小相等,方向相反。则有: JBNBM
7、2012-09-04 物质传递的总量: 分子扩散的通量分子扩散的通量 总体流动通量总体流动通量 2012-09-04 C c NNy A A = 总体流动中物质B向右传递的通量为 C c NNy B B = C c NJN A AA += C c NJN B BB += 而0= B N C c NJ B B = C c NJ B A = 即 2)传质速率)传质速率 设总体流动通量为N N,其中物质A的总体流动通量为: 因此,物质传递的总量:因此,物质传递的总量: 2012-09-04 C c N C c NN AB A += A NN = 将 dz dc DJ A ABA = A NN =和代
8、入 C c NJN A AA += dz dc cC DC N A A A = 若扩散在气相中进行,则: RT p c A A = RT P C = 2012-09-04 dz dp pP P RT D N A A A = dzp dp RT DP N B A A = 即 分离变量后积分 = 2 1 0 B B p p B B z A p dp RT DP dzN 1 2 ln B B A p p zRT DP N= 2012-09-04 2211BABA pppp+=+ 1221BBAA pppp= )(ln 12 21 1 2 BB AA B B A pp pp p p zRT DP N
9、= )( 21AA Bm pp p P RTz D = 12 12 lnln BB BB Bm pp pp p = 为组分B分压力的对数平均值。 p/pBm称为漂流因子,因PpPpBm Bm,所以漂流因子 1? Bm p P 2012-09-04 )(ln 12 21 1 2 BB AA B B A pp pp p p zRT DP N = )( 21AA Bm pp p P RTz D = )( 12AAA pp zRT D N= 2012-09-04 漂流因数意义:其大小反映了总体流动对传质速率的影 响程度,其值为总体流动使传质速率较单纯分 子扩散增大的倍数。 1 Bm p p 1 Sm
10、c c 漂流因数的影响因素: 浓 度 高,漂流因数大,总体流动的影响大。 低浓度时,漂流因数近似等于1,总体流动的影响小。 2012-09-04 三、液相中稳定的分子扩散三、液相中稳定的分子扩散 1.1.特点:特点: 扩散速度小于气相中分子的扩散速度;扩散速度小于气相中分子的扩散速度; 扩散通量与气相中分子的扩散通量相等。扩散通量与气相中分子的扩散通量相等。 dz dc DJ A A = 因为:DG= DJ105 而: dz dc dz dc GL ? 故: GL JJ 液相中常发生的是一组分通过另一停滞组分的扩散。液相中常发生的是一组分通过另一停滞组分的扩散。 )( 21 AA Sm A c
11、c C C z D N= 2012-09-04 三、扩散系数三、扩散系数 分子扩散系数简称扩散系数扩散系数,它是物质的特性常数之一。 同一物质的扩散系数随介质的同一物质的扩散系数随介质的种类、温度、压强及浓度种类、温度、压强及浓度的 不同而变化; 的 不同而变化; 1、物质在气体中的扩散系数1、物质在气体中的扩散系数 气体A在气体B中(或B在A中)的扩散系数,可按马 克斯韦尔吉利兰(Maxwell-Gilliland)公式进行估算: 2 3 1 3 1 2 1 2 3 5 )( ) 11 (1036. 4 BA BA vvP MM T D + + = 2012-09-04 2、物质在液体中的扩
12、散系数2、物质在液体中的扩散系数 物质在液体中的扩散系数与组分的性质、温度、粘度以 及浓度有关。 对于很稀的非电解溶液,物质在液体中的扩散系数 sm TaM DAB/ )( 104 . 7 2 6 . 0 2/1 12 = 2012-09-04 扩散系数的意义:单位浓度梯度下的扩散通量,反 映某组分在一定介质中的扩散能力,是物质特性常数之 一;D,m2/s。 D的影响因素:A、B、T、P、浓度 D的来源:查手册;半经验公式;实验测定 2012-09-04 (1)气相中的D 范围:10-510-4m2/s 经验公式 =D pDT p T DpTfD )( 75. 1 , (2)液相中的D 范围:
13、10-1010-9m2/s =D DT T DTfD )( , 2012-09-04 四. 单相内的对流传质四. 单相内的对流传质 1涡流扩散或湍流扩散 流体作湍流运动时,若流体内部存在浓度梯度,流体质 点便会靠质点的无规则运动,相互碰撞和混合,组分从 高浓度向低浓度方向传递,这种现象称为涡流扩散。 z c DJ ee d d A ,A = e J ,A 涡流扩散速率,kmol/(m2s); e D涡流扩散系数,m2/s。 2012-09-04 1、涡流扩散1、涡流扩散: 凭籍流体质点的流动和旋涡质点的流动和旋涡来传递物质的现象。 扩散通量 : dz dc DDJ A E )(+= 2、对流传
14、质2、对流传质流动流体流体与两相界面界面之间的传质 1)固定界面1)固定界面气固两相或液固两相间的界面 注意:涡流扩散系数与分子扩散系数不同,不是物性常数,其 值与流体流动状态及所处的位置有关 。 2012-09-04 2)流动界面)流动界面 气液气液两相和液液液液两相间的界面 2012-09-04 T TW tW t 热流体冷流体 pA pAi cAi cA 气相液相 T tGL E 对流传热和传质过程比较 2012-09-04 有效层流膜层有效层流膜层的传质推动力:p-pp-pi i 从气相主体到相界面处的全部传质阻力都包含在此有效滞 流膜层之中,于是按分子扩散速率写出写出由气相气相主体至
15、 相界面的对流传质传质的速率关系式速率关系式: )()( iGi BmG A PPkPP p P RTZ D N= G k PPi /1 )( = 气膜传质阻力 气膜传质推动力 = 气相传质速率方程式气相传质速率方程式 2012-09-04 有效层流膜层有效层流膜层的传质推动力:p-pp-pi i 同理,也可将有效层流膜层的假想应用于相界面的液相一 侧,写出液相液相中对流传质传质的速率关系式速率关系式: ()cckcc c C Z D N iLi smL A =)( L k cci /1 )( = 液膜传质阻力 液膜传质推动力 = 液相传质速率方程式液相传质速率方程式 2012-09-04 五
16、、吸收机理五、吸收机理双膜理论双膜理论 相互接触的气液两相间有一个稳定的界面,相互接触的气液两相间有一个稳定的界面,界面上界面上没有传 质阻力, 没有传 质阻力,气液两相处于平衡状态气液两相处于平衡状态。 膜外的气液相主体中,流体流动为涡流,溶质的浓度均匀 ,传质的阻力可以忽略不计 膜外的气液相主体中,流体流动为涡流,溶质的浓度均匀 ,传质的阻力可以忽略不计,传质阻力集中在两层膜内传质阻力集中在两层膜内。 界面两侧分别存在着两层膜,气相一侧为界面两侧分别存在着两层膜,气相一侧为气膜气膜,液相一侧 为 ,液相一侧 为液膜液膜,膜内的流体是层流流动,溶质以分子扩散的方式 进行传质 膜内的流体是层流
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