化工原理下2-2 传质机理

回顾：亨利定律几种表达式中系数的比较表达式系数名称单位影响因素“方向”关系P*=Ex亨利系数kPa温度系数大则难溶溶解度系数温度系数大则易溶y*=mxY*=mX相平衡常数无因次温度总压系数大则难溶SHMEkPamkmol3传质的基本方式•分子扩散(moleculardiffusion)在一相内部有浓度差异的条件下，由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。•涡流扩散(turbulentdiffusion)靠流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象。对流传质是指发生在运动着的流体与相界面之间的传质过程，在流体湍流的情况下，对流传质就是湍流主体与相界面之间的分子扩散与涡流扩散两种传质作用之和。2.2传质机理与吸收速率32.2传质机理与吸收速率2.2.1分子扩散与菲克定律2.2.2气相中的稳态分子扩散2.2.3液相中的稳态分子扩散2.2.4扩散系数(自学)2.2.5对流传质2.2.6吸收过程的机理分子扩散——简称扩散借助分子微观运动，使组分从浓度高处向浓度低处传递。——推动力为浓度差扩散过程的快慢——扩散通量（kmol/m2.s)分子微观运动：由于分子的无规则的随机热运动而产生的物质传质现象。2.2.1分子扩散与菲克定律尽管分子运动向各方向是无规则的，但是在浓度高处的分子向浓度低方向扩散表现为数量大，效率高，反之，浓度低处的分子向浓度高方向扩散的数量少，频率低，两处比较，则浓度高处向浓度低处扩散的量大。从而表现出沿浓度降低方向上质量的传递。AAABdcJDdz扩散通量＝负号：扩散是沿物质A浓度降低的方向菲克定律与牛顿粘性定律、傅立叶定律的对比dyduntdSdQ菲克定律牛顿粘性定律傅立叶定律一、等分子反方向扩散物质有宏观移动，一组份扩散，另一组份反向等量扩散，保证总浓度不变。A和B混合，A和B总量摩尔浓度不随位置而变ABc=cA+cB=常数ABdcdcdzdzAAABdcJDdz＝BBBAdcJDdz＝即JA＝-JBBAABDDD物质A的传质速率NA（单位时间、单位截面上传递的A量）AAAdcdpJDDdzRTdzAN=＝若为定态过程，则NA为常量边界条件：z1=0，pA＝pA1；z2=z，pA＝pA212()AADppRTzAN则传质速率为：一、等分子反方向扩散czz1z2JAJBOc0cA1cB2cA2cB1等分子反向扩散设A、B组分的气体混合物与液体接触，在相界面处，只有组分A可溶于液相，而组分B不溶于液相。A溶于液相，留下空缺，混合气体向液相表面递补，A、B分子递补运动成为“总体流动”N为总体流动的通量，c为A和B总浓度，则，N·(cA/c)代表A在总体流动中所占份额，N·(cB/c)代表B在总体流动中所占份额二、一组分通过另一停滞组分的扩散12示例：用水吸收空气中的氨相界面气相（A＋B）液相SANAJBJ总体流动B0N在多组分系统中，各组分在进行分子扩散的同时其微团常处于运动状态——总体流动现象。ANxBNx二、一组分通过另一停滞组分的扩散总体流动现象由于气相中B在传质方向上的静通量NB＝0即：NB＝JB+N·(cB/c)＝0-JB＝N·(cB/c)BBdcJDdz＝BdcDBcNcdzABdcdcDAAAABccNJNDcdzcdz在扩散运动和总体运动作用下：NA＝JA+N·(cA/c)NB＝JB+N·(cB/c)二、一组分通过另一停滞组分的扩散ABdcdcDAAAABccNJNDcdzcdzABABcccconstdcdcAAdcdcDAABcNDdzcdzAdc(1)ABccdzAdc()BABcccdzAdc()BccdzBdc()BAcNcdzABdcdcAdc()BAcNcdzBdp1()ABPNDpRTdz,,BBBBpdpPccdcRTRTRT21lnBABpDPNRTzpBB1BB2z=0,p=p;z=z,p=p,积分得B1A1B2A2A1A2B1B2p+p=p+p,即p-p=p-p21lnBABpDPNRTzpA1A2B1B2（p-p）（p-p）12lnBBPTzppDRA1AB122B（p-p）（p-p）DPRTzA1A2Bm（p-p）p)AcDNzA1A2Bm(c-c同得＝c理可Pc,BmBm漂流因子:pc21lnBABpDPNRTzp17比较—反映了总体流动对传质速率的影响。AA1A2()DNppRTz相差BmP/p飘流因数二、一组分通过另一停滞组分的扩散BM/PpADNRPTzBmA1A2（p-pp）18BmP/1pBmPp因为故BmP/1pAANJBmP/p～AN～总体流动影响无总体流动二、一组分通过另一停滞组分的扩散2.2.3液相中的稳态分子扩散)(21//AASmAcczccDN——溶质A在溶剂S中的扩散系数，m2/s。ABDS2S1SmS2S1ln(/)ccccc溶剂S的对数平均浓度式中202.2.4扩散系数③扩散系数的影响因素。①扩散系数的获取途径。②扩散系数的数值范围。自学提纲),,(PTfD介质种类估算查图表实测211.涡流扩散由于流体质点的湍动和旋涡而形成的物质传递现象称为涡流扩散。①涡流扩散在湍流流体中发生。2.2.5对流传质②在涡流扩散中，时刻存在分子扩散。③涡流扩散速率远远大于分子扩散速率。一、对流传质的概念22涡流扩散通量方程AAEd()dcJD+Dz(kmol/(m2·s))——分子扩散系数，m2/s；D——涡流扩散系数，m2/s。ED一、对流传质的概念232.对流传质运动流体与固体表面之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递过程——对流传质。描述对流传质的基本方程AAcNkckmol/(m2·s)对流传质速率方程——对流传质系数，kmol/(m2·s·△c)。ck一、对流传质的概念24二、对流传质的类型与机理1.对流传质的类型对流传质自然对流传质强制层流传质强制湍流传质√√对流传质流体与固体壁面间的传质两流体通过相界面的传质√强制对流传质√252.对流传质的机理所谓对流传质的机理是指在传质过程中，流体以哪种方式进行传质。研究对流传质速率需首先弄清对流传质的机理。层流内层缓冲层湍流中心sAcAfcA()cfr湍流流体流体与管壁间的浓度分布二、对流传质的类型与机理26湍流主体层流内层缓冲层传质机理：传质机理：浓度分布：传质机理浓度分布：浓度分布：分子传质涡流传质在与壁面垂直的方向上分为三层分子传质涡流传质为主为一陡峭直线为一渐缓曲线为一平坦曲线二、对流传质的类型与机理27双膜模型双膜模型由惠特曼(Whiteman)提出，是最早提出的一种传质模型。双膜模型示意图双膜模型（双阻力模型）2.2.6吸收过程的机理一、双膜模型☆二、溶质渗透理论三、表面更新理论281.双膜模型的要点①当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞膜——气膜和液膜，溶质A经过两膜层的传质方式为分子扩散。②在气液相界面处，气液两相处于平衡状态。③在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流体的强烈湍动，各处浓度均匀一致。29组分A通过气膜、液膜的扩散通量方程分别为AAAiGBm()DPNppRTzpAAiASmL()DcNcccz2.对流传质系数的确定30设对流传质速率方程分别为比较得AGAAi()NkppAiAAL()NkccBmGGpDPkRTzLLSmDkzcc气膜对流传质系数液膜对流传质系数比较得31根据双膜模型，推出双膜模型模型参数液膜厚度zL气膜厚度zGGkABD∝LkABD∝或32思考题作业题:41.何为“总体流动”，对传质过程有何影响？2.何为“漂流因子”，与主体流动有何关系？3.气体扩散系数与哪些因素有关？4.双膜模型的要点和模型参数是什么？练习题目