学时一对流传质的类型与机理化工传质与分离过程教学

一、对流传质的类型与机理2.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AscAfc)(rfcA湍流流体流体与管壁间的浓度分布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一、对流传质的类型与机理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、浓度边界层与对流传质系数1.浓度边界层(传质边界层)当流体流过固体壁面时，若流体与壁面处的浓度不同，则在与壁面垂直的方向上将建立起浓度梯度，该浓度梯度自壁面向流体主体逐渐减小。壁面附近具有较大浓度梯度的区域称为浓度边界层。yx0u0u)(yfu0AcAsc0AcD)(yfcA平板壁面的浓度边界层对于管道壁面管道壁面的浓度边界层充分发展的传质主体浓度0ueLiDr0AcDDL传质进口段长度进口段传质充分发展的传质二、浓度边界层与对流传质系数0)(AbAsAAscccczrdrirzurdrirczucAAb20202.对流传质系数稳态传质iAABArrdrdcSDGiAAbAsABrrdrdcccDck整理得对流传质系数理论求解公式二、浓度边界层与对流传质系数AscAbcirAN0su)(AsAbccSck求解对流传质系数的步骤求解运动方程和连续性方程，得出速度分布。求解传质微分方程，得出浓度分布。由浓度分布，得出浓度梯度。由壁面处的浓度梯度，求得对流传质系数。二、浓度边界层与对流传质系数三、相际间的对流传质的模型1.停滞膜模型惠特曼(Whiteman)提出，最早提出的一种传质模型。pbcb双膜模型（双阻力模型）双膜模型示意图(1)停滞膜模型的要点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。三、相际间的对流传质的模型(2)对流传质系数的确定①等分子反方向扩散组分A通过气膜、液膜的扩散通量方程分别为)(AbAiLABAcczDN三、相际间的对流传质的模型设对流传质速率方程分别为)(AiAbGAppkN)(AbAiLAcckN比较得GABGRTzDkLABLzDk三、相际间的对流传质的模型气膜对流传质系数液膜对流传质系数②组分A通过停滞组分B扩散组分A通过气膜、液膜的扩散通量方程分别为)(AiAbBMGABApppRTzPDN)(AbAiBMLABAcccavCzDN三、相际间的对流传质的模型设对流传质速率方程分别为比较得)(AiAbGAppkN)(AbAiLAcckNBMGABGpRTzPDkBMLABLczavCDk三、相际间的对流传质的模型气膜对流传质系数液膜对流传质系数根据停滞膜模型，推出ckABD停滞膜模型的模型参数液膜厚度zL气膜厚度zG∝三、相际间的对流传质的模型2.溶质渗透模型希格比(Higbie)提出，为非稳态模型。三、相际间的对流传质的模型溶质渗透模型示意图(1)溶质渗透模型的要点①液面由无数微小的液体单元所构成，当气液两相相互接触时，液相主体中的某些单元运动至相界面便停滞下来。在气液未接触前，液体单元中溶质的浓度和液相主体的浓度相等，接触开始后，相界面处立即达到与气相平衡状态。②随着接触时间的延长，溶质A通过不稳态扩散方式不断地向液体单元中渗透。三、相际间的对流传质的模型③液体单元在界面处暴露的时间是有限的，经过时间θc后，旧的液体单元即被新的液体单元所置换而回到液相主体中去。在液体单元深处，仍保持原来的主体浓度不变。④液体单元不断进行交换，每批液体单元在界面暴露的时间θc都是一样的。三、相际间的对流传质的模型(2)对流传质系数的确定按照溶质渗透模型，溶质A在液体单元内进行的是一维不稳态扩散过程。设系统内无化学反应，由分子传质微分方程简化可得22zcDcAABA三、相际间的对流传质的模型溶质渗透模型的数学模型数学模型22zcDcAABA定解条件,00AAccI.C1）2）,0zAiAcc0AAcc（对z≥0）（对θ0）（对θ≥0）z→∞，三、相际间的对流传质的模型B.C根据溶质渗透模型，解出ck2/1ABD溶质渗透模型的模型参数暴露时间c∝cABDcmk2三、相际间的对流传质的模型3.表面更新模型丹克沃茨(Danckwerts)提出，为非稳态模型。三、相际间的对流传质的模型(1)表面更新模型的要点①溶质向液相内部传质为非稳态分子扩散过程。②界面上液体单元有不同的暴露时间或称年龄，界面上各种不同年龄的液体单元都存在。③不论界面上液体单元暴露时间多长，被置换的概率是均等的。单位时间内表面被置换的分率称为表面更新率，用符号S表示。ck2/1ABD表面更新模型的模型参数表面更新率S根据表面更新模型，推出∝(2)对流传质系数的确定SDcmkAB三、相际间的对流传质的模型一、沿平壁降落液膜内的稳态传质某液体成膜状在垂直的表面上借重力作用下落，流动为稳态层流，降落液膜与气体混合物接触，气相中的溶质组分A向液相中溶解。1.传质的物理模型工程示例：湿壁塔下降液膜内的稳态传质2.数学模型的建立0zuyuxuzyx需同时求解以下方程：连续性方程运动方程对流扩散方程0(一维)一、沿平壁降落液膜内的稳态传质zuuyuuxuuuyzyyyxy0(稳态)0(一维)0(连续性方程)0(一维)0(自由表面)0(平板很宽)0xuy0(连续性方程)0yuyY=g)(1222222zuyuxuyPYyyy一、沿平壁降落液膜内的稳态传质zcuycuxcucAzAyAxA0(稳态)0(一维)0(一维)0(平板很宽)0xcA0(充分发展传质)常数ycA0(无化反)AAAAABRzcycxcD)(222222一、沿平壁降落液膜内的稳态传质连续性方程与运动方程化简结果为022gdzudy对流扩散方程化简结果为22zcDycuAABAy一、沿平壁降落液膜内的稳态传质B.C,z,0z1）2）0yu0zduy流动数学模型022gdzudyB.C22zcDycuAABAy,0z,z1）2）AiAcc0zcA3）,0y0AAcc传质数学模型一、沿平壁降落液膜内的稳态传质自由表面0固体壁面无扩散练习题目思考题作业题:141.对流传质与对流传热有何异同？2.提出对流传质模型的意义是什么？3.停滞膜模型，溶质渗透模型和表面更新模型的要点是什么，各模型求得的传质系数与扩散系数有何关系，其模型参数是什么？