食品工程原理-吸收与蒸馏(一)

第七章吸收与蒸馏本章学习的目的与要求了解扩散系数的影响因素掌握稳定分子扩散的基本计算与应用重点掌握等温条件下低浓度逆流吸收塔的计算与应用重点掌握两组份连续精馏塔的计算重点掌握逐板计算法及图解法求解理论板数的方法在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将有由高浓度区向低浓度区移动的趋势，该移动过程称为传质过程。分离过程包括机械分离和传质分离。机械分离：过滤、沉降等传质分离：吸收、蒸馏、干燥、萃取、膜分离等界面气相主体组分组分液相主体1扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）；2在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；3进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的扩散）；物质传递的三个步骤：第一节传质学基础混合物组成的表示方法名称符号定义单位质量浓度ρAmA/Vkg/m3物质量浓度cAnA/Vkmol/m3质量分率aAmA/(mA+mB)无因次摩尔分率气—yA、液—xAnA/(nA+nB)无因次摩尔比气—YA、液—XAnA/nB无因次物质在单相中的传递靠扩散，发生在流体中的扩散有分子扩散和涡流扩散两种。分子扩散：由浓度（或温度）不均引起，依靠分子的无规则热运动，主要发生在静止或层流流体中。涡流扩散：依靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质，主要发生在湍流流体中。（分子扩散同时存在）物质在单相中的扩散ABABABABdzdcDJAABA式中JA——物质A在z方向上的分子扩散通量，kmol/(m2s)dCA/dz——物质A的浓度梯度，kmol/m4DAB——物质A在介质B中的分子扩散系数，m2/s负号——表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。当物质A在介质B中发生扩散时，任一点处物质A的扩散通量与该位置上A的浓度梯度成正比，即：一、分子扩散与菲克定律扩散通量：单位时间内单位面积上扩散传递的物质量mol/(m2·s)。费克定律dzdcDJBBAB气体常用分压梯度表示，Z方向上等温扩散时有对于B组分：dzdPRTDJAA仿照分子扩散，涡流扩散通量dzdcDJAeB假定：pA1pA2pB1pB2pA1+pB1=pA2+pB2=PpA1pB1pA2pB2pPAB12在总压相同的情况下，联通管内任一截面上单位时间单位面积上向右传递的A分子的数量与向左传递的B分子的数量必定相等，此现象称为等分子反向扩散。二、气相中的稳定分子扩散速率（1）等摩尔（等分子）反向扩散温度与总压相等在任一固定的空间位置垂直于扩散方向的截面上，单位时间通过单位面积的A的净物质的量，称为A的传递速率，以NA表示。对于等分子反向扩散JA=-JB对于单纯的等分子反向扩散，物质A的传递速率应等于A的扩散通量。dzdpRTDdzdcDJNAAAA注意：在上述条件下，扩散为稳定过程，NA为常数；pA—z呈线性关系。上式分离变量并积分，积分条件为：z1=0，pA=pA1；z2=z，pA=pA2)(21AAAppRTzDNPpA1pB1z1PpB2pA2z2对于液体)(21AAAcczDN在气体吸收中溶质A溶解于溶剂中，惰性气体B不溶解于溶剂中，则液相中不存在组分B，此过程为组分A通过另一“静止”组分B的单向扩散。分子扩散；混合物的整体移动：AJB（2）单向扩散物料系统内的分子扩散是由物质浓度（或分压）差而引起的分子微观运动；整体流动是因系统内流体主体与相界面处存在总压差引起的流体宏观流动，起因于分子扩散。整体流动是一种分子扩散的伴生现象。3分子扩散和整体流动的关系对气体对液体)(21AABMAppppRTzDN1212lnBBBBpppppBM)(21AABmAcczcDcN等分子反向扩散)(21AAAppRTzDN)(21AABMApppPRTzDN比较上两式可以发现：单向扩散时的传质速率比等分子反向扩散时多了一个因子（P/pBM），称为“漂流因子”。显然P/pBM1，漂流因子的大小直接反映了整体流动在传质中所占分量的大小，即漂流因子体现了整体流动对传质速率的影响。单向扩散的传质通量分子扩散系数是物质的物性常数之一，表示物质在介质中的扩散能力；扩散系数取决于扩散质和介质的种类及温度等因素。对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；对于液体中的扩散，浓度的影响不可以忽略，而压强的影响不显著。物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借助于经验或半经验公式进行计算。三、分子扩散系数在湍流流体中同时存在涡流扩散和分子扩散（涡流扩散占主导地位），其总扩散通量为z)(ddcDDJAEA物质在湍流的流体中传质，主要凭藉湍流流体质点的湍动和旋涡引起流体各部分之间的剧烈混合，这使传质规模及速率都远大于分子扩散。湍流主体与相界面间的传质称为对流传质。1.2对流传质与相间传质1.对流传质非物性常数（1）单相内对流扩散的有效膜模型由气相主体至相界面的对流传质速率为（按有效滞流膜层内的分子扩散速率计算）)()(iGiBmGAppkpppRTzDpN式中NA——溶质A的对流传质速率，kmol/(m2s)；zG——气相有效滞流膜层厚度,m；kG——气膜吸收系数；p——气相主体中溶质A的分压,kPa；pi——相界面处溶质A的分压,kPa；pBM——惰性组分B在气相主体中与相界面处的分压的对数平均值,kPa；在液相中的传质速率为)()(cckccczCDNiLiSmLA式中zL——液相有效滞流膜层厚度，m；c——液相主体中的溶质A浓度，kmol/m3；ci——相界面处的溶质A浓度，kmol/m3；cSm——溶剂S在液相主题与相界面处的浓度的对数均值，kmol/m3；kL——液膜吸收系数或液膜传质系数根据浓度表示方法不同，可以得到不同的相内传质速率方程传质系数对流传质对流传热Sherwood数Reynold数Schmidt数待求函数为Sh=f(Re,Sc)DdkShdNuudReudReDScPrCP当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧分别存在着呈滞流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必须以分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度主要随流速而变，流速愈大厚度愈小。在相界面上气液两相相互成平衡，不存在传质阻力。在膜层以外的主体内，由于流体的充分湍动，溶质的浓度分布均匀，可认为两相主体中的浓度梯度为零，即浓度梯度全部集中在两个有效膜层中。用双膜理论解释具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质过程（如湿壁塔），与实际情况是大致相符合的。2.相间传质的双膜理论※pAcApA,icA,i气膜液膜相界面气相主体液相主体传质方向图双膜理论示意图溶质A在气相中的分压溶质A在液相中的摩尔浓度传质设备简介填料塔板式塔降液管填料层气体液体气体液体塔板气体液体气体液体1、散装填料2、规整填料