化工原理-吸收3剖析
71页1、5.3.单相传质 5.3.1.定态的一维分子扩散 5.3.5.单相对流传质速率方程 5.3.2.分子扩散系数 5.3.3.单相对流传质机理 5.3.6.界面上的浓度 5.3.4.双膜理论 本节教学要求 1、重点掌握的内容:单相传质过程及单相传质 速率方程; 2、熟悉的内容:单相扩散、分子扩散、扩散通量、 等分子反向扩散、漂流因子、分子 扩散系数、对流传质、涡流扩散、 有效膜概念及菲克定律; 3、了解的内容:分子扩散系数影响因素及估算; 4、难点:总体流动对传质的影响及单相传质速率。 5.3. 单相传质 当不平衡的气液两相接触时时,若yy*,则则 溶质质从气相向液相传递传递 ,为为吸收过过程,该过该过 程包括以下三个步骤骤: (1)溶质质由气相主体向相界面传递传递 ,即在单单一 相(气相)内传递传递 物质质; (2)溶质质在气液相界面上的溶解,由气相转转入 液相,即在相界面上发发生溶解过过程; (3)溶质质自气液相界面向液相主体传递传递 ,即 在单单一相(液相)内传递传递 物质质。 不论溶质在气相或液相,它在单一相里的 传递有两种基本形式: 一是分子扩散 二是对流传质 1分子扩散与菲克定
2、律 在静止或滞流流体内部,若某一组分存在 浓度差,则因分子无规则的热运动使该组分由 浓度较高处传递至浓度较低处,这种现象称为 分子扩散。 分子扩散: 531.定态的一维分子扩散 图5-12 两种气体相互扩散 当抽出中间间的隔板后,分子A借分子运动动 由高浓浓度的左室向低浓浓度的右室扩扩散,同理 气体B由高浓浓度的右室向低浓浓度的左室扩扩散, 扩扩散过过程进进行到整个容器里A、B两组组分浓浓度 均匀为为止。 如图图5-12所示的容器中,用一块块隔板 将容器分为为左右两室,两室分别别盛有温度及 压压强相同的A、B两种气体。 单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面 积扩散的物质量,J表示, kmol/(m2s)。 扩散通量: 菲克定律: 由两组组分A和B组组成的混合物,在恒定温度 、总压总压 条件下,若组组分A只沿z方向扩扩散,浓浓度 梯度为为dcA/dz则则任一点处组处组 分A的扩扩散通量与该该 处处A的浓浓度梯度成正比。 数学表达式为 : JA组分A扩散速率(扩散通量), kmol/(m2s); 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
3、着浓度降低的方向进行 (5-30) 组分A在扩散方向z上的浓度梯度,kmol/m4; 混合物的总浓总浓 度在各处处是相等的,即 所以任一时刻,任一处, (5-31) 而且, JA=JB (5-32) 将式(5-31)和式(5-32)代入菲克定 律式(5-30),得到; DAB=DBA=D (5-33) 式(5-33)说说明,在双组组分混合物中, 组组分A在组组分B中的扩扩散系数等于组组分B在组组 分A中的扩扩散系数。 2等分子反向扩散 如图图5-13所示 ,当通过连过连 通管内 任一截面处处两个组组 分的扩扩散速率大小 相等时时,此扩扩散称 为为等分子反向扩扩散 。 在任一固定的空间间位置上,单单位时间时间 内通 过过垂直于传递传递 方向的单单位面积传递积传递 的物质质量 ,记记作NA。 在等分子反向扩扩散中,组组分A的传质传质 速率 等于其扩扩散速率,即: (5-34) 传质传质 速率: z=0处处,cA=cA1;z=z处处,cA=cA2, 对对式(5-31)积积分 : 边边界条件: (5-35) 如果A、B组组成的混合物为为理想气体 ,式(5-35)可表示为为: (5-36) 从式
4、(5-34)可以看出,在等分子反向 扩扩散过过程中,扩扩散距离z与组组分的浓浓度成直 线线关系。 式(5-35)和式(5-36)为单纯为单纯 等 分子反向扩扩散速率方程积积分式。 3单单向扩扩散及速率方程 图5-14 单向扩散 如图图5-14吸收过过程,气相主体中的组组分 A扩扩散到界面,然后通过过界面进进入液相,而 组组分B由界面向气相主体反向扩扩散,但由于相 界面不能提供组组分B,造成在界面左侧侧附近 总压总压 降低,使气相主体与界面产产生一小压压差 ,促使A、B混合气体由气相主体向界面处处流 动动,此流动动称为为总总体流动动。 总总体流动动: 因总总体流动动而产产生的传递传递 速率分别为别为 组组分A因分子扩扩散和总总体流动总动总 和作用 所产产生的传质传质 速率为为NA,即: (5-37) 同理 : 组组分B不能通过过气液界面,故 代入式(5-37),得到: 即:(5-38) 将式(5-38)及菲克定律 代入式(5-37)得: 即: (5-39) 在z=0,cA=cA1;z=z,cA=cA2的边边界条件 下,对对式(5-39)进进行积积分得: (5-40) 式中 (5-41)
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