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1、化工原理课件 气体吸收第1页，共51页，编辑于2022年，星期五（2）数学描述：）数学描述：n其中：其中：nJAo：涡流扩散通量，：涡流扩散通量，kmol/m2.sn D：涡流扩散系数：涡流扩散系数eddy diffusivityn物理意义：表明涡流扩散能力的大小物理意义：表明涡流扩散能力的大小n与与D不同，不是物性常数不同，不是物性常数n影响因素有：物性、操作条件，影响因素有：物性、操作条件，湍动程度、湍动程度、流道的几何位置、以及壁粗糙度流道的几何位置、以及壁粗糙度n较难计算和确定较难计算和确定第2页，共51页，编辑于2022年，星期五2、对流传质：、对流传质：n（1）定义：）定义：n指壁
2、面（或相界面）与运动流体之间，或两指壁面（或相界面）与运动流体之间，或两个有限互溶的运动流体之间的传质个有限互溶的运动流体之间的传质n包括：包括：湍流主体与相界面之间的涡流扩散湍流主体与相界面之间的涡流扩散 分子扩散分子扩散第3页，共51页，编辑于2022年，星期五（2）对流传质的类型：）对流传质的类型：na、根据流体的流动发生原因：、根据流体的流动发生原因：n强制对流传质强制对流传质：n工业传质单元操作：蒸馏、吸收、萃取工业传质单元操作：蒸馏、吸收、萃取n又分强制层流、强制湍流又分强制层流、强制湍流n自然对流传质自然对流传质第4页，共51页，编辑于2022年，星期五b、按流体的作用方式：、按
3、流体的作用方式：n流体作用于可溶性固体壁面：流体作用于可溶性固体壁面：n如干燥、吸附、浸取如干燥、吸附、浸取n相际间的传质（通过相界面）相际间的传质（通过相界面）n与两相接触状态有关与两相接触状态有关n如吸收、蒸馏等如吸收、蒸馏等第5页，共51页，编辑于2022年，星期五（3）对流传质的机理：）对流传质的机理：n以流体强制湍流流过固体壁面时的传质过程以流体强制湍流流过固体壁面时的传质过程为例为例第6页，共51页，编辑于2022年，星期五n壁面附近：三个部分的传质机理有很大差别壁面附近：三个部分的传质机理有很大差别n层流内层层流内层：分子扩散（壁面与流体之间的传质）：分子扩散（壁面与流体之间的传
4、质）n特点：浓度梯度很大，浓度分布曲线很陡，为一直线，用特点：浓度梯度很大，浓度分布曲线很陡，为一直线，用费克第一定律表示其数学模型费克第一定律表示其数学模型n缓冲层缓冲层：n层流：分子扩散层流：分子扩散 浓度梯度介于中间，分布曲线也介浓度梯度介于中间，分布曲线也介于二者之间于二者之间n旋涡：涡流扩散旋涡：涡流扩散n湍流主体湍流主体：强烈的旋涡运动，涡流扩散：强烈的旋涡运动，涡流扩散分子扩散分子扩散n由于旋涡进行强烈的混合，浓度梯度很小，浓度分布曲由于旋涡进行强烈的混合，浓度梯度很小，浓度分布曲线较为平坦线较为平坦第7页，共51页，编辑于2022年，星期五（4）对流传质速率：）对流传质速率：n
5、描述对流传质的基本方程：描述对流传质的基本方程：对流传质速率方程对流传质速率方程n仿造对流给热之仿造对流给热之牛顿冷却定律牛顿冷却定律n传质速率传质速率 界面浓度与流体主体浓度之差（相内传质界面浓度与流体主体浓度之差（相内传质推动力）推动力）nNA=kccAn其中：其中：cA：组分：组分A在界面处的浓度与流体主体浓度之差，在界面处的浓度与流体主体浓度之差，kmol/m2；nkc：气（液）相（膜）传质系数：气（液）相（膜）传质系数film coefficient或传质分或传质分系数，系数，kmol/（m2.s.推动力）推动力）第8页，共51页，编辑于2022年，星期五n即即：NA=kG(p pi
6、)n NA=ky(y yi)气相气相n NA=kL(ci c)n NA=kx(xi x)液相液相n 注意注意：n下标：下标：i：界面处气（液）相的浓度：界面处气（液）相的浓度n下标下标i与与e的差别的差别n则则 ky=pkG，kx=cMkLn可将所有影响对流传质的复杂因素归结到气（液）相可将所有影响对流传质的复杂因素归结到气（液）相（膜）传质系数之中，并利用实验求得（膜）传质系数之中，并利用实验求得第9页，共51页，编辑于2022年，星期五3、相际对流传质模型：数学模型法、相际对流传质模型：数学模型法n计算对流传质速率计算对流传质速率对流传质系数对流传质系数n假定假定数学模型数学模型计算式计算
7、式n目的：靠实验来解决传质速率问题目的：靠实验来解决传质速率问题第10页，共51页，编辑于2022年，星期五（1）双膜理论（停滞膜模型，有效）双膜理论（停滞膜模型，有效膜模型，双阻力模型膜模型，双阻力模型two film theorytwo film theory）nWhiteman，1923年年n最早由最早由晶体溶解时固、液间传质晶体溶解时固、液间传质的模型发的模型发展而来展而来n主要由边界层理论推出主要由边界层理论推出第11页，共51页，编辑于2022年，星期五第12页，共51页，编辑于2022年，星期五n假定（要点）假定（要点）：n流动状态气液两相相互接触时，气液两相间存在着稳定的流动状
8、态气液两相相互接触时，气液两相间存在着稳定的相界面，两侧各有一个很薄的静止膜。相界面，两侧各有一个很薄的静止膜。A分子通过两层分子通过两层膜的传质方式：定态的分子扩散膜的传质方式：定态的分子扩散n相界面处流体湍动消失，气液两相处于相平衡状态，相界面处流体湍动消失，气液两相处于相平衡状态，界面无阻力；界面无阻力；n膜外的气液两相主体中，由于流体的强烈湍动，各膜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；处浓度均匀一致；n重点重点：在于传质阻力集中在两个静止膜层内，可用分子：在于传质阻力集中在两个静止膜层内，可用分子扩散理论进行数学描述，对是否存在主体流动都可以应用扩散理论进行数学描
9、述，对是否存在主体流动都可以应用第13页，共51页，编辑于2022年，星期五nb、确定对流传质系数：、确定对流传质系数：n单向扩散：单向扩散：n气相：气相：n 则则 n液相：液相：n 则则 则（对流传质通量）则（对流传质通量）=（对流传质系数）（对流传质系数）*（浓度差）（浓度差）第14页，共51页，编辑于2022年，星期五c、模型参数：、模型参数：n G、L：（当量、虚拟）膜厚（当量、虚拟）膜厚n可由实验测定可由实验测定第15页，共51页，编辑于2022年，星期五d、结论：、结论：n根据双膜理论，对流传质系数根据双膜理论，对流传质系数 k Dn优点优点：n简单，与实际情况大体符合简单，与实际
10、情况大体符合n特别对具有固定传质表面、周围流体又是高特别对具有固定传质表面、周围流体又是高度湍动的系统度湍动的系统n据此模型所确定的传质速率关系，至今仍是据此模型所确定的传质速率关系，至今仍是传质设备设计的主要依据传质设备设计的主要依据，可给出许多数据，可给出许多数据，具有普遍意义具有普遍意义第16页，共51页，编辑于2022年，星期五n缺点缺点：n对传质机理假定过于简单，尤其是不存在固对传质机理假定过于简单，尤其是不存在固定相界面的高度湍动传质设备（相界面较大，定相界面的高度湍动传质设备（相界面较大，旋涡往往使表面不断更新），而且浓度梯度旋涡往往使表面不断更新），而且浓度梯度不稳定不稳定n双
11、膜理论并不能反映出传质的真实情况双膜理论并不能反映出传质的真实情况n实际实际kG DG0.67，证明膜厚不仅与流动状态，证明膜厚不仅与流动状态有关，而且与有关，而且与D有关，不易测定有关，不易测定n液液系统内的界面不能忽略其阻力液液系统内的界面不能忽略其阻力第17页，共51页，编辑于2022年，星期五(2)溶质渗透理论溶质渗透理论 penetration theorypenetration theorynHigbie（汉格比），（汉格比），1935年年n非定态模型非定态模型n针对双膜理论的缺点，气液两相在高度湍动针对双膜理论的缺点，气液两相在高度湍动状况下互相接触，不可能存在一个稳定的相状况下
12、互相接触，不可能存在一个稳定的相界面，且不会存在两个稳定的静止膜层界面，且不会存在两个稳定的静止膜层第18页，共51页，编辑于2022年，星期五na、假定：、假定：n液面由无数个微小的流体单元所构成，到界面处会停滞液面由无数个微小的流体单元所构成，到界面处会停滞下来下来n 0时，流体单元中：时，流体单元中：cA=cA0（起始浓度）（起始浓度）n 0时，时，z=0（相界面处）：（相界面处）：cA=cAi：气液平衡：气液平衡n延长，延长，A通过非定态扩散方式不断地向流体单元中通过非定态扩散方式不断地向流体单元中渗透，时间越长，渗透越深，但渗透，时间越长，渗透越深，但有限有限n 0时，旧的流体单元被
13、新的所置换回到液相主体中：时，旧的流体单元被新的所置换回到液相主体中：（流体单元深处（流体单元深处)：cA=cA0；n流体单元不断被更换，每批流体单元在界面更新的流体单元不断被更换，每批流体单元在界面更新的时间都一样时间都一样n界面无阻力，气液两相达平衡界面无阻力，气液两相达平衡第19页，共51页，编辑于2022年，星期五n开始时开始时(=0)，液体具有均匀的浓度，液体具有均匀的浓度c0，位于液，位于液相表面的液相流体单元的浓度也为相表面的液相流体单元的浓度也为c0第20页，共51页，编辑于2022年，星期五n气液一旦接触气液一旦接触(0)，界面上的浓度立即变为平衡，界面上的浓度立即变为平衡浓
14、度浓度ci(cz=0=ci)n此时其它部位仍保持着此时其它部位仍保持着c0，出现，出现(dc/dz)max；导致；导致A从界面向附近液体进行不稳定扩散，溶质渗入从界面向附近液体进行不稳定扩散，溶质渗入液相内液相内第21页，共51页，编辑于2022年，星期五n随着扩散的进行，先是离界面近的液体浓度提高随着扩散的进行，先是离界面近的液体浓度提高n然后逐渐向液相内部位移然后逐渐向液相内部位移n则在相界面附近的液层内形成随时间变化的浓度分布则在相界面附近的液层内形成随时间变化的浓度分布n而液内深处仍为主体浓度而液内深处仍为主体浓度c0第22页，共51页，编辑于2022年，星期五第23页，共51页，编辑
15、于2022年，星期五b、确定对流传质系数：、确定对流传质系数：n偏微分方程，费克第二定律偏微分方程，费克第二定律n平均对流传质系数：平均对流传质系数：n即即 n由由Sherwood等人的实验数据所证实等人的实验数据所证实第24页，共51页，编辑于2022年，星期五c、模型参数：、模型参数：n 0：溶质渗透时间：溶质渗透时间n无法定量获得无法定量获得第25页，共51页，编辑于2022年，星期五4、结论：、结论：n优点优点：n比双膜理论更准确，放弃了定态扩散比双膜理论更准确，放弃了定态扩散n并指出了液体定期混合对传质的作用并指出了液体定期混合对传质的作用n缺点缺点：n 0的求算较为困难的求算较为困
16、难n假设微元寿命相同，就仍未摆脱停滞膜的假假设微元寿命相同，就仍未摆脱停滞膜的假设条件，具有一定的局限性设条件，具有一定的局限性第26页，共51页，编辑于2022年，星期五（3）表面更新理论：）表面更新理论：Surface renewal theorySurface renewal theorynDanckwerts，P.V.（丹寇沃茨），（丹寇沃茨），1951年年n英国剑桥大学化学工程系英国剑桥大学化学工程系n对渗透理论的修正对渗透理论的修正第27页，共51页，编辑于2022年，星期五na、假定：、假定：n否认表面上的流体单元具有相同的溶质渗透否认表面上的流体单元具有相同的溶质渗透（暴露）时
17、间（暴露）时间n认为液体表面是由不同溶质渗透时间（年龄）认为液体表面是由不同溶质渗透时间（年龄）的液面单元所构成的液面单元所构成n年龄分布的概念：年龄愈大者，占据的比例年龄分布的概念：年龄愈大者，占据的比例愈小愈小n年龄分布的函数：年龄分布的函数：（）第28页，共51页，编辑于2022年，星期五n不论界面上液面单元暴露时间多长，被置换不论界面上液面单元暴露时间多长，被置换的概率是均等的，即更新频率与年龄无关的概率是均等的，即更新频率与年龄无关n无论气相或液相都可能发生上述的过程，故无论气相或液相都可能发生上述的过程，故两相表面是不断更新的；两相表面是不断更新的；n每个进入界面的微元均按瞬变传质
18、的规律向每个进入界面的微元均按瞬变传质的规律向液膜内渗透液膜内渗透第29页，共51页，编辑于2022年，星期五b、确定对流传质系数：、确定对流传质系数：n即即 第30页，共51页，编辑于2022年，星期五C、模型参数：、模型参数：n表面更新率表面更新率S：单位时间内表面被置换的分率：单位时间内表面被置换的分率n仍不可得仍不可得第31页，共51页，编辑于2022年，星期五d、结论：、结论：n优点优点：n没有规定固定不变的停留时间，表面更新是没有规定固定不变的停留时间，表面更新是随机发生的随机发生的nS可以通过一定方法测得，与流体动力学条可以通过一定方法测得，与流体动力学条件及系统的几何形状有关件
19、及系统的几何形状有关第32页，共51页，编辑于2022年，星期五n后两种理论：后两种理论：n优点优点：指明了强化传质的途径；：指明了强化传质的途径；n缺点缺点：参数难以确定，实际应用受到很大限：参数难以确定，实际应用受到很大限制制第33页，共51页，编辑于2022年，星期五n其他理论：其他理论：nToor&Marchello（1958年）：年）：n膜膜-渗透理论渗透理论Film-penetration model for mass and heat transfer n认为早期的每个理论都是他们理论的一个特认为早期的每个理论都是他们理论的一个特殊的极限情况殊的极限情况n总之，传质理论还不成熟，
20、正在发展总之，传质理论还不成熟，正在发展第34页，共51页，编辑于2022年，星期五Herbert L.Toornchemical engineeringnHead of the Chemical Engineering Department at Carnegie Mellonn Dean of Carnegie Institute of TechnologynTransport phenomena,heat and mass transfer,and diffusion-reaction kinetics 第35页，共51页，编辑于2022年，星期五Pittsburgh,Pennsylva
21、nia 第36页，共51页，编辑于2022年，星期五4、动量、热量与质量传递之间的类比：、动量、热量与质量传递之间的类比：n目的：求解湍流传质系数的方法目的：求解湍流传质系数的方法n（1）三传类比的基本概念：类似之处：）三传类比的基本概念：类似之处：n传递机理：传递机理：n传递的数学模型（包括数学表达式及边界条传递的数学模型（包括数学表达式及边界条件）件）n数学模型的求解方法及求解结果类似数学模型的求解方法及求解结果类似n（2）三传类比表达式（类似律）：）三传类比表达式（类似律）：n雷诺：雷诺：1874年年第37页，共51页，编辑于2022年，星期五8.4 8.4 相际传质相际传质相内传质的综
22、合相内传质的综合第38页，共51页，编辑于2022年，星期五一、相际传质速率：一、相际传质速率：n传质的三个步骤：同间壁传热传质的三个步骤：同间壁传热n处理方法也相似处理方法也相似n引入了总传质系数，使相际传质速率的计算引入了总传质系数，使相际传质速率的计算能避开气液两相的传质系数能避开气液两相的传质系数n因为界面组成同壁温一样是很难测定的因为界面组成同壁温一样是很难测定的第39页，共51页，编辑于2022年，星期五1、相际传质速率方程：相际传质速率方程：nNA=ky(y-yi)，NA=kx(x-xi)n定态过程：相界面无物质积累定态过程：相界面无物质积累n则进出相界面的传质速率相等，浓度梯度
23、自则进出相界面的传质速率相等，浓度梯度自动调整动调整n且界面上无传质阻力：气液两相呈相平衡且界面上无传质阻力：气液两相呈相平衡第40页，共51页，编辑于2022年，星期五n当稀溶液遵循亨利定律：当稀溶液遵循亨利定律：yi=mxn令令 则则 n 其中：其中：nKy：以气相摩尔分率差（：以气相摩尔分率差（y-ye）为推动力的）为推动力的总传质系数总传质系数overall mass transfer coefficentn单位：单位：kmol/m2.s第41页，共51页，编辑于2022年，星期五n另一种处理：另一种处理：n解吸与吸收的表达形式正好相反解吸与吸收的表达形式正好相反第42页，共51页，编
24、辑于2022年，星期五2、传质速率方程的各种表达形式：、传质速率方程的各种表达形式：n源于气液两相所含溶质多少的多种表达形式源于气液两相所含溶质多少的多种表达形式n则传质推动力，继而传质系数、传质速率方则传质推动力，继而传质系数、传质速率方程的表达形式也有多种程的表达形式也有多种n传质速率方程：还分为两种传质速率方程：还分为两种n总的总的：采用任一相主体组成与另一相溶质组：采用任一相主体组成与另一相溶质组成相对应的平衡组成之差表示推动力成相对应的平衡组成之差表示推动力n单相单相（膜）：采用一相主体与相界面处的组（膜）：采用一相主体与相界面处的组成之差表示推动力成之差表示推动力第43页，共51页
25、，编辑于2022年，星期五注意注意：n（1）各种传质速率方程是等效的，计算的是同一个）各种传质速率方程是等效的，计算的是同一个NAn（2）不同传质速率方程对应不同的传质系数，但单）不同传质速率方程对应不同的传质系数，但单位都是位都是kmol/（m2.s.单位推动力），物理意义也相同，单位推动力），物理意义也相同，但数值不同但数值不同 n（3）对吸收过程，仅适用于描述吸收塔内任一截面）对吸收过程，仅适用于描述吸收塔内任一截面的速率关系的速率关系n而不能直接用来描述全塔的吸收速率而不能直接用来描述全塔的吸收速率n因为气液组成不同（推动力不同）因为气液组成不同（推动力不同）n（4）总传质系数必然低于
26、在相同条件下各自的膜传质系数）总传质系数必然低于在相同条件下各自的膜传质系数 第44页，共51页，编辑于2022年，星期五二、传质阻力的控制步骤与界面含量：二、传质阻力的控制步骤与界面含量：n如如 n即总传质阻力即总传质阻力=气相传质阻力气相传质阻力+液相传质阻力液相传质阻力第45页，共51页，编辑于2022年，星期五传质传质阻力集中于气相阻力集中于气相传质传质阻力集中于液相阻力集中于液相气相阻力控制气相阻力控制过过程程（气膜控制（气膜控制过过程）程）Gas-film controlled process液相阻力控制液相阻力控制过过程程（液膜控制（液膜控制过过程）程）Liquid-film c
27、ontrolled process易溶气体易溶气体难难溶气体溶气体溶解度大，溶解度大，m小小溶解度小，溶解度小，m大大如如NH3(HCl)-水，水，水蒸气水蒸气浓浓硫酸硫酸如如CO2(O2，H2)-水水第46页，共51页，编辑于2022年，星期五n同传热过程相似同传热过程相似n不同的是气液相平衡对阻力分配有很大影响不同的是气液相平衡对阻力分配有很大影响n实际吸收过程是气液两相阻力各占一定比例实际吸收过程是气液两相阻力各占一定比例n讨论控制过程的必要性在于：提高传质速率讨论控制过程的必要性在于：提高传质速率的方法与之相关的方法与之相关n指明了过程强化的方向指明了过程强化的方向n如：气阻控制：提高如：气阻控制：提高G，可明显提高，可明显提高Ky及及NA，而提高，而提高L的作用很小的作用很小第47页，共51页，编辑于2022年，星期五第48页，共51页，编辑于2022年，星期五第49页，共51页，编辑于2022年，星期五n推论：对于任何串联过程，若有推论：对于任何串联过程，若有低速率的环低速率的环节，必然成为整个过程的控制因素节，必然成为整个过程的控制因素n无论传热或传质无论传热或传质n总结：总结：n吸收过程的机理：分子扩散和对流传质吸收过程的机理：分子扩散和对流传质第50页，共51页，编辑于2022年，星期五n作业：作业：3，5第51页，共51页，编辑于2022年，星期五