化工原理下2-2傳質(zhì)機(jī)理

1、回顧：亨利定律幾種表達(dá)式中系數(shù)的比較回顧：亨利定律幾種表達(dá)式中系數(shù)的比較表達(dá)式表達(dá)式系數(shù)系數(shù)名稱名稱單位單位影響影響因素因素“方向方向”關(guān)系關(guān)系P*=Ex亨利亨利系數(shù)系數(shù)kPa溫度溫度系數(shù)大系數(shù)大則難溶則難溶溶解度溶解度系數(shù)系數(shù)溫度溫度系數(shù)大系數(shù)大則易溶則易溶y*=mxY*=mX相平衡相平衡常數(shù)常數(shù)無(wú)因次無(wú)因次溫度溫度總壓總壓系數(shù)大系數(shù)大則難溶則難溶SHMEkPamkmol3傳質(zhì)的基本方式傳質(zhì)的基本方式 分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散(molecular diffusion) 在一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由于分子的在一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由于分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而造成

2、的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。 渦流擴(kuò)散渦流擴(kuò)散(turbulent diffusion) 靠流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦來(lái)傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。靠流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦來(lái)傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。 對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)是指發(fā)生在運(yùn)動(dòng)著的流體與相界面之是指發(fā)生在運(yùn)動(dòng)著的流體與相界面之間的傳質(zhì)過(guò)程，在流體湍流的情況下，對(duì)流傳質(zhì)間的傳質(zhì)過(guò)程，在流體湍流的情況下，對(duì)流傳質(zhì)就是湍流主體與相界面之間的分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)就是湍流主體與相界面之間的分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散兩種傳質(zhì)作用之和。散兩種傳質(zhì)作用之和。2.2 傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率32.2 傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率2.2.1 分子擴(kuò)散與菲克定律2.2.2 氣相中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散2.2.3 液相中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散2.

3、2.4 擴(kuò)散系數(shù)(自學(xué))2.2.5 對(duì)流傳質(zhì)2.2.6 吸收過(guò)程的機(jī)理分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散簡(jiǎn)稱擴(kuò)散簡(jiǎn)稱擴(kuò)散借助分子微觀運(yùn)動(dòng)，使組分從濃度高處向濃借助分子微觀運(yùn)動(dòng)，使組分從濃度高處向濃度低處傳遞。度低處傳遞。推動(dòng)力為推動(dòng)力為濃度差濃度差v擴(kuò)散過(guò)程的快慢擴(kuò)散過(guò)程的快慢擴(kuò)散通量（擴(kuò)散通量（kmol/m2.s)分子微觀運(yùn)動(dòng)分子微觀運(yùn)動(dòng)：由于分子的：由于分子的無(wú)規(guī)則的隨機(jī)無(wú)規(guī)則的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的物質(zhì)傳質(zhì)現(xiàn)象。而產(chǎn)生的物質(zhì)傳質(zhì)現(xiàn)象。2.2.1分子擴(kuò)散與菲克定律分子擴(kuò)散與菲克定律 盡管分子運(yùn)動(dòng)向各方向是無(wú)規(guī)則的，但是盡管分子運(yùn)動(dòng)向各方向是無(wú)規(guī)則的，但是在在濃度高處濃度高處的分子向濃度的分子向濃度低方向擴(kuò)

4、散低方向擴(kuò)散表現(xiàn)為表現(xiàn)為數(shù)量數(shù)量大大，效率高，反之，效率高，反之，濃度低處濃度低處的分子的分子向向濃度高方向擴(kuò)散濃度高方向擴(kuò)散的的數(shù)量數(shù)量少少，頻率低，兩處比，頻率低，兩處比較，則較，則濃度高處向濃度低處擴(kuò)散的量大濃度高處向濃度低處擴(kuò)散的量大。 從而表現(xiàn)出沿濃度降從而表現(xiàn)出沿濃度降低方向上質(zhì)量的傳遞。低方向上質(zhì)量的傳遞。AAABdcJDdz擴(kuò)散通量負(fù)號(hào)：擴(kuò)散是沿物質(zhì)負(fù)號(hào)：擴(kuò)散是沿物質(zhì)A濃度降低的方向濃度降低的方向菲克定律菲克定律與牛頓粘性定律、傅立葉定律的對(duì)比與牛頓粘性定律、傅立葉定律的對(duì)比dyduntdSdQ菲克定律菲克定律牛頓粘性定律牛頓粘性定律傅立葉定律傅立葉定律一、等分子反方向擴(kuò)散一、

5、等分子反方向擴(kuò)散物質(zhì)有宏觀移動(dòng)，一組份擴(kuò)散，另一組份物質(zhì)有宏觀移動(dòng)，一組份擴(kuò)散，另一組份反向反向等量等量擴(kuò)散，保證總濃度不變。擴(kuò)散，保證總濃度不變。A和和B混合，混合，A和和B總量摩爾總量摩爾濃度不隨位置而變濃度不隨位置而變ABc=cA+cB=常數(shù)常數(shù)ABdcdcdzdz AAABdcJDdzBBBAdcJDdz即即JA-JBBAABDDD物質(zhì)物質(zhì)A的的傳質(zhì)速率傳質(zhì)速率NA（單位時(shí)間、單位截（單位時(shí)間、單位截面上傳遞的面上傳遞的A量）量）AAAdcdpJDDdzRT dz AN = 若為定態(tài)過(guò)程，則若為定態(tài)過(guò)程，則NA為常量為常量邊界條件：邊界條件：z1=0，pApA1； z2=z，pApA2

6、12()AADppRTzAN則傳質(zhì)速率為：則傳質(zhì)速率為：一、等分子反方向擴(kuò)散一、等分子反方向擴(kuò)散czz1z2JAJBOc0cA1cB2cA2cB1 等分子反向擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散 設(shè)設(shè)A、B組分的氣體混合物與液體接觸，在相界面組分的氣體混合物與液體接觸，在相界面處，只有組分處，只有組分A可溶于液相可溶于液相，而組分，而組分B不溶于液相。不溶于液相。A溶于液相，留下溶于液相，留下空缺空缺，混合氣體向液相表面，混合氣體向液相表面遞補(bǔ)遞補(bǔ)，A、B分子遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)成為分子遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)成為“總體流動(dòng)總體流動(dòng)” N為總體流動(dòng)的通量，為總體流動(dòng)的通量，c為為A和和B總濃度，則，總濃度，則，N(cA/c)代表代表A在總

7、體流動(dòng)中所占份額，在總體流動(dòng)中所占份額， N(cB/c)代表代表B在總體流動(dòng)中所占份額在總體流動(dòng)中所占份額二、一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散12示例：用水吸收空氣 中的氨相界面氣相（AB）液相 SANAJBJ總體流動(dòng)B0N 在多組分系統(tǒng)中，各組分在進(jìn)行分子擴(kuò)散的同時(shí)其微團(tuán)常處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)總體流動(dòng)現(xiàn)象。ANxBNx二、一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散總體流動(dòng)現(xiàn)象由于氣相中由于氣相中B在傳質(zhì)方向上的靜通量在傳質(zhì)方向上的靜通量NB0即：即：NBJB+ N(cB/c)0-JB N(cB/c)BBdcJDdzBdcDBcNcdzABdcdcDAAAABccNJNDcdzcdz 在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和總體運(yùn)動(dòng)作用下：在擴(kuò)散

8、運(yùn)動(dòng)和總體運(yùn)動(dòng)作用下：NAJA+ N(cA/c)NBJB+ N(cB/c)二、一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散ABdcdcDAAAABccNJNDcdzcdz ABABcccconstdcdc AAdcdcDAABcNDdzcdz Adc(1)ABccdz Adc()BABcccdz Adc()Bccdz Bdc()BAcNcdzABdcdc Adc()BAcNcdz Bdp1()ABPNDpRT dz,BBBBpdpPccdcRTRTRT21lnBABpDPNRTzpBB1BB2z=0,p =p ;z=z,p =p ,積分得B1A1B2A2A1A2B1B2p +p =p +p ,即p -p =p

9、 -p21lnBABpDPNRTzpA1A2B1B2（p -p ）（p -p ）12lnBBPTzppDRA1AB122B（p -p ）（p -p ）DPRTzA1A2Bm（p -p ）p)AcDNzA1A2Bm(c -c同得c理可Pc,BmBm漂流因子:pc21lnBABpDPNRTzp17比較 反映了總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響。 AA1A2()DNppRTz相差BmP/ p飄流因數(shù)二、一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散BM/P pADNRPTzBmA1A2（p -pp）18BmP/1pBmPp因?yàn)楣蔅mP/1pAANJBmP/ pAN總體流動(dòng)影響無(wú)總體流動(dòng)二、一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散2.2.3

10、液相中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散液相中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散)(21/AASmAcczccDN溶質(zhì)A在溶劑S中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s 。ABDS2S1SmS2S1ln(/)ccccc溶劑 S 的對(duì)數(shù)平均濃度式中202.2.4 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)的影響因素。擴(kuò)散系數(shù)的獲取途徑。擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)值范圍。自學(xué)提綱 ),(PTfD介質(zhì)種類(lèi)估算查圖表實(shí)測(cè)21 1.渦流擴(kuò)散 由于流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象稱為渦流擴(kuò)散。 渦流擴(kuò)散在湍流流體中發(fā)生。2.2.5 對(duì)流傳質(zhì) 在渦流擴(kuò)散中，時(shí)刻存在分子擴(kuò)散。 渦流擴(kuò)散速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散速率。一、對(duì)流傳質(zhì)的概念22渦流擴(kuò)散通量方程AAEd()dcJD +Dz (kmol/(m2

11、 s )分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s ；D渦流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s 。ED一、對(duì)流傳質(zhì)的概念232.對(duì)流傳質(zhì) 運(yùn)動(dòng)流體與固體表面之間，或兩個(gè)有限互溶的運(yùn)動(dòng)流體之間的質(zhì)量傳遞過(guò)程對(duì)流傳質(zhì)。 描述對(duì)流傳質(zhì)的基本方程AAcNkckmol/(m2 s )對(duì)流傳質(zhì)速率方程 對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2sc)。ck一、對(duì)流傳質(zhì)的概念24二、對(duì)流傳質(zhì)的類(lèi)型與機(jī)理1.對(duì)流傳質(zhì)的類(lèi)型 對(duì)流傳質(zhì)自然對(duì)流傳質(zhì)強(qiáng)制層流傳質(zhì)強(qiáng)制湍流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)流體與固體壁面間的傳質(zhì)兩流體通過(guò)相界面的傳質(zhì)強(qiáng)制對(duì)流傳質(zhì)252.對(duì)流傳質(zhì)的機(jī)理 所謂對(duì)流傳質(zhì)的機(jī)理是指在傳質(zhì)過(guò)程中，流體以哪種方式進(jìn)行傳質(zhì)。研究對(duì)流傳質(zhì)速率需首先弄清對(duì)流傳質(zhì)的機(jī)理。

12、層流內(nèi)層緩沖層湍流中心sAcAfcA( )cf r湍流流體流體與管壁間的濃度分布二、對(duì)流傳質(zhì)的類(lèi)型與機(jī)理26湍流主體層流內(nèi)層緩沖層傳質(zhì)機(jī)理：傳質(zhì)機(jī)理：濃度分布：傳質(zhì)機(jī)理濃度分布：濃度分布：分子傳質(zhì)渦流傳質(zhì)在與壁面垂直的方向上分為三層 分子傳質(zhì)渦流傳質(zhì)為主為一陡峭直線為一漸緩曲線為一平坦曲線二、對(duì)流傳質(zhì)的類(lèi)型與機(jī)理27雙膜模型 雙膜模型由惠特曼(Whiteman) 提出，是最早提出的一種傳質(zhì)模型。雙膜模型示意圖雙膜模型（雙阻力模型）2.2.6 吸收過(guò)程的機(jī)理一、雙膜模型一、雙膜模型二、溶質(zhì)滲透理論二、溶質(zhì)滲透理論三、表面更新理論三、表面更新理論281.雙膜模型的要點(diǎn) 當(dāng)氣液兩相相互接觸時(shí)，在氣液兩相間存在著穩(wěn)定的相界面，界面的兩側(cè)各有一個(gè)很薄 的停滯膜氣膜和液膜，溶質(zhì)A經(jīng)過(guò)兩膜層的傳質(zhì)方式為分子擴(kuò)散。 在氣液相界面處，氣液兩相處于平衡狀態(tài)。 在氣膜、液膜以外的氣、液兩相主體中，由于流體的強(qiáng)烈湍動(dòng)，各處濃度均勻一致。 29 組分A通過(guò)氣膜、液膜的擴(kuò)散通量方程分別為AAAiGBm()D PNppRTz pAAiASmL()DcNcccz2.對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的確定 30設(shè)對(duì)流傳質(zhì)速率方程分別為 比較得AGAAi