对流扩散与相间传质

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1、化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 1,Convective diffusion and mass transfer between two phases,A. Convective diffusiona. eddy diffusionb. convective diffusion and concept of effective membrane B. Mass transfer between two phasesa. mass transfer model between two phasesb. rate equation of mass transfer between

2、two phases C. Example,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 2,A. 对流扩散,a. 涡流扩散（湍流扩散）,分子扩散：,涡流扩散：,总扩散：,D分子扩散系数，一定物系在温度、压力不变时为常数,DE涡流扩散系数，是随流体流动状态、位置等条件变化的状态参数, 由于DE难以测定和计算，使上述式难以应用，必须采取其他处理方法。,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 3,b. 对流扩散与有效膜概念,把湍流主体与相界面之间（或反之）的传质称为对流扩散 包括分子扩散和涡流扩散。,以简单的湿壁塔为例讨论有效膜概念。,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 4,

3、G虚拟滞流层（或称有效膜），全部传质推动力(p-pi)，即全部阻力都集中在有效膜内。,这可以按有效膜内的分子扩散速率写出有气相到相界面的对 流扩散速率关系，即,同样，对液相侧,如以传热中Newton冷却定律的形式表述，则,气膜液膜,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 5,kL液相对流动传质分系数（以液膜两端浓度差为推动力），kL=DLC/(L cBM ) ，m/s,kG气相对流动传质分系数（以气膜两端分压差为推动力），kG=DGP/(RTG pBM) ，kmol/m2.s.kpa, 提出有效膜概念后，可以用分子扩散速率方程描述对流扩散速率，但是由于G与L是虚拟量难以确定，所以kG

4、、 kL不能由定义式算出, 可以像在传热中处理一样，实验测定kG 、 kL ，归纳成经验式。,另僻新径 相间传质。,但是，与不同（导热壁分开）， kG 、 kL由多 变的相截面分开，有交互作用，难以测定,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 6,B. 相间传质,由于相间传质过程的复杂性，采用数学模型法处理。,a. 相间传质模型,介绍简单、实用的双膜理论模型。,模型要点：, 在相界面两侧，分别存在呈层流流动的气膜、液膜，其厚度随流体流动状态变化，溶质连续通过两膜；, 相界面溶解阻力很小，认为气、液在此达相平衡状态；, 两膜以外的气、液相主体充分湍流，无浓度梯度。,化工原理-传质原理/

5、33.对流扩散与相间传质 7,Z,Pppi,Ccic,相界面,气膜,液膜,气相主体,液相主体,G,L,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 8,双膜理论的局限性：, 由于流体湍流扰动（尤其在板式塔中），不可能保持固定的相界面；,b. 相间传质速率方程,气、液相传质速率方程：,其中界面组成 pi、ci 难以测定，下面用双膜理论模型处理。, 没有考虑气、液两相的相互影响。,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 9, Henry定律适于气、液相平衡的情况,据相平衡知识p*=c/H,在稳态下,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 10,KG气相传质总系数，kmol/m2.

6、s.kpa KL液相传质总系数，m/s,NA=KG(p-p*),同理 NA=KL(c*-c),化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 11, 总传质速率方程的分析, 传质推动力的图示,由点(p,c)已知 kL,kGpi,ciNA,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 12, 平衡线上方的A点离平衡线近总推动力由气到液;A点在平衡线上总推动力=0;A点在平衡线下方总推动力0传质由液到气。,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 13, 传质阻力与过程的控制步骤,已知,与(p-p*)对应的总阻力 1/KG气膜阻力 1/kG液膜阻力 1/HkL,与(c*-c)对应的总阻力

7、1/KL气膜阻力 H/kG液膜阻力 1/kL, 其中kG 、kL对一定设备变化范围不大（10-410-5左右），但溶解度系数H对不同物系相差很大。, 溶解度很大的气体易溶气体，如水吸收NH3、HCl等，其H很大1/HkL1/kGKGkG气膜阻力控制。,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 14, 溶解度很小的气体难溶气体，如水吸收O2、CO2等，其H很小 H/kG 1/kLKLkL液膜阻力控制。, 控制步骤的确定为强化过程提供了依据。, 以摩尔分数差为推动力的传质速率方程,工程上常以摩尔分数表示浓度，下面作转换。,注意：此部分内容在教材中没有，但对以后的学习有帮助，请注意听。,化工原

8、理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 15,Kx=mKy, 以上总传质系数式仅适于平衡线服从Henry定律(直线)的情况，如为曲线，则通常采用分传质系数和界面浓度计算。,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 16,本讲要点, 相间传质是一串联速率过程，了解各相内传质阻力的相对大 小，以及整个过程中的控制步骤，对强化传质过程是重要的， 它能指出过程强化目标。, 对流扩散包括分子扩散和涡流扩散，由于流体的流动，尤 其是涡流的混合作用，大大强化了传质过程。, 引入有效膜模型后，虽然使对流扩散过程的数学描述得以 简化，但由于有效膜厚及界面浓度难以测定，工程计算问题并 未得到解决。, 实际

9、传质过程多数为相间传质，由于相界面传递过程的复 杂性，过程的描述采用了数学模型法，双膜模型是最简单且是 目前工程上仍使用的相间传质模型，用此模型建立的相间传质 速率方程回避了难以测定的界面浓度，方便了工程计算。,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 17,C. 例,a. 相平衡对两相传质推动力及其分配的影响,吸收塔某截面气液两相浓度分别为 y=0.05，x=0.01 (摩 尔分率)，在操作温度下气液平衡关系为y=2x，气液两侧的 体积传质系数 kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，试求： 该截面的两相传质总推动力、传质总阻力、传质速率及 推动力在气液两侧的分配； 若降低吸

10、收剂的温度，使相平衡关系变为y=0.4x，假设 两相浓度及传质系数保持不变，传质推动力、传质总阻力、 传质速率及推动力的分配等的变化。,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 18,吸收塔某截面 处：y=0.05，x=0.01 ， 操作条件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。,解： 传质总推动力(y=2x) 传质总推动力(y=0.4x),用气相浓度差表示 y=y-mx=0.05-20.01=0.03,用液相浓度差表示 x=y/m-x=0.05/2-0.01=0.015,或 x=y/m=0.03/2=0.015,与气相总推动力相配,用气相浓度差表示 y=y-

11、mx=0.05-0.40.01=0.046,用液相浓度差表示 x=y/m-x=0.05/0.4-0.01=0.115,或 x=y/m=0.046/0.4=0.115,与气相总推动力相配,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 19,吸收塔某截面 处：y=0.05，x=0.01 ， 操作条件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。,与液相总推动力相配,Kya=0.00867 kmol/(m3.s),Kxa=0.0173 kmol/(m3.s),与液相总推动力相配,Kya=0.0186 kmol/(m3.s),Kxa=0.00743 kmol/(m3.s),化工原

12、理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 20,或 Kxa= Kyam =0.008672=0.0173 kmol/(m3.s),或 Kxa= Kyam =0.008670.4=0.00743 kmol/(m3.s),NA=Kyay=0.008670.03 =2.6010-4 kmol/(m3.s),NA=Kyay=0.01860.046 =8.5510-4 kmol/(m3.s),吸收塔某截面 处：y=0.05，x=0.01 ， 操作条件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 21, m=2时，液相阻力占总阻力2/3

13、，总推动力的2/3用于液相传质, 温度降低后，液相阻力大幅度减少，气相阻力的绝对值虽未 改变，但在总阻力所占比例相对增大而成为主要阻力。相应总 阻力的大部分也用于气相传质,吸收塔某截面 处：y=0.05，x=0.01 ， 操作条件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 22,b. 流体流量对传质阻力的影响,一填料吸收塔，在操作条件下kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)， 已知kyG 0.7，试分别计算m=0.1及m=5两种情况下，气体流 量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。,或,或,化工原理-传质原理/

14、33.对流扩散与相间传质 23,填料吸收塔，在操作条件下：kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，已知kyG 0.7，试分别计算m=0.1及m=5两种情况下，气体流量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。,或,或,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 24,填料吸收塔，在操作条件下：kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，已知kyG 0.7，试分别计算m=0.1及m=5两种情况下，气体流量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。,或,或,化工原理-传质原理/ 33.对流扩散与相间传质 25, 对于易溶气体(m较小)，传质阻力通常集中在气侧，气体 流量的大小及其湍动情况对传质阻力的影响很大。对于难溶 气体(m较大)，传质阻力通常集中在液侧，此时气体流量的 大小及其湍动情况虽可改变气侧阻力，但对总阻力的影响很 小。同样道理，液体流量大小及其湍动情况对传质总阻力的 影响，与气体相反。,