制藥化工原理：第六章第三節(jié)傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率

1、2020/12/8,第六章 吸收,一、分子擴(kuò)散與菲克定律 二、氣相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散 三、擴(kuò)散系數(shù) 四、對(duì)流傳質(zhì) 五、吸收機(jī)理雙膜理論 六、吸收速率方程式,第三節(jié) 傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率,2020/12/8,吸收過程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，包括三個(gè)步驟： 溶質(zhì)由氣相主體傳遞到兩相界面，即氣相內(nèi)的物質(zhì)傳遞； 溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即界面上發(fā)生的溶解過程； 溶質(zhì)自界面被傳遞至液相主體，即液相內(nèi)的物質(zhì)傳遞。,單相內(nèi)物質(zhì)傳遞的機(jī)理,分子擴(kuò)散,對(duì)流傳質(zhì),2020/12/8,一、分子擴(kuò)散與菲克定律,1、分子擴(kuò)散：,一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由于分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。,2菲克定律

2、,1）擴(kuò)散通量 ：,單位面積上單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量 ，單位：kmol/(m2.s) 。,2020/12/8,2）菲克定律,試分析與傅立葉定律以及牛頓粘性定律的區(qū)別及聯(lián)系。,3）分子擴(kuò)散系數(shù)間的關(guān)系 對(duì)于雙組分物系：,2020/12/8,根據(jù)菲克定律：,由A、B兩種氣體所構(gòu)成的混合物中，A與B的擴(kuò)散系數(shù)相等。,2020/12/8,二、氣相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散,1等摩爾反向擴(kuò)散 1）等摩爾反向擴(kuò)散,例如精餾過程,2020/12/8,2）傳遞速率 在任一固定的空間位置上，單位時(shí)間通過單位面積的A物質(zhì)量，稱為A的傳遞速率，以NA表示。,分離變量并進(jìn)行積分，積分限為：,2020/12/8,傳質(zhì)速率為：

3、,2、一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散,1）一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散,2020/12/8,例如吸收,2）傳遞速率 設(shè)總體流動(dòng)通量為N，其中物質(zhì)A的通量為：,2020/12/8,總體流動(dòng)中物質(zhì)B向右傳遞的通量為,而,即,2020/12/8,若擴(kuò)散在氣相中進(jìn)行，則：,2020/12/8,即,分離變量后積分,2020/12/8,漂流因數(shù)，無因次。反映總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的 影響。,因PpBm，所以漂流因數(shù),2020/12/8,三、擴(kuò)散系數(shù),分子擴(kuò)散系數(shù)簡(jiǎn)稱擴(kuò)散系數(shù)，它是物質(zhì)的特性常數(shù)之一。同一物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)隨介質(zhì)的種類、溫度、壓強(qiáng)及濃度的不同而變化。物質(zhì)在不同條件下的擴(kuò)散系數(shù)一般需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 1

4、、物質(zhì)在氣體中的擴(kuò)散系數(shù) 氣體A在氣體B中（或B在A中）的擴(kuò)散系數(shù)，可按馬克斯韋爾吉利蘭（Maxwell-Gilliland）公式進(jìn)行估算,2020/12/8,2、物質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù),物質(zhì)在液體中的散系數(shù)與組分的性質(zhì)、溫度、粘度以及濃度有關(guān)。 對(duì)于很稀的非電解溶液，物質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù),2020/12/8,四、對(duì)流傳質(zhì),1、渦流擴(kuò)散 憑籍流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)和旋渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。 擴(kuò)散通量 ：,2、對(duì)流傳質(zhì) 流動(dòng)流體與兩相界面之間的傳質(zhì) 1）固定界面 氣固兩相或液固兩相間的界面,2020/12/8,2）流動(dòng)界面 氣液兩相和液液兩相間的界面,2020/12/8,對(duì)于等摩爾反方向擴(kuò)散,對(duì)于單向擴(kuò)

5、散,2020/12/8,五、吸收機(jī)理雙膜理論,1、雙膜理論 相互接觸的氣液兩相間有一個(gè)穩(wěn)定的界面，界面上沒有傳質(zhì)阻力，氣液兩相處于平衡狀態(tài)。 界面兩側(cè)分別存在著兩層膜，氣膜和液膜。氣相一側(cè)叫氣膜，液相一側(cè)叫液膜 ，這兩層膜均很薄，膜內(nèi)的流體是滯流流動(dòng)，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的方式進(jìn)行傳質(zhì)。 膜外的氣液相主體中，流體流動(dòng)的非常劇烈，溶質(zhì)的濃度很均勻，傳質(zhì)的阻力可以忽略不計(jì)，傳質(zhì)阻力集中在兩層膜內(nèi)。,2020/12/8,2020/12/8,六、吸收速率方程式,吸收速率：,單位面積，單位時(shí)間內(nèi)吸收的溶質(zhì)A的摩爾數(shù)， 用NA表示，單位通常用kmol/m2.s。,吸收傳質(zhì)速率方程：,吸收速率與吸收推動(dòng)力之間關(guān)系

6、的數(shù)學(xué)式,吸收速率=傳質(zhì)系數(shù)推動(dòng)力,1、氣膜吸收速率方程式,2020/12/8,令, 氣膜吸收速率方程式,氣膜吸收系數(shù)， kmol/(m2.s.kPa)。,也可寫成：,2020/12/8,當(dāng)氣相的組成以摩爾分率表示時(shí),當(dāng)氣相組成以摩爾比濃度表示時(shí),2020/12/8,2、液膜吸收速率方程式,令,或,液膜吸收速率方程,2020/12/8,當(dāng)液相的組成以摩爾分率表示時(shí),當(dāng)液相組成以摩爾比濃度表示時(shí),2020/12/8,3、界面濃度,求出,2020/12/8,2020/12/8,4、總吸收系數(shù)及相應(yīng)的吸收速率方程式 1）以氣相組成表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 a）以p為推動(dòng)力的吸收速率方程,與液相主

7、體濃度c成平衡的氣相分壓，Pa。,2020/12/8,b）以y為推動(dòng)力的吸收速率方程,2）以液相組成表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式,以y為推動(dòng)力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。,a）以c為推動(dòng)力的吸收速率方程,以c為推動(dòng)力的液相總吸收系數(shù)，m/s,2020/12/8,b）以x為推動(dòng)力的吸收速率方程,以x為推動(dòng)力的液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s),3）用摩爾比濃度為總推動(dòng)力的吸收速率方程式 適用條件：溶質(zhì)濃度很低時(shí),據(jù)分壓定律,2020/12/8,代入,令,2020/12/8,5、各種吸收系數(shù)之間的關(guān)系 1）總系數(shù)與分系數(shù)的關(guān)系,2020/12/8,由亨利定律：,2020/12/8

8、,分別為總阻力、氣膜阻力和液膜阻力,即總阻力=氣膜阻力+液膜阻力,同理,2020/12/8,在溶質(zhì)濃度很低時(shí),2）總系數(shù)間的關(guān)系 a）氣相總吸收系數(shù)間的關(guān)系,2020/12/8,當(dāng)溶質(zhì)在氣相中的濃度很低時(shí),b）液相總傳質(zhì)系數(shù)間的關(guān)系,c）氣相總吸收系數(shù)與液相總吸收系數(shù)的關(guān)系,2020/12/8,3）各種分系數(shù)間的關(guān)系,6、傳質(zhì)速率方程的分析,1）溶解度很大時(shí)的易溶氣體,氣膜控制,2020/12/8,氣膜控制,例：水吸收氨或HCl氣體,液膜控制,例：水吸收氧、CO2,2020/12/8,2）溶解度很小時(shí)的難溶氣體,當(dāng)H很小時(shí)，,液膜控制,3）對(duì)于溶解度適中的氣體吸收過程 氣膜阻力和液膜阻力均不可忽略，要提高過程速率，必須兼顧氣液兩端阻力的降低。,2020/12/8,小結(jié) ：,吸收速率方程,與膜系數(shù)相對(duì)應(yīng)的吸收速率式,與總系數(shù)對(duì)應(yīng)的速率式,用一相主體與界面的濃度差表示推動(dòng)力,用一相主體的濃度與其平衡濃度之差表示推動(dòng)力,