食品工程原理 吸收與蒸餾(一)

1、第七章吸收與蒸餾本章學(xué)習(xí)的目的與要求n了解擴(kuò)散系數(shù)的影響因素了解擴(kuò)散系數(shù)的影響因素n掌握穩(wěn)定分子擴(kuò)散的基本計(jì)算與掌握穩(wěn)定分子擴(kuò)散的基本計(jì)算與應(yīng)用應(yīng)用n重點(diǎn)掌握等溫條件下低濃度逆流吸收塔重點(diǎn)掌握等溫條件下低濃度逆流吸收塔的計(jì)算與應(yīng)用的計(jì)算與應(yīng)用n重點(diǎn)掌握兩組份連續(xù)精餾塔的計(jì)算重點(diǎn)掌握兩組份連續(xù)精餾塔的計(jì)算n重點(diǎn)掌握逐板計(jì)算法及圖解法求解理論板重點(diǎn)掌握逐板計(jì)算法及圖解法求解理論板數(shù)的方法數(shù)的方法 在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，如果存在濃在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，如果存在濃度梯度，某一組分（或某些組分）將有由高濃度區(qū)向低濃度度梯度，某一組分（或某些組分）將有由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移

2、動的趨勢，該移動過程稱為區(qū)移動的趨勢，該移動過程稱為傳質(zhì)過程傳質(zhì)過程。 分離過程包括機(jī)械分離和傳質(zhì)分離。分離過程包括機(jī)械分離和傳質(zhì)分離。機(jī)械分離：過濾、沉降等機(jī)械分離：過濾、沉降等傳質(zhì)分離：吸收、蒸餾、干燥、萃取、膜分離等傳質(zhì)分離：吸收、蒸餾、干燥、萃取、膜分離等界面界面氣相氣相主體主體組分組分組分組分液相液相主體主體1 擴(kuò)散物質(zhì)從一相的主體擴(kuò)散到兩相界面（單相中的擴(kuò)散）；擴(kuò)散物質(zhì)從一相的主體擴(kuò)散到兩相界面（單相中的擴(kuò)散）；2 在界面上的擴(kuò)散物質(zhì)從一相進(jìn)入另一相（相際間傳質(zhì)）；在界面上的擴(kuò)散物質(zhì)從一相進(jìn)入另一相（相際間傳質(zhì)）；3 進(jìn)入另一相的擴(kuò)散物質(zhì)從界面向該相的主體擴(kuò)散（單相中的擴(kuò)散）；進(jìn)入

3、另一相的擴(kuò)散物質(zhì)從界面向該相的主體擴(kuò)散（單相中的擴(kuò)散）；物質(zhì)傳遞的三個步驟：第一節(jié) 傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)混合物組成的表示方法名稱符號定義單位質(zhì)量濃度AmA/Vkg/m3物質(zhì)量濃度cAnA/Vkmol/m3質(zhì)量分率aAmA/(mA+mB)無因次摩爾分率 氣yA、 液xAnA/(nA+nB)無因次摩爾比 氣YA、 液XAnA/nB無因次 物質(zhì)在單相中的傳遞靠擴(kuò)散，發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有物質(zhì)在單相中的傳遞靠擴(kuò)散，發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有分子分子擴(kuò)散擴(kuò)散和和渦流擴(kuò)散渦流擴(kuò)散兩種。兩種。分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散：由濃度（或溫度）不均引起，依靠分子的無規(guī)則由濃度（或溫度）不均引起，依靠分子的無規(guī)則 熱運(yùn)動，主要發(fā)生在靜止或?qū)恿髁?/p>

4、體中。熱運(yùn)動，主要發(fā)生在靜止或?qū)恿髁黧w中。 渦流擴(kuò)散渦流擴(kuò)散：依靠流體質(zhì)點(diǎn)的湍動和旋渦而傳遞物質(zhì)，主要依靠流體質(zhì)點(diǎn)的湍動和旋渦而傳遞物質(zhì)，主要 發(fā)生在湍流流體中。（分子擴(kuò)散同時存在）發(fā)生在湍流流體中。（分子擴(kuò)散同時存在） 物質(zhì)在單相中的擴(kuò)散 A BAB A BABdzdcDJAABA式中式中 JA物質(zhì)物質(zhì)A在在z方向上的分子擴(kuò)散通量，方向上的分子擴(kuò)散通量，kmol/(m2s) dCA/dz物質(zhì)物質(zhì)A的濃度梯度，的濃度梯度，kmol/m4 DAB物質(zhì)物質(zhì)A在介質(zhì)在介質(zhì)B中的分子擴(kuò)散系數(shù)，中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s 負(fù)號負(fù)號表示擴(kuò)散是沿著物質(zhì)表示擴(kuò)散是沿著物質(zhì)A濃度降低的方向進(jìn)行的。濃度降低的方向

5、進(jìn)行的。 當(dāng)物質(zhì)當(dāng)物質(zhì)A在介質(zhì)在介質(zhì)B中發(fā)生擴(kuò)散時，任一點(diǎn)處物質(zhì)中發(fā)生擴(kuò)散時，任一點(diǎn)處物質(zhì)A的擴(kuò)散通的擴(kuò)散通量與該位置上量與該位置上A的濃度梯度成正比，即：的濃度梯度成正比，即：一、分子擴(kuò)散與菲克定律擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量：單位時間內(nèi)單位面積上擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量：單位時間內(nèi)單位面積上擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量mol/(m2s)。費(fèi)克定律dzdcDJBBAB氣體常用分壓梯度表示，氣體常用分壓梯度表示，Z方向上等溫?cái)U(kuò)散時有方向上等溫?cái)U(kuò)散時有對于對于B組分：組分：dzdPRTDJAA仿照分子擴(kuò)散仿照分子擴(kuò)散，渦流擴(kuò)散通量渦流擴(kuò)散通量dzdcDJAeB假定：假定：pA1 pA2 pB11，漂流因子的大小直接反映了整體流

6、動在傳質(zhì)中所占分漂流因子的大小直接反映了整體流動在傳質(zhì)中所占分量的大小，即漂流因子體現(xiàn)了整體流動對傳質(zhì)速率的影響。量的大小，即漂流因子體現(xiàn)了整體流動對傳質(zhì)速率的影響。單向擴(kuò)散的傳質(zhì)通量單向擴(kuò)散的傳質(zhì)通量分子擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的物性常數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的物性常數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能力；的擴(kuò)散能力；擴(kuò)散系數(shù)取決于擴(kuò)散質(zhì)和介質(zhì)的種類及溫度等因素。擴(kuò)散系數(shù)取決于擴(kuò)散質(zhì)和介質(zhì)的種類及溫度等因素。對于氣體中的擴(kuò)散，濃度的影響可以忽略；對于氣體中的擴(kuò)散，濃度的影響可以忽略；對于液體中的擴(kuò)散，濃度的影響不可以忽略，而壓強(qiáng)的影對于液體中的擴(kuò)散，濃度的影響不可以忽略，而壓強(qiáng)的影響不顯

7、著。響不顯著。 物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)測得，或查有關(guān)資料，或借助于物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)測得，或查有關(guān)資料，或借助于經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。三、分子擴(kuò)散系數(shù) 在湍流流體中同時存在渦流擴(kuò)散在湍流流體中同時存在渦流擴(kuò)散 和分子擴(kuò)散（渦流擴(kuò)散占和分子擴(kuò)散（渦流擴(kuò)散占主導(dǎo)地位主導(dǎo)地位 ），其總擴(kuò)散通量為），其總擴(kuò)散通量為z)(ddcDDJAEA 物質(zhì)在湍流的流體中傳質(zhì)，主要憑藉湍流流體質(zhì)點(diǎn)的湍動物質(zhì)在湍流的流體中傳質(zhì)，主要憑藉湍流流體質(zhì)點(diǎn)的湍動和旋渦引起流體各部分之間的劇烈混合，這使傳質(zhì)規(guī)模及速率和旋渦引起流體各部分之間的劇烈混合，這使傳質(zhì)規(guī)模及速率都遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散。都遠(yuǎn)大

8、于分子擴(kuò)散。1.2 對流傳質(zhì)與相間傳質(zhì) 1. 對流傳質(zhì)非物性常數(shù)非物性常數(shù)（1）單相內(nèi)對流擴(kuò)散的有效膜模型）單相內(nèi)對流擴(kuò)散的有效膜模型 由氣相主體至相界面的對流傳質(zhì)速率為（按有效滯流膜層由氣相主體至相界面的對流傳質(zhì)速率為（按有效滯流膜層內(nèi)的分子擴(kuò)散速率計(jì)算）內(nèi)的分子擴(kuò)散速率計(jì)算）)()(iGiBmGAppkpppRTzDpN式中式中 NA溶質(zhì)溶質(zhì)A 的對流傳質(zhì)速率，的對流傳質(zhì)速率，kmol/(m2s)； zG氣相有效滯流膜層厚度氣相有效滯流膜層厚度,m； kG氣膜吸收系數(shù)；氣膜吸收系數(shù)； p氣相主體中溶質(zhì)氣相主體中溶質(zhì)A的分壓的分壓,kPa； pi相界面處溶質(zhì)相界面處溶質(zhì)A的分壓的分壓,kPa

9、； pBM惰性組分惰性組分B在氣相主體中與相界面處的分壓的對數(shù)平均在氣相主體中與相界面處的分壓的對數(shù)平均 值值,kPa； 在液相中的傳質(zhì)速率為在液相中的傳質(zhì)速率為)()(cckccczCDNiLiSmLA式中式中 zL液相有效滯流膜層厚度，液相有效滯流膜層厚度，m； c液相主體中的溶質(zhì)液相主體中的溶質(zhì)A濃度，濃度，kmol/m3； ci相界面處的溶質(zhì)相界面處的溶質(zhì)A濃度，濃度， kmol/m3； cSm溶劑溶劑S在液相主題與相界面處的濃度的對數(shù)均在液相主題與相界面處的濃度的對數(shù)均 值，值， kmol/m3； kL液膜吸收系數(shù)或液膜傳質(zhì)系數(shù)液膜吸收系數(shù)或液膜傳質(zhì)系數(shù)根據(jù)濃度表示方法不同，可以得到

10、不同的相內(nèi)傳質(zhì)根據(jù)濃度表示方法不同，可以得到不同的相內(nèi)傳質(zhì)速率方程速率方程傳質(zhì)系數(shù)對流傳質(zhì)對流傳熱Sherwood數(shù) Reynold數(shù) Schmidt數(shù) 待求函數(shù)為Sh=f(Re,Sc) DdkSh dNu udR eudR eDScPrCP 當(dāng)氣液兩相接觸時，兩相之間有一個相界面，在相界面兩側(cè)當(dāng)氣液兩相接觸時，兩相之間有一個相界面，在相界面兩側(cè)分別存在著呈滯流流動的穩(wěn)定膜層（有效層流膜層）。溶質(zhì)必分別存在著呈滯流流動的穩(wěn)定膜層（有效層流膜層）。溶質(zhì)必須以分子擴(kuò)散的形式連續(xù)的通過這兩個膜層，膜層的厚度主要須以分子擴(kuò)散的形式連續(xù)的通過這兩個膜層，膜層的厚度主要隨流速而變，流速愈大厚度愈小。隨流速而變，流速愈大厚度愈小。在相界面上氣液兩相相互成平衡，不存在傳質(zhì)阻力。在相界面上氣液兩相相互成平衡，不存在傳質(zhì)阻力。在膜層以外的主體內(nèi)，由于流體的充分湍動，溶質(zhì)的濃度分在膜層以外的主體內(nèi)，由于流體的充分湍動，溶質(zhì)的濃度分布均勻，可認(rèn)為兩相主體中的濃度梯度為零，即濃度梯度全部布均勻，可認(rèn)為兩相主體中的濃度梯度為零，即濃度梯度全部集中在兩個有效膜層中。集中在兩個有效膜層中。 用雙膜理論解釋具有固定相界面的系統(tǒng)及速度不高的兩流體用雙膜理論解釋具有固定相界面的系統(tǒng)及速度不高的兩流體間的傳質(zhì)過程（如濕壁塔），與實(shí)際情況是大致相符合的。間的傳質(zhì)過程（如濕壁塔），與實(shí)際情況是大致相符合的。2.相間傳質(zhì)的雙