化工原理 63.ppt

1、2.3.分子擴(kuò)散與單相傳質(zhì) 2.3.1. 分子擴(kuò)散 2.3.2. 單相分子擴(kuò)散 2.3.3. 單相對流傳質(zhì) 2.3.4. 界面上的濃度,2.3. 分子擴(kuò)散與單相傳質(zhì),吸收過程：,（1）A由氣相主體到相界面，氣相內(nèi)傳遞； （2）A在相界面上溶解，溶解過程； （3）A自相界面到液相主體，液相內(nèi)傳遞。,單相內(nèi)傳遞方式：分子擴(kuò)散；對流擴(kuò)散 。,1分子擴(kuò)散與菲克定律,2.3.1. 分子擴(kuò)散,分子擴(kuò)散現(xiàn)象：,分子擴(kuò)散：在靜止或滯流流體內(nèi)部，若某一組分存 在濃度差，則因分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)使 該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處， 這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。,擴(kuò)散通量：單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截 面積擴(kuò)散

2、的物質(zhì)量，J表示， kmol/(m2s)。,菲克定律：溫度、總壓一定，組分A在擴(kuò)散方向上任一 點(diǎn)處的擴(kuò)散通量與該處A的濃度梯度成正比。,JA組分A擴(kuò)散速率（擴(kuò)散通量）， kmol/m2s）；,組分A在擴(kuò)散方向z上的濃度梯度（kmol/m3）/m；,DAB組分A在B組分中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。,負(fù)號(hào)：表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反，擴(kuò)散沿 著濃度降低的方向進(jìn)行,理想氣體：,=,2.3.2. 單相分子擴(kuò)散,分子擴(kuò)散兩種形式：等分子反向擴(kuò)散，單向擴(kuò)散。,1等分子反向擴(kuò)散及速率方程,(1)等分子反向擴(kuò)散,等分子反向擴(kuò)散：任一截面處兩個(gè)組分的擴(kuò)散速率 大小相等，方向相反。,總壓一定,=,JA=JB,DA

3、B=DBA=D,（2）等分子反向擴(kuò)散傳質(zhì)速率方程,傳質(zhì)速率定義：任一固定的空間位置上， 單位時(shí)間 內(nèi)通過單位面積的物質(zhì)量，記作N, kmol/(m2 s) 。,氣相：,NA=,液相：,（3）討論,1）,2）組分的濃度與擴(kuò)散距離z成直線關(guān)系。,2單向擴(kuò)散及速率方程,（1）總體流動(dòng)：因溶質(zhì)擴(kuò)散 到界面溶解于溶劑中，造 成界面與主體的微小壓差， 使得混合物向界面處的流 動(dòng)。,（2）總體流動(dòng)的特點(diǎn)：,1）因分子本身擴(kuò)散引起的宏觀流動(dòng)。 2）A、B在總體流動(dòng)中方向相同，流動(dòng)速度正比于摩爾 分率。,（3）單向擴(kuò)散傳質(zhì)速率方程,微分式,在氣相擴(kuò)散,積分式,積分式,積分式,液相：,（4）討論,1）組分A的濃度

4、與擴(kuò)散距離z為指數(shù)關(guān)系,漂流因數(shù)意義：其大小反映了總體流動(dòng)對傳質(zhì)速率的影 響程度，其值為總體流動(dòng)使傳質(zhì)速率較單純分子擴(kuò) 散增大的倍數(shù)。,漂流因數(shù)的影響因素： 濃度高，漂流因數(shù)大，總體流動(dòng)的影響大。 低濃度時(shí)，漂流因數(shù)近似等于1，總體流動(dòng)的影響小。,3）單向擴(kuò)散體現(xiàn)在吸收過程中。,3擴(kuò)散系數(shù),擴(kuò)散系數(shù)的意義：單位濃度梯度下的擴(kuò)散通量，反映 某組分在一定介質(zhì)中的擴(kuò)散能力，是物質(zhì)特性常 數(shù)之一；D，m2/s。,D的影響因素：A、B、T、P、濃度,D的來源：查手冊；半經(jīng)驗(yàn)公式；測定,（1）氣相中的D,范圍：10-510-4m2/s,經(jīng)驗(yàn)公式,（2）液相中的D,范圍：10-1010-9m2/s,【例2-

5、1】有一直立的玻璃管，底端封死，內(nèi)充丙酮，液面距上端管口11mm，上端有一股空氣通過，5小時(shí)后，管內(nèi)液面降到距管口20.5mm，管內(nèi)液體溫度保持293K，大氣壓為100kPa，此條件下，丙酮的飽和蒸氣壓為24kPa。求丙酮在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)。,單位面積液面汽化的速率用液面高度變化的速率：,=,解,2.3.3. 單相對流傳質(zhì),1渦流擴(kuò)散,渦流擴(kuò)散：流體作湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，若流體內(nèi)部 存在濃度梯度，流體質(zhì)點(diǎn)便會(huì)靠 質(zhì)點(diǎn)的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，相互碰撞和 混合，組分從高濃度向低濃度方 向傳遞，這種現(xiàn)象稱為渦流擴(kuò)散。,注意：渦流擴(kuò)散系數(shù)與分子擴(kuò)散系數(shù)不同，不是物性 常數(shù)，其值與流體流動(dòng)狀態(tài)及所處的位置有 關(guān) 。,總擴(kuò)

6、散通量：,2有效膜模型,（1）單相內(nèi)對流傳質(zhì)過程,1）靠近相界面處層流內(nèi)層：傳質(zhì)機(jī)理僅為分 子擴(kuò)散，溶質(zhì)A的濃度梯度較大，pA隨z的 變化較陡。,2）湍流主體：渦流擴(kuò)散遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散， 溶質(zhì)濃度均一化，pA隨z的變化近似為水 平線。,3）過渡區(qū)：分子擴(kuò)散+渦流擴(kuò)散，pA隨z的 變化逐漸平緩。,（2）有效膜模型,單相對流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力全部集中在一層虛擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴(kuò)散 。,3單相對流傳質(zhì)速率方程,（1）氣相對流傳質(zhì)速率方程,有效膜厚G由層流內(nèi)層濃度梯度線延長線與流體主體濃度線相交于一點(diǎn)E，則厚度G為E到相界面的垂直距離。,以分壓差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)， kmol/（m2skPa）。,=傳質(zhì)系數(shù)吸收的推動(dòng)力,氣相對流傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：,以氣相摩爾分率表示推動(dòng)力的氣相傳 質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2s）；,各氣相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關(guān)系：,液相傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：,（2）液相對流傳質(zhì)速率方程,kL以液相組成摩爾濃度表示推動(dòng)力的液相 對流傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2skmol/m3）；,以液相組成摩爾分率表示推動(dòng)力的液相 對流傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2s）；,各液相傳質(zhì)分系數(shù)