化工原理教案53单相传质

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1、5.3单相传质本节教学要求1、重点掌握的内容：单相传质过程及单相传质速率方程；2、熟悉的内容：单相扩散、分子扩散、扩散通量、等分子反向扩散、漂流因子、分子扩散系数、对流传质、涡流扩散、有效膜概念及菲克定律；3、了解的内容：分子扩散系数影响因素及估算；4、难点：总体流动对传质的影响及单相传质速率。当不平衡的气液两相接触吋，若则溶质从气相向液相传递，为吸收过程，该过程包括以下三个步骤：(1)溶质由气相主体向相界面传递，即在单一相(气相)内传递物质；(2)溶质在气液相界面上的溶解，由气相转入液相，即在相界面上发生溶解过程；(3)溶质自气液相界面向液相主体传递，即在单一相

2、(液相)内传递物质。不论溶质在气相或液相，它在单一相里的传递有两种基本形式，一是分子扩散，二是对流传质。5・3.1定态的一维分子扩散1.分子扩散与菲克定律分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。分子扩散现象：如图5・7所示的容器屮，用一块隔板将容器分为左右两室，两室分別盛有温度及压强相同的A、B两种气体。当抽出中I'可的隔板后，分子A借分子运动由高浓度的左室向低浓度的右室扩散，同理气体B由高浓度的右室向低浓度的左室扩散，扩散过程进行到整个容器里A、B两组分浓度均匀为止。

3、A扩散通量：扩散进行的快慢用扩散通量來衡量，定义\为：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的\物质量，称为扩散通量(扩散速率)，以符号J表示，单隔板图5・87两种气体相互扩散位为kmol/(m2•s)«菲克定律：由两组分A和B组成的混合物，在恒定温度、总压条件下，若组分A只沿z方向扩散，浓度梯度为空丄，则任一点处组分A的扩散通量与该处A的浓度梯度成正dz比，此定律称为菲克定律，数学表达式为人二“AB宇<5-27)dz式中丿A——为组分A在扩散方向z上的扩散通量，kmol/(m2・s)；—为组分A在扩散方向z上的浓度梯度，kmol/m4；dzDab——

4、为组分A在组分B屮的扩散系数，m2/s0式中负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行。混合物的总浓度在各处是相等的，即c=cA+Cb=常数所以任一时刻，任一处，竺二=一竺L(5-28)dzdz而且，Ja=—Jb(5-39)将式(5-28)和式(5-39)代入菲克定律式(5-27),得到；Db=Dba二D(5-30)式(5・30)说明，在双组分混合物屮，组分A在组分B屮的扩散系数等于组分B在组分A中的扩散系数。1.等分子反向扩散等分子反向扩散：如图5$所示，当通过连通管内任一截血处两个组分的扩散速率大小相等时，此扩散称为等分子反向扩散・扩散距

5、离Z图5・8等分子反向扩散传质速率：在任一固定的空间位置上，单位时间内通过垂直于传递方向的单位面积传递的物质量，记作N。在等分子反向扩散中，组分A的传质速率等于其扩散速率，即:必二人=-D—(5-31)dz边界条件：z=0处，Ca=Cai;Z=Z处，Ca=Ca2»对式(5・31)积分C恥=厂-叫JoN»=—(CA1_CA2)(5・32)z如果A、B组成的混合物为理想气体，式(5・32)可表示为心=-^(Pa)-Pa2)®33)RTz式(5-32)和式(5・33)为单纯等分子反向扩散速率方程积分式。，从式(5-31)可以看出,在等分子反向扩散过程中，扩散距离2与组分

6、的浓度成直线关系。1.单向扩散及速率方程总体流动：如图5-9吸收过程，气相主体中的组分A扩散到界面，然后通过界面进入液相，而组分B由界面向气相主体反向扩散，但由于相界面不能提供组分B,造成在界面左侧附近总压降低，使气相主体与界面产生一小压差，促使A、B混合气体由气相主体向界面处流动，此流动称为总体流动。加1Pm气相主体界面总压PB的传递Nrm/b总体流动中的A扩散图5・9单向扩散因总体流动而产生的传递速率分别为Nam=^m—和g=心、空CC组分A因分子扩散和总体流动总和作用所产生的传质速率为Nz即：同理(5-34)组分B不能通过气液界面，故0二丿b+Wm'代入式(

7、5-36),得到:BP：(5-35)de将式(5-35)及菲克定律丿人二一Dab代入式＜5-34)得:dzdzcDedcAC-CAdz(5-36)在z=0,Ca=Cahz=z,Ca=Ca2的边界条件下'对式(5-36)进行积分得:(5-37)式中B2—CB1°B1(5-38)或式中NaDp(Pai-Pa2)(5-39)PBmPb2—“BlPbiPPBm称为“漂流因子”或“移动因子”，无因次。因故一^->1或£>1。将式（5-32）与（5-37）、式（5-33）与Ptim°Sm（5-39）比较，可以看出，漂流因子的大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，溶质的浓度愈

8、大，其影响