化工原理教案5.4相际对流传质及棿传质速率方程

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1、5.4相际对流传质及总传质速率方程本节教学要求1、重点掌握的内容：双膜理论、吸收过程的控制步骤(气膜控制、液膜控制)2、熟悉的内容：吸收过程总传质速率方程、总传质系数及英相互间的关系；3、难点：吸收过程的控制5・4・1双膜理论双膜理论基于双膜模型，它把复杂的对流传质过程描述为溶质以分子扩散形式通过两个串联的有效膜，认为扩散所遇到的阻力等于实际存在的对流传质阻力。其模型如图5-12所示。图5-12双膜理论示意图双膜模型的基本假设：(1)相互接触的气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧分別存在着稳定的气膜和液膜。膜内流体流动状态为层流，溶质

2、A以分子扩散方式通过气膜和液膜，由气相主体传递到液相主体。(2)相界面处，气液两相达到相平衡，界面处无扩散阻力。(3)在气膜和液膜以外的气液主体中，由于流体的充分湍动，溶质A的浓度均匀，溶质主要以涡流扩散的形式传质。5・4o2吸收过程的总传质速率方程1.用气相组成表示吸收推动力时，总传质速率方程称为气相总传质速率方程，具体如下:(5-51)NjKgSa-加)心=心(丫-厂)(5-52)(5-53)式中心以气相分压差px-表示推动力的气相总传质系数，kmol/(m2•$*kPa)；Ky一一以气相摩尔分率差y-/表示推动力的气相总传质系数，

3、kmol/(m2-s)；Ky——以气相摩尔比差r-y*表示推动力的气相总传质系数，kmol/(m2・s)。2.用液相组成表示吸收推动力时，总传质速率方程称为液相总传质速率方程，具体如下：心=Kl(c；-Ca)(5-54)N、=Kx{x-x)(5-55)比=Kx(X“-X)(5-56)式中Kl一一以液相浓度差c；-Ca表示推动力的液相总传质系数，m/s；Kx——以液相摩尔分率差Z-X表示推动力的液相总传质系数，kmol/(m2・s)；Kx——以液相摩尔比差X*-X表示推动力的液相总传质系数，kmol/(m2・s)。3•总传质系数与单相传质

4、系数之间的关系及吸收过程中的控制步骤若吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线，贝9：Ca=Hp：根据双膜理论，界面无阻力，即界血上气液两相平衡，对于稀溶液，则CAi=Hpz将上两式代入式(5-46)得：或式(5-41)可转化为：1z_-j~NpA-pAi两式相加得kG—；—■-N»=pA—p»曲心丿N»=z*}x(Pa-pI)1曲kG)将此式与式(5-51)比较得(5-57)=1Kg叭心用类似的方法得到11H+一心kG1m11-Ky©ky111=:——+Kk.mkXXy1m1=—■+K、‘kxkY111一+kxmky(5-58)

5、(5-59)(5-60)(5-61)(5-62)通常传质速率可以用传质系数乘以推动力表达，也可用推动力与传质阻力之比表示。从以上总传质系数与单相传质系数关系式可以得出，总传质阻力等于两相传质阻力Z和，这与两流体间壁换热时总传热热阻等于对流传热所遇到的各项热阻加和相同。但要注意总传质阻力和两相传质阻力必须与推动力相对应。这里以式(5-57)和(5-58)为例进一步讨论吸收过程中传质阻力和传质速率的控制因素。(1)气膜控制由式(5-57)可以看出，以气相分压差Pa一表示推动力的总传质阻力丄是由气相Kg传质阻力丄和液相传质阻力丄两部分加和构成

6、的，当心与灯数量级相当时，对于H值较大的易溶气体，有丄二丿-，即传质阻力主要集中在气相，此吸收过程由气相阻力控Kg“g制(气膜控制)。如用水吸收氯化氢、氨气等过程即是如此。(2)液膜控制由式(5-68)可以看出，以液相浓度差cA-cA表示推动力的总传质阻力是由气相传质阻力旦和液相传质阻力丄两部分加和构成的。对于H值较小的难溶气体，当心与灶数kL量级相当时，有—,即传质阻力主要集中在液相，此吸收过程由液相阻力控制(液KlkL膜控制)。如用水吸收二氧化碳、氧气等过程即是如此。3•总传质系数间的关系式(5-58)除以H,得1_1J_与式(5-

7、57)比较得：Kg=HK、(5-63)同理利用相平衡关系式推导出mKv=Kv(5-64)mKY=Kx(5-65)卩心=心(5-66)pKG=Ky(5-67)eg=Kx(5-68)eg=Kx(5-69)【例5-6］在总压为lOOkPa、温度为30°C吋，用清水吸收混合气体中的氨，气相传质系数kG=3.84X10'6kmol/(m?・s•kPa),液相传质系数kL=1.83X10'4m/s,假设此操作条件下的平衡关系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05,其气相平衡分压为6.7kPao求当塔内某截面上气、液组成分别为)=0.05,尸0

8、.01吋(1)以P、-p；、c：—-表示的传质总推动力及相应的传质速率、总传质系数；(2)分析该过程的控制因素。解：(1)根据亨利定律E二厶=®~=134kPa兀0.05E134相平衡常数"〒而“34溶解度