化工原理第五章吸收过程的传质速率

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1、第三节吸收过程的传质速率一、分子扩散与菲克定律二、单向对流传质过程三、两相间的传质过程四、吸收过程的总传质速率方程第五章吸收2021/8/4一、吸收过程分析气相液相相界面溶解气相扩散液相扩散气相主体液相主体三步两过程1、吸收过程的构成2021/8/42、吸收过程传质的方式吸收过程相间传质过程单相传质过程分子扩散过程对流传质过程2021/8/4二、单相传质过程中的分子扩散1、什么是分子扩散【定义】静止的流体内部，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

2、为分子扩散。2、分子扩散的两种形式分子扩散等分子反向扩散单相扩散2021/8/4分子扩散现象2021/8/4分子扩散现象2021/8/42021/8/4费克（A.Fick）在1855年在实验的基础上提出了菲克第一定律，指出：“由两组分A和B组成的混合物中，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dcA/dz，则任一点处组分A的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比”，即：3、分子扩散的基本规律——费克定律2021/8/4【定义】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

3、通量（扩散速率），以符号J表示，单位为kmol/(m2·s)。【作用】扩散通量可以用来表征扩散进行的快慢程度。【扩散通量】2021/8/4【费克定律的数学表达式】式中JA——组分A在扩散方向z上的扩散通量，kmol/m2·sdcA/dz——组分A在扩散方向z上的浓度梯度，kmol/m4；DAB——组分A在组分B中的扩散系数，m2/s。【说明】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。2021/8/44、等摩尔（分子）逆（反）向扩散（1）什么是等分子反向扩散【定义】通过连通管内任一

4、截面处两个组分的扩散速率大小相等、方向相反时，此扩散过程称为等分子反向扩散。AB2021/8/4①扩散过程中，任一截面上总浓度维持不变，即：c＝cA+cB（2）等分子反向扩散的浓度特点②浓度梯度为常数cAcB2021/8/4DAB=DBA=D【结论】在双组分混合物中，组分A在组分B中的扩散系数等于组分B在组分A中的扩散系数。（3）等分子反向扩散的扩散系数c＝cA＋cB＝常数将以上关系式代入菲克定律式，得到：由于则组分A在组分B中的扩散系数组分B在组分A中的扩散系数2021/8/4【传质速率】在任一固定

5、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的量，以符号N表示，单位为kmol/(m2·s)。【表达式】在等分子反向扩散中，物质的传递方式仅为分子扩散，组分A的传质速率等于其扩散速率即：（4）等分子反向扩散的传质速率2021/8/4ZcA1cA2NA边界条件：z=0，cA=cA1；z=Z，cA=cA2；对上式积分：——液相传质速率2021/8/4如果A、B组成的混合物为理想气体，由：——气相传质速率ZpA1pA2NA2021/8/4【等摩尔（分子）逆向扩散的特点】（1）系统中各处的总

6、浓度c（总压力p）相等；（2）JA＝－JB（两组分反方向的扩散速率相等）；（3）浓度（压力）梯度为常数；（4）DAB＝DBA＝D；（5）传质速率方程式为：2021/8/45、单向扩散及速率方程【例如】在气体吸收中，A为被吸收组分，B为惰性组分，液相不存在组分B，不可能向界面提供组分B。因此，吸收过程所发生的是组分A通过“静止”组分B的单方向扩散，而不是等分子反向扩散。（1）什么是单向扩散【特点】一种组分扩散，另外一种组分“静止”。2021/8/4【说明】当A、B双组分气体混合物与液体溶剂接触时，气相主

7、体中的组分A扩散到界面，然后通过界面进入液相，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。（2）单向扩散的特点——整（总、主）体流动ApA1pA2pB1pB2p1=pA1+pB1p2=pA2+pB2A，B总体流动p1>p2气相液相2021/8/4【说明】（1）整体流动将B组分使得气液相界面附近B组分分压增大，故B组分将向主体扩散；（2）整体流动将A组分带到了气液相界面，故气相中A组分的传质量比单纯的分子扩散过程多。（3）单向扩

8、散的质量传递特点2021/8/4【扩散流】（分子扩散引起的物料流）是分子微观运动的宏观结果，所传递的是纯组分A或纯组分B。【整体（主体）流动】是物流的宏观运动，它同时携带组分A与B流向界面。（4）整体流动与扩散流的区别扩散流整体流动2021/8/4若整体流动中B组分的传递速率为NBM，扩散流中B组分的传递速率为JB，则：即JB与NBM两者数值相等，方向相反。由于B组分的浓度维持不变，表观上B组分是“静止”的。（5）“静止”组分B扩散流整体流动2021/8