天津大学化工传递过程基础陈涛课件第十章分子传质

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1、第十章分子传质分子传质在气、液、固体内部均能发生。本章讨论气、液、固体内部的分子扩散的速率与通量。重点讨论气相中常见的两种情况：组分A通过停滞组分B的稳态扩散，等分子反方向扩散。一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散10.1气相中的稳态扩散二、等分子反方向稳态扩散三、伴有化学反应的气体稳态扩散四、气体扩散系数第十章分子传质1.扩散的物理模型设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A为扩散组分，组分B为不扩散组分（称为停滞组分），组分A通过停滞组分B进行扩散。吸收操作一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散溶质NANB＝0+惰性组分BA+

2、B气相主体相界面液相－－－－－－－－－－－－－2.扩散的数学模型不可压缩稳态一维一维无化反一维积分一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散比较对于组分B的扩散NA=常数，沿面积不变的扩散路径上，为常数同样NB=常数。但B不能穿过气液界面，故一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散因此得一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散数学模型B.C(1)z=z1,cA=cA1(2)z=z2,cA=cA2一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散3.数学模型的求解(1)扩散通量方程求解得扩散通量表达式一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散由于扩散过程中总压不变一、组分

3、A通过停滞组分B的稳态扩散令因此得组分B的对数平均分压扩散通量表达式一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散—反映了主体流动对传质速率的影响。飘流因数一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散因为故～～主体流动影响无主体流动一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散(2)浓度分布方程由于扩散为稳态扩散，且扩散面积不变=常数一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散代入边界条件解得浓度分布方程指数型一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散组分A通过停滞组分B的扩散距离zP＝pA+pBpA1pA2pB1pB2z1z2pBpANANB一、组分A通过停滞组分B的稳态扩散

4、设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则称为等分子反方向扩散。1.扩散的物理模型汽相相界面－－－－－－－－－－－液相易挥发组分NANB难挥发组分蒸馏操作二、等分子反方向稳态扩散2.扩散的数学模型由对于等分子反方向扩散NA=－NB二、等分子反方向稳态扩散数学模型(1)z=z1,cA=cA1(2)z=z2,cA=cA2B.C二、等分子反方向稳态扩散3.数学模型的求解求解得(1)扩散通量方程扩散通量表达式二、等分子反方向稳态扩散(2)浓度分布方程由即化简得0000二、等分子反方向稳态扩散

5、积分两次，并代入边界条件得浓度分布方程直线型二、等分子反方向稳态扩散等分子反方向扩散二、等分子反方向稳态扩散三、伴有化学反应的气体稳态扩散伴有化学反应的扩散过程，既有分子扩散又有化学反应，这两种过程的相对速率极大地影响着过程的性质。（1）当化学反应的速率大大高于扩散速率时，扩散决定传质速率，这种过程称为扩散控制过程；（2）当化学反应的速率远远低于扩散速率时，化学反应决定传质速率，这种过程称为反应控制过程。本节以最简单的一级反应为例，说明伴有化学反应过程的扩散通量的计算方法。设在催化剂表面上进行如下一级化学反应A（g）+C（S）

6、→2B（g）（1）气体组分A自气相主体扩散至催化剂表面；（2）在催化剂表面，气体组分A与固体组分C进行化学反应，生成气体组分B；（3）气体组分B自催化剂表面扩散至气相主体。AB气相主体催化剂C表面三、伴有化学反应的气体稳态扩散1.扩散控制过程若化学反应极快，则反应速率＞＞扩散速率，故此过程的速率由扩散速率控制。在此种情况下，组分A的扩散通量为由化学反应计量比，得三、伴有化学反应的气体稳态扩散代入得B.C.（1）z=z1，cA=cA1（2）z=z2，cA=cA2三、伴有化学反应的气体稳态扩散解得三、伴有化学反应的气体稳态扩散2.

7、反应控制过程如果在催化剂表面上，化学反应进行的极为缓慢，化学反应速率＞＞扩散速率，此过程的速率由化学反应速率来确定，组分A的传质通量为式中k1—一级化学反应速度常数；（1）由（1）可得三、伴有化学反应的气体稳态扩散由于气相中扩散的NA与NB的关系未变，因此以气相扩散通量表示的方程为三、伴有化学反应的气体稳态扩散四、气体扩散系数气体的扩散系数与系统的温度、压力以及物质的性质有关。气体中扩散系数的范围：1×10–3~1×10–4m2/s。1.气体扩散系数的测定方法测定方法有：蒸发管法、双容积法、液滴蒸发法等，其中以蒸发管法最为常用

8、。蒸发管法法测定气体扩散系数的原理z2NA气体B液体A一细长的圆管，置于恒温、恒压的系统内。被测液体A注入管底部，气体B吹过管口。液体A汽化并通过气层B进行扩散。四、气体扩散系数A扩散到管口处，立即被大量气体B带走，故pA2≈0液面处组分A的分压pA1为在测定条件下组分A的饱