传递过程原理09

第九章相间传质§9.1双重阻力传质理论（双模理论）§9.2气相-液相反应中的扩散§9.3气相－固相反应中的扩散§9.4气体在多孔材料中的扩散系数第九章相间传质前面涉及的理论课程是在单一相内的质量传递，没有间断性的存在。然而，在很多重要的质量传递应用中，物质是要在相间进行传质的。在蒸馏过程中，蒸汽和液体在分馏塔中接触，更易挥发的物质就从液体传递到蒸汽中，与此同时不易挥发的物质就以相反的方向传递。这是等分子反扩散的一个例子。在气体吸收中，可溶气体扩散到表面，溶解在液体中，然后进入到液体的主体中，而载气并没有被传递。在这两个例子当中，一相为液体一相为气体。然而在液液萃取中，溶质从一种液体溶剂通过相界面传递到另一种液体溶剂，在晶体的溶解中，溶质是从固体传递到液体。第九章相间传质每一个过程都有一个共同的特征，就是物质通过界面的转移。因为没有物质积聚在界面处，所以界面两侧的物质转移率是相同的，物质本身的浓度梯度会自动的调节它与在某一相中物质转移的阻力是成比例的。如果在界面间的转移没有阻力，则界面两侧的浓度就与相平衡有关。然而，在相界处传输阻力的存在与否是主要的争议点，所呈现出的阻力都不大，除了在晶体壳的位置，在后面讨论中会假设在界面处存在相平衡。然而如果运用表面活化剂的话，界面阻力就会存在并且集中出现在界面处。第九章相间传质两液相间的质量传递速率取决于两相的物理性质，浓度，界面区域和湍流度。所以就要求质量传递设备可以在相间有大的接触面积，还要提升液体的湍流度。在大多数的工厂中，两液相采用逆流的方式连续接触。所以在稳态过程中，尽管液体中每一种成分的构成在通过设备时是不断变化的，但是在每一个点的条件是不随时间变化的。在大多数工厂设备中，流动模式相当的复杂，不能够用数学型式来表达，而且对于界面区域了解的也并不透彻。第九章相间传质许多机理在相界区域都受到一定的限制。最早的理论是惠特曼在1923年提出的双膜理论，这个理论表明每一相中的传递阻力可以被认为存在于界面附近的一层薄膜上。传递穿过这些膜，其被视为一种稳定的分子扩散过程。在主体液体中认为在界面膜上不存在湍流。1935年希格比认为传递过程是由新的物质被漩涡带动到界面所引起的，在界面上的传递为固定周期的非稳态过程。这一理论即为渗透理论。第九章相间传质丹克沃茨后来对这一理论有所修改，他认为物质被带到表面会停留一段时间，而停留的时间是不同的。丹克沃茨也论述了由于传递是一个非稳态过程，所以一些成分是被随机分配到下一相中的。随后，TOOR和MARCHELLO得出了一个更为普遍的薄膜穿透理论，表明先前的理论本身在某种条件下都存在局限性。许多也提出过其他的理论方法，包括KISHINEVSKIJ。在学习薄膜渗透理论之前，我们先了解下双膜理论和渗透理论9.1.双重阻力传质理论（双模理论）惠特曼的双膜理论，是最早严谨地将物质从一种流体传递到另一种时所表现的的情况呈现出来。尽管这一理论还不能在大多数的实际的设备上准确的复现，但是这一理论可以表明一些实验数据的可行性。因而这一理论一直被广泛应用。在这一方法中，假设了在界面处不存在湍流，在两种液体的每一侧都存在一个薄层。在薄层的外面，湍流漩涡加剧了分子的随机运动，传递的阻力变得逐渐减小。9.1.双重阻力传质理论（双模理论）对于等分子反扩散，在界面附近浓度梯度成线性，距离越远越小。这一理论的基础是假设传递阻力所作用的区域能够被两个假定位于界面两侧的薄膜代替，在界面上传递时是完全的分子扩散。浓度梯度在这些层中是线性变化的，向外部逐渐减小。这一理论假设质量传递是一个稳态过程，所以它只适用于浓度梯度成立的时间远小于传递所需的时间，或者薄膜的容积被忽略。9.1.双重阻力传质理论（双模理论）假设：1两相间的传质速率受制于界面两侧的边界层扩散阻力所控制；2扩散组分穿过界面时没有任何阻力。9.1.双重阻力传质理论（双模理论）图中：PAG—A组分在气相主流中的分压；PAL—A组分在界面处的分压；CAL—A组分在液相的界面处的浓度；CA∞—A组分在液相的主流状态的浓度。距离A组分的浓度气相液相距离A组分的浓度气相液相δgδLδgδLPAGCALPALCA∞PAGCALPALCA∞PALCAL1.0PALCAL=1.09.1.双重阻力传质理论（双模理论）若是稳态传质，则：气相：NA=kP(PAG-PAL)液相：NA=kC(CAL-CA∞)式中:kP—气相对流传质系数；kC—液相对流传质系数。(PAG-PAL)—气相用分压差作为计算驱动力；(CAL-CA∞)—液相用浓度差作为计算驱动力9.1.双重阻力传质理论（双模理论）因为是稳态传质，两相中的传质通量应该相等，则：NA=kP(PAG-PAL)=-kC(CAL-CA∞)两个传质系数的比值为：由于界面两侧的分子层被假设为平衡的，所以浓度的关系由相平衡关系所决定。可以看出浓度差之比与传质系数成反比。如果主体浓度是定值，则界面浓度就符合上式的值。ALAALAGPCCCPPkk9.1.双重阻力传质理论（双模理论）这就意味着，如果系数的相对值改变，界面处的浓度也会变化。总之，如果流体的湍流度增加，膜的有效厚度将会减小，质量传递系数将会相应地增加。由于我们很难测量出界面处的分压PAL和浓度CAL。应用中比较方便的方法是应用以主体风压PAG和CA∞来表示总的传质系数。1、式中：—A组分对应与液相CAL的折算平衡分压；kP—基于分压传质动力的总传质系数。AAGPAPPkNAP9.1.双重阻力传质理论（双模理论）此处认为总液体符合亨利定律：根据双模理论，界面上两相互成平衡，则：将上两式分别代入NA=kC(CAL-CA∞)，得：NA=kCH(PAL–PA*)，可以改写成如下形式：HCPAAHCPAALLAALCAPPHkN9.1.双重阻力传质理论（双模理论）改写气相方程：两式相加则KP—气相总传质系数ALAGPAPPkNAAGAPCPACAPPNkHkkNHkN11PCPkHkK1119.1.双重阻力传质理论（双模理论）由此可以看出，总阻力由两部分组成：液膜阻力和气膜阻力所组成。对于易溶气体，其H值很大，则有：此时气膜阻力远大于液膜阻力，则KP≈kP，气膜阻力是控制因素。即PK1HkC1Pk1HkC1Pk1ALAGAAGPPPP9.1.双重阻力传质理论（双模理论）2、式中：—气相中PAG分压下折算出的虚拟浓度；kC—基于浓度传质动力的总传质系数。此处认为符合亨利定律：则：可以改写成：AACACCkNACHCPAAGHCPALALALAPALAPALAGPACCHkHCHCkPPkNALAPACCkHN9.1.双重阻力传质理论（双模理论）可以改写成：将改写成综合上述：令则式中KC为液相总传质系数。ALAPACCkHNAALCACCkNAALCACCkNAAALAAALCPACCCCCCkkHN1CPCkkHK11AACACCKN9.1.双重阻力传质理论（双模理论）为传质总阻力，可以看出此阻力有气膜阻力与液膜阻力两部分组成。对于难溶气体H很小，则远小于，此时传质阻力是液膜阻力，而气膜阻力可以忽略，因而有。而整个传质过程，可以认为是：双膜理论是液膜理论在两相传质中的应用。CK1PkHCk1CCkKPkHCk19.2.气相-液相反应中的扩散气体以原子状态溶于熔融金属时，其溶解度随温度升高而增加，所以金属或无机材料高温熔化时，会吸收大量气体，而在凝固时，则放出大量气体。没有来得及排出的气体会造成材料性能的恶化。根据平方根定律，双原子气体(N2，H2)的溶解度与气体压力的平方根成正比。2NPkN9.2.气相-液相反应中的扩散金属吸气与排气大致包括以下几个过程：气相中的传质；液相中的传质；界面化学反应；新相（气泡）形成。每个过程均可能单独控制总过程的总速率。9.2.气相-液相反应中的扩散A、液相传质控制—液膜控制总速率液膜控制传质的特点是无化学反应阻力，即，且无气膜传质阻力。为平衡时的气体压力。计算公式：界面液C∞ClP*=Pi=P∞传质iPPPiCCCADJiD式中和：分别是液相扩散系数和液膜厚度9.2.气相-液相反应中的扩散B、气相传质控制—气膜控制总速率气膜控制传质的特点是无液膜传质阻力，即，且无化学反应阻力。为。iPPPiPiPPADJD界面液P∞PlP*=Pi=P∞传质δ气计算公式：式中和：分别是气相扩散系数和气膜厚度9.2.气相-液相反应中的扩散C、受两相中的扩散速度控制—扩散控制总速率对扩散传质的特点是有液膜传质阻力，也有气膜传质阻力而无化学反应阻力。其传质系数：液C∞P∞P*=Pi=P∞传质δ气δ液PlCl气PCPkHkK119.2.气相-液相反应中的扩散D、受晶界化学反应控制—晶界化学反应控制总速率晶界化学反应控制传质的特点是无液膜传质阻力，也无气膜传质阻力。有：C∞P*传质P∞PlClPPPCCii9.2.气相-液相反应中的扩散E、受各个过程综合控制—混合控制总速率传质的特点是各个过程对传质都有影响有：tPCPkkHkK1119.3.气相-固相反应中的扩散1、假定层状模型颗粒内不存在反应界面，化学反应是在一定厚度的层内进行。2、拟均一相模型假设，化学反应发生在颗粒内的全部区域。举燃烧颗粒模型为例，说明气固反应中的扩散模型建立方法。9.3.气相-固相反应中的扩散以右图进行分析：为灰层；为氧气扩散边界层。(1)氧气向固体碳表面扩散传输，或者二氧化碳从固体表面解析、向外传输，气流核心的氧浓度为，固体表面的氧浓度为。δ1δ212C1SC9.3.气相-固相反应中的扩散则氧气的扩散传输速率为：(2)在固体表面，氧分子要通过灰层，向反应界面扩散传输，则传输率为：灰层表面氧浓度；固相反应表面氧浓度。1SC1122SSGOCCDCCkW12112SSOCCDW1SC9.3.气相-固相反应中的扩散若灰层因素不考虑，则：在一般情况下，碳燃烧的气化反应认为是一级反应，则：在稳态过程中，反应速度与反应气体向反应表面的扩散速率相等，即W相等。2SGCCkW12SCkW9.3.气相-固相反应中的扩散消去将代入得经代数变化，得：2SGCCkW2SCkWCS2kWCkWGCKCkkWCkkWZGG111119.3.气相-固相反应中的扩散当燃烧温度很低时，＜＜（动力燃烧）；当燃烧温度很高时，＞＞（扩散燃烧）；kGkCkCKWZkGkCkCKWGZ9.3.气相-固相反应中的扩散9.3.2颗粒外表有阻力的质量传递和化学反应过程当颗粒外表面产生的传质阻力相对于颗粒本身不能忽略，一部分的浓度驱动力要消耗于克服外表面的阻力，反应物料颗粒表面的浓度比液体主体的小。在10.7.1到10.7.3部分多孔介质的质量传递阻力都表现为影响系数，借此颗粒的反应速度看作阻力的结果。每单位体积的反应速度（单位体积单位时间的摩尔数）对于一阶反应由下式：（10.217）对于特定的体积Vp，每单位体积的反应速度（单位体积单位时间的摩尔数）：（10.218）有外部质量阻力存在，的值（颗粒表面的浓度）小于液体主体的，并且是未知的。然而，当外部传质阻力系数的值已知，由液体主体到颗粒的传质速度：（10.219）得到：（10.220）代入方程1