5.3化工原理

返回华南农业大学化工原理电子课件5.3.分子扩散与单相传质5.3.1.分子扩散5.3.2.单相分子扩散5.3.3.单相对流传质5.3.4.界面上的浓度返回华南农业大学化工原理电子课件5.3.分子扩散与单相传质吸收过程：（1）A由气相主体到相界面，气相内传递；（2）A在相界面上溶解，溶解过程；（3）A自相界面到液相主体，液相内传递。单相内传递方式：分子扩散；对流扩散。1．分子扩散与菲克定律5.3.1.分子扩散返回华南农业大学化工原理电子课件分子扩散现象：返回华南农业大学化工原理电子课件分子扩散：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。扩散通量：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，J表示，kmol/(m2·s)。菲克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。返回华南农业大学化工原理电子课件zcDJddAABAJA——组分A扩散速率（扩散通量），kmol/（m2·s）；—组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；zcddADAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。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返回华南农业大学化工原理电子课件理想气体：RTpcAAzcddAzpRTdd1A=zpRTDJddAABA返回华南农业大学化工原理电子课件5.3.2.单相分子扩散分子扩散两种形式：等分子反向扩散，单向扩散。1．等分子反向扩散及速率方程JAJB(1)等分子反向扩散TPpA2pB2TPpA1pB112返回华南农业大学化工原理电子课件等分子反向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。zpRTDJddAABAzpRTDJddBBABBpppA总压一定zpddA=zpddB返回华南农业大学化工原理电子课件JA=－JBDAB=DBA=D（2）等分子反向扩散传质速率方程传质速率定义：任一固定的空间位置上，单位时间内通过单位面积的物质量，记作N,kmol/(m2·s)。NA=zpRTDJddAA气相：)(A2A1AppRTzDN返回华南农业大学化工原理电子课件)(A2A1AcczDNNA=zcDJddAABA液相：（3）讨论1）21AAAppN2）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。3）等分子反方向扩散发生在精馏过程中。ppB1pA1pA2pB2扩散距离z0zp返回华南农业大学化工原理电子课件2．单向扩散及速率方程AJBJ0AccN0BccN{AN}气相主体液相主体相界面N单向扩散示意图A可溶于液相B完全不溶于液相液相不挥发所谓单向扩散是指组分A通过停滞（或不扩散）组分B的分子扩散，③JA=-JB依然存在；④NB=0且NMB=-JB特点：①JB依然存在；②主体流动NM；返回华南农业大学化工原理电子课件12JAJBNMcA/cNMcB/c总体流动NMNA（1）总体流动：因溶质Ａ扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流动。（2）总体流动的特点：1）因分子扩散引起的宏观流动。2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率。返回华南农业大学化工原理电子课件ccNNAMMAccNNBMMB（3）单向扩散传质速率方程ccNJNAMAAccNJNBMBBccNJBMB0ccNJBMB返回华南农业大学化工原理电子课件MBAMAMBMANcccNccNccNNMANNccNzcDNAAAAddzcccDcNddAAA——微分式BAJJccNJBMA返回华南农业大学化工原理电子课件在气相扩散RTpcAARTpczpppRTDpNdd)(AAAA1A2AlnppppRTzDpNB1B2AlnppRTzDpN——积分式21)-(ddAA0AAAppzpppRTDpzN返回华南农业大学化工原理电子课件B2A2B1A1pppppB1B2B1B2Bmlnppppp)(lnlnB1B2B1B2A2A1B1B2B1B2B1B2ppppppRTzDpppppppRTzDpNA返回华南农业大学化工原理电子课件S1S2S1S2Smlnccccc)(A2A1SmAcczcDcN——积分式)(A2A1BmAppRTzpDpN——积分式液相：（4）讨论1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系Bmpp2）Smcc、——漂流因数，无因次返回华南农业大学化工原理电子课件漂流因数意义：其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。1Bmpp1Smcc漂流因数的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。3）单向扩散体现在吸收过程中。返回华南农业大学化工原理电子课件3．扩散系数扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；D，m2/s。D的影响因素：A、B、T、P、浓度D的来源：查手册；半经验公式；测定（1）气相中的D返回华南农业大学化工原理电子课件范围：10-5～10-4m2/s经验公式DpDTpTDpTfD)(75.1，（2）液相中的D范围：10-10～10-9m2/sDDTTDTfD)(，返回华南农业大学化工原理电子课件【例5-3】有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，5小时后，管内液面降到距管口20.5mm，管内液体温度保持293K，大气压为100kPa，此条件下，丙酮的饱和蒸气压为24kPa。求丙酮在空气中的扩散系数。z空气丙酮返回华南农业大学化工原理电子课件ddddddddddAAAAAAAAAAzMzAMAVAMAMmAn单位面积液面汽化的速率用液面高度变化的速率：ddAAzMB1B2lnppRTzDp=zzzzppRTDpM0ddlnB1B20AA解B1B2AlnppRTzDpN返回华南农业大学化工原理电子课件2/)(ln202B1B2AAzzppRTDpM2ln202B1B2AAzzpppRTMD/sm10118002011.00205.076100ln100293314.8587902522返回华南农业大学化工原理电子课件5.3.3.单相对流传质1．涡流扩散涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部存在浓度梯度，流体质点便会靠质点的无规则运动，相互碰撞和混合，组分从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。zcDJeeddA,A吸收剂气体yx界面返回华南农业大学化工原理电子课件eJ,A——涡流扩散速率，kmol/(m2·s)；eD——涡流扩散系数，m2/s。注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关。总扩散通量：zc)D(DJeddAA返回华南农业大学化工原理电子课件TTWtWt热流体冷流体pApAicAicA气相液相TtGLE2．有效膜模型（1）单相内对流传质过程返回华南农业大学化工原理电子课件1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的变化较陡。2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水平线。3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的变化逐渐平缓。返回华南农业大学化工原理电子课件（2）有效膜模型单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散。3．单相对流传质速率方程（1）气相对流传质速率方程有效膜厚δG由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点E，则厚度δG为E到相界面的垂直距离。返回华南农业大学化工原理电子课件)p(ppRTδDpNiAAGBmGA)iAAGGApp(kNBmGGpRTDpk——以分压差表示推动力的气相传质分系数，kmol/（m2·s·kPa）。Gk=传质系数×吸收的推动力AN返回华南农业大学化工原理电子课件气相对流传质速率方程有以下几种形式：)pp(kNiAAGGA)(AiyyykNyk——以气相摩尔分率表示推动力的气相传质分系数，kmol/（m2·s）；各气相传质分系数之间的关系：pypAGiipypAGpkky带入上式)pp(kNiAAGGA与)(AiyyykN比较返回华南农业大学化工原理电子课件)cc(ccDNS'ALiAmLA)cc(kNALiALASmLLccDk'液相传质速率方程有以下几种形式：)(AxxkNix)cc(kNALiALA（2）液相对流传质速率方程返回华南农业大学化工原理电子课件kL——以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相对流传质分系数，kmol/（m2·s·kmol/m3）；xk——以液相组成摩尔分率表示推动力的液相对流传质分系数，kmol/（m2·s）；各液相传质分系数之间的关系：Lckkx注意：对流传质系数=f(操作条件、流动状态、物性）返回华南农业大学化工原理电子课件5.3.4.界面上的浓度定态传质)()(ALiALiAAGGAcckppkN=f（cAi）iAp、cAiiAp1．一般情况2．平衡关系满足亨利定律)()(ALiALiAAGGAcckppkNiHpcAAi、cAiiAp返回华南农业大学化工原理电子课件3．图解GLiAALiAAGkkccpp)()(ALiALiAAGGAcckppkNGLkkI（pAi，cAi）气膜阻力液膜阻力操作点OI（界面）斜率）(GLkkH1斜率平衡线cA/kmol/m3cA*Ac*ApipApicpA/kPa0