3-传质原理及应用

1第三章传质机理及应用2主要内容3.1传质基本概念3.2蒸馏3.3吸收3.5传质设备3（1）二元物系的气液相平衡关系（包括：拉乌尔定律，温度组成图，气液相平衡图，挥发度及相对挥发度），气体的溶解度和亨利定律，吸收速率方程式；（2）双组分连续精馏的工艺计算（包括：物料衡算与操作线方程，进料状态的影响、理论板数的确定、回流比的讨论及热量衡算）；（3）吸收塔的工艺计算（包括：物料衡算与操作线方程、吸收剂用量的讨论、填料层高度的计算）；（4）塔设备的基本结构，填料塔附件、填料的主要类型及性能、填料塔与板式塔的比较。1．本章重点42．本章难点传质机理；非理想体系的气液平衡关系；特殊情况下精馏过程理论板数的确定；板式塔的塔板结构及流体力学性能。5前言分离：根据混合物性质的不同采用不同的方法混合物分离基本特征：物质由一相转移到另一相或生成新相，过程取决于两相之间的平衡关系，称为相际传质过程均相混合物非均相混合物过程工业中，经常需将混合物加以分离。采用适当的分离方法与设备，并消耗一定的物料和能量。不属于同一相的两种或两种以上的物质混合得到的混合物6主要介绍气液传质原理，蒸馏操作和吸收操作的主要工艺计算，以及板式塔和填料塔的设备特点及流体力学特性。在相界面利用平衡关系进行分离操作时，从技术角度来说：（1）尽可能经济地增大两相界面的表面积，以及怎样在界面上充分利用平衡关系；（2）平衡状态为过程的极限，分离不能持续进行，还必须研究如何既偏离平衡状态，又进行所期望的分离。73.1传质基本概念质量传递现象蒸馏、吸收、干燥及萃取等单元操作单相内物质传递的原理分子扩散传质涡流扩散传质涡流扩散时也伴有分子扩散，对流传质物质由一相转移到另一相，或者在一个均相中，其基本机理都相同。81、分子扩散概述与费克定律一、分子扩散910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。分子运动论：随机运动,道路曲折,碰撞频繁扩散速率很慢(1)费克定律a.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)。11zcDJddAABA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/m4zcddADAB——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，扩散沿着物质浓度降低的方向进行温度、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。b.费克定律12理想气体：RTpcAAAd1=dAcdpzRTdzzpRTDJddAABA对于气体混合物，费克定律采用组分的分压表示13费克定律与傅里叶定律形式上相似，区别在于：A、热传导传递的是能量，分子扩散传递的是物质。B、分子扩散，一个分子转移后，留下相应的空间，必由其他分子补充，即介质中的一个或多个组分是运动的，因此，扩散通量存在一个相对于什么截面的问题；而在热传导中，介质通常是静止的而只有能量以热能的方式进行传递。=-dtdQSnzcDJddAABA费克定律与傅里叶定律比较14（2）分子对称面双组分混合物在总浓度C（对气相是总压P）各处相等的情况下ABCCC常数ABdCdCdZdZABBADDDABJJ组分A和组分B等量反方向扩散通过的截面叫分子对称面。特征是，仅对分子扩散而言，该截面上净通量等于零，且该截面既可以是固定的截面，也可以是运动的截面。15（1）单相扩散吸收操作的分析2、一维稳态分子扩散一维：只沿一个方向扩散，其他方向无扩散或扩散量可以忽略。稳态：扩散速率的大小与时间无关，只随空间位置而变化。假设：只有气相溶质A不断由气相主体通过两相界面进入液相中，而惰性组分B不溶解且吸收剂S不气化。11’FF’22’zJANNBNAJBpA1pA2NA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移动，即产生了宏观上的相对运动，叫做总体流动。也叫摩尔扩散，摩尔扩散指分子群。总体流动的特点：1）由分子扩散引起的宏观流动，不是外力驱动；2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率；3）总体流动与溶质的扩散方向一致，有利于传质取一固定截面F，则该截面不仅有分子扩散，还有总体流动。根据分子对称面的特点，截面F不是分子对称面。若将分子扩散相对应的分子对称面看成一个与总体流动速度相同的运动截面，则一系列运动的分子对称面与固定的截面F重合。F上的净物流通量N’为N’=N+JA+JB=N17固定截面上包括运动的分子对称面，则有：JA=-JBN总体流动通量，由两部分组成ABCCNNNCC总体流动中携带的组分A总体流动中携带的组分B18在截面F与两相界面间做物料衡算BBCNJC对组分B：上两式相加得：'ANNNNA：组分A通过两相界面的通量，kmol/(m2·s)AAACJNNC对组分A：11’FF’22’zJANNBNAJBpA1pA2NA组分B由两相界面向气相主体的分子扩散与由气相主体向两相界面的总体流动所带的组分B数值相等，方向相反，因此宏观上看，组分B是不动的或停滞的。所以由气相主体到两相界面，只有组分A在扩散，称为单向扩散或组分A通过静止组分B的扩散。由（1）可导出单向扩散速率计算式：12()mAAABDPNppRTZP2121lnmBBBBBppPppmBP1、2截面上组分B分压的对数平均值组分A的分压与扩散距离z为对数关系20对于液体的分子运动规律远不及气体研究得充分，仿照气相中的扩散速率方程，写出液相中的相应关系式：12''()'mAAASDCNCCZC'AN溶质A在液相中的传质速率，kmol/(m2·s)'D溶质A在溶剂S中的扩散系数，m2/s12,AACC1、2两截面上的溶质浓度，kmol/m321（2）等分子反向扩散理想精馏操作JAJBTPpA2pB2TPpA1pB112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。无总体流动现象，分子对称面是一个固定的截面。JA=NAJB=NBAA1A2()ZDNppRT等分子反向扩散速率计算式pA1pB2pB1pA2z1z2P22讨论：1）A12AANpp（）2）组分的分压与扩散距离Z成直线关系。ppB1pA1pA2pB2扩散距离z0zpmmBSpcpc——漂流因子，无因次漂流因子意义：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。mmBS11pcpc漂流因子的影响因素：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。AA1A2()ZDNppRT等分子反向扩散速率计算式12()mAAABDPNppRTZP单向扩散速率计算式243、分子扩散系数D（1）D扩散系数，表征单位浓度梯度下的扩散通量，反映了某一组分在介质中分子扩散的快慢程度，是物质的一种传递属性。（2）D是温度、压力、物质的种类、浓度等因素的函数。（3）D的来源：查手册；半经验公式；实验测定25（1）气相中的D范围：10-5～10-4m2/s半经验公式：Fuller等DpDTpTDpTfD)(75.1，（2）液相中的D范围：10-10～10-9m2/sDDTTDTfD)(，171.75211233111.0010()[()()]ABABTMMDPvv1280.67.410SASSAaMTDv很稀的电解质溶液：Wilke等26二、对流传质1．涡流扩散层流与湍流的本质区别：层流，质点仅沿着主流方向运动；湍流，除沿主流方向运动外，在其他方向上还存在脉动（或出现涡流、漩涡）涡流扩散：由于涡流产生的质量传递过程。涡流扩散速率比分子扩散速率大得多，强化了相内的物质传递。对流传热同时存在热传导类似，涡流扩散的同时也伴随分子扩散。没有严格的理论描述272．对流传质对流传质模型涡流扩散与分子扩散同时发生的过程称为对流传质膜模型溶质渗透理论表面更新理论28（1）膜模型三个区层流内层：分子扩散，浓度分布是直线或近似直线过渡区：涡流扩散和分子扩散，曲线湍流区：涡流扩散，近似为一条水平线将流体主体与固体壁面之间的传质阻力折合为与其阻力相当的de厚的层流膜(虚拟膜、当量膜、有效膜)内，对流传质的作用就折合成了相当于物质通过de距离的分子扩散过程，这种简化处理的理论称为膜模型。FCA1CA2GH0czdEed2912GmAAAGBDPNppRTpd对于气相对于液相12mLAAALBDCNccCdkL：液相对流传质系数kG：气相对流传质系数GmGGBDPkRTpdmLLLBDCkcd令：（2）对流传质速率方程12()AGAANkpp12()ALAANkCC30影响对流传质系数的因素：①物性参数，包括分子扩散系数、黏度、密度；②操作参数，包括流速、温度、压力；③传质设备特性参数，几何定性尺寸d(,,,,,,)kfDudTP由量纲分析得特征数关联式：(Re,)ShfSc31Sc---施密特数，物性的影响=DScD1lklDShDkSh---施伍德数，分子扩散阻力/对流扩散阻力Re---雷诺数，流动状态的影响，d当量直径(Re,)ShfSc32（3）其他传质理论简介膜模型适用于有固定相界面的系统或相界面无明显扰动的相间传质过程，如湿壁塔的吸收操作。有自由界面的系统，尤其是剧烈湍动的相间传质过程，如填料塔的吸收操作，膜模型与实际不符。溶质渗透理论表面更新理论33溶质渗透理论-希格比（Higbie）1935在很多过程工业的传质设备中，例如填料塔内的气液接触，由于接触时间短且湍动剧烈，所以在任意一个微元液体与气体的界面上，所溶解的气体中的组分向微元液体内部进行非定态分子扩散，经过一个很短暂的接触时间后，这个微元液体又与液体主体混合。假设所有液体微元在界面上和气体相接触的时间都是相同的，导出液膜传质系数为2LLDk渗透模型参数，是气液相每次接触的时间34溶质渗透理论比膜模型理论更符合实际，指明缩短τ可提高液膜传质系数。故，增加液相的湍动程度、增加液相的表面积均为强化传质的途径。35表面更新理论-丹克沃茨（Danckwerts）1951理论认为溶质渗透理论所假定的每个液体微元在表面和气体相接触的时间都保持相同是不可能的。实际情况是各个液体微元在相界面上的停留时间不同，而是符合随机的寿命分布规律，且不同寿命的表面液体微元被新鲜的液体微元置换的概率是相同的。该理论将液相分为界面和主体两个区域，在界面区里，质量传递是按照渗透模型进行，不同的是这里的微元不是固定的，而是不断地与主体内的微元发生交换进行表面的更新；在主体内，全部液体达到均匀一致的浓度。36SLLkD表面更新理论推导出的液膜传质系数为kL，按整个液面的平均值计的液相传质系数；S，表面更新频率，即单位时间内液体表面被更新的百分率，s-137三个传质模型都有可接受的物理概念，但都包含一个难以测定的模型参数。实际上，只有少数情况下可由理论推算传质系数。绝大多数情况下，采用量纲分析结合实验测定的方法，确定用无量纲数群表示的对流传质系数关联式，应用到工程实际中。38小结单相内物质传递原理：一、分子扩散1、分子扩散概述与费克定律2、一维稳态分子扩散3、分子扩散系数二、对流传质1、涡流扩散2、对流传质39403.2蒸馏蒸馏目的：分离液体混合物或液化了的气体混合物，提纯或回收有用组分。蒸馏是应用最广的一类液体混合物的分离方法，特点：①直接获得所需要的产品；②适用范围广：液体、气态或固态混合物的分离；③适用于各种浓度混合物的分离；④对混合物加热建立气液两相体系，气相要冷凝液化。耗能较大，需节能。413.2蒸馏一、气液相平衡原理二、蒸馏方式三、精馏原理四、物料衡算与操作线方程五、热量衡算六、精馏设计计算七、回流比的选择及影响八、特殊精馏九