分子扩散与菲克定律.ppt

第六章 吸收,一、分子扩散与菲克定律 二、气相中的稳定分子扩散 三、扩散系数 四、对流传质 五、吸收机理双膜理论 六、吸收速率方程式,第三节 传质机理与吸收速率,吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤： 溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递； 溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程； 溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。,单相内物质传递的机理,分子扩散,对流传质,一、分子扩散与菲克定律,1、分子扩散：,一相内部有浓度差异的条件下，由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。,2菲克定律,1）扩散通量 ：,单位面积上单位时间内扩散传递的物质量 ，单位：kmol/(m2.s) 。,2）菲克定律,试分析与傅立叶定律以及牛顿粘性定律的区别及联系。,3）分子扩散系数间的关系 对于双组分物系：,根据菲克定律：,由A、B两种气体所构成的混合物中，A与B的扩散系数相等。,二、气相中的稳定分子扩散,1等摩尔反向扩散 1）等摩尔反向扩散,例如精馏过程,2）传递速率 在任一固定的空间位置上，单位时间通过单位面积的A物质量，称为A的传递速率，以NA表示。,分离变量并进行积分，积分限为：,传质速率为：,2、一组分通过另一停滞组分的扩散,1）一组分通过另一停滞组分的扩散,例如吸收,2）传递速率 设总体流动通量为N，其中物质A的通量为：,总体流动中物质B向右传递的通量为,而,即,若扩散在气相中进行，则：,即,分离变量后积分,漂流因数，无因次。反映总体流动对传质速率的 影响。,因PpBm，所以漂流因数,三、扩散系数,分子扩散系数简称扩散系数，它是物质的特性常数之一。同一物质的扩散系数随介质的种类、温度、压强及浓度的不同而变化。物质在不同条件下的扩散系数一般需要通过实验测定。 1、物质在气体中的扩散系数 气体A在气体B中（或B在A中）的扩散系数，可按马克斯韦尔吉利兰（Maxwell-Gilliland）公式进行估算,2、物质在液体中的扩散系数,物质在液体中的散系数与组分的性质、温度、粘度以及浓度有关。 对于很稀的非电解溶液，物质在液体中的扩散系数,四、对流传质,1、涡流扩散 凭籍流体质点的流动和旋涡来传递物质的现象。 扩散通量 ：,2、对流传质 流动流体与两相界面之间的传质 1）固定界面 气固两相或液固两相间的界面,2）流动界面 气液两相和液液两相间的界面,对于等摩尔反方向扩散,对于单向扩散,五、吸收机理双膜理论,1、双膜理论 相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上没有传质阻力，气液两相处于平衡状态。 界面两侧分别存在着两层膜，气膜和液膜。气相一侧叫气膜，液相一侧叫液膜 ，这两层膜均很薄，膜内的流体是滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质。 膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层膜内。,六、吸收速率方程式,吸收速率：,单位面积，单位时间内吸收的溶质A的摩尔数， 用NA表示，单位通常用kmol/m2.s。,吸收传质速率方程：,吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式,吸收速率=传质系数推动力,1、气膜吸收速率方程式,令, 气膜吸收速率方程式,气膜吸收系数， kmol/(m2.s.kPa)。,也可写成：,当气相的组成以摩尔分率表示时,当气相组成以摩尔比浓度表示时,2、液膜吸收速率方程式,令,或,液膜吸收速率方程,当液相的组成以摩尔分率表示时,当液相组成以摩尔比浓度表示时,3、界面浓度,求出,4、总吸收系数及相应的吸收速率方程式 1）以气相组成表示总推动力的吸收速率方程式 a）以p为推动力的吸收速率方程,与液相主体浓度c成平衡的气相分压，Pa。,b）以y为推动力的吸收速率方程,2）以液相组成表示总推动力的吸收速率方程式,以y为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s)。,a）以c为推动力的吸收速率方程,以c为推动力的液相总吸收系数，m/s,b）以x为推动力的吸收速率方程,以x为推动力的液相总吸收系数，kmol/(m2.s),3）用摩尔比浓度为总推动力的吸收速率方程式 适用条件：溶质浓度很低时,据分压定律,代入,令,5、各种吸收系数之间的关系 1）总系数与分系数的关系,由亨利定律：,分别为总阻力、气膜阻力和液膜阻力,即总阻力=气膜阻力+液膜阻力,同理,在溶质浓度很低时,2）总系数间的关系 a）气相总吸收系数间的关系,当溶质在气相中的浓度很低时,b）液相总传质系数间的关系,c）气相总吸收系数与液相总吸收系数的关系,3）各种分系数间的关系,6、传质速率方程的分析,1）溶解度很大时的易溶气体,气膜控制,气膜控制,例：水吸收氨或HCl气体,液膜控制,例：水吸收氧、CO2,2）溶解度很小时的难溶气体,当H很小时，,液膜控制,3）对于溶解度适中的气体吸收过程 气膜阻力和液膜阻力均不可忽略，要提高过程速率，必须兼顾气液两端阻力的降低。,小结 ：,吸收速率方程,与膜系数相对应的吸收速率式,与总系数对应的速率式,用一相主体与界面的浓度差表示推动力,用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力,注意： 吸收系数的单位：kmol/(m2.s.单位推动力) 吸收系数与吸收推动力的正确搭配 阻力的表达形式与推动力的表达形式的对应 吸收速率方程的适用条件 各种吸收系数间的关系 气膜控制与液膜控制的条件,