对流扩散与相间传质课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,化工原理-传质原理/33.对流扩散与相间传质,*,PCE/ETP-BJTBU/ZYW,A.,对流扩散,a.涡流扩散（湍流扩散）,分子扩散：,涡流扩散：,总扩散：,D,分子扩散系数，一定物系在温度、压力不变时为常数,D,E,涡流,扩散系数，是随流体流动状态、位置等条件变,化的状态参数,由于,D,E,难以测定和计算，使上述式难以应用，必须采取,其他处理方法。,对流扩散与相间传质,1,b.对流扩散与有效膜概念,把湍流主体与相界面之间（或反之）的传质称为,对流扩散,包括分子扩散和涡流扩散。,以简单的湿壁塔为例讨论,有效膜,概念。,气相侧溶质分布,G,传质方向,液体,气体,层流 缓冲层 湍流核心,p,p,i,p,Z,相界面,G,2,G,虚拟滞流层（或称有效膜），全部传质推动力,(,p,-,p,i,)，,即全部阻力都集中在有效膜内。,这可以按有效膜内的分子扩散速率写出有气相到相界面的对,流扩散速率关系，即,同样，对液相侧,如以传热中Newton冷却定律的形式表述，则,气膜,液膜,3,k,L,液,相对流动传质分系数（以液膜两端浓度差为推动,力），,k,L,=,D,L,C,/(,L,c,BM,)，m/s,k,G,气相对流动传质分系数（以气膜两端分压差为推动,力），,k,G,=,D,G,P,/(R,T,G,p,BM,)，kmol/m,2,.s.kp,a,提出有效膜概念后，可以用分子扩散速率方程描述对流,扩散速率，但是由于,G,与,L,是虚拟量,难以确定，所,以,k,G,、,k,L,不能由定义式算出,可以像在传热中处理,一样，实验测定,k,G,、,k,L,，归纳成,经验式。,另僻新径,相间传质。,但是，与,不同（导热壁分开），,k,G,、,k,L,由多,变的相截面分开，有交互作用，难以测定,4,B.相间传质,由于相间传质过程的复杂性，采用,数学模型法,处理。,a.相间传质模型,介绍简单、实用的,双膜理论模型,。,模型要点：,Z,P,p,p,i,C,c,i,c,相界面,气膜,液膜,气相主体,液相主体,G,L,在相界面两侧，分别存在,呈层流流动的气膜、液膜，,其厚度随流体流动状态变,化，溶质连续通过两膜；,相界面溶解阻力很小，认为,气、液在此达相平衡状态；,两膜以外的气、液相主体充分湍流，无浓度梯度。,5,Z,P,p,p,i,C,c,i,c,相界面,气膜,液膜,气相主体,液相主体,G,L,6,双膜理论的局限性：,由于流体湍流扰动（尤其在板式塔中），不可能保持固,定的相界面；,b.相间传质速率方程,气、液相传质速率方程：,其中界面组成,p,i,、,c,i,难以测定，下面用双膜理论模型处理。,没有考虑气、液两相的相互影响。,7,Henry,定律适于气、液相平衡的情况,据相平衡知识,p,*=,c,/,H,据双膜模型要点,p,i,=,c,i,/,H,代入液相传质速率方程式,N,A,=,k,L,(,c,i,-,c,)=,k,L,H,(,p,i,-,p,*),在稳态下,两式相加,8,K,G,气相传质总系数，,kmol/m,2,.s.kpa,K,L,液,相传质总系数，,m/s,K,G,=,HK,L,N,A,=,K,G,(,p,-,p,*),得总传质速率方程式,同理,N,A,=,K,L,(,c,*-,c,),9,总传质速率方程的分析,传质推动力的图示,由点(,p,c,),已知,k,L,k,G,p,i,c,i,N,A,A,平衡线,p,c,-,k,L,/,k,G,p,p,i,c,c,i,气膜,液膜,10,平衡线,p,c,A,P,p*,c,c*,气相,液相,平衡线上方的A点离平衡线近总推动力由气,到液;,A点在平衡线上总推动力=0;,A点在平衡线下方总推动力0传质由液到气。,11,传质阻力与过程的控制步骤,已知,与(,p,-,p,*),对应的总阻力 1/,K,G,气膜阻力 1/,k,G,液膜阻力 1/,Hk,L,与(,c*,-,c,),对应的总阻力 1/,K,L,气膜阻力,H,/,k,G,液膜阻力 1/,k,L,其中,k,G,、,k,L,对一定设备变化范围不大（10,-4,10,-5,左右），,但溶解度系数,H,对不同物系相差很大。,溶解度很大的气体易溶气体，如水吸收NH,3,、HCl,等，,其,H,很大,1/,Hk,L,1/,k,G,K,G,k,G,气膜阻力控制。,12,溶解度很小的气体难溶气体，如水吸收O,2,、CO,2,等，,其,H,很小,H,/,k,G,1/,k,L,K,L,k,L,液膜阻力控制。,控制步骤的确定为强化过程提供了依据。,以摩尔分数差为推动力的传质速率方程,工程上常以摩尔分数表示浓度，下面作转换。,注意：此部分内容在教材中没有，但对以后的学习有帮助，请注意听。,13,K,x,=,mK,y,以上总传质系数式仅适于平衡线服从Henry定律(直线)的情,况，如为曲线，则通常采用分传质系数和界面浓度计算。,14,本讲要点,相间传质是一串联速率过程,，了解各相内传质阻力的相对大,小，以及整个过程中的,控制,步骤,，对强化传质过程是重要的，,它能指出过程强化目标。,对流扩散,包括分子扩散和涡流扩散，由于流体的流动，尤,其是涡流的混合作用，大大,强化了传质过程,。,引入,有效膜模型,后，虽然使对流扩散过程的数学描述得以,简化，但由于有效膜厚及界面浓度难以测定，工程计算问题并,未得到解决。,实际传质过程多数为相间传质，由于相界面传递过程的复,杂性，过程的描述采用了数学模型法，,双膜模型,是最简单且是,目前工程上仍使用的相间传质模型，用此模型建立的相间传质,速率方程回避了难以测定的界面浓度，,方便了工程计算,。,15,C.,例,a.相平衡对两相传质推动力及其分配的影响,吸收塔某截面气液两相浓度分别为,y,=0.05，,x,=0.01(,摩,尔分率,)，在操作温度下气液平衡关系为,y,=2,x,，气液两侧的,体积传质系数,k,y,a,=,k,x,a,=0.026kmol/(m,3,.s)，试求：,该截面的两相传质总推动力、传质总阻力、传质速率及,推动力在气液两侧的分配；,若降低吸收剂的温度，使相平衡关系变为,y,=0.4,x,，假设,两相浓度及传质系数保持不变，传质推动力、传质总阻力、,传质速率及推动力的分配等的变化。,16,吸收塔某截面 处：,y,=0.05，,x,=0.01，,操作条件下：,y*,=2,x,，,k,y,a,=,k,x,a,=0.026kmol/(m,3,.s)。,解：,传质总推动力(,y,=2,x,),传质总推动力(,y,=0.4,x,),用气相浓度差表示,y,=,y,-,mx,=0.05-20.01=0.03,用液相浓度差表示,x,=,y,/,m,-,x,=0.05/2-0.01=0.015,或 ,x,=,y,/,m,=0.03/2=0.015,与气相总推动力相配,用气相浓度差表示,y,=,y,-,mx,=0.05-0.40.01=0.046,用液相浓度差表示,x,=,y,/,m,-,x,=0.05/0.4-0.01=0.115,或 ,x,=,y,/,m,=0.046/0.4=0.115,传质总阻力与总传质系数,传质总阻力与总传质系数,与气相总推动力相配,17,与气相总推动力相配,与气相总推动力相配,吸收塔某截面 处：,y,=0.05，,x,=0.01，,操作条件下：,y*,=2,x,，,k,y,a,=,k,x,a,=0.026kmol/(m,3,.s)。,与液相总推动力相配,K,y,a,=0.00867 kmol/(m,3,.s),K,x,a,=0.0173 kmol/(m,3,.s),与液相总推动力相配,K,y,a,=0.0186 kmol/(m,3,.s),K,x,a,=0.00743 kmol/(m,3,.s),18,或,K,x,a,=,K,y,am,=0.008672,=0.0173 kmol/(m,3,.s),或,K,x,a,=,K,y,am,=0.008670.4,=0.00743 kmol/(m,3,.s),N,A,=,K,y,a,y,=0.008670.03,=2.6010,-4,kmol/(m,3,.s),传质速率,传质速率,N,A,=,K,y,a,y,=0.01860.046,=8.5510,-4,kmol/(m,3,.s),吸收塔某截面 处：,y,=0.05，,x,=0.01，,操作条件下：,y*,=2,x,，,k,y,a,=,k,x,a,=0.026kmol/(m,3,.s)。,或,N,A,=,K,x,a,x,=0.01730.015,=2.6010,-4,kmol/(m,3,.s),或,N,A,=,K,x,a,x,=0.007430.115,=8.5510,-4,kmol/(m,3,.s),19,m,=2,时，液相阻力占总阻力2/3，总推动力的2/3用于液相传质,推动力与阻力的分配,推动力与阻力的分配,温度降低后，液相阻力大幅度减少，气相阻力的绝对值虽未,改变，但在总阻力所占比例相对增大而成为主要阻力。相应总,阻力的大部分也用于气相传质,吸收塔某截面 处：,y,=0.05，,x,=0.01，,操作条件下：,y*,=2,x,，,k,y,a,=,k,x,a,=0.026kmol/(m,3,.s)。,20,b.流体流量对传质阻力的影响,一填料吸收塔，在操作条件下,k,y,a,=,k,x,a,=0.026kmol/(m,3,.s)，,已知,k,y,G,0.7,，试分别计算,m,=0.1及,m,=5两种情况下，气体流,量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。,解：,m,=0.1时，原工况的,总传质阻力为：,m,=5时，原工况的总传质阻力为：,或,或,21,填料吸收塔，在操作条件下：,k,y,a,=,k,x,a,=0.026kmol/(m,3,.s)，已知,k,y,G,0.7,，试分别计算,m,=0.1及,m,=5两种情况下，气体流量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。,当气体流量增加一倍，总传,质阻力减少为：,当气体流量增加一倍，总传,质阻力减少为：,或,或,22,两工况的传质阻力之比为：,两工况的传质阻力之比为：,填料吸收塔，在操作条件下：,k,y,a,=,k,x,a,=0.026kmol/(m,3,.s)，已知,k,y,G,0.7,，试分别计算,m,=0.1及,m,=5两种情况下，气体流量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。,或,或,23,精品课件,！,24,精品课件,！,25,对于易溶气体(,m,较小,)，传质阻力通常集中在气侧,，气体,流量的大小及其湍动情况对传质阻力的影响很大。,对于难溶,气体(,m,较大,)，传质阻力通常集中在液侧,，此时气体流量的,大小及其湍动情况虽可改变气侧阻力，但对总阻力的影响很,小。同样道理，液体流量大小及其湍动情况对传质总阻力的,影响，与气体相反。,26,内容总结,A.对流扩散。a.涡流扩散（湍流扩散）。D分子扩散系数，一定物系在温度、压力不变时为常数。DE涡流扩散系数，是随流体流动状态、位置等条件变。由于DE难以测定和计算，使上述式难以应用，必须采取。这可以按有效膜内的分子扩散速率写出有气相到相界面的对。kL液相对流动传质分系数（以液膜两端浓度差为推动。kG气相对流动传质分系数（以气膜两端分压差为推动。提出有效膜概念后，可以用分子扩散速率方程描述对流。其中界面组成 pi、ci 难以测定，下面用双膜理论模型处理。KG气相传质总系数，kmol/m2.s.kpa。KL液相传质总系数，m/s。NA=KG(p-p*)。A点在平衡线上总推动力=0。注意：此部分内容在教材中没有，但对以后的学习有帮助，请注意听。况，如为曲线，则通常采用分传质系数和界面浓度计