传质机理与扩散速率.ppt

2 2传质机理与扩散速率 2 2传质机理与扩散速率 一 传质方式与理论 当不平衡的气液两相接触时 若y y 则溶质从气相向液相传递 为吸收过程 双膜理论模型 要点 1 相界面两侧流体的对流传质阻力全部集中在界面两侧的两个停滞膜内 膜内传质方式为分子扩散 2 相界面上没有传质阻力 即可认为所需的传质推动力为零 或气液两相在相界面处达到平衡 3 气膜和液膜外湍流流动 无浓度梯度 即无扩散阻力 二 传质理论简介 p G p i 传质方向 C i 气相主体 液相主体 C L d G d L z 距离 双膜模型 组成 双膜理论模型 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 二 传质理论简介 单相内传递方式 分子扩散 湍流扩散 二 传质理论简介 双膜模型缺陷 只适用与有固定相界面的情形 界面阻力不计 这是一个尚有争议的问题 2 2传质机理与扩散速率 一 传质方式与理论 每cm3所具有的分子个数 氧气 2 5 1019水 3 3 1022铜 7 3 1022 一 分子扩散 2 2 1分子扩散与费克定律 A B 扩散现象 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 二 费克定律 A B 扩散现象 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 2 2 1分子扩散与费克定律 二 费克定律 A B 扩散现象 2 2 1分子扩散与费克定律 混合物的总浓度在各处是相等的 即 二 费克定律 理想气体 费克定律的其它表达形式 2 2 1分子扩散与费克定律 说明 1 JA是相对扩散通量 2 DA B是物性之一 二 费克定律 DA B 气 10 5m2 sDA B 液 10 9m2 sDA B 固 10 10m2 s 2 2 1分子扩散与费克定律 1 等摩尔反向扩散 通过连通管内任一截面处两个组分的扩散速率大小相等 2 2 1分子扩散与费克定律 传质速率 在任一固定的空间位置上 单位时间内通过垂直于传递方向的单位面积传递的物质量 记作N 边界条件 或者 1 等摩尔反向扩散 1 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蒸馏过程中 结论 例 在如图所示的两个大容器内 分别装有组成不同的NH3和N2两种气体的混合物 连通管长0 61m 内径24 4m 系统的温度为25 压强为101 3kPa 左侧容器内NH3的分压为20kPa 右侧容器内NH3的分压为6 67kPa 已知在25 101 3kPa的条件下 NH3 N2的扩散系数为2 3 10 5m2 s 试求 1 单位时间内自容器1向容器2传递的NH3的量 2 连通管中与截面1相距0 305m处NH3的分压 kPa 2 单向扩散 总体流动 因溶质 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 2 1分子扩散与费克定律 2 单向扩散 微分式 2 单向扩散 在气相扩散 积分式 在气相扩散 漂流因数 1 代表总体流动的影响 漂流因数 1 代表总体流动的影响 思考 混合气中A组分的浓度愈高 漂流因数则愈如何变化 漂流因子的大小反映了总体流动对传质速率的影响程度 溶质的浓度愈大 其影响愈大 其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数 当混合物中溶质A的浓度较低时 P PBm 总体流动可以忽略不计 结论 2 单向扩散体现在吸收过程中 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 若为单向扩散 则 例 在温度为20 总压为101 3kPa的条件下 CO2与空气混合气缓慢地沿着Na2CO3溶液液面流过 空气不溶于Na2CO3溶液 CO2透过1mm厚的静止空气层扩散到Na2CO3溶液中 混合气体中CO2的摩尔分率为0 2 CO2到达Na2CO3溶液液面上立即被吸收 故相界面上CO2的浓度可忽略不计 已知温度20 时 CO2在空气中的扩散系数为0 18cm2 s 试求CO2的传质速率为多少