化工原理课件 气体吸收.ppt

三 对流传质 Convectionmasstransfer 1 涡流eddy扩散 1 定义 凭借流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象 称为涡流扩散区别 分子扩散 时刻存在 但可忽略不计涡流扩散 占主要地位 2 数学描述 其中 JAo 涡流扩散通量 kmol m2 s D 涡流扩散系数eddydiffusivity物理意义 表明涡流扩散能力的大小与D不同 不是物性常数影响因素有 物性 操作条件 湍动程度 流道的几何位置 以及壁粗糙度较难计算和确定 2 对流传质 1 定义 指壁面 或相界面 与运动流体之间 或两个有限互溶的运动流体之间的传质包括 湍流主体与相界面之间的涡流扩散分子扩散 2 对流传质的类型 a 根据流体的流动发生原因 强制对流传质 工业传质单元操作 蒸馏 吸收 萃取又分强制层流 强制湍流自然对流传质 b 按流体的作用方式 流体作用于可溶性固体壁面 如干燥 吸附 浸取相际间的传质 通过相界面 与两相接触状态有关如吸收 蒸馏等 3 对流传质的机理 以流体强制湍流流过固体壁面时的传质过程为例 壁面附近 三个部分的传质机理有很大差别层流内层 分子扩散 壁面与流体之间的传质 特点 浓度梯度很大 浓度分布曲线很陡 为一直线 用费克第一定律表示其数学模型缓冲层 层流 分子扩散浓度梯度介于中间 分布曲线也介于二者之间旋涡 涡流扩散湍流主体 强烈的旋涡运动 涡流扩散 分子扩散由于旋涡进行强烈的混合 浓度梯度很小 浓度分布曲线较为平坦 4 对流传质速率 描述对流传质的基本方程 对流传质速率方程仿造对流给热之牛顿冷却定律传质速率 界面浓度与流体主体浓度之差 相内传质推动力 NA kc cA其中 cA 组分A在界面处的浓度与流体主体浓度之差 kmol m2 kc 气 液 相 膜 传质系数filmcoefficient或传质分系数 kmol m2 s 推动力 即 NA kG p pi NA ky y yi 气相NA kL ci c NA kx xi x 液相注意 下标 i 界面处气 液 相的浓度下标i与e的差别则ky pkG kx cMkL可将所有影响对流传质的复杂因素归结到气 液 相 膜 传质系数之中 并利用实验求得 3 相际对流传质模型 数学模型法 计算对流传质速率 对流传质系数假定 数学模型 计算式目的 靠实验来解决传质速率问题 1 双膜理论 停滞膜模型 有效膜模型 双阻力模型twofilmtheory Whiteman 1923年最早由晶体溶解时固 液间传质的模型发展而来主要由边界层理论推出 假定 要点 流动状态气液两相相互接触时 气液两相间存在着稳定的相界面 两侧各有一个很薄的静止膜 A分子通过两层膜的传质方式 定态的分子扩散相界面处流体湍动消失 气液两相处于相平衡状态 界面无阻力 膜外的气液两相主体中 由于流体的强烈湍动 各处浓度均匀一致 重点 在于传质阻力集中在两个静止膜层内 可用分子扩散理论进行数学描述 对是否存在主体流动都可以应用 b 确定对流传质系数 单向扩散 气相 则液相 则则 对流传质通量 对流传质系数 浓度差 c 模型参数 G L 当量 虚拟 膜厚可由实验测定 d 结论 根据双膜理论 对流传质系数k D优点 简单 与实际情况大体符合特别对具有固定传质表面 周围流体又是高度湍动的系统据此模型所确定的传质速率关系 至今仍是传质设备设计的主要依据 可给出许多数据 具有普遍意义 缺点 对传质机理假定过于简单 尤其是不存在固定相界面的高度湍动传质设备 相界面较大 旋涡往往使表面不断更新 而且浓度梯度不稳定双膜理论并不能反映出传质的真实情况实际kG DG0 67 证明膜厚不仅与流动状态有关 而且与D有关 不易测定液液系统内的界面不能忽略其阻力 2 溶质渗透理论penetrationtheory Higbie 汉格比 1935年非定态模型针对双膜理论的缺点 气液两相在高度湍动状况下互相接触 不可能存在一个稳定的相界面 且不会存在两个稳定的静止膜层 a 假定 液面由无数个微小的流体单元所构成 到界面处会停滞下来 0时 流体单元中 cA cA0 起始浓度 0时 z 0 相界面处 cA cAi 气液平衡 延长 A通过非定态扩散方式不断地向流体单元中渗透 时间越长 渗透越深 但 有限 0时 旧的流体单元被新的所置换回到液相主体中 流体单元深处 cA cA0 流体单元不断被更换 每批流体单元在界面更新的时间都一样界面无阻力 气液两相达平衡 开始时 0 液体具有均匀的浓度c0 位于液相表面的液相流体单元的浓度也为c0 气液一旦接触 0 界面上的浓度立即变为平衡浓度ci cz 0 ci 此时其它部位仍保持着c0 出现 dc dz max 导致A从界面向附近液体进行不稳定扩散 溶质渗入液相内 随着扩散的进行 先是离界面近的液体浓度提高然后逐渐向液相内部位移则在相界面附近的液层内形成随时间变化的浓度分布而液内深处仍为主体浓度c0 b 确定对流传质系数 偏微分方程 费克第二定律平均对流传质系数 即由Sherwood等人的实验数据所证实 c 模型参数 0 溶质渗透时间无法定量获得 4 结论 优点 比双膜理论更准确 放弃了定态扩散并指出了液体定期混合对传质的作用缺点 0的求算较为困难假设微元寿命相同 就仍未摆脱停滞膜的假设条件 具有一定的局限性 3 表面更新理论 Surfacerenewaltheory Danckwerts P V 丹寇沃茨 1951年英国剑桥大学化学工程系对渗透理论的修正 a 假定 否认表面上的流体单元具有相同的溶质渗透 暴露 时间认为液体表面是由不同溶质渗透时间 年龄 的液面单元所构成年龄分布的概念 年龄愈大者 占据的比例愈小年龄分布的函数 不论界面上液面单元暴露时间多长 被置换的概率是均等的 即更新频率与年龄无关无论气相或液相都可能发生上述的过程 故两相表面是不断更新的 每个进入界面的微元均按瞬变传质的规律向液膜内渗透 b 确定对流传质系数 即 C 模型参数 表面更新率S 单位时间内表面被置换的分率仍不可得 d 结论 优点 没有规定固定不变的停留时间 表面更新是随机发生的S可以通过一定方法测得 与流体动力学条件及系统的几何形状有关 后两种理论 优点 指明了强化传质的途径 缺点 参数难以确定 实际应用受到很大限制 其他理论 Toor Marchello 1958年 膜 渗透理论Film penetrationmodelformassandheattransfer认为早期的每个理论都是他们理论的一个特殊的极限情况总之 传质理论还不成熟 正在发展 HerbertL Toor chemicalengineeringHeadoftheChemicalEngineeringDepartmentatCarnegieMellonDeanofCarnegieInstituteofTechnologyTransportphenomena heatandmasstransfer anddiffusion reactionkinetics Pittsburgh Pennsylvania 4 动量 热量与质量传递之间的类比 目的 求解湍流传质系数的方法 1 三传类比的基本概念 类似之处 传递机理 传递的数学模型 包括数学表达式及边界条件 数学模型的求解方法及求解结果类似 2 三传类比表达式 类似律 雷诺 1874年 8 4相际传质 相内传质的综合 一 相际传质速率 传质的三个步骤 同间壁传热处理方法也相似引入了总传质系数 使相际传质速率的计算能避开气液两相的传质系数因为界面组成同壁温一样是很难测定的 1 相际传质速率方程 NA ky y yi NA kx x xi 定态过程 相界面无物质积累则进出相界面的传质速率相等 浓度梯度自动调整且界面上无传质阻力 气液两相呈相平衡 当稀溶液遵循亨利定律 yi mx令则其中 Ky 以气相摩尔分率差 y ye 为推动力的总传质系数overallmasstransfercoefficent单位 kmol m2 s 另一种处理 解吸与吸收的表达形式正好相反 2 传质速率方程的各种表达形式 源于气液两相所含溶质多少的多种表达形式则传质推动力 继而传质系数 传质速率方程的表达形式也有多种传质速率方程 还分为两种总的 采用任一相主体组成与另一相溶质组成相对应的平衡组成之差表示推动力单相 膜 采用一相主体与相界面处的组成之差表示推动力 注意 1 各种传质速率方程是等效的 计算的是同一个NA 2 不同传质速率方程对应不同的传质系数 但单位都是kmol m2 s 单位推动力 物理意义也相同 但数值不同 3 对吸收过程 仅适用于描述吸收塔内任一截面的速率关系而不能直接用来描述全塔的吸收速率因为气液组成不同 推动力不同 4 总传质系数必然低于在相同条件下各自的膜传质系数 二 传质阻力的控制步骤与界面含量 如即总传质阻力 气相