吸收过程的机理与过程速率

1、药品生产技术专业教学资源库-制药单元操作技术教学设计教 师 姓 名授课班级授课形式讲授授 课 日 期 授课时数2授课内容情景6 吸收过程及操作任务2 吸收过程的机理与过程速率教学目的知 识目 标1、了解传质的基本方式2、理解双膜理论的观点3、理解吸收速率与吸收速率方程4、掌握吸收过程的控制因素能 力目 标1、能够根据实验现象，说明吸收的扩散方式，进一步了解吸收速率。2、能够吸收理论，进一步分析吸收传质过程。3、能够根据吸收速率方程，判定吸收过程的控制因素。思 想目 标1.具有分析问题解决问题的能力；2.具有一定组织协调能力；3.具有搜索、整理材料及文字表达相关能力教 学 重 点吸收速率与吸收速

2、率方程教 学 难 点吸收速率与吸收速率方程更新、补充、删 节 内 容使 用 教 具多媒体课 外 作 业课 后 体 会授课主要内容及课堂教学设计教学环节 课 程 内 容 设 计教学方法时间min组织复习引入新课小结作业1. 吸收的溶解度、气液相平衡及影响因素？2. 写出亨利定律表达式？了解了上述内容后，吸收过程如何进行的？任务2吸收过程的机理与过程速率一、吸收传质的方式 物质在单一相（气相或液相）中的传递是扩散作用。发生在流体中的扩散有分子扩散与涡流扩散两种，一般发生在静止或层流的流体内，凭借流体分子的热运动而进行的物质传递，即为分子扩散；发生在湍流流体内，凭借流体质点的湍动和漩涡而进行物质传递

3、即是涡流扩散。分子扩散分子扩散是物质在同一相内存在浓度差的条件下，由流体分子的无规则的热运动而引起的物质传递现象。习惯上把分子扩散称为扩散。分子扩散速率主要取决于扩散物质和流体的某些物理性质。依据菲克定律，当物质A在介质B中发生扩散时，其扩散速率与其在扩散方向上的浓度梯度成正比。如图6-6所示。其关系表示为： (6-21)式中 组分A的分子扩散速率，kmol/(m2·s)； 组分A的浓度，kmol/m3； 沿扩散方向的距离，m； 分子扩散系数。表示组分A在介质B中的扩散能力，m2/s。 式中负号表示扩散方向与浓度梯度相反。图6-6 分子扩散示意图 扩散系数D是物质的物理性质之一，其值

4、一般由实验测定。D值越大，表示扩散越快。一般情况下，对较小的分子而言，在气相中的扩散系数为0.11cm2/s，在液相中的扩散系数约为在气相中的1/(104105)。涡流扩散 涡流扩散是物质在有浓度差的条件下，通过湍流流体完成物质传递的过程。涡流扩散时，物质扩散不仅要靠分子本身的扩散作用，还需借助湍流流体的携带作用而传递，且后一种作用是主要的，故涡流扩散速率比分子扩散速率大得多。因涡流扩散系数很难测定和计算，故常将分子扩散和涡流扩散综合起来考虑，也即是对流扩散。对流扩散对流扩散是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散共同作用的结果。因对流扩散过程极为复杂，影响因素众多，所以对流扩散速率一般采用

5、类似对流传热的处理方法，将对流扩散分解为涡流扩散和分子扩散作用，其表达式为： （6-22）式中 涡流扩散系数，m2/s。涡流扩散系数不是物质的物性常数，它与湍流程度有关，且随位置而不同。实验表明，对于多数气体涡流扩散系数比分子扩散系数高过100倍，对于液体其涡流扩散系数比分子扩散系数高105倍甚至更多。二、双膜理论吸收过程是气液两相间的传质过程（即相际间传质），对这种传质过程的机理，曾有很多不同的理论，但其中应用较广泛的仍是刘易斯和惠特曼在20世纪20年代提出的双膜理论，理论模型如图6-7所示。双膜理论的基本论点是：在气液两流体相接触处有一稳定的相界面(即是相界面)。在相界面两侧附近各有一层稳

6、定的气膜和液膜，这两层薄膜可近似认为由气液两流体的滞流层组成，层内吸收质以分子扩散方式进行传质，膜层的厚度随流体的流速而变，流速愈大膜层厚度愈小。在两膜以外的气液两相分别为气相主体和液相主体，气液两相主体内，因流体充分湍流，溶质的浓度均匀，相内无浓度梯度，其浓度变化（阻力）主要集中在两膜内；无论气液两相主体内溶质浓度是否达到平衡，在相界面处，溶质在气液两相中的浓度均达平衡，即界面上没有阻力。图6-7 双膜理论示意图吸收过程 ：气相中吸收质的p>p* 时，吸收质以p-p*推动力克服气膜厚度的阻力，以分子扩散的方式通过气膜到相界面上，界面上 pi 和Ci 成平衡，吸收质以Ci C的浓度差推动

7、力克服液膜厚度的阻力，以分子扩散穿过液膜，从界面扩散到液相主体，完成此过程。对于具有稳定相界面的系统以及流动速度不高的两流体间的传质，双膜理论与实际情况是相当符合的，依据这一理论的基本概念所确定的吸收过程的传质速率关系，至今仍是吸收设备设计的主要依据，且对实际生产具有重要的指导意义。但是对于具有自由相界面的系统，尤其是高湍动的两流体间的传质，双膜理论就表现出了它的局限性。基于此局限性，后续又提出了一些新的理论，如溶质渗透理论、表面更新理论、界面动力状态理论等，这些理论对于相际传质过程的界面状态及流体力学因素的影响等方面的研究和描述都有所进步，但因其数学模型过于复杂，应用于传质设备的计算或解决实

8、际问题时均较困难。三、气体吸收速率方程由双膜理论的传质机理可知，吸收过程的相际传质是由气相主体与界面的对流传质、界面上溶质组分的溶解、液相主体与界面的对流传质三个过程构成，仿照间壁两侧对流传热过程传热速率的分析思路，其对流传质过程的传质速率的表达式及传质阻力分析如下：1、气相主体与界面的对流传质 （6-23）或 （6-24）式中 单位时间内组分A扩散通过单位面积的物质的量，即传质速率，kmol/(m2·s) 溶质A在气相主体与界面处的分压，kPa； 溶质A在气相主体与界面处的摩尔分数； 以分压差表示传质推动力的气相传质系数，kmol/(m2·s·kPa)以摩尔分数

9、差表示传质推动力的气相传质系数，kmol/(m2·s)。2、液相主体与界面的对流传质 （6-25）或 （6-26） 式中 溶质A在液相主体与界面处的浓度，kmol/m3； 溶质A在液相主体与界面处的摩尔分数； 以摩尔浓度差表示传质推动力的液相传质系数， m/s；以摩尔分数差表示传质推动力的液相传质系数，kmol/(m2·s)。说明：相界面上的浓度、，依据双膜理论应成平衡关系，但是依据图6-7所示，浓度、是无法测取的。上述描述的均为相内吸收过程的传质速率，尽管传质推动力的表达方式不同，其传质速率均正比于界面浓度与流体主体浓度差。将其它所有影响对流传质的因素均包括在气相（或液相

10、）传质系数之中，而传质系数、的数据只有根据具体操作条件由实验测定，它与流体流动状态和流体物性（密度、粘度）、扩散系数、传质界面形状等因素有关。对流传质系数可依据有关经验式，查有关手册即可得到。3、相际传质速率方程-吸收总传质速率方程气相和液相传质速率方程中均涉及到相界面上的浓度（、），因相界面在传质过程中是变化的，这些参数很难获取。工程上常利用相际传质速率方程来表示吸收总传质速率方程，即为： (6-27) (6-28) (6-29) (6-30)式中 、分别与气相主体或液相主体组成成平衡关系的浓度； 、用摩尔比表示的气相主体与液相主体浓度；以气相浓度差为推动力的总传质系数，kmol/(m2&#

11、183;s·kN/m2)；以液相浓度差为推动力的总传质系数，m/s；以气相摩尔比浓度差为推动力的总传质系数；kmol/(m2·s)；以液相摩尔比浓度差为推动力的总传质系数；kmol/(m2·s)。说明：上述各气、液相传质系数与总传质系数之间的关系如下：故 (6-31)同理有： (6-32)由上述分析可知，气液两相相际传质总阻力等于各分阻力之和，总推动力等于各分推动力之和。 4、传质过程的控制分析 对于易溶气体，H值均很大，在kG、kL数量级相同或接近时，式（6-31）中的、存在如下关系，此时吸收过程阻力绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可忽略不计，则式（6-31）可

12、简化为或,即气膜阻力控制着整个吸收过程，吸收总推动力的绝大部分用于克服气膜阻力，该吸收为气膜控制吸收。如用水吸收NH3、HCl等易溶的气体的吸收过程。对于气膜控制的吸收过程，要强化传质过程，提高吸收速率，在选择设备形式及确定吸收操作条件时，应特别注意减小气膜阻力。如提高气速、增加气体浓度等。对难溶气体，H值均很小，在kG、kL数量级相同或接近时，式（6-32）中的、存在如下关系，此时吸收过程阻力绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可忽略不计，则式（6-32）可简化为或,即液膜阻力控制着整个吸收过程，吸收总推动力的绝大部分用于克服液膜阻力，该吸收为液膜控制吸收。如用水吸收O2、CO2等较难溶的气体的吸收过程。对于液膜控制的吸收过程，要强化传质过程，提高吸收速率，在选择设备形式及确定吸收操作条件时，应特别注意减小液膜阻力。如采用较高的吸收压力、较低的吸收温度等。对于中等溶解度的气体吸收过程，气膜阻力和液膜阻力均不可忽略。要提高吸收过程速率，必须兼顾气、液膜阻力的降低，方能得到满意结果。复述本节内容：1. 简单蒸馏与平衡蒸馏的流程2.