传质系数和传质理论

1、第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论一、传质系数一、传质系数二、二、 传质理论传质理论一、传质系数一、传质系数物系的性质物系的性质填料的结构填料的结构操作条件操作条件传质系数的来源传质系数的来源 实验测定实验测定经验公式经验公式准数关联式准数关联式传质系数的影响因素传质系数的影响因素 第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论1.1.传质系数的实验测定传质系数的实验测定 由填料层高度计算式：由填料层高度计算式： mabYYYYaKVhmabYYhYYVaK)( 注意：注意：实验测定的传质系数用于吸收或解吸塔设计实验测定的传质系数用于吸收或解吸塔设计计算时，设计体系的物性、

2、操作条件及设备性能应与实计算时，设计体系的物性、操作条件及设备性能应与实验测定时的情况相同或相近。验测定时的情况相同或相近。第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论(1) (1) 用水吸收氨用水吸收氨 39. 09 . 041007. 6WGakG式中：式中：k kG Ga a 气相体积传质分系数，气相体积传质分系数，kmol/(mkmol/(m3 3.h.kPa).h.kPa)； G G 气相空塔质量流速，气相空塔质量流速，kg/(mkg/(m2 2.h).h)； W W 液相空塔质量流速，液相空塔质量流速，kg/(mkg/(m2 2.h).h)； 2.2.传质系数的经验公式传质系

3、数的经验公式适用条件：适用条件：(1) (1) 直径为直径为12.5mm12.5mm陶瓷环填料塔。陶瓷环填料塔。第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论(2) (2) 常压下用水吸收二氧化碳常压下用水吸收二氧化碳U U 液相喷淋密度，液相喷淋密度，m m3 3/(m/(m2 2 h) h) 。单位时间喷淋在单位塔截。单位时间喷淋在单位塔截面上的液相体积，面上的液相体积， 用水吸收二氧化碳属难溶气体吸收，吸收阻力主要在液膜侧。计算液用水吸收二氧化碳属难溶气体吸收，吸收阻力主要在液膜侧。计算液相体积传质系数的经验公式为相体积传质系数的经验公式为 96. 057. 2UakL适用条件：适用

4、条件：(1) (1) 直径为直径为10-32mm10-32mm陶瓷环填料塔；陶瓷环填料塔；(2) (2) 喷淋密度喷淋密度U U为为3-20m3-20m3 3/(m/(m2 2 h) h)；(3) (3) 气体的空塔质量速度气体的空塔质量速度G G为为30-580 kg/(m30-580 kg/(m2 2 h) h)；(4) (4) 操作温度为操作温度为21-2721-27。第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论适用条件：适用条件： (1)(1)气体的空塔质量流速气体的空塔质量流速G G为为 320-4150kg/(m320-4150kg/(m2 2 h)h)(2)(2)液体的空塔

5、质量流速液体的空塔质量流速W W为为 4400-58500 kg/(m4400-58500 kg/(m2 2 h)h)； (3)(3)直径为直径为25mm25mm的环形填料。的环形填料。 25. 07 . 04109 . 9WGakG82. 0bWakL(3) (3) 用水吸收二氧化硫用水吸收二氧化硫b-b-与温度有关的常数，见与温度有关的常数，见P P6969表表9-39-3第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论3.3.传质系数的准数关联式传质系数的准数关联式(1) (1) 计算气相传质系数的准数关联式计算气相传质系数的准数关联式 气相舍伍德准数气相舍伍德准数 GGGScReSh

6、DlPRTpkBmGGShGGeGaGud4Re0DGGGSc气体通过填料层的雷诺数气体通过填料层的雷诺数 气相施密特准数气相施密特准数 第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论适用范围适用范围: :应用场合应用场合 湿壁塔湿壁塔0.0230.0230.830.830.440.44填料塔填料塔0.0660.0660.80.80.330.33模型参数模型参数: : GGGScReSh GBGBmGRTpPDkScRe湿壁塔或拉西环填料塔湿壁塔或拉西环填料塔ReG = 21033.5104ScG = 0.62.5P = 101303 kPa(绝压)第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数

7、和传质理论D D -溶质在气相中的分子扩散系数溶质在气相中的分子扩散系数m m2 2/s/s；P/pP/pm m -气相漂流因子；气相漂流因子；k kG G -气相传质系数气相传质系数kmol/(mkmol/(m2 2 s s kPa) kPa) ； R R -通用气体常数通用气体常数kJ/ (kmolkJ/ (kmol K K ) ) ；L L -特征尺寸特征尺寸 m m ； G G -混合气体的密度混合气体的密度kg/mkg/m3 3； T T -温度温度 K K； G G -混合气体的粘度混合气体的粘度N N s/ms/m2 2 ；G G -气体的空塔质量流速；气体的空塔质量流速；D D

8、e e -填料层中流体通道的当量直径，填料层中流体通道的当量直径，d de e=4a/=4a/ ，（，（a a为填料的比表面为填料的比表面 m m2 2/m/m3 3， 为填料层的空隙率为填料层的空隙率m m3 3/m/m3 3）；）；U U0 0 -气体在填料空隙中的实际流速，气体在填料空隙中的实际流速，u u0 0=u/=u/ （u u为空塔气速为空塔气速m/sm/s）；）；第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论(2)(2)计算液相传质系数的准数关联式计算液相传质系数的准数关联式液相舍伍德准数液相舍伍德准数 33. 033. 067. 0GaScRe000595. 0ShLLL

9、DlcckSmLLShLLaW4Re DLLLSc233GaLLgl液体通过填料层的雷诺数液体通过填料层的雷诺数 液相施密特准数液相施密特准数 液相的伽利略准数液相的伽利略准数 第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论上述准数中：上述准数中：a a 填料比表面积填料比表面积m m2 2/m/m3 3 ; ; k kL L 液膜传质系数，液膜传质系数，m/s ;m/s ;c cSmSm/c/c 液相漂流因子液相漂流因子; ; l l 特征尺寸，取填料直径特征尺寸，取填料直径m ;m ;g g 重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2 ; ; L L 液体的粘度，液体的粘度，N Ns/

10、ms/m2 2 ; ; L L 液体的密度液体的密度 kg/mkg/m3 3 ; ;D D 溶质在液相中的分子扩散系数溶质在液相中的分子扩散系数 m m2 2/s ;/s ;W W 液体的空塔质量速度，液体的空塔质量速度，kg/(mkg/(m2 2s).s).第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论二、二、 传质理论传质理论1.1.双膜理论双膜理论2.2.溶质渗透理论溶质渗透理论3.3.表面更新理论表面更新理论第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论1.1.双膜理论双膜理论气相主体 液相主体 相界面pi = Ci / Hp 12pi Ci C 气膜液膜第五节第五节 传质系数

11、和传质理论传质系数和传质理论 按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式的结果相差较大；的结果相差较大； 由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度 1 1 和和 2 2 以及界面上浓度以及界面上浓度 p pi i 和和 C Ci i 都难以确定；都难以确定； 双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳的两流体间的传质体系，相界面

12、是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立；成立； 该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论2.2.溶质渗透理论溶质渗透理论 工业设备中进行的气液传质过程，相界面上的流体

13、总是不断地与主流工业设备中进行的气液传质过程，相界面上的流体总是不断地与主流混合而暴露出新的接触表面。希格比（混合而暴露出新的接触表面。希格比（HigbieHigbie）认为流体在相界面上暴）认为流体在相界面上暴露的时间很短，溶质不可能在膜内建立起如双膜理论假设的那种稳定的露的时间很短，溶质不可能在膜内建立起如双膜理论假设的那种稳定的浓度分布。浓度分布。溶质通过分子扩散由表面不断溶质通过分子扩散由表面不断地向主体渗透，每一瞬时均有地向主体渗透，每一瞬时均有不同的瞬时浓度分布和与之对不同的瞬时浓度分布和与之对应的界面瞬时扩散速率（与界应的界面瞬时扩散速率（与界面上的浓度梯度成正比）。面上的浓度梯

14、度成正比）。流体表面暴露的时间越长，膜流体表面暴露的时间越长，膜内浓度分布曲线就越平缓，界内浓度分布曲线就越平缓，界面上溶质扩散速率随之下降。面上溶质扩散速率随之下降。界面cAicA0距相界面的距离液相浓度cA 增加 第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论直到时间为直到时间为 c c时，膜内流体与主流发生一次完全混合而使浓度重新均匀时，膜内流体与主流发生一次完全混合而使浓度重新均匀后发生下一轮的表面暴露和膜内扩散。后发生下一轮的表面暴露和膜内扩散。 c c称为汽、液接触时间或溶质渗称为汽、液接触时间或溶质渗透时间，是溶质渗透理论的模型参数，气、液界面上的传质速率应是该透时间，是溶质

15、渗透理论的模型参数，气、液界面上的传质速率应是该时段内的平均值。时段内的平均值。cABLDk2 该理论指出传质系数与扩散系数该理论指出传质系数与扩散系数D DABAB的的 0.5 0.5 次方成正比，比双膜理次方成正比，比双膜理论更加接近于实验值，表明其对传质机理分析更加接近实际。论更加接近于实验值，表明其对传质机理分析更加接近实际。 由该理论解析求得液相传质系数由该理论解析求得液相传质系数 第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论3.3.表面更新理论表面更新理论 气液接触表面是在连续不断地更新，而不是每隔一定的周期气液接触表面是在连续不断地更新，而不是每隔一定的周期 c c才发生才

16、发生一次。一次。处于表面的流体单元随时都有可能被更新，无论其在表面停留时间处于表面的流体单元随时都有可能被更新，无论其在表面停留时间（龄期）的长短，被更新的机率相等。（龄期）的长短，被更新的机率相等。引入一个模型参数引入一个模型参数 S S 来表达任何龄期的流体表面单元在单位时间内来表达任何龄期的流体表面单元在单位时间内被更新的机率（更新频率）。被更新的机率（更新频率）。ABLSDk 由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样，将龄期为由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样，将龄期为 0 0 的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，解析求得传质系数为：的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，解析求得传质系数为：第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论 该理论得出的传质系数正比于扩散系数该理论得出的传质系数正比于扩散系数D DABAB