化工原理_22涡流扩散现象

1、7.1 概述第七章 传质与分离过程概论7.2.1 分子传质（扩散）7.2 质量传递的方式与描述7.2.2 对流传质 1.涡流扩散 由于流体质点的湍动和旋涡而形成的物质传递现象涡流扩散。 v 涡流扩散在湍流流体中发生一、涡流扩散现象v 在涡流扩散中时刻存在分子扩散v 涡流扩散的通量远大于分子扩散的通量2.涡流扩散通量方程dzdcJAMeA涡流扩散系数，m2/s Mkmol/(m2 s )一、涡流扩散现象描述涡流扩散通量的方程为涡流扩散通量1.对流传质的类型 运动流体与固体表面之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递过程对流传质。 二、对流传质对流传质自然对流传质强制层流传质强制湍流传质强制对

2、流传质2.对流传质的机理 所谓对流传质的机理是指在传质过程中，流体以哪种方式进行传质。研究对流传质速率需首先弄清对流传质的机理。 层流内层缓冲层湍流中心AicAfc)(rfcA湍流流体流体与管壁间的浓度分布二、对流传质湍流主体层流内层缓冲层传质机理：分子传质传质机理：涡流传质为主浓度分布：为一陡峭直线传质机理浓度分布：为一渐缓曲线浓度分布：为一平坦曲线分子传质涡流传质在与壁面垂直的方向上分为三层 二、对流传质2.对流传质速率方程 描述对流传质的基本方程对流传质速率方程。 对流传质系数，kmol/(m2sc)Lk)(AfAiLAcckNkmol/(m2 s )二、对流传质对流传质速率方程对流传质

3、通量7.1 概述第七章 传质与分离过程概论7.2.1 分子传质（扩散）7.2 质量传递的方式与描述7.2.2 对流传质7.2.3 相际间的传质一、相际间的对流传质过程 设组分 A从气相传递到液相（如吸收），该过程由以下3步串联而成： 组分A从气相主体扩散到相界面； 在相界面上组分A由气相转入液相； 组分A由相界面扩散到液相主体。 一般来说，相界面上组分A从气相转入液相的过程很快，相界面传质阻力可以忽略。因此，相际间传质的阻力主要集中在气相和液相中。若其中一相传质阻力较另一相大得多，则另一相传质阻力可以忽略，此种传质过程即称之为“该相控制”。 一、相际间的对流传质过程 相际间的传质二、相际间对流

4、传质模型 1.双膜模型 惠特曼(Whiteman) 于1923年提出，最早提出的一种传质模型。pbcb停滞膜模型（双阻力模型）双膜模型示意图播放动画32：双膜模型停滞膜模型的要点 当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳 定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞 膜气膜和液膜，溶质A经过两膜层的传质方式 为分子扩散。 在气液相界面处，气液两相处于平衡状态，无 传质阻力。 在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流 体强烈湍动，各处浓度均匀一致，无传质阻力。 二、相际间对流传质模型 )(AiAbBMGABApppRTzpDN总)(AbAiBMLABAcccczDN总 依据双膜模型，组分A通过气

5、膜、液膜的扩散通量方程分别为二、相际间对流传质模型 设对流传质速率方程分别为 比较得)(AiAbGAppkN)(AbAiLAcckNBMGABGpRTzpDk总BMLABLczcDk总气膜对流传质系数液膜对流传质系数二、相际间对流传质模型 根据双膜模型，导出 停滞膜模型的模型参数液膜厚度 zL气膜厚度 zGGkABD二、相际间对流传质模型 LkABD或 2.溶质渗透模型 希格比( Higbie )于1935年提出，为非稳态模型。溶质渗透模型示意图二、相际间对流传质模型 播放动画33：溶质渗透模型溶质渗透模型的要点 液面由无数微小的液体单元所构成，当气液两 相相互接触时，液相主体中的某些单元运动

6、至 相界面便停滞下来。在气液未接触前，液体单 元中溶质的浓度和液相主体的浓度相等，接触 开始后，相界面处立即达到与气相平衡状态。 随着接触时间的延长，溶质 A通过不稳态扩 散方式不断地向液体单元中渗透。 二、相际间对流传质模型 液体单元在界面处暴露的时间是有限的，经 过时间c后，旧的液体单元即被新的液体单 元所置换而回到液相主体中去。在液体单元 深处，仍保持原来的主体浓度不变。 液体单元不断进行交换，每批液体单元在界 面暴露的时间c 都是一样的。 二、相际间对流传质模型 根据溶质渗透模型，可导出 )(40AAicABccDAN二、相际间对流传质模型 设对流传质速率方程分别为 )(AbAiLAc

7、ckN比较可得 溶质渗透模型的模型参数暴露时间cLk2/1ABDcABLDk4二、相际间对流传质模型 3.表面更新模型 丹克沃茨(Danckwerts) 于1951年提出，为非稳态模型。表面更新模型的要点 溶质向液相内部传质为非稳态分子扩散过程。 界面上液体单元有不同的暴露时间或称年龄，界 面上各种不同年龄的液体单元都存在。 不论界面上液体单元暴露时间多长，被置换的概 率是均等的。单位时间内表面被置换的分率称为 表面更新率，用符号S 表示。 二、相际间对流传质模型 根据表面更新模型，可导出二、相际间对流传质模型 )(0AAiAccNSDAB设对流传质速率方程分别为 )(AbAiLAcckN表面

8、更新模型的模型参数表面更新率S比较可得Lk2/1ABDSDABLk二、相际间对流传质模型 7.1 概述第七章 传质与分离过程概论7.3.1 传质设备的分类与性能要求7.2 质量传递的方式与描述7.3 传质设备简介一、传质设备的分类 传质设备气液传质设备按所处理物系相态分类液液传质设备气固传质设备液固传质设备传质设备按两相的接触方式分类逐级接触式设备微分接触式设备按促使两相混合与接触动力分类传质设备无外加能量式设备有外加能量式设备二、传质设备的性能要求 v单位体积中，两相的接触面积应尽可能大对传质设备的基本要求v两相分布均匀，避免或抑制沟流、短路及返混等 现象发生v流体的通量大，单位设备体积的处

9、理量大v流动阻力小，运转时动力消耗低 v操作弹性大，对物料的适应性强 v结构简单，造价低廉，操作调节方便，运行安全 可靠 7.1 概述第七章 传质与分离过程概论7.3.1 传质设备的分类与性能要求7.2 质量传递的方式与描述7.3 传质设备简介7.3.2 典型的传质设备一、板式塔 板式塔为逐级接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。 板式塔的结构 1. 壳体2. 塔板3. 溢流堰4. 受液盘5. 降液管板式塔液相连续相汽相分散相二、板式塔筛孔塔板示意图 1. 筛孔2. 鼓泡层3. 泡沫层4. 降液管 填料塔为连续接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、液体分布器、填料支承板、塔填料、填料压板及液体再分布装置等部件构成。 1.塔壳体；2.液体分布器；3.填料压板；4.填料；5.液体再分布器；6.填料支承板。填料塔结构示意图填料塔液相连续相气相分散相二、填料塔与板式塔相比，填料塔具有以下特点：v 生产能力大v 侧线进料和出料较难v 压力降小，持液量小v 操作弹性大v 分离效率高v 造价较高v 易堵塞二、填料塔练 习 题 目思考题作业题: 6、7、81. 对流传质有哪些类型，其传质机理如何？2. 提出