传质机理与吸收速率

传质(扩散)的基本方式扩散的基本方式分子传质（扩散）涡流扩散2.2.1分子扩散与费克定律2.2传质机理与吸收过程速率如图：左、右两室分别充入同P、同T但性质不同的A、B两种气体。A、B分子在浓度差的作用下，向低浓区作分子扩散。由于容器中P始终恒定，可知:右移的A分子数=左移的B分子数。1.分子扩散

A

BAB

A

BAB2

溶质渗透模型1935年希格比(Higbie)提出。其要点为：溶质开始从界面进入液膜直到建立稳定的浓度梯度需要一段过渡时间，在此期间，溶质从相界面向液膜深度方向逐步渗透，其渗透过程为一段不稳定的传质过程，常采用不稳定传质方程来描述。

扩散过程进行的快慢可用“扩散通量J：单位扩散面积上，单位时间内扩散传递的物质量，kmol/(m2.s)”表示。A在B中的扩散式：在等分子反方向扩散时，有：JA=-JB

而：2.菲克（Fick）定律在上述容器中

于是，上式可以写成：上式表明：在有A、B两组分组成的气体中，无论A在B中扩散或反之，扩散系数相等。DAB

=

DBA

=

D2.2.2、气相中的稳定分子扩散1、等分子反方向扩散PA1PB1PPA2PB2PAB等分子反方向扩散示意图假定：PA1>PA2

PB1<PB2

PA1+PB1=PA2+PB2=P表征任何情况下传质快慢的“传递速率N：单位时间、单位传质面积上通过的物质量”，在只有等分子反方向扩散的传质过程中=扩散通量J。对A积分：边界条件：由上式可知即：分压p在联通管长度范围内的分布呈直线。例A—NH3(g)，B—N2(g)的混合气，以不同浓度分装在左、右两大容器中，z=0.61m,d=24.4mm,T=25℃,P=101.3kPa;pA1=20kPa,pA2=6.67kPa。扩散条件下，NH3-N2的D=2.30×10-5m2/s。求：1、单位时间自容器1向容器2传递的NH3(g)量NA.A,[kmol/s];2、z=0.305m处的pA,[kPa]解：1.NA.A：2、一组分通过另一停滞组分的扩散应用背景：吸收操作液相相界面气相NA(溶质)NB＝0a：A、B分子在1，2截面间分压差的作用下，进行着等分子反方向扩散，在联通管的任意截面处都有：JA=-JBb：作为A分子，扩散到膜位置时顺利通过，无滞留。B分子最初能以“与A相同的扩散通量”向左扩散，但由于膜的存在，膜右侧的B无法穿过膜弥补膜左侧出现的空缺。c：B仍在管内△PB的作用下继续向左扩散，这样更加加剧膜左侧“附近”总压P2的降低,导致产生△P=P1-P2。d：在△P的作用下，A+B一起向右移动—“总体流动”(相应的总体“传递通量”用N表示)。在总体流动的作用下，P2有所回升。同时，随总体流动而来的A穿过膜,B继续被膜拦截下来，使pB2左回升。于是，B有在与最初的a相同的△PB下作分子扩散。当扩散稳定时，即存在等分子反方向扩散，又存在总体流动。在总体流动中，A占(cA/C)N,B占(cB/C)N；C=cA+cB。A物质的：传递速率NA=扩散通量JA+总体传递通量份额(cA/C)N∵膜的作用,B分子的“净”通量NB=0。∴有：JB=－(cB/C)N又∵JA=－JB∴JA=(cB/C)N代入前式：NA=(cB/C)N+(cA/C)N=N这证实了：稳定情况下，总体流动通量N=A的传递通量（传递速率）NA。用体积摩尔浓度表示用分压表示分离变量，并积分：为了与单纯的分子扩散的传质速率有一个可比性，根据pA1+pB1=pA2+pB2=P，有：pA1-pA2=pB2-pB1

P/pBm—漂流因数，反映总体流动对传质速率的影响。∵总有P>pBm∴P/pBm≥1。可见，有总体流动时NA↑。比较:例

A—NH3(g)，B—N2(g)的混合气，以不同浓度分装在左、右两大容器中，z=0.61m,d=24.4mm,T=25℃,P=101.3kPa;pA1=20kPa,pA2=6.67kPa。扩散条件下，NH3-N2的D=2.30×10-5m2/s。（同上例）求：1、求NH3通过停滞的N2扩散时，单位时间自容器1向容器2传递的NH3(g)量NA.A,[kmol/s];2、z=0.305m处的pA,[kPa]。

解：1.NA.A：pB1=101.3-20=81.3kPapB2=P-pA2=101.3-6.67=94.6kPaP/pBm=101.3/87.8=1.154在无上例的基础时，直接用下式计算更方便2.2.3、液相中的稳态分子扩散（1）液相中等分子反方向的扩散（2）液相中一组分通过另一停滞组分的扩散2.2.4扩散系数分子扩散系数简称扩散系数，它是物质的特性常数之一。扩散系数是计算分子扩散通量的关键。同一物质的扩散系数随介质的种类、温度、压力及组成的不同而变化。对于气体中的扩散，组成的影响可以忽略；对于液体中的扩散，组成的影响不能忽略，而压力的影响可以忽略。

物质的扩散系数可由实验测得，或从有关的资料中查得，有时也可由经验的或半经验的公式计算，详细内容参考有关书籍。2.2.5对流传质1.涡流扩散凭籍流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象，称为涡流扩散。对于涡流扩散，其扩散通量表达式为在湍流流体中，分子扩散和涡流扩散同时存在，但涡流扩散的通量远大于分子扩散的通量，一般可忽略分子扩散的影响。分子扩散系数D

是物质的物理性质，它仅与温度、压力及组成等因素有关；而涡流扩散系数DE

则与流体的性质无关，它与湍动的强度、流道中的位置、壁面粗糙度等因素有关。因此，涡流扩散系数较难确定。2.对流传质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统称为对流传质。对流传质的速率不仅与质量传递的特性因素（如扩散系数）有关，而且与动量传递的动力学因素（如流速）等密切相关。描述对流传质的基本方程，与描述对流传热的基本方程相对应，可采用下式表述对流传质系数2.2.6

吸收过程机理先对对流传质过程作一定的假定，然后，根据假定建立描述对流传质过程的数学模型，最后求解对流传质模型，即可得出对流传质系数的计算式。1923年惠特曼(Whiteman)提出，最早的传质模型。要点：1、气液两相接触时，两相间存在稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的停滞膜，溶质A以分子扩散的方式通过此膜层。1、双膜模型2、在气液相界面处，气液两相处于平衡状态;在两个停滞膜以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。3、双膜理论将复杂的相际传质过程归结为两种流体停滞膜层的分子扩散过程，依此模型，在相界面处及两相主体中均无传质阻力存在。故，整个相际传质过程的阻力便全部集中在两个停滞膜层内。因此，双膜模型又称双阻力模型。1951年丹克沃茨(Danckwerts)提出.其要点为：在气液两相