分子扩散和菲克定律专题培训课件

吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤：溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程；溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。单相内物质传递的机理分子扩散

对流传质2024/7/23一、分子扩散与菲克定律

1、分子扩散：

一相内部有浓度差异的条件下，由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。AB2．菲克定律

1）扩散通量：单位面积上单位时间内扩散传递的物质量，单位：kmol/(m2.s)。2024/7/232）菲克定律

试分析与傅立叶定律以及牛顿粘性定律的区别及联系。

3）分子扩散系数间的关系对于双组分物系：2024/7/23根据菲克定律：

由A、B两种气体所构成的混合物中，A与B的扩散系数相等。

2024/7/23二、气相中的稳定分子扩散

1．等摩尔反向扩散1）等摩尔反向扩散

例如精馏过程

2024/7/232）传递速率

在任一固定的空间位置上，单位时间通过单位面积的A物质量，称为A的传递速率，以NA表示。

分离变量并进行积分，积分限为：

2024/7/23传质速率为：2、一组分通过另一停滞组分的扩散

1）一组分通过另一停滞组分的扩散

2024/7/23例如吸收2）传递速率设总体流动通量为N，其中物质A的通量为：2024/7/23总体流动中物质B向右传递的通量为

而即2024/7/23将

和代入

若扩散在气相中进行，则：

2024/7/23即分离变量后积分2024/7/23——漂流因数，无因次。反映总体流动对传质速率的影响。

因P＞pBm，所以漂流因数

2024/7/23三、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。同一物质的扩散系数随介质的种类、温度、压强及浓度的不同而变化。物质在不同条件下的扩散系数一般需要通过实验测定。1、物质在气体中的扩散系数气体A在气体B中（或B在A中）的扩散系数，可按马克斯韦尔—吉利兰（Maxwell-Gilliland）公式进行估算

2024/7/232、物质在液体中的扩散系数

物质在液体中的散系数与组分的性质、温度、粘度以及浓度有关。

对于很稀的非电解溶液，物质在液体中的扩散系数

2024/7/23四、对流传质

1、涡流扩散凭籍流体质点的流动和旋涡来传递物质的现象。扩散通量：2、对流传质流动流体与两相界面之间的传质1）固定界面气固两相或液固两相间的界面

2024/7/23

2）流动界面气液两相和液液两相间的界面2024/7/23对于等摩尔反方向扩散

对于单向扩散

2024/7/23五、吸收机理——双膜理论

1、双膜理论相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上没有传质阻力，气液两相处于平衡状态。界面两侧分别存在着两层膜，气膜和液膜。气相一侧叫气膜，液相一侧叫液膜，这两层膜均很薄，膜内的流体是滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质。

膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层膜内。2024/7/232024/7/23六、吸收速率方程式

吸收速率：

单位面积，单位时间内吸收的溶质A的摩尔数，用NA表示，单位通常用kmol/m2.s。吸收传质速率方程：吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式

吸收速率=传质系数×推动力

1、气膜吸收速率方程式

2024/7/23令——气膜吸收速率方程式——气膜吸收系数，kmol/(m2.s.kPa)。

也可写成：

2024/7/23当气相的组成以摩尔分率表示时

—以

表示的气膜吸收系数，knoll/(m2.s)。

当气相组成以摩尔比浓度表示时

—以

表示推动力的气膜吸收系数，kmol/(m2.s)。

2024/7/232、液膜吸收速率方程式

令

或

——液膜吸收速率方程—以

为推动力的液膜吸收系数，m/s；

2024/7/23当液相的组成以摩尔分率表示时

—以

为推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2.s)。

当液相组成以摩尔比浓度表示时

—以

为推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2.s)。

2024/7/233、界面浓度当已知两相组成的平衡关系，如

和上式联立便可

求出

2024/7/23pcAIcipi2024/7/234、总吸收系数及相应的吸收速率方程式1）以气相组成表示总推动力的吸收速率方程式a）以△p为推动力的吸收速率方程

—以

为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s.Pa)—与液相主体浓度c成平衡的气相分压，Pa。

2024/7/23

b）以△y为推动力的吸收速率方程2）以液相组成表示总推动力的吸收速率方程式

—以△y为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s)。

a）以△c为推动力的吸收速率方程

—以△c为推动力的液相总吸收系数，m/s

2024/7/23b）以△x为推动力的吸收速率方程

—以△x为推动力的液相总吸收系数，kmol/(m2.s)

3）用摩尔比浓度为总推动力的吸收速率方程式适用条件：溶质浓度很低时

a）以

表示总推动力的总吸收速率方程式据分压定律2024/7/23代入

令

—以

为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s)

2024/7/23b）以

表示总推动力的吸收速率方程式

—以

为推动力的液相总吸收系数，kmol/(m2.s)

5、各种吸收系数之间的关系1）总系数与分系数的关系

2024/7/23由亨利定律：

2024/7/23分别为总阻力、气膜阻力和液膜阻力

即总阻力=气膜阻力+液膜阻力

同理

2024/7/23在溶质浓度很低时

2）总系数间的关系

a）气相总吸收系数间的关系

2024/7/23当溶质在气相中的浓度很低时

b）液相总传质系数间的关系

c）气相总吸收系数与液相总吸收系数的关系2024/7/233）各种分系数间的关系

6、传质速率方程的分析

1）溶解度很大时的易溶气体

——气膜控制2024/7/23气膜控制例：水吸收氨或HCl气体

液膜控制例：水吸收氧、CO2

2024/7/232）溶解度很小时的难溶气体当H很小时，

——液膜控制

3）对于溶解度适中的气体吸收过程

气膜阻力和液膜阻力均不可忽略，要提高过程速率，必须兼顾气液两端阻力的降低。2024/7/23小结：吸收速率方程

与膜系数相对应的吸收速率式与总系数对应的速率式

用一相主体与界面的浓度差表示推动力用一相主体的浓度