對流擴散與相間傳質1第1頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月A.對流擴散a.渦流擴散（湍流擴散）分子擴散：渦流擴散：總擴散：D──分子擴散系數(shù)，一定物系在溫度、壓力不變時為常數(shù)DE──渦流擴散系數(shù)，是隨流體流動狀態(tài)、位置等條件變化的狀態(tài)參數(shù)由于DE難以測定和計算，使上述式難以應用，必須采取其他處理方法。對流擴散與相間傳質2第2頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月b.對流擴散與有效膜概念

把湍流主體與相界面之間（或反之）的傳質稱為對流擴散──包括分子擴散和渦流擴散。以簡單的濕壁塔為例討論有效膜概念。氣相側溶質分布

δG’傳質方向液體氣體層流緩沖層湍流核心ppipZ相界面δG3第3頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月δG’──虛擬滯流層（或稱有效膜），全部傳質推動力(p-pi)，即全部阻力都集中在有效膜內。這可以按有效膜內的分子擴散速率寫出有氣相到相界面的對流擴散速率關系，即同樣，對液相側如以傳熱中Newton冷卻定律的形式表述，則氣膜液膜4第4頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月kL──液相對流動傳質分系數(shù)（以液膜兩端濃度差為推動力），kL=DLC/(δL’cBM)，m/skG──氣相對流動傳質分系數(shù)（以氣膜兩端分壓差為推動力），kG=DGP/(RTδG’pBM)，kmol/m2.s.kpa提出有效膜概念后，可以用分子擴散速率方程描述對流擴散速率，但是由于δG’與δL’是虛擬量難以確定，所以kG、kL不能由定義式算出

可以像在傳熱中處理α一樣，實驗測定kG、kL，歸納成經驗式。──另僻新徑─→相間傳質。但是，與α不同（導熱壁分開），kG、kL由多變的相截面分開，有交互作用，難以測定5第5頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月B.相間傳質由于相間傳質過程的復雜性，采用數(shù)學模型法處理。a.相間傳質模型介紹簡單、實用的雙膜理論模型。模型要點：ZPppiCcic相界面氣膜液膜氣相主體液相主體δG’δL’①在相界面兩側，分別存在呈層流流動的氣膜、液膜，其厚度隨流體流動狀態(tài)變化，溶質連續(xù)通過兩膜；②相界面溶解阻力很小，認為氣、液在此達相平衡狀態(tài)；③兩膜以外的氣、液相主體充分湍流，無濃度梯度。6第6頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月ZPppi

Ccic相界面氣膜液膜氣相主體液相主體δG’δL’7第7頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月雙膜理論的局限性：①由于流體湍流擾動（尤其在板式塔中），不可能保持固定的相界面；b.相間傳質速率方程氣、液相傳質速率方程：其中界面組成pi、ci難以測定，下面用雙膜理論模型處理。②沒有考慮氣、液兩相的相互影響。8第8頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴Henry定律適于氣、液相平衡的情況據相平衡知識

p*=c/H據雙膜模型要點②pi=ci/H代入液相傳質速率方程式NA=kL(ci-c)=kLH(pi-p*)在穩(wěn)態(tài)下兩式相加9第9頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月KG──氣相傳質總系數(shù)，kmol/m2.s.kpaKL──液相傳質總系數(shù)，m/sKG=HKLNA=KG(p-p*)得總傳質速率方程式同理NA=KL(c*-c)10第10頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵總傳質速率方程的分析①傳質推動力的圖示由點(p,c)──已知kL,kG─→pi,ci─→NAA平衡線pc-kL/kGppic

ci氣膜液膜11第11頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月平衡線pcAPp*c

c*氣相液相平衡線上方的A點離平衡線近──總推動力↓──由氣到液;A點在平衡線上──總推動力=0;A點在平衡線下方──總推動力<0──傳質由液到氣。12第12頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月②傳質阻力與過程的控制步驟已知與(p-p*)對應的總阻力1/KG氣膜阻力1/kG液膜阻力1/HkL與(c*-c)對應的總阻力1/KL氣膜阻力H/kG液膜阻力1/kL其中kG、kL對一定設備變化范圍不大（10-4～10-5左右），但溶解度系數(shù)H對不同物系相差很大。溶解度很大的氣體──易溶氣體，如水吸收NH3、HCl等，其H很大──1/HkL<<1/kG─→KG≈kG──氣膜阻力控制。13第13頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月溶解度很小的氣體──難溶氣體，如水吸收O2、CO2等，其H很小──H/kG<<1/kL─→KL≈kL──液膜阻力控制?？刂撇襟E的確定為強化過程提供了依據。③以摩爾分數(shù)差為推動力的傳質速率方程工程上常以摩爾分數(shù)表示濃度，下面作轉換。注意：此部分內容在教材中沒有，但對以后的學習有幫助，請注意聽。14第14頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月Kx=mKy以上總傳質系數(shù)式僅適于平衡線服從Henry定律(直線)的情況，如為曲線，則通常采用分傳質系數(shù)和界面濃度計算。15第15頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月本講要點■相間傳質是一串聯(lián)速率過程，了解各相內傳質阻力的相對大小，以及整個過程中的控制步驟，對強化傳質過程是重要的，它能指出過程強化目標。■

對流擴散包括分子擴散和渦流擴散，由于流體的流動，尤其是渦流的混合作用，大大強化了傳質過程?！鲆胗行つＰ秃?，雖然使對流擴散過程的數(shù)學描述得以簡化，但由于有效膜厚及界面濃度難以測定，工程計算問題并未得到解決?！鰧嶋H傳質過程多數(shù)為相間傳質，由于相界面?zhèn)鬟f過程的復雜性，過程的描述采用了數(shù)學模型法，雙膜模型是最簡單且是目前工程上仍使用的相間傳質模型，用此模型建立的相間傳質速率方程回避了難以測定的界面濃度，方便了工程計算。16第16頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月C.例a.相平衡對兩相傳質推動力及其分配的影響吸收塔某截面氣液兩相濃度分別為y=0.05，x=0.01(摩爾分率)，在操作溫度下氣液平衡關系為y=2x，氣液兩側的體積傳質系數(shù)kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，試求：⑴該截面的兩相傳質總推動力、傳質總阻力、傳質速率及推動力在氣液兩側的分配；⑵若降低吸收劑的溫度，使相平衡關系變?yōu)閥=0.4x，假設兩相濃度及傳質系數(shù)保持不變，傳質推動力、傳質總阻力、傳質速率及推動力的分配等的變化。17第17頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收塔某截面處：y=0.05，x=0.01，操作條件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。解：⑴傳質總推動力(y=2x)⑵傳質總推動力(y=0.4x)用氣相濃度差表示Δy=y-mx=0.05-2×0.01=0.03用液相濃度差表示Δx=y/m-x=0.05/2-0.01=0.015或Δx=Δy/m=0.03/2=0.015與氣相總推動力相配用氣相濃度差表示Δy=y-m’x=0.05-0.4×0.01=0.046用液相濃度差表示Δx=y/m’-x=0.05/0.4-0.01=0.115或Δx=Δy/m’=0.046/0.4=0.115傳質總阻力與總傳質系數(shù)傳質總阻力與總傳質系數(shù)與氣相總推動力相配18第18頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月與氣相總推動力相配與氣相總推動力相配吸收塔某截面處：y=0.05，x=0.01，操作條件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。與液相總推動力相配Kya=0.00867kmol/(m3.s)Kxa=0.0173kmol/(m3.s)與液相總推動力相配Kya=0.0186kmol/(m3.s)Kxa=0.00743kmol/(m3.s)19第19頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月或Kxa=Kyam=0.00867×2=0.0173kmol/(m3.s)或Kxa=Kyam=0.00867×0.4=0.00743kmol/(m3.s)NA=KyaΔy=0.00867×0.03=2.60×10-4kmol/(m3.s)傳質速率傳質速率NA=KyaΔy=0.0186×0.046=8.55×10-4kmol/(m3.s)吸收塔某截面處：y=0.05，x=0.01，操作條件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)?；騈A=KxaΔx=0.0173×0.015=2.60×10-4kmol/(m3.s)或NA=KxaΔx=0.00743×0.115=8.55×10-4kmol/(m3.s)20第20頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月m=2時，液相阻力占總阻力2/3，總推動力的2/3用于液相傳質推動力與阻力的分配推動力與阻力的分配溫度降低后，液相阻力大幅度減少，氣相阻力的絕對值雖未改變，但在總阻力所占比例相對增大而成為主要阻力。相應總阻力的大部分也用于氣相傳質

吸收塔某截面處：y=0.05，x=0.01，操作條件下：y*=2x，kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)。21第21頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月b.流體流量對傳質阻力的影響一填料吸收塔，在操作條件下kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，已知ky∝G0.7，試分別計算m=0.1及m=5兩種情況下，氣體流量增加一倍時，總傳質阻力減少的百分數(shù)。解：m=0.1時，原工況的總傳質阻力為：m=5時，原工況的總傳質阻力為：或或22第22頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月填料吸收塔，在操作條件下：kya=kxa=0.026kmol/(m3.s)，已知ky∝G0.7，試分別計算m=0.1及m=5兩種情況下，氣體流量增加一倍時，總傳質阻力減少的百分數(shù)。當氣體流量增加一倍，總傳質阻力減少為：當氣體流量增加一倍，總傳質阻力減少為：或或23第23頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月兩工況的傳質阻力之比為：兩工況的傳質阻力之比為：填料吸收塔，在操作條件下：kya=kxa=0.026kmol