福州大学化工原理电子教案 气体吸收 8.3扩散和单相传质 在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题:过程的极限和过程的数率。吸收过程的极限决定 于吸收的相平衡常数,在82节中作了讨论。本节将讨论吸收的速率问题。吸收过程涉及两相间的物质传 递,它包括三个步骤 ①溶质由气相主体传递到两相界面,即气相内的物质传递 ②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 ③溶质自界面被传递至液相主体,即液相内的物质传递。 通常,第②步即界面上发生的溶解过程很容易进行,其阻力很小(传质速率二传质推动力)故 认为相界面上的溶解推动力亦很小,小至可认为其推动力为零,则相界面上气、液组成满足相平衡关系 这样总过程的速率将由两个单相即①步气相和③步液相内的传质速率所决定。无论是气相还是液相,物质 传递的机理包括以下两种 (1)分子扩散。类似于传热中的热传导,是分子微观运动的宏观统计结果。混合物中存在温度梯度、 压强梯度及浓度梯度都会产生分子扩散,本章仅讨论因浓度梯度而造成的分子扩散速率。发生在静止或层 流流体里的扩散就是分子扩散 (2)对流传质。是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为对流传质。发生在湍流流体里的传 质除分子扩散外更主要的是对流传质。 将一勺砂糖投于杯水中,片刻后整杯的水都会变甜,这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水,则 将甜得更快更均匀,那便是对流传质的结果。 以下仅讨论定态条件下双组分物系的分子扩散和对流传质 831双组分混合物中的分子扩散 (1)费克定律 只要流体内部有浓度梯度,就会产生分子扩散,在恒温恒压下,一维分子扩散速率可用费克定律表达 如下: dc C 浓度梯度二4指向浓度增加的方向,而扩散向浓度降低的方向进行,故式中加一负号。D为组分 A在双组分混合物A、B中的扩散系数。 对双组分混合物,在总浓度(对气相也可说总压)各处相等及C=CA+CB=常数的前提下,也有 dc dsds J4=-J(前提CM为常数,对气压为总压P不变) 也就是说费克定律中的“m2”为“分子对称面”,A、B两组分的分子扩散速率大小相等,方向相反 否则就不能保证总浓度CM(或总压P)不变。 do d AB BA (2)分子扩散与主体流动 气液相界面只允许溶质A溶解穿过,惰性气体B不能溶解穿过,也不允许溶剂S逆向汽化通过。由 于界面处A组分不断被溶解吸收,CA>C,A组分存在浓度梯度4,其方向指向A组分浓度高的方 ds 向为正,而A组分的分子扩散方向与其相反,朝界面扩散JA→>惰性气体B组分由于不能被液体吸收,福州大学化工原理电子教案 气体吸收 - 1 - 8.3 扩散和单相传质 在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题：过程的极限和过程的数率。吸收过程的极限决定 于吸收的相平衡常数，在 8.2 节中作了讨论。本节将讨论吸收的速率问题。吸收过程涉及两相间的物质传 递，它包括三个步骤： ① 溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递； ② 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 ③ 溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。 通常，第②步即界面上发生的溶解过程很容易进行，其阻力很小（ 传质阻力 传质推动力 传质速率 = ）故 认为相界面上的溶解推动力亦很小，小至可认为其推动力为零，则相界面上气、液组成满足相平衡关系， 这样总过程的速率将由两个单相即①步气相和③步液相内的传质速率所决定。无论是气相还是液相，物质 传递的机理包括以下两种。 （1）分子扩散。类似于传热中的热传导，是分子微观运动的宏观统计结果。混合物中存在温度梯度、 压强梯度及浓度梯度都会产生分子扩散，本章仅讨论因浓度梯度而造成的分子扩散速率。发生在静止或层 流流体里的扩散就是分子扩散。 （2）对流传质。是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为对流传质。发生在湍流流体里的传 质除分子扩散外更主要的是对流传质。 将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水，则 将甜得更快更均匀，那便是对流传质的结果。 以下仅讨论定态条件下双组分物系的分子扩散和对流传质。 8.3.1 双组分混合物中的分子扩散 （1）费克定律 只要流体内部有浓度梯度，就会产生分子扩散，在恒温恒压下，一维分子扩散速率可用费克定律表达 如下： d dC J D A A = − AB 浓度梯度 d dCA 指向浓度增加的方向，而扩散向浓度降低的方向进行，故式中加－负号。 DAB 为组分 A 在双组分混合物 A、B 中的扩散系数。 对双组分混合物，在总浓度（对气相也可说总压）各处相等及 CM = CA +CB ＝常数的前提下，也有  d d d dCA CB = − A B J = −J (前提 CM 为常数，对气压为总压 P 不变) 也就是说费克定律中的“ 2 m ”为“分子对称面”，A、B 两组分的分子扩散速率大小相等，方向相反， 否则就不能保证总浓度 CM （或总压 P ）不变。  d d ) d d ( A BA B A B AB C D C J = −J = − −D = − DAB = DBA = D （2）分子扩散与主体流动 气液相界面只允许溶质 A 溶解穿过，惰性气体 B 不能溶解穿过，也不允许溶剂 S 逆向汽化通过。由 于界面处 A 组分不断被溶解吸收， CA  CAi ，A 组分存在浓度梯度 d dCA ,其方向指向 A 组分浓度高的方 向为正，而 A 组分的分子扩散方向与其相反，朝界面扩散 J A → 惰性气体 B 组分由于不能被液体吸收