1、第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論一、傳質系數一、傳質系數二、二、 傳質理論傳質理論一、傳質系數一、傳質系數物系的性質物系的性質填料的結構填料的結構操作條件操作條件傳質系數的來源傳質系數的來源 實驗測定實驗測定經驗公式經驗公式準數關聯式準數關聯式傳質系數的影響因素傳質系數的影響因素 第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論1.1.傳質系數的實驗測定傳質系數的實驗測定 由填料層高度計算式：由填料層高度計算式： mabYYYYaKVhmabYYhYYVaK)( 注意：注意：實驗測定的傳質系數用于吸收或解吸塔設計實驗測定的傳質系數用于吸收或解吸塔設計計算時，設計體系的物性、

2、操作條件及設備性能應與實計算時，設計體系的物性、操作條件及設備性能應與實驗測定時的情況相同或相近。驗測定時的情況相同或相近。第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論(1) (1) 用水吸收氨用水吸收氨 39. 09 . 041007. 6WGakG式中：式中：k kG Ga a 氣相體積傳質分系數，氣相體積傳質分系數，kmol/(mkmol/(m3 3.h.kPa).h.kPa)； G G 氣相空塔質量流速，氣相空塔質量流速，kg/(mkg/(m2 2.h).h)； W W 液相空塔質量流速，液相空塔質量流速，kg/(mkg/(m2 2.h).h)； 2.2.傳質系數的經驗公式傳質系

3、數的經驗公式適用條件：適用條件：(1) (1) 直徑為直徑為12.5mm12.5mm陶瓷環填料塔。陶瓷環填料塔。第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論(2) (2) 常壓下用水吸收二氧化碳常壓下用水吸收二氧化碳U U 液相噴淋密度，液相噴淋密度，m m3 3/(m/(m2 2 h) h) 。單位時間噴淋在單位塔截。單位時間噴淋在單位塔截面上的液相體積，面上的液相體積， 用水吸收二氧化碳屬難溶氣體吸收，吸收阻力主要在液膜側。計算液用水吸收二氧化碳屬難溶氣體吸收，吸收阻力主要在液膜側。計算液相體積傳質系數的經驗公式為相體積傳質系數的經驗公式為 96. 057. 2UakL適用條件：適用

4、條件：(1) (1) 直徑為直徑為10-32mm10-32mm陶瓷環填料塔；陶瓷環填料塔；(2) (2) 噴淋密度噴淋密度U U為為3-20m3-20m3 3/(m/(m2 2 h) h)；(3) (3) 氣體的空塔質量速度氣體的空塔質量速度G G為為30-580 kg/(m30-580 kg/(m2 2 h) h)；(4) (4) 操作溫度為操作溫度為21-2721-27。第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論適用條件：適用條件： (1)(1)氣體的空塔質量流速氣體的空塔質量流速G G為為 320-4150kg/(m320-4150kg/(m2 2 h)h)(2)(2)液體的空塔

5、質量流速液體的空塔質量流速W W為為 4400-58500 kg/(m4400-58500 kg/(m2 2 h)h)； (3)(3)直徑為直徑為25mm25mm的環形填料。的環形填料。 25. 07 . 04109 . 9WGakG82. 0bWakL(3) (3) 用水吸收二氧化硫用水吸收二氧化硫b-b-與溫度有關的常數，見與溫度有關的常數，見P P6969表表9-39-3第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論3.3.傳質系數的準數關聯式傳質系數的準數關聯式(1) (1) 計算氣相傳質系數的準數關聯式計算氣相傳質系數的準數關聯式 氣相舍伍德準數氣相舍伍德準數 GGGScReSh

6、DlPRTpkBmGGShGGeGaGud4Re0DGGGSc氣體通過填料層的雷諾數氣體通過填料層的雷諾數 氣相施密特準數氣相施密特準數 第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論適用范圍適用范圍: :應用場合應用場合 濕壁塔濕壁塔0.0230.0230.830.830.440.44填料塔填料塔0.0660.0660.80.80.330.33模型參數模型參數: : GGGScReSh GBGBmGRTpPDkScRe濕壁塔或拉西環填料塔濕壁塔或拉西環填料塔ReG = 21033.5104ScG = 0.62.5P = 101303 kPa(絕壓)第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數

7、和傳質理論D D -溶質在氣相中的分子擴散系數溶質在氣相中的分子擴散系數m m2 2/s/s；P/pP/pm m -氣相漂流因子；氣相漂流因子；k kG G -氣相傳質系數氣相傳質系數kmol/(mkmol/(m2 2 s s kPa) kPa) ； R R -通用氣體常數通用氣體常數kJ/ (kmolkJ/ (kmol K K ) ) ；L L -特征尺寸特征尺寸 m m ； G G -混合氣體的密度混合氣體的密度kg/mkg/m3 3； T T -溫度溫度 K K； G G -混合氣體的粘度混合氣體的粘度N N s/ms/m2 2 ；G G -氣體的空塔質量流速；氣體的空塔質量流速；D D

8、e e -填料層中流體通道的當量直徑，填料層中流體通道的當量直徑，d de e=4a/=4a/ ，（，（a a為填料的比表面為填料的比表面 m m2 2/m/m3 3， 為填料層的空隙率為填料層的空隙率m m3 3/m/m3 3）；）；U U0 0 -氣體在填料空隙中的實際流速，氣體在填料空隙中的實際流速，u u0 0=u/=u/ （u u為空塔氣速為空塔氣速m/sm/s）；）；第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論(2)(2)計算液相傳質系數的準數關聯式計算液相傳質系數的準數關聯式液相舍伍德準數液相舍伍德準數 33. 033. 067. 0GaScRe000595. 0ShLLL

9、DlcckSmLLShLLaW4Re DLLLSc233GaLLgl液體通過填料層的雷諾數液體通過填料層的雷諾數 液相施密特準數液相施密特準數 液相的伽利略準數液相的伽利略準數 第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論上述準數中：上述準數中：a a 填料比表面積填料比表面積m m2 2/m/m3 3 ; ; k kL L 液膜傳質系數，液膜傳質系數，m/s ;m/s ;c cSmSm/c/c 液相漂流因子液相漂流因子; ; l l 特征尺寸，取填料直徑特征尺寸，取填料直徑m ;m ;g g 重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2 ; ; L L 液體的粘度，液體的粘度，N Ns/

10、ms/m2 2 ; ; L L 液體的密度液體的密度 kg/mkg/m3 3 ; ;D D 溶質在液相中的分子擴散系數溶質在液相中的分子擴散系數 m m2 2/s ;/s ;W W 液體的空塔質量速度，液體的空塔質量速度，kg/(mkg/(m2 2s).s).第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論二、二、 傳質理論傳質理論1.1.雙膜理論雙膜理論2.2.溶質滲透理論溶質滲透理論3.3.表面更新理論表面更新理論第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論1.1.雙膜理論雙膜理論氣相主體 液相主體 相界面pi = Ci / Hp 12pi Ci C 氣膜液膜第五節第五節 傳質系數

11、和傳質理論傳質系數和傳質理論 按雙膜理論，傳質系數與擴散系數成正比，這與實驗所得的關聯式按雙膜理論，傳質系數與擴散系數成正比，這與實驗所得的關聯式的結果相差較大；的結果相差較大； 由此理論所得的傳質系數計算式形式簡單，但等效膜層厚度由此理論所得的傳質系數計算式形式簡單，但等效膜層厚度 1 1 和和 2 2 以及界面上濃度以及界面上濃度 p pi i 和和 C Ci i 都難以確定；都難以確定； 雙膜理論存在著很大的局限性，例如對具有自由相界面或高度湍動雙膜理論存在著很大的局限性，例如對具有自由相界面或高度湍動的兩流體間的傳質體系，相界面是不穩定的，因此界面兩側存在穩的兩流體間的傳質體系，相界面

12、是不穩定的，因此界面兩側存在穩定的等效膜層以及物質以分子擴散方式通過此兩膜層的假設都難以定的等效膜層以及物質以分子擴散方式通過此兩膜層的假設都難以成立；成立； 該理論提出的雙阻力概念，即認為傳質阻力集中在相接觸的兩流體該理論提出的雙阻力概念，即認為傳質阻力集中在相接觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計的概念，在傳質過程的計算中得到了相中，而界面阻力可忽略不計的概念，在傳質過程的計算中得到了廣泛承認，仍是傳質過程及設備設計的依據；廣泛承認，仍是傳質過程及設備設計的依據；第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論2.2.溶質滲透理論溶質滲透理論 工業設備中進行的氣液傳質過程，相界面上的流體

13、總是不斷地與主流工業設備中進行的氣液傳質過程，相界面上的流體總是不斷地與主流混合而暴露出新的接觸表面。希格比（混合而暴露出新的接觸表面。希格比（HigbieHigbie）認為流體在相界面上暴）認為流體在相界面上暴露的時間很短，溶質不可能在膜內建立起如雙膜理論假設的那種穩定的露的時間很短，溶質不可能在膜內建立起如雙膜理論假設的那種穩定的濃度分布。濃度分布。溶質通過分子擴散由表面不斷溶質通過分子擴散由表面不斷地向主體滲透，每一瞬時均有地向主體滲透，每一瞬時均有不同的瞬時濃度分布和與之對不同的瞬時濃度分布和與之對應的界面瞬時擴散速率（與界應的界面瞬時擴散速率（與界面上的濃度梯度成正比）。面上的濃度梯

14、度成正比）。流體表面暴露的時間越長，膜流體表面暴露的時間越長，膜內濃度分布曲線就越平緩，界內濃度分布曲線就越平緩，界面上溶質擴散速率隨之下降。面上溶質擴散速率隨之下降。界面cAicA0距相界面的距離液相濃度cA 增加 第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論直到時間為直到時間為 c c時，膜內流體與主流發生一次完全混合而使濃度重新均勻時，膜內流體與主流發生一次完全混合而使濃度重新均勻后發生下一輪的表面暴露和膜內擴散。后發生下一輪的表面暴露和膜內擴散。 c c稱為汽、液接觸時間或溶質滲稱為汽、液接觸時間或溶質滲透時間，是溶質滲透理論的模型參數，氣、液界面上的傳質速率應是該透時間，是溶質

15、滲透理論的模型參數，氣、液界面上的傳質速率應是該時段內的平均值。時段內的平均值。cABLDk2 該理論指出傳質系數與擴散系數該理論指出傳質系數與擴散系數D DABAB的的 0.5 0.5 次方成正比，比雙膜理次方成正比，比雙膜理論更加接近于實驗值，表明其對傳質機理分析更加接近實際。論更加接近于實驗值，表明其對傳質機理分析更加接近實際。 由該理論解析求得液相傳質系數由該理論解析求得液相傳質系數 第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論3.3.表面更新理論表面更新理論 氣液接觸表面是在連續不斷地更新，而不是每隔一定的周期氣液接觸表面是在連續不斷地更新，而不是每隔一定的周期 c c才發生才

16、發生一次。一次。處于表面的流體單元隨時都有可能被更新，無論其在表面停留時間處于表面的流體單元隨時都有可能被更新，無論其在表面停留時間（齡期）的長短，被更新的機率相等。（齡期）的長短，被更新的機率相等。引入一個模型參數引入一個模型參數 S S 來表達任何齡期的流體表面單元在單位時間內來表達任何齡期的流體表面單元在單位時間內被更新的機率（更新頻率）。被更新的機率（更新頻率）。ABLSDk 由于不同齡期的流體單元其表面瞬時傳質速率不一樣，將齡期為由于不同齡期的流體單元其表面瞬時傳質速率不一樣，將齡期為 0 0 的全部單元的瞬時傳質速率進行加權平均，解析求得傳質系數為：的全部單元的瞬時傳質速率進行加權平均，解析求得傳質系數為：第五節第五節 傳質系數和傳質理論傳質系數和傳質理論 該理論得出的傳質系數正比于擴散系數該理論得出的傳質系數正比于擴散系數D DABAB