第五章

吸收一、分子擴散與費克定律二、穩態分子擴散三、單相內的對流傳質四、兩相間傳質機理—雙膜理論五、傳質速率方程式第三節

吸收過程的傳質速率2023/2/12023/2/1吸收過程涉及兩相間的物質傳遞，包括三個步驟：溶質由氣相主體擴散至兩相界面氣相側，即氣相內的傳質；溶質在相界面上的溶解，由氣相轉入液相，即界面上發生的溶解過程(平衡)溶質由相界面液相側擴散至液相主體，即液相內的傳質。2023/2/1相內傳質分子擴散：借助于分子的無規則熱運動來傳遞物質的過程

渦流擴散：借助于流體質點的宏觀運動來傳遞物質的過程，又稱湍流擴散。傳質方向：相同，高濃度→低濃度靜止或層流流體中：分子擴散湍流流體中：渦流擴散+分子擴散2023/2/1一、分子擴散與費克定律

1、分子擴散：

是指物質在一相內部存在濃度差的條件下，由于流體分子的無規則熱運動而引起的物質傳遞現象。AB2．費克定律

1）擴散速率：單位時間內單位面積上因擴散而傳遞的的物質量，以J表示，又叫擴散通量。——非穩態分子擴散2023/2/12）費克定律

—組分A沿Z方向的分子擴散速率，kmol/(m2·s)。

—濃度梯度，CA在Z方向上的變化率，kmol/m4。

DAB—分子擴散系數或擴散系數，m2/s。下標AB表示組分A在組分B中擴散。負號表示擴散沿組分A濃度降低的方向，與濃度梯度方向相反。2023/2/1根據菲克定律：

由A、B兩種氣體所構成的混合物中，A與B的分子擴散系數相等，統一以D表示。3）分子擴散系數間的關系對于雙組分物系：2023/2/13、分子擴散系數

分子擴散系數簡稱擴散系數，它是物質的物性數據之一。其值與混合體系的種類、溫度、壓力及濃度有關。擴散系數一般由實驗測定，從手冊或資料中查得，也可借助某些經驗或半經驗公式估算。2023/2/1二、穩態分子擴散

1、等分子反向擴散1）等分子反向擴散

例如精餾過程

2023/2/12）傳質速率

組分A在單位時間內通過單位面積的量，稱為A的傳質速率，以NA表示。

無氣體的宏觀運動，故數值相等：由菲克定律和狀態方程，得：2023/2/1分離變量并進行積分，積分限為：

2023/2/1傳質速率為：2023/2/12、一組分通過另一停滯組分的擴散

界面附近的氣相總壓略低于氣相主體的總壓，氣相主體向界面處流動，稱為總體流動。2023/2/1總體流動中，A與B傳質速率之比等于它們分壓之比N—總體流動的傳質速率2023/2/12023/2/1氣相中的穩態單向擴散，總體流動的傳質速率=組分A的傳質速率2023/2/12023/2/1——氣相中穩態單向擴散時的傳質速率方程式。2023/2/1——漂流因子或漂流因數。反映總體流動對傳質速率的影響，其值恒＞1。

液相中單向擴散的傳質速率方程式：D’—溶質在溶劑中的分子擴散系數，m2/s。2023/2/1三、單相內的對流傳質

1、渦流擴散擴散速率：2、對流傳質

指發生于運動流體與相界面之間的傳質過程。JAE—渦流擴散速率，kmol/(m2·s)。

DE—渦流擴散系數，m2/s。

2023/2/1對流傳質過程是分子擴散和渦流擴散兩種傳質作用的總和。傳質速率：J—對流傳質速率，kmol/(m2·s)。2023/2/1停滯膜：虛擬的層流膜層2023/2/1氣相側的對流傳質速率：

ZG——氣相停滯膜層的厚度，mp——氣相主體中溶質A的分壓，kPapi——氣液相界面處氣相中溶質A的分壓，kPa2023/2/1同理，液相側的對流傳質速率：

ZL——液相停滯膜層的厚度，mC——液相主體中溶質A的摩爾濃度，kmol/m3Ci——氣液相界面處液相中溶質A的摩爾濃度，kmol/m32023/2/1四、兩相間傳質機理——雙膜理論

2023/2/1雙膜理論氣液兩相接觸時，兩相間存在穩定的相界面，且在相界面處氣液兩相達到平衡；相界面兩側各有一層停滯膜，膜內的傳質方式為分子擴散；傳質阻力全部集中在停滯膜內，膜外流體的流動為高度湍流，即兩相主體中物質的濃度均勻，傳質阻力為零。

2023/2/1五、吸收速率方程式

1、氣膜吸收速率方程式

令2023/2/1——氣膜吸收速率方程式——氣膜吸收系數，kmol/(m2.s.kPa)。也可寫成：2023/2/1當氣相的組成以摩爾分數表示時

—以

表示的氣膜吸收系數，knoll/(m2.s)。

當氣相組成以摩爾比濃度表示時—以

表示推動力的氣膜吸收系數，kmol/(m2.s)。2023/2/12、液膜吸收速率方程式

令

或

——液膜吸收速率方程—以

為推動力的液膜吸收系數，m/s；

2023/2/1當液相的組成以摩爾分率表示時

—以為推動力的液膜吸收系數，kmol/(m2.s)。當液相組成以摩爾比濃度表示時—以

為推動力的液膜吸收系數，kmol/(m2.s)。2023/2/13、氣液兩相界面的溶質組成若已知Y、X及kX/kY，由上式及兩相組成的平衡關系聯立便可求出Yi、Xi2023/2/1YXOIXiYi斜率＝－kX/kY2023/2/14、總傳質系數及相應的總傳質速率方程式1）以氣相組成表示總推動力的總傳質速率方程式

a）以

表示總推動力的總傳質速率方程式KY—以(Y－Y＊)為推動力的總傳質系數，簡稱氣相總傳質系數，kmol/(m2·s)。—與液相主體摩爾比X成平衡的氣相摩爾比。

2023/2/1

b）以（y－y＊）為推動力的總傳質速率方程—以（y－y＊）為推動力的氣相總傳質系數，kmol/(m2·s)。

—與液相主體摩爾分數x成平衡的氣相摩爾分數。

c）以（p－p＊）為推動力的總傳質速率方程KG—以（p－p＊）為推動力的氣相總傳質系數，kmol/(m2·s·kPa)。—與液相主體濃度C成平衡的氣相分壓，kPa。

2023/2/12）以液相組成表示總推動力的總傳質速率方程式

a）以

表示總推動力的總傳質速率方程式

KX—以(X＊－X)為推動力的總傳質系數，簡稱液相總傳質系數，kmol/(m2·s)。—與氣相主體摩爾比Y成平衡的液相摩爾比。b）以（x＊－x）為總推動力的總傳質速率方程式Kx—以（x＊－x）為推動力的液相總傳質系數，kmol/(m2·s)。—與氣相主體摩爾分數y成平衡的液相摩爾分數。

2023/2/15、各種傳質系數之間的關系1）總系數與分系數的關系

c）以（C＊－C）為總推動力的總傳質速率方程式KL—以(C＊－C)為推動力的液相總傳質系數,kmol/(m2·s·kmol/m3)。—與氣相液相主體分壓濃度p成平衡的液相濃度，kmol/m3。

2023/2/1由亨利定律：

2023/2/1分別為總阻力、氣膜阻力和液膜阻力

即總阻力=氣膜阻力+液膜阻力

同理

2023/2/1在溶質濃度很低時

2）總系數間的關系

a）氣相總吸收系數間的關系

2023/2/1代入

據分壓定律2023/2/1當溶質在氣相中的濃度很低時

b）液相總傳質系數間的關系

c）氣相總吸收系數與液相總吸收系數的關系2023/2/13）各種分系數間的關系

6、傳質速率方程的分析

1）溶解度很大時的易溶氣體

——氣膜控制例：水吸收氨或HCl氣體

2023/2/12）溶解度很小時的難溶氣體——液膜控制

3）對于溶解度適中的氣體吸收過程氣膜阻力和液膜阻力均不可忽略，要提高傳質速率，必須兼顧氣液兩端阻力的降低。例：水吸收氧、H2

例：水吸收SO2