第7章质量传递基础1方案优质PPT.pptx
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萃取,XianJiaotongUniversity,(4)液固传质过程液固传质过程是指物质在液、固两相间的转移,它主要包括结晶(或溶解)、液体吸附(或脱附)、浸取等单元操作过程。
结晶(溶解),吸附(脱附),浸取,XianJiaotongUniversity,(5)气固传质过程,气固传质过程是指物质在气、固两相间的转移,它主要包括气体吸附(或脱附)、固体干燥等单元操作过程。
干燥,吸附(脱附),XianJiaotongUniversity,15,传质类单元操作:
吸收、蒸馏、干燥、萃取吸收:
物质由气相传入液相;
蒸馏:
不同物质在气液两相之间传递;
萃取:
物质由液相传入另一液相;
干燥:
液体汽化由固相传入气相;
传质过程:
物质由一相传递到另一相,相际传质,相际传质过程:
相主体,相界面,相主体,相内传质,相内传质,二、传质过程分析,XianJiaotongUniversity,平衡常数(分配系数),分配因子通常将K值大的当作分子,故一般大于1。
当偏离1时,便可采用平衡分离过程使均相混合物得以分离,越大越容易分离。
xi、yi分别表示组分在两相中的组成,XianJiaotongUniversity,17,注:
双组分物系:
省略下标分率和为1转换:
xA=(wA/MA)/(wi/Mi),质量分率:
(质量分数)wA,mA/m无因次,三、相组成的表示方法分率:
百分比,摩尔分率:
(摩尔分数)nA,nA/n无因次,XianJiaotongUniversity,18,注:
仅用于双组分物系;
转换:
X=x/(1-x)x=X/(1+X),三、相组成的表示方法2质量比与摩尔比:
质量比:
wmA/mB无因次XnA/nB,摩尔比:
无因次Y,XianJiaotongUniversity,19,注:
A=wA为混合物总质量浓度,混合物密度=m/VcA=xACC为混合物总物质的量浓度,C=n/V,质量浓度:
A摩尔浓度:
cA,mA/VnA/V,kg/m3kmol/m3,三、相组成的表示方法3浓度:
单位体积中的物质量,XianJiaotongUniversity,20,注:
近似与简化:
液体混合物:
C稀溶液气体混合物:
实际气体与理想气体;
常温常压,三、相组成的表示方法理想气体混合物相组成的表示:
分压:
pAC=P/RTcA=pA/RT,yA=pA/P,A=(MApA)/(RT),XianJiaotongUniversity,21,7.2分子传质,一、分子传质与对流传质二、Fick定律三、扩散系数,XianJiaotongUniversity,一、分子传质与对流传质,发生在静止流体、层流流动的流体中靠分子热运动来传质发生在湍流流动的流体中靠脉动来传质,对比:
分子传质,热传导,对流传质对流传热对流传质:
运动流体与固体壁面(相界面)之间的质量传递,对流传热与热对流,22,XianJiaotongUniversity,二、Fick定律,1.扩散现象,分子扩散在气相、液相、固相均能发生。
23,XianJiaotongUniversity,二、Fick定律,2.Fick定律,费克定律的其它表达形式:
24,XianJiaotongUniversity,二、Fick定律扩散通量J分子扩散速率由试验数据归纳总结而来与动量传递、热量传递形式一致,傅立叶定律Fick定律,牛顿粘性定律,25,XianJiaotongUniversity,二、Fick定律,2.Fick定律扩散通量J,仅考虑浓度梯度所导致的传质。
传质通量N,扩散通量+主体流动。
26,XianJiaotongUniversity,3.总体流动现象示例:
用水吸收空气中的氨设由A、B组成的二元气体混合物,其中A为溶质,可溶解于液体中,而B不能在液体中溶解。
这样,组分A可以通过气液相界面进入液相,而组分B不能进入液相。
由于A分子不断通过相界面进入液相,在相界面的气相一侧会留下“空穴”。
根据流体连续性原则,混合气体会自动地向界面递补,这样就发生了A、B两种分子并行向相界面递补的运动,这种递补运动就形成了混合物的总体流动。
XianJiaotongUniversity,相界面,气相(AB)液相S,主体流动,XianJiaotongUniversity,三、扩散系数1.概述,29,扩散系数D,DAB是物性之一,传递性质,cm2/s,m2/sDAB与运动粘度,导热系数类似DAB还与介质有关DAB数据缺乏,往往需要试验测定,也可估算,DAB反映了A在介质B中扩散的快慢,XianJiaotongUniversity,1.气体中的扩散系数通常,扩散系数与系统的温度、压力、浓度以及物质的性质有关。
对于双组分气体混合物,组分的扩散系数在低压下与浓度无关,只是温度及压力的函数。
气体扩散系数可从有关资料中查得,某些双组分气体混合物的扩散系数列于附录一中。
气体中的扩散系数,其值一般在m2/s范围内。
XianJiaotongUniversity,估算气体扩散系数经验公式福勒公式MA组分A、B的摩尔质量,kg/kmol;
vA组分A、B的分子扩散体积,cm3/mol。
XianJiaotongUniversity,简单分子的扩散体积,XianJiaotongUniversity,成正,由福勒公式可知,气体扩散系数与比、与成反比。
根据该关系,可得,、,下的扩散系数,m2/s;
、,下的扩散系数,m2/s。
XianJiaotongUniversity,XianJiaotongUniversity,XianJiaotongUniversity,2.液体中的扩散系数液体中溶质的扩散系数不仅与物系的种类、温度有关,而且随溶质的浓度而变。
液体中的扩散系数可从有关资料中查得,某些低浓度下的二组元液体混合物的扩散系数列于附录一中。
液体中的扩散系数,其值一般在110-9110-10m2/s范围内。
XianJiaotongUniversity,37,7.3一维稳定分子扩散,一、通过恒定截面积的等摩尔反向扩散,二、通过恒定截面积的单向扩散,第七章质量传递基础,XianJiaotongUniversity,一、通过恒定截面积的等摩尔反向扩散,密闭容器两侧装有温度与压强均相同的A、B两种气体。
抽掉隔板后,在浓度梯度的推动下两种气体分子在垂直于隔板的方向上相互扩散。
无总体流动,AAB,38,ABB,P,T=const.,分子扩散,XianJiaotongUniversity,一、通过恒定截面积的等摩尔反向扩散,AAB,ABB,P,T=const.,39,XianJiaotongUniversity,一、通过恒定截面积的等摩尔反向扩散P,T=const.,AAB,ABB,40,XianJiaotongUniversity,例题:
如图所示:
两个体积都为Vm3的气罐,用一截面为Am2、长为Lm的毛细管连接。
毛细管的体积与相比是很小的。
将纯气体A加入罐,纯气体B加入罐。
两罐保持相同的压力。
打开阀门,扩散进行一定时间后再关闭阀门,然后分别取样测定两罐混合物的浓度。
求DAB关联式。
XianJiaotongUniversity,过程为时变过程,有:
连通管内A的扩散速率罐中A的累积速率即:
JAA=d(Vc2)/d=Vdc2/dJA=-DABdc/dz=DAB(c1-c2)/L对A做物料衡算:
Vc0=Vc1+Vc2c1=c0-c2,解:
若忽略毛细管的体积,并假定每个罐内的浓度始终是均匀的,这时毛细管内为等摩尔反向扩散过程。
随过程进行,两罐内A的浓度变化如下:
XianJiaotongUniversity,将代入得:
Vdc2/d=DABA(c1-c2)/L=DABA(c0-2c2)/L,分离变量:
DABA/VLd=dc2/(c0-2c2)0到积分得:
(DABA/VL)=1/2ln(c0/(c0-2c2),由已知的A、V、L、c0、c2及计算可得DAB的值。
XianJiaotongUniversity,二、通过恒定截面积的单向扩散单向扩散是指组分A通过停滞组分B的扩散。
恒温恒压下,液体A以稳定的速率从液面蒸发并通过管内静止的气体组分B扩散至管口被稳定流动的干燥气流B带走。
补充液体A,z=0,液体A,dz,44,气流B,吸收时相界面只允许溶质组分A通过而不让停滞组分B通过,典型的单向扩散。
XianJiaotongUniversity,二、通过恒定截面积的单向扩散管内任一截面上二元混合物摩尔浓度c为常数,A组分摩尔通量为NA,B组分为NB=0总体流动通量N=NA+NB=NA,补充液体A,z=0,液体A,d,z,气流B,边界条件:
z=0,yA=yA0z=,yA=yA,45,XianJiaotongUniversity,二、通过恒定截面积的单向扩散,对于理想气体,比较共同点为无论以何种推动力的形式表达,传质速率均正比于扩散推动力即浓度差,反比于扩散距离。
46,等摩尔反向扩散,单向扩散,XianJiaotongUniversity,设由A、B两组分组成的二元混合物中,组分A为扩散组分,组分B为不扩散组分(称为停滞组分),组分A通过停滞组分B进行扩散。
吸收操作,液相,相界面,气相,NA,NB0溶质惰性组分B,2.一组分通过另一停滞组分的扩散,XianJiaotongUniversity,NB=0,整理得,二、气体中的稳态分子扩散,对于组分A通过停滞组B的扩散N=NA+NB=NA,XianJiaotongUniversity,边界条件z=z1z=z2,cA=cA1(pA=pA1)cA=cA2(pA=pA2),二、气体中的稳态分子扩散,一组分通过另一停滞组分的扩散,XianJiaotongUniversity,二、气体中的稳态分子扩散,求解可得,或,XianJiaotongUniversity,由于扩散过程中总压不变,二、气体中的稳态分子扩散,XianJiaotongUniversity,令,据此得,组分B的对数平均分压,二、气体中的稳态分子扩散,XianJiaotongUniversity,比较,相差,反映了总体流动对传质速率的影响飘流因数,二、气体中的稳态分子扩散,XianJiaotongUniversity,因为故,总体流动影响,无总体流动,XianJiaotongUniversity,二、通过恒定截面积的单向扩散单向扩散计算公式,55,XianJiaotongUniversity,二、通过恒定截面积的单向扩散传质体系的总体流动条件对传质分系数有直接影响,有总体流动时,总是大于对应的无总体流动条件下的扩散,漂流因子(driftfactor)反映总体流动对传质通量的增强作用,56,XianJiaotongUniversity,例题2:
柏油马路上积水2mm,水温20,水面上方有一层0.2mm厚的静止空气层,水通过此气层扩散进入大气。
大气中的水汽分压为10mmHg,问多少时间后路面上的积水可被吹干?
(20时,水的密度为998kg/m3,饱和蒸汽压为17.54mmHg,水汽在空气中的扩散系数为0.252cm2/s),解:
问题可以简化为水通过停滞空气层的单向扩散过程。
经过时间后积水被吹干,单位面积上积水的总摩尔数:
h/M单位面积上水扩散的总摩尔数:
NANA=h/M,XianJiaotongUniversity,NA=D/(RT)*(PA1-PA2)*P/PBmNA=h/M得:
=2.09*103(s)=0.58hr,PB1=P-PA1=760-17.54=742.5mmHgPB2=P-PA2=760-10=750mmHgPBm=(PB2-PB1)/Ln(PB2/PB1)=746mmHg,P/PBm=760/746=1.02,扩散起点:
水的表面,水的分压为水在该温度下饱和蒸气压:
17.54mmHg扩散终点:
大气主体,水的分压为10mmHg,XianJiaotongUniversity,59,7.4对流传质,一、对流传质二、传质膜模型三、对流传质系数,第七章质量传递基础,XianJiaotongUniversity,60,一、对流传质分子扩散。
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。
发生在静止或层流流体中的扩散就是分子扩散。
涡流扩散。
是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为涡流扩散。
发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是涡流传质。
第七章质量传递基础,XianJiaotongUniversity,一、对流传质涡流扩散:
体系中的各组分由对流引起的传质。
分子扩散:
由于体系中各组分的浓度不同而引起的各组分的扩散,迭加在涡流扩散之上。
涡流扩散:
对流传质:
分子传质:
61,XianJiaotongUniversity,一、对流传质,涡流传质由于湍流的复杂性,至今尚无完备的理论体系来描述湍流传递现象,而是从湍流特征出发,引伸分子扩散的概念与方法来表达这种不同尺度上的传递现象。
DE称为涡流扩散系数,m2/s,62,XianJiaotongUniversity,一、对流传质,故表达式形式好看但不好用,因而不能代入表达式中积分求出涡流传质速率。
涡流传质DE不像D那样是物性参数,它与流体的湍动程度有关,也与流体质点的位置有关,难于用试验的方法测定。
63,XianJiaotongUniversity,一、对流传质对流传质现象极为复杂,以湍流流动为例:
在湍流主体中存在大量漩涡,传质只要靠涡流扩散;
DED靠近界面附近有一层很薄的层流底层,传质主要靠分子扩散DED在湍流主体和层流底层之间的过渡区漩涡扩散和分子扩散都存在。
对流扩散速率可仿照分子扩散的速率写成:
64,XianJiaotongUniversity,二、传质膜模型假想管壁处有一层虚拟厚度为M的传质膜集中了全部传质阻力,膜内浓度呈线性分布,其内缘浓度即管壁处的浓度,As,c,外缘浓度为按摩尔流率平均定义,的浓度c,Ab,cA(r),cAs,cAb,d,M,65,XianJiaotongUniversity,二、传质膜模型假设膜内的虚拟扩散系数为DM且传质仅以扩散方式进行,以r方向为传质的正方向,上式与牛顿冷却定律式形式对称,kGi与对流传热膜系数具有类比的性质模型化处理方法,cA(r),cAs,cAb,dM,66,XianJiaotongUniversity,以摩尔分数差表示推动力的液相传质系数,三、对流传质系数,67,以气相分压差表示推动力的气相传质系数,以浓度差表示推动力的液相传质系数,XianJiaotongUniversity,比较以上各式可得出:
上述处理方法实际上是将一组流体主体浓度和界面浓度之差作为对流传质的推动力,而将影响对流传质的众多因素包括到气相(或液相)传质系数中。
现在问题归结到如何得到各种具体条件下的传质系数(用试验测定的方法),对这么复杂的问题,具体用何种试验研究方法比较适宜?
(因次分析法),68,三、对流传质系数,XianJiaotongUniversity,传质系数的无因次关联式,找出影响传质系数的因素D为扩散系数。
,式中d为定性尺寸,,对各变量的因次进行分析,得出无因次数群的函数表达式:
传质修伍德数(Sherwoodnumber)施密特数(Schmidtnumber)由试验测定函数的定量关系,三、对流传质系数,69,XianJiaotongUniversity,70,7.5传质设备简介,一、传质设备简介二、填料塔三、板式塔,第七章质量传递基础,XianJiaotongUniversity,一、传质设备简介气液传质设备的基本功能:
形成气液两相充分接触的相界面,使质、热的传递快速有效地进行,接触混合与传质后的气、液两相能及时分开,互不夹带等。
气液传质设备的分类:
气液传质设备的种类很多,按接触方式可分为连续(微分)接触式(填料塔)和逐级接触式(板式塔)两大类,在吸收和蒸馏操作中应用极广。
71,XianJiaotongUniversity,二、填料塔在圆柱形壳体内装填一定高度的填料,液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上,依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出;
气体则在压强差推动下穿过填料层的空隙,由塔的一端流向另一端。
气液在填料表面接触进行质、热交换,两相的组成沿塔高连续变化。
塑料丝网波纹填料,72,XianJiaotongUniversity,二、填料塔,73,XianJiaotongUniversity,在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板,液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出,各层塔板上保持有一定厚度的流动液层;
气体则在压强差的推动下,自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。
气、液在塔内逐板接触进行质、热交换,故两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。
板式塔,溶剂,气体,DJ塔盘,74,新型塔板、填料,三、板式塔,XianJiaotongUniversity,三、板式塔,75,
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