传质系数和传质理论综述课件

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1、第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论一、传质系数一、传质系数二、二、传质理论传质理论一、传质系数一、传质系数物系的性质物系的性质填料的结构填料的结构操作条件操作条件传质系数的来源传质系数的来源 实验测定实验测定经验公式经验公式准数关联式准数关联式传质系数的影响因素传质系数的影响因素 第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论1.1.传质系数的实验测定传质系数的实验测定 由填料层高度计算式：由填料层高度计算式：注意：注意：实验测定的传质系数用于吸收或解吸塔设计实验测定的传质系数用于吸收或解吸塔设计计算时，设计体系的物性、操作条件及设备性能应与实计算时，设计体系的物性、操作条

2、件及设备性能应与实验测定时的情况相同或相近。验测定时的情况相同或相近。第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论(1)(1)用水吸收氨用水吸收氨 式中：式中：k kG Ga a 气相体积传质分系数，气相体积传质分系数，kmol/(mkmol/(m3 3.h.kPa).h.kPa)；G G 气相空塔质量流速，气相空塔质量流速，kg/(mkg/(m2 2.h).h)；W W 液相空塔质量流速，液相空塔质量流速，kg/(mkg/(m2 2.h).h)；2.2.传质系数的经验公式传质系数的经验公式适用条件：适用条件：(1)(1)直径为直径为12.5mm12.5mm陶瓷环填料塔。陶瓷环填料塔。第

3、五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论(2)(2)常压下用水吸收二氧化碳常压下用水吸收二氧化碳U U 液液相相喷喷淋淋密密度度，m m3 3/(m/(m2 2 h)h)。单单位位时时间间喷喷淋淋在在单单位位塔塔截截面面上的液相体积，上的液相体积，用用水水吸吸收收二二氧氧化化碳碳属属难难溶溶气气体体吸吸收收，吸吸收收阻阻力力主主要要在在液液膜膜侧侧。计计算算液液相体积传质系数的经验公式为相体积传质系数的经验公式为 适用条件：适用条件：(1)(1)直径为直径为10-32mm10-32mm陶瓷环填料塔；陶瓷环填料塔；(2)(2)喷淋密度喷淋密度U U为为3-20m3-20m3 3/(m/(

4、m2 2 h)h)；(3)(3)气体的空塔质量速度气体的空塔质量速度G G为为30-580 kg/(m30-580 kg/(m2 2 h)h)；(4)(4)操作温度为操作温度为21-2721-27。第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论适用条件：适用条件：(1)(1)气体的空塔质量流速气体的空塔质量流速G G为为 320-4150kg/(m320-4150kg/(m2 2 h)h)(2)(2)液体的空塔质量流速液体的空塔质量流速W W为为 4400-58500 kg/(m4400-58500 kg/(m2 2 h)h)；(3)(3)直径为直径为25mm25mm的环形填料。的环形填料

5、。(3)(3)用水吸收二氧化硫用水吸收二氧化硫b-b-与温度有关的常数，见与温度有关的常数，见P P6969表表9-39-3第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论3.3.传质系数的准数关联式传质系数的准数关联式(1)(1)计算气相传质系数的准数关联式计算气相传质系数的准数关联式 气相舍伍德准数气相舍伍德准数 气体通过填料层的雷诺数气体通过填料层的雷诺数 气相施密特准数气相施密特准数 第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论适用范围适用范围:应用场合应用场合 湿壁塔湿壁塔0.0230.0230.830.830.440.44填料塔填料塔0.0660.0660.80.80.33

6、0.33模型参数模型参数:湿湿壁壁塔塔或或拉拉西西环环填填料料塔塔ReG=21033.5104ScG=0.62.5P=101303 kPa(绝压)第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论D D -溶质在气相中的分子扩散系数溶质在气相中的分子扩散系数m m2 2/s/s；P/pP/pm m-气相漂流因子；气相漂流因子；k kG G -气相传质系数气相传质系数kmol/(mkmol/(m2 2 s s kPa)kPa)；R R -通用气体常数通用气体常数kJ/(kmolkJ/(kmol K)K)；L L -特征尺寸特征尺寸 m m；G G -混合气体的密度混合气体的密度kg/mkg/m3

7、 3；T T -温度温度 K K；G G -混合气体的粘度混合气体的粘度N N s/ms/m2 2 ；G G -气体的空塔质量流速；气体的空塔质量流速；D De e -填填料料层层中中流流体体通通道道的的当当量量直直径径，d de e=4a/=4a/，（a a为为填填料料的的比比表表面面 m m2 2/m/m3 3，为填料层的空隙率为填料层的空隙率m m3 3/m/m3 3）；）；U U0 0 -气体在填料空隙中的实际流速，气体在填料空隙中的实际流速，u u0 0=u/=u/（u u为空塔气速为空塔气速m/sm/s）；）；第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论(2)(2)计算液相传

8、质系数的准数关联式计算液相传质系数的准数关联式液相舍伍德准数液相舍伍德准数 液体通过填料层的雷诺数液体通过填料层的雷诺数 液相施密特准数液相施密特准数 液相的伽利略准数液相的伽利略准数 第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论上述准数中：上述准数中：a a 填料比表面积填料比表面积m m2 2/m/m3 3;k kL L 液膜传质系数，液膜传质系数，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，取填料直径特征尺寸，取填料直径m;m;g g 重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2;L L 液体的粘度，液体的粘度，N Ns/ms/m2 2;L L

9、 液体的密度液体的密度 kg/mkg/m3 3;D D 溶质在液相中的分子扩散系数溶质在液相中的分子扩散系数 m m2 2/s;/s;W W 液体的空塔质量速度，液体的空塔质量速度，kg/(mkg/(m2 2s).s).第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论二、二、传质理论传质理论1.1.双膜理论双膜理论2.2.溶质渗透理论溶质渗透理论3.3.表面更新理论表面更新理论第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论1.1.双膜理论双膜理论气相主体 液相主体 相界面pi=Ci/Hp 12pi Ci C 气膜液膜第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论按按双双膜膜理理论论，

10、传传质质系系数数与与扩扩散散系系数数成成正正比比，这这与与实实验验所所得得的的关关联联式式的结果相差较大；的结果相差较大；由由此此理理论论所所得得的的传传质质系系数数计计算算式式形形式式简简单单，但但等等效效膜膜层层厚厚度度 1 1 和和 2 2 以及界面上浓度以及界面上浓度 p pi i 和和 C Ci i 都难以确定；都难以确定；双双膜膜理理论论存存在在着着很很大大的的局局限限性性，例例如如对对具具有有自自由由相相界界面面或或高高度度湍湍动动的的两两流流体体间间的的传传质质体体系系，相相界界面面是是不不稳稳定定的的，因因此此界界面面两两侧侧存存在在稳稳定定的的等等效效膜膜层层以以及及物物质

11、质以以分分子子扩扩散散方方式式通通过过此此两两膜膜层层的的假假设设都都难难以以成立；成立；该该理理论论提提出出的的双双阻阻力力概概念念，即即认认为为传传质质阻阻力力集集中中在在相相接接触触的的两两流流体体相相中中，而而界界面面阻阻力力可可忽忽略略不不计计的的概概念念，在在传传质质过过程程的的计计算算中中得得到到了了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论2.2.溶质渗透理论溶质渗透理论 工工业业设设备备中中进进行行的的气气液液传传质质过过程程，相相界界面面上上的的流流体体总总是是不不断断地地与与主主流流混

12、混合合而而暴暴露露出出新新的的接接触触表表面面。希希格格比比（HigbieHigbie）认认为为流流体体在在相相界界面面上上暴暴露露的的时时间间很很短短，溶溶质质不不可可能能在在膜膜内内建建立立起起如如双双膜膜理理论论假假设设的的那那种种稳稳定定的的浓度分布。浓度分布。溶溶质质通通过过分分子子扩扩散散由由表表面面不不断断地地向向主主体体渗渗透透，每每一一瞬瞬时时均均有有不不同同的的瞬瞬时时浓浓度度分分布布和和与与之之对对应应的的界界面面瞬瞬时时扩扩散散速速率率（与与界界面面上上的的浓度梯度成正比）。浓度梯度成正比）。流流体体表表面面暴暴露露的的时时间间越越长长，膜膜内内浓浓度度分分布布曲曲线线

13、就就越越平平缓缓，界界面面上溶质扩散速率随之下降。上溶质扩散速率随之下降。界面cAicA0距相界面的距离液相浓度cA 增加 第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论直直到到时时间间为为 c c时时，膜膜内内流流体体与与主主流流发发生生一一次次完完全全混混合合而而使使浓浓度度重重新新均均匀匀后后发发生生下下一一轮轮的的表表面面暴暴露露和和膜膜内内扩扩散散。c c称称为为汽汽、液液接接触触时时间间或或溶溶质质渗渗透透时时间间，是是溶溶质质渗渗透透理理论论的的模模型型参参数数，气气、液液界界面面上上的的传传质质速速率率应应是是该该时时段段内的平均值。内的平均值。该该理理论论指指出出传传质质

14、系系数数与与扩扩散散系系数数D DABAB的的 0.5 0.5 次次方方成成正正比比，比比双双膜膜理理论更加接近于实验值，表明其对传质机理分析更加接近实际。论更加接近于实验值，表明其对传质机理分析更加接近实际。由该理论解析求得液相传质系数由该理论解析求得液相传质系数 第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论3.3.表面更新理论表面更新理论 气气液液接接触触表表面面是是在在连连续续不不断断地地更更新新，而而不不是是每每隔隔一一定定的的周周期期 c c才才发发生生一次。一次。处处于于表表面面的的流流体体单单元元随随时时都都有有可可能能被被更更新新，无无论论其其在在表表面面停停留留时时间间

15、（龄期）的长短，被更新的机率相等。（龄期）的长短，被更新的机率相等。引引入入一一个个模模型型参参数数 S S 来来表表达达任任何何龄龄期期的的流流体体表表面面单单元元在在单单位位时时间间内内被更新的机率（更新频率）。被更新的机率（更新频率）。由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样，将龄期为由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样，将龄期为 0 0 的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，解析求得传质系数为：的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，解析求得传质系数为：第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论 该理论得出的传质系数正比于扩散系数该理论得出的传质系数正比于扩散系数D DABAB的的0.50.5次方；次方；该理论的模型参数是表面更新机率该理论的模型参数是表面更新机率S S，而不是接触时间，而不是接触时间 c c；目目前前还还不不能能对对 c c和和S S进进行行理理论论预预测测，因因此此用用上上述述两两个个理理论论来来预测传质系数还有困难；预测传质系数还有困难；溶溶质质渗渗透透理理论论和和表表面面更更新新理理论论指指出出了了强强化化传传质质的的方方向向，即即降低接触时间或增加表面更新机率。降低接触时间或增加表面更新机率。第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论