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第六章 吸 收重点：双膜理论、传质基本方程、操作线方程难点：双膜理论第一节 物质传递原理传质分离操作在生产中的应用分离过程包括机械分离和传质分离。机械分离：过滤、沉降等传质分离：吸收、蒸馏、干燥、萃取、膜分离等 在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将有高浓度区向地浓度区移动的趋势，该移动过程称为传质过程。界面组分组分气相主体液相主体物质传递的三个步骤：1 扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）；2 在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；3 进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的扩散）；物质在单相中的扩散 物质在单相中的传递靠扩散，发生在流体中的扩散有分子扩散和涡流扩散两种。分子扩散：依靠分子的无规则热运动，主要发生在静止或 层流流体中。 涡流扩散：依靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质，主要 发生在湍流流体中。 一、分子扩散与菲克定律1 分子扩散AB A BAB A B分子扩散：在一相内部存在浓度差或浓度梯度的情况下，由于分子的无规则运动而导致的物质传递现象。分子扩散是物质分子微观运动的结果。扩散通量：单位时间内单位面积上扩散传递的物质量，其单位为mol/(m2·s)。2 菲克（Fick）定律 当物质A在介质B中发生扩散时，任一点处物质A的扩散通量与该位置上A的浓度梯度成正比，即：式中JA——物质A在z方向上的分子扩散通量，kmol/(m2s) dCA/dz——物质A的浓度梯度，kmol/m4 DAB——物质A在介质B中的分子扩散系数，m2/s 负号——表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。pA2pB2pA1pB1AB12pP二、气相中的稳定分子扩散1 等分子反向扩散假定：pA1 pA2 pB1 pB2 pA1+ pB1= pA2 + pB2 =P 在总压相同的情况下，联通管内任一截面上单位时间单位面积上向右传递的A分子的数量与向左传递的B分子的数量必定相等，此现象称为等分子反向扩散。对于等分子反向扩散JA= - JB 在任一固定的空间位置垂直于扩散方向的截面上，单位时间通过单位面积的A物质的量，称为A的传递速率，以NA表示。 对于单纯的等分子反向扩散，物质A的传递速率应等于A的扩散通量。注意：在上述条件下，扩散为稳定过程，NA为常数； pA—z呈线性关系。 PpA1pB1PpB2pA2z2z1上式分离变量并积分，积分条件为：z1=0，pA=pA1；z2=z，pA=pA2界面总压p ppB,ipBpApA,i气相主体NBMJBJANAM 液相z02 单向扩散 在气体吸收中溶质A溶解于溶剂中，惰性气体B不溶解于溶剂中，则液相中不存在组分B，此过程为组分A通过另一“静止”组分B的单向扩散。分子扩散；总体流动：3 分子扩散和总体流动的关系物料系统内的分子扩散是由物质浓度（或分压）差而引起的分子微观运动；总体流动是因系统内流体主体与相界面处存在总压差引起的流体宏观流动，起因于分子扩散。总体流动是一种分子扩散的伴生现象。式中 NAM、NBM——分别为总体流动中组分A和B的传质通量，mol/m2s pA、pB——分别为组分A和B在气相主体中的分压，Pa主体流动中A和B的量与各自在混合气体中的分压成正比，即 组分A从气相主体到界面的传质通量为分子扩散通量与总体流动中组分A的传质通量之和，即 组分B因不溶于吸收剂而在气相主体与相界面间作等量来回运动，其净传质通量应为零，即JA=-JB将上式分离变量并积分令P=pA1+pB1=pA2+pB对公式进行变换pA1-pA2=pB2-pB1等分子反向扩散单向扩散的传质通量 比较上两式可以发现：单向扩散时的传质速率比等分子反向扩散时多了一个因子（P/pBM），称为“漂流因子”。显然P/pBM1，漂流因子的大小直接反映了总体流动在传质中所占分量的大小，即漂流因子体现了总体流动对传质速率的影响。式中N?A——溶质A在液相中的传递速率，kmol/m2s D?——溶质A在溶剂中的扩散系数，m2/s C——溶液的总浓度，C=CA+CS，kmol/m3 Csm——扩散初、终截面上溶剂S的对数平均浓度， kmol/m3三、液相中的稳定分子扩散在液相中以单向扩散多见，仿气相中的扩散速率关系，则有 连续等价离子交换和理想溶液精馏时的扩散过程属于等分子反向扩散模型，连续结晶、吸附、浸提、吸收等扩散过程属于单向扩散模型。四、分子扩散系数分子扩散系数是物质的特征系数之一，表示物质在介质中的扩散能力；扩散系数取决于扩散质和介质的种类及温度等因数。对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；对于液体中的扩散，浓度的影响可以忽略，而压强的影响不显著。 物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借助于经验或半经验公式进行计算。1