第四章-传质过程汇总课件

第四章 传质过程一 概述1 概念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)将由高浓度区向低浓度区移动,该移动过程称为传质过程.例如:吸收 萃取等等2 传质分离传质过程可以在一相中进行,也可以在两相中进行,在两相中传质是分离过程的基础.3 传质分离操作的种类(1)吸收和解吸气体-液体系统选用合适的液体溶剂(吸收剂)在专用设备中使之与气体充分接触,此时气体中的一个或几个组分由气相转入液相,从而实现对混合气体的分离.这种操作就称为气体的吸收.气体的解吸就是把被吸收的组分从吸收剂中脱除的过程.气体的减湿(吸收的一种特殊过程)-气体由气相到液相气体的增湿(解吸,减湿的逆过程)-气体由液相到气相(2)液-液萃取溶质从一液相转入另一液相,它的逆过程仍然是萃取.(3)固-液萃取简称浸沥或浸取溶质由固相转入液相.由于固体混合物一般是多相系,故浸取常属于多相系的分离.(4)结晶溶质有液相趋附于溶质晶体的表面,转为固相,使晶体长大.其逆过程为溶解.溶解与浸取的差别是后一过程中溶质与很多不溶性杂质混在一起.(5)吸附物质由气相或液相趋附于固体表面(主要是多孔性固体的内表面).其逆过程就是脱附.(6)干燥液体(通常为水)经过汽化,从固体表面或内部转入气相.(7)精馏不同物质在气液两相间的相互转移.二元精馏时易挥发组分A由液相转入气相,同时难挥发组分B由气相转入液相4 相际传质过程界面组分组分气相主体液相主体相际传质示意图二 相组成的表示方法1 质量分率(工程制用重量分率)和摩尔分率某组分的质量占总质量的分率或百分率.对含A、B、C、.的均相混合物有传质机理与各组分的分子相对数目关系密切，故常用到摩尔分率另一相中的摩尔分率用yA、yB、yC，.来代表，当物系中有气相时，习惯上用y表示气相的摩尔分率。质量分率和摩尔分率可相互转换如下：2 质量比和摩尔比有时也用一个组分对另一个组分的质量比或摩尔比代表组成，较常见于双组分体系。它们与上述两种组成的表示方法的关系如下：3 浓度浓度：单位体积中物质的量，物质量可用质量来表示，也可用摩尔数来表示。V为均相混合物的体积先讨论浓度与其他组成表示法的换算：对均相混合物的密度对于气体混合物气体混合物的摩尔比可用分压比表达如下：第二节 扩散原理一基本概念和费克基本概念和费克基本概念和费克基本概念和费克(FickFick)定律定律定律定律流体中物质扩散的基本方式流体中物质扩散的基本方式流体中物质扩散的基本方式流体中物质扩散的基本方式扩散方式扩散方式分子扩散分子扩散涡流扩散涡流扩散作用物作用物流体分子流体分子流体质点流体质点作用方式作用方式热运动热运动湍动和旋涡湍动和旋涡作用对象作用对象静止、滞流静止、滞流湍流湍流推动力推动力 浓度差浓度差 物质传递物质传递 简称为扩散简称为扩散终点：终点：浓度差为浓度差为扩散快慢？扩散快慢？分子扩散：分子扩散：分子扩散：分子扩散：扩散通量：扩散通量：单位面积上单位时间内扩散传递的单位面积上单位时间内扩散传递的物质量，单位为物质量，单位为kmol/(m2s);影响因素影响因素:物质性质物质性质 浓度差浓度差 扩散距离扩散距离 等有关等有关费克费克费克费克(FickFick)定律：定律：定律：定律：扩散通量与浓度梯度成正比。扩散通量与浓度梯度成正比。对于组分对于组分A对于组分对于组分B 浓度梯度浓度梯度分压梯度分压梯度气体气体N NA,0 A,0 物质物质A A在介质在介质B B中的分子扩散通量中的分子扩散通量DAB 分子扩散系数分子扩散系数“”扩散沿浓度扩散沿浓度降低的方向降低的方向 注意！注意！虽然扩散是物质分子热运动的结果，但物质虽然扩散是物质分子热运动的结果，但物质A的扩的扩散速度并不等于在扩散温度下单个分子的热运动速散速度并不等于在扩散温度下单个分子的热运动速度。度。动量传递（扩散）动量传递（扩散）动量传递（扩散）动量传递（扩散）热量传递（扩散）热量传递（扩散）热量传递（扩散）热量传递（扩散）质量传递（扩散）质量传递（扩散）质量传递（扩散）质量传递（扩散）扩散并不单独占有任何空间扩散并不单独占有任何空间扩散并不单独占有任何空间扩散并不单独占有任何空间扩散占据一定空间扩散占据一定空间扩散占据一定空间扩散占据一定空间（通量）（通量）（通量）（通量）=-=-（扩散系数）（扩散系数）（扩散系数）（扩散系数）（梯度）（梯度）（梯度）（梯度）费克定律费克定律费克定律费克定律同同傅利叶定律傅利叶定律傅利叶定律傅利叶定律 和和和和 牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律这三个扩散过程在形式上是相似的,称为三传类似.8-4 一维稳定分子扩散一维稳定分子扩散 一、等分子（摩尔）反方向扩散一、等分子（摩尔）反方向扩散一、等分子（摩尔）反方向扩散一、等分子（摩尔）反方向扩散（1）NA,0=-NB,0（等分子反向扩散）等分子反向扩散）（2）对对A、B二元物系，系统各处的总摩尔二元物系，系统各处的总摩尔浓度都相等；即浓度都相等；即 p=pA+pB=Const.则则 DAB=DBA 在这种双组分混合物内，产生物质在这种双组分混合物内，产生物质A的扩散流的扩散流JA的同时，的同时，必定伴有方向相反的物质必定伴有方向相反的物质B的扩散流的扩散流JB。D与物系有关，与与物系有关，与T T、P P有关，数据实测。有关，数据实测。D气相气相 D液相液相 等分子反向扩散发生在静止的或在垂直于浓度梯度方向上作滞流运动的流等分子反向扩散发生在静止的或在垂直于浓度梯度方向上作滞流运动的流体中，是一种最单纯的分子扩散过程。体中，是一种最单纯的分子扩散过程。对于双组分混合物，在总压处处相等对于双组分混合物，在总压处处相等的前提下的前提下(分子浓度处处相等分子浓度处处相等):):传质速率（或传质通量）传质速率（或传质通量）传质速率（或传质通量）传质速率（或传质通量）NA：单位时间通过单位固定空间传质面积的单位时间通过单位固定空间传质面积的A物质量，单位物质量，单位 kmol/(m2s)；等分子反方向扩散中（物系静止）：等分子反方向扩散中（物系静止）：等分子反方向扩散中（物系静止）：等分子反方向扩散中（物系静止）：定态过程，连通管内定态过程，连通管内 NA、D、T 均为均为Const。将上式中的将上式中的p、z 对应积分，整理得：对应积分，整理得：同理，组分同理，组分B有有若为液相，则有若为液相，则有二、一组分通过另一停滞组分的扩散（单向扩散）4、总体流动与总体流动与B的扩散运动方向相反的扩散运动方向相反溶质溶质A相界面相界面溶剂溶剂S同时同时S不逆向通过（汽化）不逆向通过（汽化）如吸收：如吸收：通过通过B对于截面对于截面2：N，NAM，NBM；2、A、B做等分子反方向扩散的传递运动做等分子反方向扩散的传递运动3、总体流动加快了、总体流动加快了A的传递速度的传递速度1、总体流动。总体流动。即即NA,0=-NB,0NA=NA,0+NAMNB=NB+NBM=0 B为停滞组分。为停滞组分。由该式可得由该式可得NBM=NA,0即有即有由于由于由于由于B B组分在界面与主体间的对数平均分压组分在界面与主体间的对数平均分压组分在界面与主体间的对数平均分压组分在界面与主体间的对数平均分压与等摩尔相互扩散相比多了一个因子与等摩尔相互扩散相比多了一个因子与等摩尔相互扩散相比多了一个因子与等摩尔相互扩散相比多了一个因子p/pp/pBmBm漂流因数。漂流因数。漂流因数。漂流因数。漂流因数反映总体流动对传质速率的影响。漂流因数反映总体流动对传质速率的影响。漂流因数反映总体流动对传质速率的影响。漂流因数反映总体流动对传质速率的影响。p/pp/pBmBm1 1 传质速率较大。传质速率较大。传质速率较大。传质速率较大。若若若若p pA A p/pp/pBmBm；反之反之反之反之p pA A p/pp/pBmBm 0 0 表达某个组分在介质中扩散快慢的一种传递属性，表达某个组分在介质中扩散快慢的一种传递属性，表达某个组分在介质中扩散快慢的一种传递属性，表达某个组分在介质中扩散快慢的一种传递属性，是物质的特性常数之一。类似于是物质的特性常数之一。类似于是物质的特性常数之一。类似于是物质的特性常数之一。类似于，但较复杂，但较复杂，但较复杂，但较复杂8-5 扩散系数扩散系数D D（mm2 2/s/s）一、气体中的一、气体中的D分子热运动速度分子热运动速度分子热运动速度分子热运动速度分子碰撞频繁分子碰撞频繁分子碰撞频繁分子碰撞频繁扩散速度扩散速度扩散速度扩散速度D D范围范围范围范围0.11cm0.11cm2 2/s/s计算：半经验公式，福勒（计算：半经验公式，福勒（计算：半经验公式，福勒（计算：半经验公式，福勒（FullerFuller）二、液体中的二、液体中的D计算：经验公式，计算：经验公式，计算：经验公式，计算：经验公式，p11p11式式式式(8-23)(8-23)或表或表或表或表8-48-4分子密集分子密集分子密集分子密集D D液液液液DDD，D D 0 0，涡流扩散）涡流扩散）涡流扩散）涡流扩散）过渡层过渡层过渡层过渡层 e e当量膜厚当量膜厚当量膜厚当量膜厚膜模型膜模型对流传质对流传质膜模型（停滞膜模型）把从气相主体到界面的对流传质速率折合成通过厚度把从气相主体到界面的对流传质速率折合成通过厚度把从气相主体到界面的对流传质速率折合成通过厚度把从气相主体到界面的对流传质速率折合成通过厚度为为为为ee的膜层（虚拟膜）的分子扩散速率。的膜层（虚拟膜）的分子扩散速率。的膜层（虚拟膜）的分子扩散速率。的膜层（虚拟膜）的分子扩散速率。液相液相液相液相式中，式中，式中，式中，k kGG气相对流传质系数（以分气相对流传质系数（以分气相对流传质系数（以分气相对流传质系数（以分压差为推动力）压差为推动力）压差为推动力）压差为推动力）kmol/mkmol/m2 2 s s p pa a k kL L液相对流传质系数（以浓液相对流传质系数（以浓液相对流传质系数（以浓液相对流传质系数（以浓度差为推动力）度差为推动力）度差为推动力）度差为推动力）kmol/mkmol/m2 2 s s(kmol/mkmol/m3 3)k kGG 、k kL L简称为传质分系数或简称为传质分系数或简称为传质分系数或简称为传质分系数或传质系数传质系数传质系数传质系数 显然，若流体气体中的湍流愈激烈显然，若流体气体中的湍流愈激烈显然，若流体气体中的湍流愈激烈显然，若流体气体中的湍流愈激烈ReRe，则，则，则，则 ，传质阻传质阻传质阻传质阻力也愈小，即力也愈小，即力也愈小，即力也愈小，即1/k1/k。传质速率方程式能否用于计算？传质速率方程式能否用于计算？传质速率方程式能否用于计算？传质速率方程式能否用于计算？(c(cA1A1-c-cA2A2)可求，但可求，但可求，但可求，但k=?k=?（同传热的，同传热的，同传热的，同传热的，k k取决于流体物性、流动取决于流体物性、流动取决于流体物性、流动取决于流体物性、流动状况等因素）状况等因素）状况等因素）状况等因素）实验测定实验测定实验测定实验测定经验公式（下一章）。经验公式（下一章）。经验公式（下一章）。经验公式（下一章）。注意！注意！注意！注意！传质速率方程式有多种形式（浓度的表示方法有多传质速率方程式有多种形式（浓度的表示方法有多传质速率方程式有多种形式（浓度的表示方法有多传质速率方程式有多种形式（浓度的表示方法有多种种种种 传质推动力和相应的传质系数）。传质比传热更复杂。传质推动力和相应的传质系数）。传质比传热更复杂。传质推动力和相应的传质系数）。传质比传热更复杂。传质推动力和相应的传质系数）。传质比传热更复杂。作业1.2.3.4