環(huán)境工程原理第五章

1、第五章第五章質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞第五章 質(zhì)量傳遞 第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理第三節(jié) 分子傳質(zhì)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì)本章主要內(nèi)容氣體混合物中組分分離吹脫去除液體中揮發(fā)性組分汽提去除水、氣體和固體中污染物的過(guò)程吸收萃取吸附膜分離離子交換 傳質(zhì)過(guò)程：分離中的傳質(zhì)過(guò)程：第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程根據(jù)氣體混合物中各組分在同一溶劑中的溶解度不同，使氣體與液體充分接觸，其中易溶的組分溶于溶劑進(jìn)入液體，而與非溶解的氣體組分分離 氣體混合物中組分分離廢氣中SO2的去除廢氣中氨的去除第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程某石油化工區(qū)地下水色某石油化工區(qū)地下水色- -質(zhì)聯(lián)機(jī)檢測(cè)譜圖質(zhì)聯(lián)機(jī)檢測(cè)譜圖稠環(huán)芳烴類

2、：稠環(huán)芳烴類： 15.73 %苯系物類苯系物類 ： 62.66%烷烴類烷烴類 ： 7.83%酯、醛、酮酯、醛、酮 ：13.78% 石油類污染物：石油類污染物：5 540mg/L40mg/L吹脫去除液體中揮發(fā)性組分第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程試驗(yàn)系統(tǒng)圖試驗(yàn)系統(tǒng)圖吹脫吹脫吹脫去除液體中揮發(fā)性組分第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程0.002.004.006.008.0010.0012.0014.000.02.55.07.510.012.515.017.520.0氣水比油濃度(mg/l)0.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.000.02.04.06.08.010.0氣水比油

3、濃度(mg/l)氣水比氣水比5:15:1油去除率油去除率50%50%60% 60% 不同氣水比時(shí)油濃度變化曲線不同氣水比時(shí)油濃度變化曲線 吹脫去除液體中揮發(fā)性組分第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程氣體混合物中組分分離吹脫去除揮發(fā)性組分汽提液體混合物中組分分離染料廢水處理測(cè)定樣品中石油烴的預(yù)處理 去除水、氣體和固體中污染物的過(guò)程吸收萃取吸附膜分離離子交換 傳質(zhì)過(guò)程：分離中的傳質(zhì)過(guò)程：第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程利用液體混合物中各組分在不同溶劑中溶解度的差異分離液體混合物 液體混合物中組分分離染料廢水處理第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程氣體混合物中組分分離吹脫去除揮發(fā)性組分汽提液體混合物中組分分離染料廢水處

4、理樣品石油烴分離測(cè)定氣體或液體混合物中組分分離活性炭吸附水中有機(jī)物去除水、氣體和固體中污染物的過(guò)程吸收萃取吸附膜分離離子交換 傳質(zhì)過(guò)程：分離中的傳質(zhì)過(guò)程：第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程當(dāng)某種固體與氣體或液體混合物接觸時(shí)，氣體或液體中的某一或某些組分能以擴(kuò)散的方式從氣相或液相進(jìn)入固相氣體或液體混合物中組分分離第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程活性炭吸附水中有機(jī)物氣體混合物中組分分離吹脫去除揮發(fā)性組分汽提液體混合物中組分分離染料廢水處理樣品石油烴分離測(cè)定氣體或液體混合物中組分分離活性炭吸附水中有機(jī)物去除水中陰陽(yáng)離子制作純水去除水中重金屬去除水、氣體和固體中污染物的過(guò)程吸收萃取吸附膜分離離子交換 傳質(zhì)過(guò)程：

5、分離中的傳質(zhì)過(guò)程：第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程依靠陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂中的可交換離子與水中帶同種電荷的陰、陽(yáng)離子進(jìn)行交換，從而使離子從水中除去 氣體混合物中組分分離吹脫去除揮發(fā)性組分汽提液體混合物中組分分離染料廢水處理樣品石油烴分離測(cè)定氣體或液體混合物中組分分離活性炭吸附水中有機(jī)物去除水中陰陽(yáng)離子制作純水去除水中重金屬高分子薄膜為分離介質(zhì)，組分選擇性地透過(guò)膜制作純水海水淡化截留某些組分去除水、氣體和固體中污染物的過(guò)程吸收萃取吸附膜分離離子交換 傳質(zhì)過(guò)程：分離中的傳質(zhì)過(guò)程：第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程以天然或人工合成的高分子薄膜為分離介質(zhì)，當(dāng)膜的兩側(cè)存在某種推動(dòng)力（如壓力差、濃度差、電位差）時(shí)，混

6、合物中的某一或某些組分可選擇性地透過(guò)膜，從而與混合物中的其它組分分離 膜分離電滲析第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程反應(yīng)中的傳質(zhì)過(guò)程：催化氧化法凈化汽車尾氣第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程生物膜法凈化污水質(zhì)量傳遞的推動(dòng)力溫度差壓力差電場(chǎng)或磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)差濃度差第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程 氣相、液相、固相之間的傳質(zhì)過(guò)程對(duì)于污染物分離過(guò)程具有重要影響主要內(nèi)容一個(gè)含有兩種或兩種以上組分的體系組分A的濃度分布不均勻組分A由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域的轉(zhuǎn)移物質(zhì)傳遞現(xiàn)象傳質(zhì)過(guò)程質(zhì)量傳遞過(guò)程需要解決兩個(gè)基本問(wèn)題：過(guò)程的極限:過(guò)程的速率:相平衡關(guān)系以濃度差為推動(dòng)力的傳質(zhì)過(guò)程：以濃度差為推動(dòng)力的傳質(zhì)過(guò)程：質(zhì)量傳遞研究?jī)?nèi)容！

7、第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程關(guān)于氣液相平衡關(guān)系關(guān)于氣液相平衡關(guān)系H溶解度系數(shù)，溶解度系數(shù)， kmol/（m3Pa）AAExp AAmxy HcpAAE亨利系數(shù)，亨利系數(shù)， N/m2m相平衡常數(shù)，相平衡常數(shù)， 無(wú)因次無(wú)因次EcH sMcsEMHpmMHspEm Ac很小時(shí)很小時(shí)第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程一、傳質(zhì)機(jī)理二、分子擴(kuò)散三、渦流擴(kuò)散本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 要點(diǎn)：（1）傳質(zhì)機(jī)理，分子擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散的概念（2）費(fèi)克定律、分子擴(kuò)散系數(shù)及其影響因素藍(lán)色由最初的位置慢慢散開(kāi)，即藍(lán)墨水的分子由高濃度處向低濃度處移動(dòng)向一杯水中加入一滴藍(lán)墨水質(zhì)量傳遞靜止藍(lán)色由最初的位置慢慢散開(kāi)，經(jīng)過(guò)較

8、長(zhǎng)一段時(shí)間后，杯中水的顏色趨于一致攪拌一下？由分子的微觀運(yùn)動(dòng)引起工程上為了加速傳質(zhì)，通常使流體介質(zhì)處于湍流狀態(tài)，渦流擴(kuò)散的效果占主要地位 慢由流體微團(tuán)的摻混引起分子擴(kuò)散快渦流擴(kuò)散第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 一、傳質(zhì)機(jī)理氣體約為0.1m/min，液體約為510-4m/min，固體僅為10-7m/min 分子擴(kuò)散過(guò)程只有在固體、靜止流體或?qū)恿髁鲃?dòng)的流體中才會(huì)單獨(dú)發(fā)生。 由分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的傳遞（一）費(fèi)克定律在某一空間充滿A、B組分組成的混合物，處于靜止?fàn)顟B(tài)，或無(wú)總體流動(dòng)（流體混合物流動(dòng)的平均速率為零）21AAcc分子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果將導(dǎo)致A分子由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域凈擴(kuò)散，即發(fā)生由高濃度

9、處向低濃度處的分子擴(kuò)散 分子擴(kuò)散的速率？第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 二、分子擴(kuò)散AAzABdcNDdz 一維穩(wěn)態(tài)情況下，雙組分混合物：?jiǎn)挝粫r(shí)間在z方向上經(jīng)單位面積擴(kuò)散的A組分的量，即擴(kuò)散通量，也稱為擴(kuò)散速率，kmol/（m2s）組分A的物質(zhì)的量濃度，kmol/m3組分A在組分B中進(jìn)行擴(kuò)散的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s組分A在z方向上的濃度梯度，kmol/m3m由濃度梯度引起的擴(kuò)散通量與濃度梯度成正比負(fù)號(hào)表示組分A向濃度減小的方向傳遞以物質(zhì)的量濃度為基準(zhǔn) 費(fèi)克定律第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 (5.2.1)mAAzABdxNDdz c設(shè)混合物的物質(zhì)的量濃度為 （kmol/m3），組分A的摩爾分?jǐn)?shù)為Axc

10、當(dāng) 為常數(shù)時(shí)AAcc x以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基準(zhǔn)以摩爾分?jǐn)?shù)為基準(zhǔn)混合物質(zhì)量濃度，kg /m3組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)當(dāng)為常數(shù)時(shí)AmAx組分A的質(zhì)量濃度，kg /m3以質(zhì)量濃度為基準(zhǔn)kg/（m2s） kg/（m2s） AAzABdxNc Ddz AAzABdNDdz kmol/（m2s）第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 (5.2.2)(5.2.3)AAzABdcNDdz （二）分子擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散物質(zhì)在單位濃度梯度下的擴(kuò)散速率，表征物質(zhì)分子擴(kuò)散能力。擴(kuò)散系數(shù)大，表示分子擴(kuò)散快。 分子擴(kuò)散系數(shù)是物理常數(shù)，其數(shù)值受體系溫度、壓力和混合物濃度等因素的影響AzABANDdcdz 第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 (5.2.5)（2）

11、溶質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)比在氣體中的小，在固體中的擴(kuò)散系數(shù)更小。氣體、液體、固體擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)量級(jí)分別為10-510-4、10-910-10、10-910-14 m2/s。（4）對(duì)于雙組分氣體物系，1.750,00ABABpTDDpT（3）低密度氣體、液體和固體的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而增大，隨壓力的增加而降低。，ABD（1）非理想氣體及濃溶液, 是濃度的函數(shù)擴(kuò)散系數(shù)與總壓力成反比，與絕對(duì)溫度的1.75次方成正比（二）分子擴(kuò)散系數(shù) 第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 D定義渦流質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù) 渦流擴(kuò)散系數(shù)不是物理常數(shù)，它取決于流體流動(dòng)的特性，受湍動(dòng)程度和擴(kuò)散部位等復(fù)雜因素的影響 工程中大部分流體流動(dòng)為湍流狀

12、態(tài)，同時(shí)存在分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散，因此組分A總的質(zhì)量擴(kuò)散通量DABeffD有效質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù) 在充分發(fā)展的湍流中，渦流擴(kuò)散系數(shù)往往比分子擴(kuò)散系數(shù)大得多，因而有組分A的平均物質(zhì)的量濃度 AADdcNdz ()AAAtABDABeffdcdcNDDdzdz 三、渦流擴(kuò)散 第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 傳質(zhì)的機(jī)理分子擴(kuò)散渦流擴(kuò)散實(shí)際傳質(zhì)過(guò)程中的速率？費(fèi)克定律受流動(dòng)影響靜止介質(zhì)中的擴(kuò)散流動(dòng)流體中的擴(kuò)散分子傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 (1)什么是分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散？(2)簡(jiǎn)述費(fèi)克定律的物理意義和適用條件。(3)簡(jiǎn)述溫度、壓力對(duì)氣體和液體分子擴(kuò)散系數(shù)的影響。(4)對(duì)于雙組

13、分氣體物系，當(dāng)總壓和溫度提高1倍時(shí)，分子擴(kuò)散系數(shù)將如何變化？(5)分析湍流流動(dòng)中組分的傳質(zhì)機(jī)理。思考題一、單向擴(kuò)散 擴(kuò)散通量、濃度分布二、等分子反向擴(kuò)散 擴(kuò)散通量、濃度分布三、界面上有化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)傳質(zhì) 擴(kuò)散通量本節(jié)的主要內(nèi)容第三節(jié) 分子傳質(zhì)要點(diǎn)：（1）組分傳遞的宏觀速率、相對(duì)速率、混合物的平均速率，總體流動(dòng)，費(fèi)克定律的普通形式（2）單向擴(kuò)散和等分子反向擴(kuò)散時(shí)的擴(kuò)散通量和濃度分布，漂移因子（3）界面上有化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)時(shí)的擴(kuò)散通量表達(dá)第三節(jié) 分子傳質(zhì)在靜止介質(zhì)中由于分子擴(kuò)散所引起的質(zhì)量傳遞問(wèn)題 靜止流體相界面組分A通過(guò)氣相主體向相界面擴(kuò)散 依靠分子擴(kuò)散,AA icc,0AAccNA在相界面附

14、近，組分A沿?cái)U(kuò)散的方向?qū)⒔⒁欢ǖ臐舛确植?第三節(jié) 分子傳質(zhì)單向擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散 水含有氨的廢氣苯甲苯體系(摩爾潛熱相同)苯NB第三節(jié) 分子傳質(zhì)兩種情況空氣與氨的混合氣體 （靜止）氨空氣氨的分壓 p減小流體自氣相主體向相界面流動(dòng) 空氣分壓增大反向擴(kuò)散 可視為空氣處于沒(méi)有流動(dòng)的靜止?fàn)顟B(tài)相界面氨的擴(kuò)散量增加相界面上，氨溶解于水氣相總壓減小，形成總壓梯度第三節(jié) 分子傳質(zhì)一、單向擴(kuò)散 氨分子擴(kuò)散到相界面 主體和相界面間氨濃度差組分在雙組分混合中的分子擴(kuò)散擴(kuò)散系數(shù)在低壓下與濃度無(wú)關(guān) 總通量流動(dòng)所造成的傳質(zhì)通量疊加于流動(dòng)之上的分子擴(kuò)散通量總通量？第三節(jié) 分子傳質(zhì)(一)擴(kuò)散通量流動(dòng)指垂直于相

15、界面方向上的流體流動(dòng)！MuAABBMc uc uucAuBu傳質(zhì)時(shí)流體混合物內(nèi)各組分的運(yùn)動(dòng)速率是不同的為了表達(dá)混合物總體流動(dòng)的情況組分A的宏觀運(yùn)動(dòng)速率組分B的宏觀運(yùn)動(dòng)速率引入平均速率流體混合物的流動(dòng)是以平均速率流動(dòng)的，稱為總體流動(dòng) 第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.1)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系Mu得到相對(duì)速率DAu,DBu,MADAuuu,MBDBuuu,擴(kuò)散速率，表明組分因分子擴(kuò)散引起的運(yùn)動(dòng)速率由通量的定義，可得AAANc uBBBNc uMMABNcuNN第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.3b)(5.3.3c)(5.3.3a)(5.3.2b)(5.3.2a)d()dAAAABABccNDNNzc 費(fèi)克定律的普通表

16、達(dá)形式而相對(duì)于平均速率的組分A的通量即為分子擴(kuò)散通量，即,A DAA DNc u,()AA DAABcNNNNc第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.4)MADAuuu,AABBMc uc uucMMABNcuNN(5.3.2a)(5.3.1)(5.3.3c)(5.3.5)單向擴(kuò)散，由于BN=0ddAAABAccNDccz 組分B在單向擴(kuò)散中沒(méi)有凈流動(dòng)，所以單向擴(kuò)散也稱為停滯介質(zhì)中的擴(kuò)散在穩(wěn)態(tài)情況下 為定值A(chǔ)N,AA icc,0AAcc,0,0dAA iLcABAAcAD cNdzccc 氣相主體: 相界面:z=0z=L第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.6)NA,AA icc,0AAcc在恒溫恒壓條件下，式中 和

17、 為常數(shù)，所以ABDcZ0d()dAAAABABccNDNNzc ,0,lnAABAA iccD cNLcc,A iB iccc,0,0AA iB iBcccc,0,0,0,()ln()A iABABABB iB icccD cNLccc,0,0,lnBB iB mBB iccccc,0,()ABAA iAB mD cNccLc惰性組分在相界面和氣相主體間的對(duì)數(shù)平均濃度,0,0ABccc擴(kuò)散推動(dòng)力第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.7)(5.3.8)(5.3.9)(5.3.10),0,0dAA iLcABAAcAD cNdzccc 若靜止流體為理想氣體，則根據(jù)pcRT)(0 ,AiAmBABAppRTL

18、ppDNiBBiBBmBppppp,0,0,ln,0,()ABAA iAB mD cNccLc總壓強(qiáng)惰性組分在相界面和氣相主體間的對(duì)數(shù)平均分壓組分A在相界面的分壓組分A在相主體的分壓第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.11)(5.3.10)0ddzNA在恒溫恒壓下， 均為常數(shù),ABDc(二)濃度分布AN對(duì)于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程， 為常數(shù)，即氣體組分A濃度用分壓表示ddAAABAccNDccz 第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.13)(5.3.6)zpppRTpDNAAABAdd)(0dd)(ddzpppRTpDzAAAB0dd1ddzpppzAAiAAppz, 00 ,AAppLzLziAAiAApppppppp,0

19、,LziBBiBBpppp,0 ,上式經(jīng)兩次積分，代入邊界條件氣相主體: 相界面:組分A通過(guò)停滯組分B擴(kuò)散時(shí)，濃度分布為對(duì)數(shù)型第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.15b)(5.3.15a)【例題】用溫克爾曼方法測(cè)定氣體在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，測(cè)定裝置如圖所示。在1.013105Pa下，將此裝置放在328K的恒溫箱內(nèi)，立管中盛水，最初水面離上端管口的距離為0.125m，迅速向上部橫管中通入干燥的空氣，使水蒸氣在管口的分壓接近于零。實(shí)驗(yàn)測(cè)得經(jīng)1.044106s后，管中的水面離上端管口距離為0.15m。求水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)。解：水面與上端管口距離為z，水蒸氣擴(kuò)散的傳質(zhì)通量為 單向擴(kuò)散)(0 ,AiAmBAB

20、AppRTzppDN傳質(zhì)通量？ddAAczNt,0,d()dAABA iAB mczDppptRTzp可用管中水面的下降速度表示第三節(jié) 分子傳質(zhì),0,d()dABA iAAB mDpz zpptc RTpiAp,=15.73kPa（328K下水的飽和蒸氣壓）0,Ap02 .9357.853 .101ln57.853 .101ln,0,0,iBBiBBmBppppp985.654.718Ac kPa328K下，水的密度為985.6kg/m3，故kmol/m3kPa57.8573.153 .101kPa,3 .101,0,0,iAiBABpppppp第三節(jié) 分子傳質(zhì),0,d()dABA iAAB

21、mDpz zpptc RTp邊界條件： t=0， z=0.125m t=1.044106s，z=0.150m60.151.044 10,0.1250,ddABA iAB mDpz zptc RTp2 .93328314. 87 .5410044. 173.153 .1012)125. 015. 0(622ABD51087. 2ABDm2/s第三節(jié) 分子傳質(zhì) 在一些雙組分混合體系的傳質(zhì)過(guò)程中，當(dāng)體系總濃度保持均勻不變時(shí)，組分A在分子擴(kuò)散的同時(shí)必然伴有組分B向相反方向的分子擴(kuò)散，且組分B擴(kuò)散的量與組分A相等，這種傳質(zhì)過(guò)程稱為等分子反向擴(kuò)散。（苯甲苯體系）(一)擴(kuò)散通量0ABNN沒(méi)有流體的總體流動(dòng)，

22、因此ddAAABcNDz 特征二、等分子反向擴(kuò)散 第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.16)d()dAAAABABccNDNNzc 費(fèi)克定律的普通表達(dá)形式在穩(wěn)態(tài)情況下 為定值A(chǔ)N,AA icc,0AAcc在等溫等壓條件下，式中 為常數(shù)，所以ABD氣相主體: 相界面:z=0z=L,0,0AA iLcAABAcNdzD dc ,0()ABAA iADNccL第三節(jié) 分子傳質(zhì)(二)濃度分布第三節(jié) 分子傳質(zhì)上式經(jīng)兩次積分，代入邊界條件相界面:0ddzNAAN對(duì)于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程， 為常數(shù)，即AAABdcNDdz 22d0dAcz,0,AA izcc,0,AAzL cc氣相主體：,0,AA iAA iccczcL組分

23、A和B的濃度分布為直線第三節(jié) 分子傳質(zhì),0()ABAA iADNccL,0,()ABAA iAB mD cNccLc,B mcc單向擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散漂移因子 因總體流動(dòng)而使組分A傳質(zhì)通量增大的因子當(dāng)組分A的濃度較低時(shí)，Bcc漂移因子接近于1，此時(shí)單向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)通量表達(dá)式與等分子反向擴(kuò)散時(shí)一致 總體流動(dòng)! 質(zhì)量傳遞與動(dòng)量和熱量傳遞的區(qū)別是物質(zhì)本身要占據(jù)一定空間，動(dòng)量和熱量不單獨(dú)占有任何空間在物質(zhì)表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過(guò)程化學(xué)反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)速率A的擴(kuò)散過(guò)程擴(kuò)散速率( )( )( )2gsgACBABNN2d()dAAAABABccNDNNzc d()dAAABAAByND cyNNz d1dABAAA

24、D cyNyz 邊界條件： 催化劑表面：z=0，yA=yA,i 氣相主體： z=L，yA=yA,0,0,0dd1AA iLyABAAyADcNzyy 例如：催化反應(yīng)三、界面上有化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)傳質(zhì) 第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.23)(5.3.22) 在一定操作條件下，式中 、 為常數(shù)，所以ABDc,0,1ln1AABAA iyD cNLy ,0ln 1ABAAD cNyL （1）若反應(yīng)瞬時(shí)完成，可認(rèn)為在催化劑表面不存在A組分，即iAy,=0,1AA iNyk c （2）若化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得極為緩慢，且化學(xué)反應(yīng)屬一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)，m/s。擴(kuò)散控制的傳質(zhì)通量表達(dá)式 受到反應(yīng)速率的影響第三節(jié) 分子傳

25、質(zhì)(5.3.24)(5.3.25a)(5.3.26)表示組分A濃度隨時(shí)間減少mrqk V,0,lnAABAA iccD cNLcc,011ln1AABAAyD cNNLk c ,01ln(1)1AABAAByD cNDLk L 化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散聯(lián)合控制的質(zhì)量通量表達(dá)式對(duì)于界面上具有化學(xué)反應(yīng)的擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程，化學(xué)反應(yīng)式不同，傳質(zhì)通量的描述也不同。 1,0ln(1)AANk cy LkDAB1（3）若 1，即擴(kuò)散過(guò)程很快，則有：反應(yīng)控制的傳質(zhì)通量表達(dá)式 ( )( )( )2gsgACBABNN2第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.27)(5.3.28)(5.3.30)或更小，可推導(dǎo)出上式的近似解，即 4 . 0

26、1ckNA,011ln1AABAAyD cNNLk c 10.4ANk c或更小，可推導(dǎo)出近似解：,01ln(1)1AABAAByD cNDLk L 第三節(jié) 分子傳質(zhì)(5.3.27)231111111ln 123AAAAANNNNk ck ck ck cNk c 應(yīng)用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)討論：界面上發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)( )( )( )2gsgACB/2BANN 第三節(jié) 分子傳質(zhì)傳質(zhì)通量的表達(dá)式？dd1()dd2AAAAAABABABAccccNDNNDNzczc ddd21121122AAABABAAAABAAAcdxDD cdxzzNN dzD ccxxc 221122AAzxAAABzxAdxN d

27、zDcx221122ln2ABAAAD cxNzzx則 對(duì)上式積分 得到,0,1ln1AABAA iyD cNLy ABNN2【例題】為減少汽車尾氣中NO對(duì)大氣的污染，必須對(duì)尾氣進(jìn)行凈化處理。含有NO及CO混合氣體的尾氣通過(guò)凈化器，尾氣中所含的NO與凈化器中的催化劑接觸，在凈化劑表面發(fā)生還原反應(yīng)，這一反應(yīng)過(guò)程可看作氣體NO通過(guò)靜止膜的一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程。已知：汽車尾氣凈化后排放溫度為540，壓力為1.18105N/m2，含有0.002（摩爾分?jǐn)?shù)）的NO，該溫度下反應(yīng)速率常數(shù)為228.6m/h，擴(kuò)散系數(shù)為0.362m2/h，試確定NO的還原速率達(dá)到4.1910-3kmol/(m2h)時(shí)，凈化反應(yīng)器

28、高度的最大值。 氣相主體第三節(jié) 分子傳質(zhì),0,1ln1AABAA iyD cNLy同時(shí)，在催化劑表面，有尾氣濃度51.18 10 /10000.01758.314 (273540)PcRTkmol/m330,100 . 2Ay故 3330.362 0.017512.0 104.19 10ln1 1.05 10LL1.44mm實(shí)際應(yīng)用中完全可以實(shí)現(xiàn)解：若NO在催化劑表面的反應(yīng)過(guò)程可以看作是通過(guò)靜止膜的擴(kuò)散，所以傳質(zhì)通量為第三節(jié) 分子傳質(zhì)ckNyAiA1,33,14.19 101.05 10228.60.0175AA iNyk c ckNyAiA1,分子傳質(zhì)小結(jié)：,0()ABAA iADNccL,

29、0,()ABAA iAB mD cNccLc單向擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散（一）擴(kuò)散通量（二）濃度分布,0,AA iAA iccczcLLziAAiAAyyyy,0,1111d()dAAAABABccNDNNzc 費(fèi)克定律的普通表達(dá)形式組分在雙組分混合中的分子擴(kuò)散混合中的分子擴(kuò)散：采用平均分子擴(kuò)散系數(shù)和平均濃度第三節(jié) 分子傳質(zhì)第三節(jié) 分子傳質(zhì)(1)什么是總體流動(dòng)？分析總體流動(dòng)和分子擴(kuò)散的關(guān)系。(2)在雙組分混合氣體的單向分子擴(kuò)散中，組分A的宏觀運(yùn)動(dòng)速率和擴(kuò)散速率的關(guān)系？(3)單向擴(kuò)散中擴(kuò)散組分總擴(kuò)散通量的構(gòu)成及表達(dá)式。(4)簡(jiǎn)述漂移因子的涵義。(5)分析雙組分混合氣體中，當(dāng)NB=0、 NB=-NA及N

30、B=-2NA時(shí)，總體流動(dòng)對(duì)組分傳質(zhì)速率的影響。思考題一、對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程的機(jī)理及傳質(zhì)邊界層二、對(duì)流傳質(zhì)速率方程三、典型情況下的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)本節(jié)的主要內(nèi)容第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 要點(diǎn)（1）對(duì)流傳質(zhì)的概念（2）對(duì)流傳質(zhì)的機(jī)理，傳質(zhì)邊界層、邊界層厚度、流態(tài)對(duì)傳質(zhì)的影響（3）對(duì)流傳質(zhì)速率方程及其不同形式，虛擬膜層的含義，等分子反向擴(kuò)散和單向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)系數(shù)*（4）典型情況對(duì)流傳質(zhì)系數(shù) 平板上的湍流傳質(zhì)、平板上的層流傳質(zhì)、圓管內(nèi)的層流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)：運(yùn)動(dòng)著的流體與相界面之間發(fā)生的傳質(zhì)過(guò)程 不互溶的兩種運(yùn)動(dòng)流體之間的界面 流動(dòng)的流體與固體表面p 氣體的吸收：在氣相與液相之間傳質(zhì)p 流體流過(guò)可溶性固體

31、表面p 流體中某組分在固體表面反應(yīng)p 液體的萃取第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 相界面兩側(cè)流動(dòng)的流體與相界面之間發(fā)生對(duì)流傳質(zhì) 吸附、膜分離、生物膜反應(yīng)在液液兩相之間傳質(zhì)在氣/液相和固相之間傳質(zhì)單相中的傳質(zhì)速率？ 分子擴(kuò)散流體各部分之間的宏觀位移引起的擴(kuò)散質(zhì)量傳遞受到流體性質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)以及流場(chǎng)幾何特性等影響(一)對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程的機(jī)理層流區(qū)湍流區(qū),0Ac,A ic第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 一、對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程的機(jī)理及傳質(zhì)邊界層對(duì)流傳質(zhì)zcA x0u形成流動(dòng)邊界層相界面流體(一)對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程的機(jī)理層流區(qū)湍流區(qū)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) ,A ic,0AccA x0uz質(zhì)量傳遞相界面附近形成濃度分布？傳質(zhì)的機(jī)理,0Ac,A ic層流流動(dòng)時(shí)

32、的擴(kuò)散通量明顯大于靜止時(shí)的傳質(zhì)。層流邊界層：分子擴(kuò)散擴(kuò)散通量：第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 傳質(zhì)機(jī)理：依據(jù)費(fèi)克第一定律擴(kuò)散通量與靜止時(shí)相同嗎？ 因?yàn)榱鲃?dòng)加大了界面處的濃度梯度，從而使界面上的擴(kuò)散通量增大。 湍流邊界層：層流底層：物質(zhì)依靠分子擴(kuò)散傳遞，濃度梯度較大，傳質(zhì)速率可用費(fèi)克第一定律描述，其濃度分布曲線很陡，近似為直線； 湍流核心區(qū)：有大量的旋渦存在，物質(zhì)的傳遞主要依靠渦流擴(kuò)散，由于強(qiáng)烈混合，濃度梯度幾乎消失，組分在該區(qū)域內(nèi)的濃度基本均勻，其分布曲線較為平坦，近似為一垂直直線。層流底層湍流核心區(qū)過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)：分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散同時(shí)存在。除了分子擴(kuò)散外，更重要的是渦流擴(kuò)散。湍流區(qū)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (二)

33、傳質(zhì)邊界層可以認(rèn)為質(zhì)量傳遞的全部阻力都集中在傳質(zhì)邊界層內(nèi)c傳質(zhì)邊界層的名義厚度定義為1 3SccABDScSc1c時(shí)0.99u00.99C0濃度梯度較大的流體層傳質(zhì)邊界層，也成為濃度邊界層,0Ac,A icc流動(dòng)邊界層與傳質(zhì)邊界層的關(guān)系：分子動(dòng)量傳遞能力和分子擴(kuò)散能力的比值施密特?cái)?shù)c,0,()0.99()AA iAA icccc (cA-cA,i)0.99(cA,0-cA,i)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.1)c cA A x xz z0.99u0cA,icA,0(cA-cA,i)0.99(cA,0-cA,i)0.05 ReDLdSc50DLd湍流流動(dòng)時(shí)，傳質(zhì)進(jìn)口段長(zhǎng)度約為傳質(zhì)進(jìn)口段長(zhǎng)度層流流動(dòng)

34、的傳質(zhì)進(jìn)口段長(zhǎng)度為流體流過(guò)圓管進(jìn)行傳質(zhì) cDL第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.3)(5.4.2)二、對(duì)流傳質(zhì)速率方程 流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，物質(zhì)的傳遞包括了分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散 ,0Ac,A ic濃度分布第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) DABeffD有效質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)dd()ddAAAtABDABeffccNDDzz 渦流擴(kuò)散系數(shù)難以測(cè)定和計(jì)算！ 將過(guò)渡層內(nèi)的渦流擴(kuò)散折合為通過(guò)某一定厚度的層流膜層的分子擴(kuò)散 G,0,()AA icc有效膜層或虛擬膜層 Gl簡(jiǎn)化計(jì)算,0Ac,A ic由流體主體到界面的擴(kuò)散通過(guò)有效膜層的分子擴(kuò)散整個(gè)有效膜層的傳質(zhì)推動(dòng)力為濃度分布全部傳質(zhì)阻力集中在有效膜層第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 組分A的對(duì)流傳質(zhì)

35、速率，kmol/（m2s）流體主體中組分A的濃度，kmol/m3界面上組分A的濃度，kmol/m3對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，也稱傳質(zhì)分系數(shù)，下標(biāo)“c”表示組分濃度以物質(zhì)的量濃度表示，m/s1. 對(duì)流傳質(zhì)速率方程對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)體現(xiàn)了傳質(zhì)能力的大小，與流體的物理性質(zhì)、界面的幾何形狀以及流體流動(dòng)狀況等因素有關(guān)。 用分子擴(kuò)散速率方程描述對(duì)流擴(kuò)散由界面至流體主體的對(duì)流傳質(zhì)速率為,0()AcA iANk cc第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.4)組分濃度常用分壓表示氣相傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2sPa）液相傳質(zhì)分系數(shù)，m/ s氣相與界面的傳質(zhì)液相與界面的傳質(zhì))(0,AiAGAppkN,0()ALA iANkcc第四節(jié) 對(duì)流

36、傳質(zhì) (5.4.5)(5.4.6)若組分用摩爾分?jǐn)?shù)表示)(0,AiAyAyykNAApyppkkGy)(0,AiAxAxxkNAAcxcxLkk c 用組分A的摩爾分?jǐn)?shù)差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)對(duì)于液相中的傳質(zhì)，若摩爾分?jǐn)?shù)為x，則用組分A的摩爾分?jǐn)?shù)差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)分系數(shù)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.8)(5.4.10)對(duì)于氣相中的傳質(zhì)，摩爾分?jǐn)?shù)為y，則第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 兩種典型情況其對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)形式不同單向擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散對(duì)流傳質(zhì)單相傳質(zhì)中在虛擬膜層內(nèi)的分子擴(kuò)散雙組分系統(tǒng)中，A和B兩組分作等分子反向擴(kuò)散時(shí)，BANN對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)用 表示，則0Ck0,0()AcA iANkcc相應(yīng)的

37、分子擴(kuò)散速率為,0()ABAA iAGDNccl0ABcGDkl虛擬膜層的厚度第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 2. 等分子反向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)系數(shù)(5.4.11)(5.4.12)3. 單向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)系數(shù)雙組分系統(tǒng)中，組分A通過(guò)停滯組分B作單向擴(kuò)散時(shí)，0BN對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)用 表示。則ck,0()AcA iANk cc相應(yīng)的分子擴(kuò)散通量為故 組分B的對(duì)數(shù)平均摩爾分?jǐn)?shù),0,()ABAA iAGB mD cNccl c,ABABcB m GB m GcDDkclxl0,ccB mkkx第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.13)(5.4.14)、【例題】在總壓為2atm下，組分A由一濕表面向大量的、流動(dòng)的不擴(kuò)散氣體B中進(jìn)行質(zhì)量傳

38、遞。已知界面上A的分壓為0.20atm，在傳質(zhì)方向上一定距離處可近似地認(rèn)為A的分壓為零。已測(cè)得A和B在等分子反向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)系數(shù) 為6.7810-5kmol/（m2s）。試求傳質(zhì)系數(shù) 及傳質(zhì)通量0ykykGkAN解：此題為組分A的單向擴(kuò)散傳質(zhì)1 . 022 . 0,ppyiAiA00,Ayp2atm，,Aip0.2atm，,0Ap0 mByyykk,0pkkyG51057.14 103.52 102 1.013 10yGkkp kmol/（m2sPa）650,1014. 7)01 . 0(1014. 7)(AiAyAyykN傳質(zhì)通量為 kmol/（m2s）mByyykk,0949. 011 .

39、 01ln11 . 01ln,0,0,iBBiBBmBpyyyy551014. 7949. 01078. 6ykkmol/（m2s）,0,()ABAA iAB mD cNccLc單向擴(kuò)散)(0,AiAmBABAppRTLppDN傳質(zhì)通量的計(jì)算分子傳質(zhì)等分子反向擴(kuò)散,0()ABAA iADNccL,0()ABAA iADNppRTL對(duì)流傳質(zhì),0()AcA iANk cc)(0,AiAGAppkN,0()ALA iANkcc)(0,AiAyAyykN)(0,AiAxAxxkN,0()AA iANk cc第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) mBccxkk,0,0()ALA iANkcc0ck0ABcGDklmBGAB

40、cxlDk,【例題】填料床內(nèi)裝填直徑為210-3m的苯酸粒子，純水以表觀速度510-2m/s流過(guò)床層，通過(guò)1.0m床層高度后，水中苯酸濃度為飽和濃度的62，已知單位床層體積的苯酸表面積為2.310-3cm2，試求該系統(tǒng)的傳質(zhì)系數(shù)。 解：在填料床中取微元段 ,微元體積為 ， 為填料床橫截面積dzdz AA在微元段內(nèi)對(duì)苯酸作質(zhì)量衡算，穩(wěn)態(tài)情況下， 流出量流入量+溶解量zaANAd溶解量:a為單位床層體積的苯酸表面積dzA,d() d 0AAsAu Ac kcc a Az流入量流出量,d() dAAsAuA ck cc aA z飽和濃度 (d)AAuA ccAuAc第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 分離變量，并在z

41、=0，CA=0和 z=1m，CA=0.62CA,s之間積分，得,0.62100,1dc dA scAA sAakzccu解得21k m/s,d() dAAsAuA ck cc aA z第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) kcccsAsAsA23,105103.20.162.0lnz=0，CA=0z=1m，CA=0.62CA,s,00d()dAABcA iAzcDk ccz,00ddABAcA iAzDckccz 在穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)下，組分A通過(guò)有效膜層的分子擴(kuò)散速率應(yīng)等于對(duì)流傳質(zhì)速率，即0ddAzcz關(guān)鍵在于求界面濃度梯度 工程中常見(jiàn)的湍流傳質(zhì)問(wèn)題，基于機(jī)理的復(fù)雜性，不能采用分析方法求解)Sc(Re,ShfSh/kd

42、D施伍德數(shù)傳質(zhì)設(shè)備的特征尺寸 對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)一般采用類比法或量綱分析法確定。三、典型情況下的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù) 第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.15)(5.4.16),0()AA iANk cc(一)平板界面上的層流傳質(zhì)3121ScRe332. 0Shxx0Shcxxk xD局部傳質(zhì)系數(shù)以x為特征尺寸的雷諾數(shù)x距離平板前緣距離 ScD施密特?cái)?shù)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.17)3121ScRe664. 0ShLm0Shcmmk LDSc0cmcmkk0cmk對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的整個(gè)板面，其平均傳質(zhì)系數(shù)以板長(zhǎng)L為特征尺寸的雷諾數(shù)適用范圍：0.6，層流時(shí)平板界面上傳質(zhì)速率很低（界面法向流動(dòng)可忽略）第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.18)318 . 0ScRe0292. 0Shxx318 . 0ScRe0365. 0ShLm 平均傳質(zhì)系數(shù)局部傳質(zhì)系數(shù)(二)平板界面上的湍流傳質(zhì)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.19)(5.4.20)（1）組分A在管壁處的濃度 恒定,A ic0Sh3.66ck dDiAN,0Sh4.36ck dD(三)圓管內(nèi)的層流對(duì)流傳質(zhì)在圓管內(nèi)流動(dòng)的流體與管壁間發(fā)生傳質(zhì)速度分布和濃度分布均已充分發(fā)展、且傳質(zhì)速率較低時(shí)，（2）組分A在管壁處的質(zhì)量通量 恒定管道內(nèi)徑管壁覆蓋著某種可溶性物質(zhì)多孔性管壁，組分A以恒定的傳質(zhì)速率通過(guò)整個(gè)管壁流入流體中管內(nèi)層流時(shí)，對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)或施伍德數(shù)為常數(shù) 第四節(jié) 對(duì)流傳