第4章-傳質基礎-副本

第四章傳質分離基礎

在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，如果存在濃度梯度，某一組分(或某些組分)將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動，該移動過程稱為傳質過程。

化工單元操作，是化學工程的主要研究領域，是在化學工業(yè)生產中具有共同的物理變化特點的基本操作。工業(yè)上常見的吸收、精餾等操作過程就是通過物質的傳遞來實現混合物分離，是典型的單元操作過程?！?傳質過程概述1-1傳質分離操作在化工生產中的作用焦化廠用水吸收焦爐氣中的氨

1-2傳質分離操作的種類§

2傳質過程機理物質傳遞的三個步驟：擴散物質從一相的主體擴散到兩相界面；在界面上的擴散物質從一相進入另一相；進入另一相的擴散物質從界面向該相的主體擴散。相平衡與熱平衡不同：相平衡時一般兩相濃度不相等，傳質過程仍在進行，只不過通過相界面的某一組分的凈傳質量為零。屬動態(tài)平衡。2-1單相中的傳質

單相傳質是指：物質從一相主體到相界面和從相界面到另一相主體的擴散。

單相流體內物質的傳遞方式有分子擴散和對流擴散兩種。分子擴散如果在流體內部存在某一組分的濃度差時，由于物質分子的無規(guī)則運動，該組分將從較高濃度處向較低濃度處轉移，直至流體內部達到濃度均勻為止。

Fick定律：流體內任一點處組分A的擴散通量與該組分在擴散方向上的濃度梯度成正比。1．等物質的量反向定常態(tài)擴散NA,0=-NB,0說明：在雙組分混合物體系中,當物質總濃度CM在系統內保持不變時,其組分A在分子擴散的同時必然伴有物質的量相等而方向相反的組分B的分子擴散。這種現象叫等物質的量反向分子擴散。傳質速率（或傳質通量）NA：單位時間通過單位固定空間傳質面積的物質量，mol/(m2s)；AB等物質的量反向擴散濃度分布

在沒有物質流動的單純等物質的量反向擴散過程，A組分的傳質通量（NA）等于分子的擴散通量，即NA=NA,0AB1、對于理想氣體：兩點說明：2、DAB=DBA等物質的量反向分子擴散現象多發(fā)生在兩個組分的摩爾氣化潛熱相近的蒸餾操作中。如苯和甲苯的混合物體系，因為它們彼此的摩爾氣化潛熱相近，所以對該混合物進行蒸餾操作時，若有1mol的難發(fā)揮組分（甲苯）從氣相向氣、液兩相界面擴散，則必然伴隨有近1mol的易揮發(fā)組分（苯）從相界面向氣相主體擴散。AB

在沒有物質流動的單純等物質的量反向擴散過程，A組分的傳質通量（NA）等于分子的擴散通量，即NA=NA,0AB習題2.單方向的擴散

只有氨被水吸收，沒有物質從液體向氣相作相反的液相傳遞。這種現象稱為A組分的單方向擴散。

相界面氣相（A＋B）液相S主體流動三、傳質的速度與通量物料系統內的分子擴散是由物質濃度（或分壓）差引起的分子微觀運動；總體流動是因系統內流體主體與相界面處存在總壓差引起的流體流動的宏觀運行，其起因還是分子擴散。總體流動是一種分子擴散的伴生現象。在總體流動的流體中組分A和組分B的量與各自在混合氣體中的分壓成正比。示例：用水吸收空氣中的氨單方向擴散相界面氣相（A＋B）液相S主體流動主體流動現象示例：用水吸收空氣

中的氨相界面氣相（A＋B）液相S主體流動

在多組分系統中，各組分在進行分子擴散的同時其微團常處于運動狀態(tài)—主體流動現象。三、傳質的速度與通量2、總體流動NA，M：壓強差引起的宏觀運動組分A的傳質通量為分子擴散通量和總體流動中組分A的傳質通量之和。單方向傳質過程中：1、分子擴散NA，0：物質的濃度差相界面氣相（A＋B）液相S主體流動組分B的傳質通量為零組分A的傳質通量計算公式中：根據等物質的量反向定常態(tài)擴散有：相界面氣相（A＋B）液相S主體流動積分:有相界面氣相（A＋B）液相S主體流動所以pB,m惰性組分B在相界面和氣相主體間的對數平均分壓得若用推動力與阻力之比來表示，則上式可改寫為：相界面氣相（A＋B）液相S主體流動其中：相界面氣相（A＋B）液相S主體流動討論漂流因數意義：漂流因子的影響因素：濃度高，漂流因數大，總體流動的影響大。低濃度，漂流因數近似等于1，總體流動的影響小。漂流因子體現了總體流動對傳質速率的影響.

1）與等物質的量反向擴散的傳質通量計算式相比較，上面的式子多了

分子是組分A從氣相擴散到界面的傳質推動力；分母是傳質阻力。說明：在靜止或層流流動的流體內，物質通過單位面積的傳質速度與溶質的分壓成正比，與溫度，擴散距離、以及惰性組分B的對數平均分壓成反比。相界面氣相（A＋B）液相S主體流動習題擴散系數

擴散系數即分子擴散系數（m2·s-1），是擴散物質在單位面積（m2）、單位濃度梯度（mol·m-4）下的擴散速率（mol·m2·s-1）。物質的擴散速度不僅取決于它本身，還與介質、溫度、壓力有關。物質的擴散系數一般通過實驗來決定。3、擴散系數如果沒有數據可查，可用有關的半經驗公式。1.氣體A在氣體B中的擴散系數，可用FSG公式：依下式可以從已知的溫度和壓力時氣體物系的擴散系數來推算溫度為T和壓力為P時該物系的擴散系數：估算在20℃和1.013×10-5Pa下CO2在空氣中的擴散系數。解：設A組分為CO2，B組分為空氣

ΣVA=26.9×10-6m3.Mol-1ΣVB=20.1×10-6m3.Mol-1Mr，A=44Mr，B=29T=273+20=293KP=1.013×10-5Pa半經驗公式

1.氣體A在氣體B中的擴散系數

2.組分在液相中的擴散系數

渦流擴散一般分子的擴散速度很小，例如，一杯水中滴入一滴紅墨水，紅色的擴散很慢，這是因為靜止水的物質擴散只靠分子擴散。為了加速紅色擴散，用玻璃棒攪拌，水中質點的運動使紅色很快擴散。這種依靠流體質點的運動而引起的物質的擴散稱為渦流擴散。

DE為渦流擴散系數。它不是流體的物理量，而是流動狀態(tài)的函數，與流動系統的幾何形狀、尺寸、所處的位置、流速、以及流體的物理性質等影響因素有關。

對流擴散（傳質擴散）

湍流流體中的傳質過程，既有分子擴散又有渦流擴散。湍流擴散主要依靠流體微團的湍動與渦流運動傳遞物質，這種傳質規(guī)模及速率都遠大于分子擴散。湍流主體與相界面間的傳質稱為對流擴散，這種擴散現象要比分子擴散復雜得多。2.對流傳質的機理

所謂對流傳質的機理是指在傳質過程中，流體以哪種方式進行傳質。研究對流傳質速率需首先弄清對流傳質的機理。

層流內層緩沖層湍流中心湍流流體流體與管壁間的濃度分布二、對流傳質湍流主體層流內層緩沖層傳質機理：分子傳質傳質機理：渦流傳質為主濃度分布：為一陡峭直線傳質機理濃度分布：為一漸緩曲線濃度分布：為一平坦曲線分子傳質渦流傳質在與壁面垂直的方向上分為三層二、對流傳質在兩相界面?zhèn)髻|過程中，兩相界面有二種情況：（1）固定界面氣、液兩相或液、固兩相間的界面為固定的表面。（2）流動界面氣、液兩相和液、液兩相的界面為流動的界面。（2）有效膜模型

層流層：沒有與界面垂直的運動，物質的傳遞為分子的擴散。

過渡層：垂直運動不強，同時有分子擴散與渦流擴散。

湍流層：很強的分子垂直運動，以渦流為主。在氣相中，用分壓表示組分的含量在液相中，用摩爾濃度表示組分的含量lG，lL雖為虛構膜層厚度，但也有其物理意義。流體的湍動越強烈，層流越薄，膜層厚度越小，傳質阻力小，傳質通量大。習題kG，kL-為氣膜、液膜傳質分數，PA，PA，i-為擴散組分A在氣相主體與界面上的分壓CA，CA，i-為擴散組分A在液相主體與界面上的濃度。2-2相際間傳質

實際的傳質過程是發(fā)生在相際之間的，如氣體吸附，先從氣相擴散到氣、液界面，再從相界面擴散到液相主體。由于在兩相界面附近的流體流動狀況及傳質過程非常復雜，難以觀測和進行嚴格的數學描述。此時，采用數學模型法是有益的。對考查對象進行分析簡化，構成傳質過程的物理模型，再用已有的理論和數學知識作出描述，建立數學模型，然后將此結果與實驗數據作比較，以驗證其準確性與合理性。相際對流傳質三大模型：雙膜模型、溶質滲透模型、表面更新模型雙膜模