傳質(zhì)過程導(dǎo)論

傳質(zhì)過程導(dǎo)論1第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三化工原理》電子教案/目錄2目錄第三節(jié)對流傳質(zhì)

一、對流傳質(zhì)機理分析二、膜模型三、傳質(zhì)模型簡介四、對流傳質(zhì)方程五、對流傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗式第八章小結(jié)第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第八章傳質(zhì)過程導(dǎo)論利用某種性質(zhì)分離過程在全廠的設(shè)備投資費和操作費上占很大比重。對一典型的化工廠，分離設(shè)備的投資占60-70％，分離過程的能耗約占30％。轉(zhuǎn)下頁-----在濃度差、溫度差、壓力差等推動力作用下，從一處向另一處的轉(zhuǎn)移過程。包括相內(nèi)傳質(zhì)和相際傳質(zhì)兩類。轉(zhuǎn)第5頁3第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三可被利用于分離的性質(zhì)物理化學(xué)生物學(xué)力學(xué)性質(zhì)密度、表面張力、尺寸、質(zhì)量等

如重力沉降、過濾熱力學(xué)性質(zhì)熔點、沸點、臨界點、轉(zhuǎn)變點、蒸汽壓、溶解度、分配系數(shù)等。如吸收、精餾電、磁性質(zhì)電導(dǎo)率、介電常數(shù)、遷移率、電荷、淌度、磁化率等輸送性質(zhì)擴散系數(shù)、分子飛行速度反應(yīng)速度性質(zhì)反應(yīng)速度常數(shù)熱力學(xué)性質(zhì)反應(yīng)平衡常數(shù)、化學(xué)吸附平衡常數(shù)、離解常數(shù)、電離電位生物學(xué)親和力、生物學(xué)吸附平衡、生物學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)返回上頁4第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)概述一、化工生產(chǎn)中的常規(guī)分離方法5第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)概述二、相平衡與熱平衡不同之處：▲達到相平衡時，一般兩相

濃度不相等?！嗥胶鈱賱討B(tài)平衡------達到相平衡時，傳質(zhì)過程仍在進行，只不過通過相界面的某一組分的凈傳質(zhì)量為零。---相際間傳質(zhì)的最終狀態(tài)

6第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)概述三、相組成的表示方法轉(zhuǎn)下頁7第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三思考1：雙組分均相物系（A、B）的摩爾分數(shù)之和等于多少？質(zhì)量分數(shù)之和呢？

思考2：xA與wA的關(guān)系？

思考3：雙組分均相物系中，x與X的關(guān)系？w與的關(guān)系？思考4：xA與cA的關(guān)系？wA與A的關(guān)系？

返回上頁8第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三思考5：cA與A的關(guān)系？

思考6：對理想氣體，c與p的關(guān)系？y與p？與p？返回第7頁9第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)概述四．傳質(zhì)方式傳質(zhì)的兩種方式分子擴散對流傳質(zhì)（給質(zhì)過程）---發(fā)生在靜止流體、層流流動的流體中，

靠分子運動進行的。---發(fā)生在湍流流動的流體中，

靠流體微團的脈動進行的。返回目錄10第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)分子擴散一．菲克定律對照：牛頓粘性定律：傅立葉定律：----又稱菲克第一定律，適用于

雙組分體系。1855年Fick用與傅立葉定律類比的方法而不是用實驗方法提出的。AAAAAAAABBBBBBBB質(zhì)量中心面組分A的擴散量JA,z組分B的擴散量JB,z11第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三一．菲克定律

菲克定律的其它表達形式：AAAAAAAABBBBBBBB質(zhì)量中心面組分A的擴散量JA,z組分B的擴散量JB,z12第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三一．菲克定律說明：（1）JA,z、JB,z是相對擴散通量（絕對擴散通量用NA,z表示）組分A移走后，出現(xiàn)空位，其他分子（可能是A也可能是B）將會補位，若A、B分子量不等，那么質(zhì)量中心會局部發(fā)生漂移。JA,z、JB,z是為了使JA,z＋JB,z＝0而定義的，即JA,z、JB,z是相對于一個移動的擴散面而定義的擴散通量。組分A的擴散量JA,z組分B的擴散量JB,zAAAAAAAABBBBBBBB質(zhì)量中心面（2）JA,z＝－JB,z由JA,z＋JB,z＝0可證得。13第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三一．菲克定律（3）DA,B是物性。DA,B（氣）10-5m2/sDA,B（液）10-9m2/sDA,B（固）<10-10m2/s每cm3所具有的分子個數(shù)：氧氣：2.5×1019

水：3.3×1022銅：7.3×1022

組分A的擴散量JA,z組分B的擴散量JB,zAAAAAAAABBBBBBBB質(zhì)量中心面說明：轉(zhuǎn)下頁（4）對二元體系，擴散系數(shù)的下標(biāo)可去掉。即對氣體體系有：DA,B＝DB,A

對液體體系有：DA,B

DB,A對氣體體系由JA,z＝－JB,z可證得。對液體體系當(dāng)＝常數(shù)時可證得。14第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三擴散系數(shù)的經(jīng)驗估算式：對于二元氣體擴散系數(shù)的估算，通常用較簡單的由福勒（Fuller）等提出的公式：（低壓，室溫）對于很稀的非電解質(zhì)溶液（溶質(zhì)A+溶劑B），其擴散系數(shù)常用Wilke-Chang公式估算：固體中的擴散系數(shù)需靠實驗確定。如何解釋此規(guī)律？如何解釋此規(guī)律？返回上頁15第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三

菲克定律的另一種常用形式-----NA,z與

JA,z的關(guān)系式(vA,z-vM,z)相對擴散通量JA、JB絕對擴散通量NA、NB、N----相對于靜止面的摩爾傳質(zhì)速率，kmol/m2svA,z-----A的摩爾速度vB,z-----B的摩爾速度vM,z-----摩爾平均速度vA,z不是一個分子的瞬時速度，而是微元體積中所有A分子的速度的算術(shù)平均值。----相對于移動面（以vM,z大小在運動）的摩爾傳質(zhì)速率，kmol/m2s16第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三

菲克定律的另一種常用形式-----NA,z與

JA,z的關(guān)系式于是：---不常用17第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三二．雙組分、一維穩(wěn)態(tài)分子擴散舉例

1．等摩爾相互擴散由前面的介紹可知，還有18第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三1．等摩爾相互擴散cA2cA1-----cA（或pA）隨z呈線性變化19第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2．單向擴散所謂單向擴散是指組分A通過停滯（或不擴散）組分B的分子擴散。

由前面的介紹可知，還有20第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2．單向擴散21第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2．單向擴散漂流因數(shù)（均>1）代表總體流動的影響或?qū)懗?2第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三思考：為什么單向擴散比等摩爾相互擴散多一個大于1的漂流因數(shù)？在等分子相互擴散中，組分A移走后，出現(xiàn)的空位會由組分B補位，故Nz＝0，即無總體流動。在單向擴散中，組分A移走后，出現(xiàn)的空位會由周圍混合物（A＋B）補位，故Nz0，即有總體流動?？紤]到這部分由總體流動引起的組分A的擴散通量，因而單向擴散的擴散通量要比等分子相互擴散的大。思考：混合物中A組分的濃度愈高，漂流因數(shù)則如何變化？為什么？23第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2．單向擴散前面已推得：若將式中帶有下標(biāo)2的各項的下標(biāo)去掉，可得：-----cB（或cA）隨z呈對數(shù)函數(shù)變化返回目錄作業(yè)：24第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)對流傳質(zhì)回憶：如圖，得到假想的氣膜和液膜，并認為在氣（液）膜中傳質(zhì)方式均為分子擴散。于是對流傳質(zhì)的阻力就都集中在假想的氣膜和液膜中。對流傳質(zhì)---發(fā)生在湍流流動的流體中，

靠流體微團的脈動進行的。相界面?zhèn)髻|(zhì)層流底層氣體液體cALcAGcAi氣膜液膜湍流主體湍流主體邊界層邊界層湍流主體因濃度均一無傳質(zhì)阻力；層流底層傳質(zhì)方式為分子擴散，阻力最大；過渡區(qū)（湍流主體與層流底層之間）傳質(zhì)方式為分子擴散和對流傳質(zhì)（脈動）。一、對流傳質(zhì)機理分析：二、膜模型：25第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)對流傳質(zhì)三、傳質(zhì)模型簡介（詳見教材P58第五節(jié)）---即膜模型---即膜模型26第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)對流傳質(zhì)1、雙膜模型要點：

(1)

相界面兩側(cè)流體的對流傳質(zhì)阻力全部集中在界面兩側(cè)的兩個停滯膜內(nèi)，膜內(nèi)傳質(zhì)方式為分子擴散。

(2)相界面上沒有傳質(zhì)阻力，即可認為所需的傳質(zhì)推動力為零，或氣液兩相在相界面處達到平衡。氣膜液膜回憶：膜模型27第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)方程：若為單向擴散，在液相中有：對照對流傳質(zhì)方程，可知：可見，kLDL28第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)對流傳質(zhì)雙膜模型缺陷：

③界面阻力不計，這是一個尚有爭議的問題。①只適用與有固定相界面的情形；②，與實際不符；29第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)對流傳質(zhì)2、溶質(zhì)滲透模型：希格比（Higbie）1935年提出30第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)對流傳質(zhì)由丹克沃茨（Danckwerts）1951年提出，是溶質(zhì)滲透模型的修正。3、表面更新模型總之，由于傳質(zhì)的復(fù)雜性，目前尚沒有一個完善的傳質(zhì)理論可用。31第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)對流傳質(zhì)四、對流傳質(zhì)方程回憶：牛頓冷卻定律q=(t-tw)影響對流傳質(zhì)系數(shù)k的因素：流動狀況物性操作溫度和壓力傳質(zhì)面幾何特性等。注意，與類似，不是物性---施密特數(shù)Sc=/D，與Pr相當(dāng)---舍伍德數(shù)，與Nu相當(dāng)32第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)對流傳質(zhì)五、對流傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗式獲取k的途徑：實驗方法濕壁塔：返回目錄（詳見教材P58第五節(jié)）33第33頁，共36頁，2023年，2