傳質過程概論

傳質過程概論2023/4/31第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三三、傳質設備簡介（一）填料塔連續(xù)接觸式傳質設備2023/4/32第2頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（二）板式塔逐級接觸式傳質設備2023/4/33第3頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)擴散與單向傳質一、分子擴散定義：單一相內、濃度差異下，分子的無規(guī)則運動造成的物質傳遞現(xiàn)象，稱為分子擴散。

它類似于傳熱中的熱傳導，是分子微觀運動的宏觀統(tǒng)計結果。分子擴散產生的原因有： 存在溫度梯度、 或者壓強梯度 或者濃度梯度2023/4/34第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三本章僅討論因濃度梯度而造成的分子擴散速率。二、對流傳質定義：憑藉流體質點的湍流和漩渦而引起的擴散稱為對流傳質。發(fā)生在靜止或層流流體里的擴散都是分子擴散。2023/4/35第5頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

發(fā)生在湍流流體里的傳質除分子擴散外更主要的是對流傳質。 將一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都會變甜， 若用勺攪動杯中水，則將甜得更快更均勻，這就是分子擴散的結果。那便是對流傳質的結果。2023/4/36第6頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三分子擴散與費克定律費克定律 只要流體內部有濃度梯度，就會產生分子擴散。 在恒溫恒壓下，一維分子擴散速率可用費克定律表達如下：指向濃度增加的方向，而擴散向濃度降低的方向進行，故式中加－負號。濃度梯度DAB為組分A在雙組分混合物A、B中的擴散系數(shù)。2023/4/37第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三二、雙組分混合物中的一維穩(wěn)定分子擴散如圖，密閉容器兩側裝有溫度、壓強均相同的A、B兩種氣體。抽掉隔板后，在濃度梯度的推動下兩種氣體分子在垂直于隔板的方向上相互擴散。A

B

AB

AB

P,T=const.依照分子擴散規(guī)律同理1等摩爾反方向分子擴散2023/4/38第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三對于氣體，在總壓不太高的情況下，我們有因為系統(tǒng)的總壓相等，通過擋板的兩個物質通量，方向相反，大小相等。2023/4/39第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三顯然，dpA=-dpB

JA=-JB

即考慮A的傳遞方向為正，可以寫出我們又有，P=pA+pB=const2023/4/310第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

在任一固定的空間位置上，單位時間內通過單位面積的A的物質量，稱為A的傳質速率，用NA表示。若傳質截面積相等，則NA為等值。溫度、總壓一定，則D一定；根據(jù)右面的圖進行積分，可得2023/4/311第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三同理，有對于液相有

很明顯可以看出，對于等分子反方向擴散，通過接管中任一橫截面的凈物質通量N為零，即

N=NA+NB=02023/4/312第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三實際的傳質過程中，很少為嚴格的等分子反向擴散過程。

在精餾過程中，易揮發(fā)的A組分由液相進入氣相的速率與難揮發(fā)的B組分由氣相進入液相的速率大體相同。只有當A、B兩個組分的摩爾汽化潛熱接近相等，對該二元混合物進行精餾操作時，氣液兩相進行傳質，才可以看成是該過程。2023/4/313第13頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三 設在界面的氣相一側有一個厚度為的靜止氣層。 氣層內各處P、T相等。2組分A通過靜止組分B的分子擴散 對于穩(wěn)態(tài)吸收過程，混合氣體A+B中，A為可溶組分，B為不溶組分。就會發(fā)生如上的分子擴散過程。2023/4/314第14頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（1）分子擴散與主體流動由于界面處A組分不斷地溶解、被吸收，氣相主體濃度CA>界面處濃度CAi

，

A組分存在濃度梯度dCA/dZ，分子擴散JA方向是朝界面擴散。2023/4/315第15頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三惰性氣體B組分由于不能被液體吸收，故存在CBi>CB。

B組分存在濃度梯度dCB/dZ，朝氣相主體擴散，2023/4/316第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三 吸收過程，液相不存在B組分，不可能向界面提供B組分，故吸收過程所發(fā)生的是組分A的單向擴散，而不是等分子反向擴散。結果：導致界面處氣體總壓降低，使氣相主體與界面之間產生微小壓差，這一壓差必然促使混合氣體向界面流動，此流動稱為主體流動。界面處組分A被液體吸收、組分B反向擴散離開界面2023/4/317第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三主體流動不同于擴散流（JA或JB）： 擴散流是分子微觀運動的宏觀結果，它所傳遞的是純組分A或純組分B。

主體流動系宏觀運動，它同時攜帶組分A與B流向界面。 在穩(wěn)態(tài)條件下，主體流動所帶組分B的量必恰好等于組分B反向擴散的量，以使CBi保持恒定。2023/4/318第18頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三 因氣相主體與界面間的微小壓差便足以造成必要的主體流動，因此氣相各處的總壓（或CM）仍可認為基本上是相等的，即JA=-JB的前提依然成立。2023/4/319第19頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三 通過靜止或層流氣膜中與界面平行的任一靜止平面的物流有三個：兩個擴散流JA和JB，及一個主體流動NM。

(2)速率方程

設通過靜止平面的凈物流為N，對平面作總物料衡算可得

N=NM+JA+JB=NM(因為JA=-JB)

式中：N、NM、JA、JB

——kmol/(m2.s)

2023/4/320第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三上式說明，盡管主體流動與凈物流的含義不同，但主體流動的速率NM與凈物流速率N必相等。為了求出組分A因分子擴散和主體流動而造成的傳質速率NA,可在平面PQ處組分A作物料衡算。2023/4/321第21頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

NA=JA+NM(CA/CM)

式中：

JA——因組分A存在濃度梯度引起的分子擴散速率；NM(CA/CM)——主體流動中A所占的傳遞速率。一般情況下，對雙組分物系，凈物流速率NM既包括組分A,也包括組分B，即NM=NA+NB

2023/4/322第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三故： NA=JA+(NA+NB)(CA/CM)

JA與dCA/dZ有關。

上式分子擴散速率微分式中包含NA和NB兩個未知數(shù)，只有已知NA和NB之間的關系時，才能積分求解NA。

(3)擴散速率的積分式

注意：吸收過程主體流動所帶組分B的量必等于組分B反向分子擴散的量，故惰性組分B的凈傳遞速率NB=02023/4/323第23頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三所以有 NA=JA+NA(CA/CM)整理并結合前式，可以得到：令則2023/4/324第24頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三故前面積分式表示單向擴散時，組分A的濃度分布為一對數(shù)函數(shù)。對氣相2023/4/325第25頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三與等分子反向擴散速率方程相比，單向擴散時多了一個因子CM/CBm或P/pBm。

(CM/CBm)>1，(P/pBm)>1,我們稱之為漂流因子（數(shù)）。 它反映了主體流動對傳質速率的影響，P/pBm增大，主體流動作用加大，對吸收愈好，這就如順水推舟,水流使船速加大，故稱之為漂流因子。2023/4/326第26頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三小結一下計算公式：2023/4/327第27頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三液相：討論1）組分A的濃度與擴散距離z為指數(shù)關系2）、——漂流因數(shù)，無因次2023/4/328第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三漂流因數(shù)意義：其大小反映了總體流動對傳質速率的影響程度，其值為總體流動使傳質速率較單純分子擴散增大的倍數(shù)。漂流因數(shù)的影響因素：濃度高，漂流因數(shù)大，總體流動的影響大。低濃度時，漂流因數(shù)近似等于1，總體流動的影響小3）單向擴散體現(xiàn)在吸收過程中。2023/4/329第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

現(xiàn)代化學工程所要解決的分離與純化的任務，面臨著越來越多、越來越復雜的混合物體系。 質量擴散系數(shù)的研究既有代表性又有本質意義。 質量擴散系數(shù)的理論與實驗研究已經成為化學工程科學中一個重要的基礎研究領域。三、擴散系數(shù) 質量擴散在氣體、液體、固體物質中都可以發(fā)生，但各有其特征。分子質量擴散系數(shù)2023/4/330第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三特征分別是：氣相分子擴散：依靠分子隨機熱運動液相中溶質分子擴散：可視作剛性小球在連續(xù)介質中的緩慢運動固相或多孔介質內的分子擴散：類似于液相的固溶體擴散機制，也有大孔道中分子碰撞機制和毛細孔道中分子與壁的碰撞機制。2023/4/331第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三由氣體分子動力學可知道，分子的運動是很快的。如：常溫、常壓下，其平均速度為數(shù)百米/秒；但分子的平均自由程很短（僅10-7米），所以很快改變方向（發(fā)生碰撞），所以總體擴散速率慢，擴散系數(shù)小。氣相擴散系數(shù)2023/4/332第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三物質在氣體當中的擴散系數(shù)，主要取決于溫度、壓力和氣體組分的性質。 壓力不高時，基本上與氣體濃度無關。2023/4/333第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三在實際應用中，人們更多地是采用半經驗公式來計算。比如，F(xiàn)uller公式

p

－總壓（絕），atm T－絕對溫度，K ∑υA

、∑υB

－組分A和B的分子擴散體積，cm3/molMA、MB

－組分A和B的分子量

2023/4/334第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三分子擴散體積講義上的圖表（p418）查出。從上式看出，如果已知一定溫度、壓力下的擴散系數(shù)，可以用下式計算另一條件下的擴散系數(shù)。2023/4/335第35頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三常溫、大氣壓條件下某些雙組分氣體混合物的擴散系數(shù)系統(tǒng)溫度K擴散系數(shù)DAB×104m2/s系統(tǒng)溫度K擴散系數(shù)DAB×104m2/s空氣—Cl22730.124空氣—甲苯2980.0844空氣—CO22760.142H2—N22980.784空氣—SO22930.122H2—NH32930.849空氣—H2O2980.260H2—CO2730.651空氣—NH32980.229CO2—乙醇2730.0693空氣—H22730.611CO2—H2O2980.164空氣—C6H62980.0962CO—O22730.185空氣—乙醇2980.135N2—NH32930.241空氣—甲醇2980.162N2—乙烯2980.1632023/4/336第36頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三液相擴散系數(shù)影響溶質在液體中的擴散系數(shù)的因素： 物質的種類、 溫度、 溶質的濃度、 溶劑分子的締合作用。 溶質擴散理論至今尚不成熟，擴散系數(shù)的計算目前仍主要采用半經驗方法。2023/4/337第37頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三