傳質(zhì)過程課件

重點(diǎn)：傳質(zhì)過程機(jī)理

難點(diǎn)：傳質(zhì)速率方程4.傳質(zhì)過程化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院李強(qiáng)11:48:134傳質(zhì)過程（45）24.1傳質(zhì)過程概述

什么是傳質(zhì)過程？在一個(gè)多組分的物系中，若存在濃度梯度，則某一組分將會(huì)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)轉(zhuǎn)移，該過程稱為傳質(zhì)過程。傳質(zhì)過程可以在一相中進(jìn)行，也可以在兩相間進(jìn)行。在兩相間的傳質(zhì)過程稱為傳質(zhì)分離過程。11:48:134傳質(zhì)過程（45）3傳質(zhì)分離操作的種類（1）氣體吸收選擇一定的溶劑（外界引入第二相）造成兩相，以分離氣體混合物。如用水作溶劑來吸收混合氨，它是利用氨和其它氣體在水中溶解度的差異進(jìn)行分離的。（2）液體蒸餾對(duì)于液體混合物，通過改變狀態(tài)，如加熱氣化，使混合物分為兩相，它是利用混合物中不同組分揮發(fā)性的差異進(jìn)行分離

的。11:48:134傳質(zhì)過程（45）4（3）固體干燥對(duì)含一定濕分（水或其它溶劑）的固體提供一定的熱量，使溶劑汽化，利用濕分壓差，使?jié)穹謴墓腆w表面或內(nèi)部轉(zhuǎn)移到

氣相，從而使含濕固體物料得以干燥。（4）液-液萃取向液體混合物中加入某種溶劑，利用液體中各組分在溶劑中溶解度的差異分離液體混合物，在其分離過程中，溶質(zhì)由一

液相轉(zhuǎn)移到另一液相。傳質(zhì)分離操作的種類11:48:134傳質(zhì)過程（45）5（5）結(jié)晶對(duì)混合物（蒸汽、溶液或熔融物）采用降溫或濃縮的方法使其達(dá)到過飽和狀態(tài)，析出溶質(zhì)，得到固體產(chǎn)品。（6）吸附利用多孔固體顆粒選擇性地吸附混合物（液體或氣體）中的一個(gè)組分或幾個(gè)組分，從而使混合物得以分離。其逆過程為脫附過程。（7）膜分離利用固體膜對(duì)混合物中各組分的選擇性滲透從而分離各個(gè)組分。傳質(zhì)分離操作的種類11:48:134傳質(zhì)過程（45）64.2傳質(zhì)過程機(jī)理當(dāng)不平衡的氣液兩相接觸時(shí)，若y>y*，則溶質(zhì)從氣相向液相傳遞，為吸收過程，該過程包括以下三個(gè)步驟：氣相y液相氣相界面層y*液相界面層對(duì)流過程擴(kuò)散過程氣體分子在液相中溶解相界面11:48:134傳質(zhì)過程（45）7不論溶質(zhì)在氣相或液相，它在單一相里的傳遞有兩種基本形式，一是分子擴(kuò)散，二是對(duì)流擴(kuò)散(渦流擴(kuò)散）。

（1）溶質(zhì)由氣相主體向相界面?zhèn)鬟f，即在單一相（氣相）內(nèi)傳遞物質(zhì)。特點(diǎn)：單相中的傳質(zhì)，對(duì)流過程（2）溶質(zhì)在氣液相界面上溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即在相界面上發(fā)生溶解過程。特點(diǎn)：相際傳質(zhì)，溶解過程（3）溶質(zhì)自氣液相界面向液相主體傳遞，即在單一相（液相）內(nèi)傳遞物質(zhì)。特點(diǎn)：單相中的傳質(zhì)，分子擴(kuò)散11:48:134傳質(zhì)過程（45）84.2.1單相中的傳質(zhì)一、分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散：在靜止或滯流流體內(nèi)部，若某一組分存在濃度差(濃度梯度)，則因分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。11:48:134傳質(zhì)過程（45）9分子擴(kuò)散現(xiàn)象：如圖所示的容器中，用一塊隔板將容器分為左右兩室，兩室分別盛有溫度及壓強(qiáng)相同的A、B兩種氣體。當(dāng)抽出中間的隔板后，分子A借分子運(yùn)動(dòng)由高濃度的左室向低濃度的右室擴(kuò)散，同理氣體B由高濃度的右室向低濃度的左室擴(kuò)散，擴(kuò)散過程進(jìn)行到整個(gè)容器里A、B兩組分濃度均勻?yàn)橹埂?1:48:134傳質(zhì)過程（45）10擴(kuò)散速率：擴(kuò)散進(jìn)行的快慢用擴(kuò)散速率來衡量，定義為：單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積擴(kuò)散的物質(zhì)量，稱為擴(kuò)散速率，以符號(hào)JA表示，單位為mol/(m2·s)。11:48:134傳質(zhì)過程（45）11Fick定律(1855年）：

由兩組分A和B組成的混合物，在恒溫恒壓的定常態(tài)條件下，若組分A只沿z方向擴(kuò)散，濃度梯度為dcA/dz，則任一點(diǎn)處組分A的擴(kuò)散速率與該處A的濃度梯度成正比，此定律稱為Fick定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反，即擴(kuò)散沿著濃度降低的方向進(jìn)行。JA分子擴(kuò)散速率，也稱為擴(kuò)散通量，kmol/㎡·sdcA/dz濃度梯度，mol/m4,DAB擴(kuò)散系數(shù)，㎡/s11:48:134傳質(zhì)過程（45）12分子擴(kuò)散系數(shù)分子擴(kuò)散系數(shù)的物理意義分子擴(kuò)散系數(shù)D為單位濃度下的擴(kuò)散速率，單位m2/s.分子擴(kuò)散系數(shù)反映了混合物中某一組分在一定的介質(zhì)（氣相或液相）中的擴(kuò)散能力，是物質(zhì)的屬性之一。其大小隨物質(zhì)的種類、溫度、濃度和總壓的不同而變化。其值由實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式確定。11:48:134傳質(zhì)過程（45）13分子擴(kuò)散系數(shù)氣體分子在氣體中的擴(kuò)散系數(shù)

某些情況也可由(Fuller-Schettler-Giddings)經(jīng)驗(yàn)公式確定：

需要修正，可用式：

一般情況下，可由有關(guān)手冊查到相關(guān)數(shù)據(jù)。

V：分子的擴(kuò)散體積11:48:134傳質(zhì)過程（45）14分子擴(kuò)散系數(shù)溶質(zhì)在溶液中的擴(kuò)散系數(shù)

某些低濃度的非電解質(zhì)溶液也可由(Wilke-Chang)經(jīng)驗(yàn)公式確定：

一般情況下，可由有關(guān)手冊查到相關(guān)數(shù)據(jù)。

A為溶質(zhì)，B為溶劑。VA：溶質(zhì)摩爾體積。φB為溶劑的締合參數(shù)。11:48:134傳質(zhì)過程（45）15三傳類似動(dòng)量傳遞牛頓黏性定律熱量傳遞傅立葉定律質(zhì)量傳遞菲克定律如此研究問題，俺也會(huì)11:48:134傳質(zhì)過程（45）16Fick定律的分壓表示對(duì)于理想混合物，組分A的濃度cA與其分壓的關(guān)系為：代入Fick定律為：由理想氣體方程有：11:48:134傳質(zhì)過程（45）17等摩爾相互定常態(tài)擴(kuò)散兩容器等溫、等壓，分別裝有不同濃度的A、B混合氣體。當(dāng)通過連通管內(nèi)任一截面處的兩個(gè)組分的擴(kuò)散速率大小均相等時(shí)，此擴(kuò)散稱為等物質(zhì)的量反向定常態(tài)擴(kuò)散。

11:48:134傳質(zhì)過程（45）18傳質(zhì)速率NA、NB傳質(zhì)速率：在任一固定的空間位置上，單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于傳遞方向的單位面積傳遞的物質(zhì)量，稱為傳質(zhì)速率（傳質(zhì)通量）記作NA。在等摩爾相互定常態(tài)擴(kuò)散中，組分A的傳質(zhì)速率等于其擴(kuò)散速率，即：11:48:134傳質(zhì)過程（45）19等摩爾相互定常態(tài)擴(kuò)散混合物總的濃度在各處是相等的，即c=cA+cB=常數(shù)故有：所以：11:48:134傳質(zhì)過程（45）20等摩爾相互定常態(tài)擴(kuò)散速率方程利用邊界條件：Z=0,cA=cA1;Z=Z,CA=cA2,對(duì)式：進(jìn)行分離變量積分，得：11:48:134傳質(zhì)過程（45）212.單方向擴(kuò)散的描述總體流動(dòng)：(吸收過程)①氣相主體中的組分A（如氨）擴(kuò)散到界面，通過界面進(jìn)入液相(如水），使界面處分壓減小，在氣相主體和界面之間產(chǎn)生分壓力梯度，則組分A從氣相主體向界面擴(kuò)散。②由于A的溶解，B（如惰性氣體）組分的分壓略有增加，而使組分B由界面向氣相主體反向擴(kuò)散，但由于相界面不能提供組分B，造成在界面左側(cè)附近總壓降低，使氣相主體與界面產(chǎn)生一小壓差，促使A、B混合氣體由氣相主體向界面處流動(dòng)，此流動(dòng)稱為總體流動(dòng)NAMNBM。11:48:134傳質(zhì)過程（45）22

組分A從氣相主體至界面的傳遞速率NA為分子擴(kuò)散JA和總體流動(dòng)中A的傳質(zhì)速率NAM兩項(xiàng)之和，即：A從氣相主體至界面的傳遞速率NA11:48:134傳質(zhì)過程（45）23惰性組分B的反方向擴(kuò)散傳遞速率JB

在界面附近的組分A溶于液相，而組分B不溶，且組分B還隨總體流動(dòng)從氣相主體向界面移動(dòng)，故在總壓一定的條件下，界面處A的分壓減少，B的分壓增大，必將在界面和主體之間產(chǎn)生組分B的分壓梯度，導(dǎo)致組分B從界面向氣相進(jìn)行反向分子擴(kuò)散，其速率用JB表示，而從主體向界面的總體流動(dòng)所攜帶的組分B，其傳遞速率用NBM表示，NBM和JB兩者數(shù)值相等，方向相反，達(dá)到動(dòng)平衡。即：

11:48:134傳質(zhì)過程（45）24單方向擴(kuò)散速率方程則：

代入：

B的反方向擴(kuò)散傳遞速率中，有：

由于主體擴(kuò)散中，有：

即：

11:48:134傳質(zhì)過程（45）25單方向擴(kuò)散速率方程又由于在等物質(zhì)的量反向分子擴(kuò)散中，有：

故：11:48:134傳質(zhì)過程（45）26單方向擴(kuò)散速率方程

則：

得：

穩(wěn)態(tài)下NA是一恒定值，故：在理想氣體擴(kuò)散中，有：

11:48:134傳質(zhì)過程（45）27單方向擴(kuò)散速率方程令：

則：改寫為：

用組分的分壓表示：

11:48:134傳質(zhì)過程（45）28

在單方向的靜止或?qū)恿髁鲃?dòng)的流體內(nèi)，A物質(zhì)通過單位面積的傳質(zhì)速率與其（溶質(zhì)）的分壓差成正比；與溫度、擴(kuò)散距離以及惰性組分B對(duì)數(shù)平均分壓成反比。單方向擴(kuò)散速率方程的說明：11:48:134傳質(zhì)過程（45）29若用組分A的濃度cA代替分壓，則有：式中：用濃度表示的單方向擴(kuò)散速率方程11:48:134傳質(zhì)過程（45）30式中：漂流因子（漂流因素、移動(dòng)因子）漂流因子（漂流因素、移動(dòng)因子）漂流因子是一個(gè)大于1的量。反應(yīng)了整體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響程度，濃度愈大，傳質(zhì)速率是分子擴(kuò)散速率的倍數(shù)。當(dāng)濃度較低時(shí)，漂流因子近似為1.11:48:134傳質(zhì)過程（45）3111:48:134傳質(zhì)過程（45）3211:48:134傳質(zhì)過程（45）3311:48:134傳質(zhì)過程（45）3411:48:134傳質(zhì)過程（45）3511:48:134傳質(zhì)過程（45）3611:48:134傳質(zhì)過程（45）3711:48:134傳質(zhì)過程（45）3811:48:134傳質(zhì)過程（45）39對(duì)流傳質(zhì)過程發(fā)生在湍流流動(dòng)的流體中，靠流體微團(tuán)的脈動(dòng)進(jìn)行的。傳質(zhì)層流底層氣體液體cALcAGcAi氣膜液膜湍流主體邊界層邊界層對(duì)流傳質(zhì)機(jī)理分析1.湍流主體因濃度均一無傳質(zhì)阻力；2.層流底層傳質(zhì)方式為分子擴(kuò)散，阻力最大；3.過渡區(qū)（湍流主體與層流底層之間）傳質(zhì)方式為分子擴(kuò)散和對(duì)流傳質(zhì)（脈動(dòng)）。11:48:134傳質(zhì)過程（45）40對(duì)流傳質(zhì)速率方程

對(duì)流傳質(zhì)速率方程用近似的Fick定律來描述，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：JAE對(duì)流擴(kuò)散速率，也稱為對(duì)流擴(kuò)散通量，kmol/㎡·sdcA/dz濃度梯度，mol/m4,DE對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)，㎡/s在湍流體系中，物質(zhì)的擴(kuò)散主要靠對(duì)流擴(kuò)散，也有分子擴(kuò)散，故：11:48:134傳質(zhì)過程（45）41對(duì)流傳質(zhì)速率方程（雙膜模型）要點(diǎn)：

(1)

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

(2)相界面上沒有傳質(zhì)阻力，即可認(rèn)為所需的傳質(zhì)推動(dòng)力為零，或氣液兩相在相界面處達(dá)到平衡。氣膜液膜11:48:134傳質(zhì)過程（45）42若為單向擴(kuò)散，在液相中有：令：對(duì)流傳質(zhì)速率方程同理，令：KL：液膜傳質(zhì)分系數(shù)m/s;KG：氣膜傳質(zhì)分系數(shù)kmol/s.m2.Pa;11:48:134傳質(zhì)過程（45）43雙膜模型缺陷：

③界面阻力不計(jì)，這是一個(gè)尚有爭議的問題。①只適用與有固定相界面的情形；②，與實(shí)際有差別；11:48:134傳質(zhì)過程（45）44對(duì)流傳質(zhì)速率方程

（溶質(zhì)滲透模型：希格比（Higbie）1935年提出）11:48:134傳質(zhì)過程（45）45它是溶質(zhì)滲透模型的修正?？傊捎趥髻|(zhì)的復(fù)雜性，目前尚沒有一個(gè)完