第五章_质量传递

1、四川农业大学本科生课程环工原理第五章 质量传递 质量传递质量传递热量传递热量传递动量传递动量传递三传三传 是指物质在浓度差、温度差、压力差、电场或磁是指物质在浓度差、温度差、压力差、电场或磁场的场强差等推动力作用下，从一处向另一处的转场的场强差等推动力作用下，从一处向另一处的转移，包括相内传质和相际传质两类。移，包括相内传质和相际传质两类。 四川农业大学本科生课程环工原理温度差热扩散压力差压力扩散场强差强制扩散浓度差分子扩散和涡流扩散四川农业大学本科生课程环工原理 在环境工程中，去除水、气和固体中的污染物常用到传质过程，如常见的吸收、吸附、萃取、膜分离过程。在化学反应和生物反应中，也常伴随着传

2、质过程。 酸碱中和反应厌氧生物膜 好氧生物膜四川农业大学本科生课程环工原理5.1 环境工程中的传质过程环境工程中的传质过程1.吸收与吹脱（汽提）2.萃取3.吸附4.离子交换5.膜分离四川农业大学本科生课程环工原理 根据气体混合物中各组分在同一溶剂中的溶解度不同，使气体与溶剂充分接触，其中易溶的组分溶于溶剂进入液相，而与非溶解的气体组分分离。 用水吸收混合气体中的氨 石灰/石灰石法烟气脱硫 化学工程中将被吸收的气体组分从吸收剂中脱出的过程称为解吸。 环境工程中，解吸常用于从水中去除挥发性的污染物。 利用空气作解吸剂，称为吹脱（如高浓度NH3-N废水的处理）；利用蒸汽作解吸剂，称为汽提（如油库、航

3、空港等地方受石油烃污染的地下水处理）。四川农业大学本科生课程环工原理 萃取是利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶解度的差异分离液体混合物的方法。（高浓度含酚废水处理时可通过萃取一方面回收酚，另一方面降低处理的难度；从染料废水中提取有用染料；从洗毛废水中提取羊毛脂） 吸附：当某种固体与气体或液体混合物接触时，气体或液体中的某一或某些组分能以扩散的方式从气相或液相进入固相，称为吸附。 活性炭脱硫 活性炭、陶粒柱净水四川农业大学本科生课程环工原理 离子交换是依靠阴、阳离子交换树脂中的可交换离子与水中带同种电荷的阴、阳离子进行交换，从而使离子从水中除去。 制取软化水，纯水，去除水中某种特定物质（如去除

4、电镀废水中的重金属）。四川农业大学本科生课程环工原理RA+M+ = RM+A+ R-NHOH+HCl = R-NHCl+H2O 四川农业大学本科生课程环工原理 膜分离是以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当膜的两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差）时，混合物中的某一组分或某些组分可选择性地透过膜，从而与混合物中的其他组分分离。已经广泛应用于给水和污水处理中，如高纯水的制备、MBR 反渗透反渗透:利用半渗透膜，当对高浓度一侧施加高于渗透压的压力时，水分子通过渗透膜，从而使水得到净化。 电渗透电渗透( (析）析）:在电流作用下，阳、阴离子分别通过阳、阴离子交换膜而在局部富集，使水得到净

5、化，从而脱盐。 纳滤纳滤 超滤超滤 微滤微滤书上P368四川农业大学本科生课程环工原理四川农业大学本科生课程环工原理C D极室极水极室（+）四川农业大学本科生课程环工原理四川农业大学本科生课程环工原理5.2 质量传递的基本原理质量传递的基本原理一、传质机理传质方式分子扩散：涡流扩散：静止或层流流动的流体中， 靠分子微观运动来进行传质在湍流状态下，靠流体质点（流体微团)强烈掺混来进行传质四川农业大学本科生课程环工原理二、分子扩散（一）费克定律（一）费克定律 某一空间中充满组分A、B组成的混合物、无总体流动或处于静止状态。若组分A的物质的量浓度为cA，cA沿Z方向分布不均匀，上部浓度高于下部浓度，

6、即cA2cA1，如图所示。 分子热运动的结果将导致A分子浓度高的区域向浓度低的区域净扩散流动，即发生由高浓度区域向低浓度区域的分子扩散。yxzOcA2cA1四川农业大学本科生课程环工原理dzdCDNAABAz扩扩散散通通量量，kmol/m2 s表表示示扩扩散散方方向向与与浓浓度度梯梯度度方方向向相相反反A 在在 B 中中的的扩扩散散系系数数 m2/s费克定律的物理意义：在一维稳态情况下，由浓度梯度引起的组分A在Z方向上的质量通量-（分子扩散系数）（Z方向上组分A的质量浓度梯度）（仅适用于双组分混合物）四川农业大学本科生课程环工原理n费克定律的其它表达形式：费克定律的其它表达形式：dzdDNAA

7、BAzdzdxcDNAABAzdzdxDNmAABAzc为混合物的物质的量浓度（kmol/m3）xA为组分A的摩尔分数为混合物的物质的量浓度（kg/m3）xmA为组分A的质量分数A为组分A的质量浓度（kg/m3）四川农业大学本科生课程环工原理（二）分子扩散系数dzdcNDAAzAB 分子扩散系数是扩散物质在单位浓度梯度单位浓度梯度下的扩散速率，表征物质的分子扩散能力，扩散系数大，则表示分子扩散快扩散系数大，则表示分子扩散快。 分子扩散系数是很重要的物理常数，其数值受体系温度、压力和混合物浓度等因素的影响。 低密度气体、液体、固体的扩散系数随温度的升高而增大，随压力的增加而减少。四川农业大学本科

8、生课程环工原理三、涡流扩散dzdNADAdzdDdzdDNAABeffADABAt)(D为涡流质量扩散系数，单位为m2/sDABeff为组分A在双组分混合物中的有效质量扩散系数。在充分发展的湍流中，涡流扩散系数往往比分子扩散系数大得多，因而有DABeffD组分A的平均浓度梯度四川农业大学本科生课程环工原理5.3 分子传质分子传质 发生在静止流体静止流体、层流流动的流体以及某些固体的传质过程中。 当静止流体与相界面接触时，若流体中组分A的浓度与相界面处不同，则物质将通过流体主体向相界面扩散。在这一过程中，组分A沿扩散方向将具有一定的浓度分布。对于稳态过程，浓度分布不随时间变化，组分的扩散速率也为

9、定值。 静止流体中的质量传递分为单向扩散单向扩散和等等分子反向扩散。分子反向扩散。四川农业大学本科生课程环工原理一、单向扩散 静止流体与相界面接触时的物质传递完全依靠分子扩散，其扩散规律完全可以用费克定律描述。 只有气体组分氨从气相向液相传递，而没有物质从液相向气相作相反方向的传递，这种现象可视为单向扩散单向扩散。NH3、空气水四川农业大学本科生课程环工原理但是，在某些传质过程中，分子扩散往往伴随着流体的流动，从而促使组分的扩散通量增大。在气液两相界面上，由于氨溶解于水而使得氨的含量减少，氨分压降低，导致相界面处的气相总压降低，使气相主体与相界面之间形成总压梯度。在此总压梯度的推动下，混合气体

10、自气相主体向相界面处流动，使流体的所有组分一起向相界面处流动，从而使氨的扩散量增加。NH3、空气水四川农业大学本科生课程环工原理理解：我们这一节讲的是静止流体中的扩散，但上面讲到空气似乎是流动的？空气是处于没有流动的静止状态的。0L气相主体液相界面pA,0 pB,0pA,i pB,i pA pBA的传递A扩散B扩散B的传递总压pp四川农业大学本科生课程环工原理以上分析表明：在单向扩散中扩散组分的总通量扩散组分的总通量流动所造成的传质通量流动所造成的传质通量+叠加叠加于流动之上的由浓度梯度引起的分子扩散通量于流动之上的由浓度梯度引起的分子扩散通量其中，分子扩散是由物质浓度（或分压）差而引起的分子

11、微观运动；而流动是因为系统主体与相界面之间存在压差而引起的流体的宏观运动，其起因还是分子扩散，流动是一种分子扩散的伴生现象。四川农业大学本科生课程环工原理（一）扩散通量dzdcDcccNAABAA由组分A、B组成的双组分混合气体气体，假设A为溶质，组分B为惰性组分，组分A向流体界面扩散并溶解于液体，则组分则组分A从气相到相界面的传质通量为分子扩散从气相到相界面的传质通量为分子扩散通量与流动中组分通量与流动中组分A的传质通量之和。的传质通量之和。费克定律的普通表达形式：费克定律的普通表达形式：)(BAAAABANNccdzdcDN对于单向扩散（停滞介质中的扩散）：四川农业大学本科生课程环工原理d

12、zdcDcccNAABAA)(0,AiAmBABAccLccDN)(0,AiAmBABAppRTLppDN在稳态情况下，NA为定值四川农业大学本科生课程环工原理（二）浓度分布LziAAiAAyyyy)11(11,0,LziBBiBByyyy)(,0, 相界面相界面 气相气相 液相液相 传质方向传质方向 可见，组分A通过停滞组分B扩散时，浓度分布曲线为对数型。0L气相主体气相主体液相界面界面pA,0 pB,0pA,i pB,i pA pBA的传递A扩散B扩散B的传递总压pp四川农业大学本科生课程环工原理二、等分子反向扩散 在一些双组分混合体系的传质过程中，当体系总浓度保持均匀不变时，组分A在分子

13、扩散的同时伴有组分B向相反方向的分子扩散，且组分B扩散时的量与组分A相等，这种传质过程称为等分子反向扩散。pA1pA2pB1pB2pp12pA1pA2pB1pB2系统内任一点总压不变四川农业大学本科生课程环工原理（一)扩散通量等分子反向扩散NA+NB=0)(BAAAABANNccdzdcDNdzdcDNAABA)(0,AiAABAccLDN没有流体的总体流动（P188式5.3.5）在z0，cAcA，i和zL，cAcA，0之间积分等分子反向扩散四川农业大学本科生课程环工原理（二）浓度分布iAiAAAczLccc,0,0LcB,0(或pB,0) cA,0(或pA,0) cM(或p)BAcA,i(或

14、pA,i) cB,i(或pB,i) cM(或p) 可见，组分A的物质的量浓度分布为直线，同样可得组分B的物质的量浓度分布也为直线。四川农业大学本科生课程环工原理三、界面上有化学反应的稳态传质 既有分子扩散，又伴随着化学反应。这两种过程的相对速率极大地影响着过程的性质。率化学反应速率扩散速率化学反应速率扩散速扩散控制过程反应控制过程四川农业大学本科生课程环工原理z0LNANBL催化剂表面图图 界面处有化学反应的传质过程界面处有化学反应的传质过程在物质表面进行的化学反应过程。（以催化剂反应为例）)(2)()(gBsCgA 可逆根据化学反应的计量式，可得出组分A的扩散通量NA与组分B的扩散通量NB之

15、间的关系为NB= - 2 NA四川农业大学本科生课程环工原理)(BAAAABANNccdzdcDN)(BAAAABANNydzdycDNNB= - 2 NAdzdyycDNAAABA1将上式在催化剂表面和气相主体之间积分，边界条件为 z=0, yA=yA,i z=L, yA=yA,0四川农业大学本科生课程环工原理AyyAABLAdyycDdzNAiA0,10iAAABAyyLcDN,0,11ln)1ln(0,AABAyLcDN在一定操作条件下，DAB和c为常数，因此n若反应是瞬时完成的，可认为催化剂表面不存在组分A，即yA,i=0n若在催化剂表面化学反应进行得极为缓慢，化学反应速率远小于扩散速

16、率，且化学反应属一级反应，则在催化剂表面，组分A的传质通量与摩尔分数的关系为yA,i=NA/(k1c)ckNyLcDNAAABA10,11ln四川农业大学本科生课程环工原理ckNyLcDNAAABA10,11lnLkDyLcDNABAABA10,1)1ln()1ln(0,AABAyLcDN)1ln(0,1AAyckN或更小4 . 01ckNA11ckDAB11ckDAB扩散控制反应控制超越方程超越方程四川农业大学本科生课程环工原理5.4 对流传质对流传质 对流传质是运动着的流体与相相界面（固体壁面或流（固体壁面或流体界面）体界面）之间发生的传质过程，也称为对流扩散。单相中的对单相中的对流传质流

17、传质两相间的对两相间的对流传质流传质如：流体流过可溶性固体表面，溶质在流体中的溶解过程在催化剂表面进行的气固相催化反应两相流体接触，组分先由一相的主体向相界面传递，然后通过相界面向另一相中传递，如：气体的吸收；液液两相萃取等。四川农业大学本科生课程环工原理一、对流传质过程的机理及传质边界层对流传质中分子扩散和涡流扩散一般同时存在。（一）对流传质过程的机理u0，cA,0u=0.99u0cA-cA,i=0.99（cA,o-cA,i）cAcA,ic流体流过平壁面的对流传质四川农业大学本科生课程环工原理层流流动相邻层间流体互不掺混，在垂直方向上只存在由浓度梯度引起的分子扩散，界面与流体间的扩散通量符合

18、费克第一定律。湍流流动相邻层间流体在垂直方向上强烈混合，除了由浓度梯度引起的分子扩散外，更重要的是涡流扩散。湍流边界层包括层流底层、过渡区及湍流核心区费克第一定律主要是涡流扩散四川农业大学本科生课程环工原理（二）传质边界层 具有浓度梯度的流体层称为传质边界层，可以认为质量传递的全部阻力都集中在边界层内。与流动边界层相似，对于平板壁面，将传质边界层的名义厚度c定义为3/1ScccA-cA,i=0.99（cA,o-cA,i）传质边界层厚度c与流动边界层厚度一般不相等，他们的关系取决于施密特数Sc，即ABDScSc分子动量传递能力和分子扩散能力的比值。四川农业大学本科生课程环工原理对于圆管的传质ScdLDRe05. 0LDcA-cA,i=0.99（cA,o-cA,i）cA,icu0，cA,0u=0.99u0圆管内的传质边界层层流：dLD50湍流：-传质进口段长度四川农业大学本科生课程环工原理二、对流传质速率方程（一）