第四章 传质过程教材

1、第四章 传质过程一 概述 1 概念 在含有两个或两个以上组分的混合体系中,如果存在浓度梯度,某一组分(或某些组分)将由高浓度区向低浓度区移动,该移动过程称为传质过程. 例如: 吸收 萃取等等2 传质分离 传质过程可以在一相中进行,也可以在两相中进行,在两相中传质是分离过程的基础.3 传质分离操作的种类 (1) 吸收和解吸 气体-液体系统 选用合适的液体溶剂(吸收剂)在专用设备中使之与气体充分接触,此时气体中的一个或几个组分由气相转入液相,从而实现对混合气体的分离.这种操作就称为气体的吸收. 气体的解吸就是把被吸收的组分从吸收剂中脱除的过程. 气体的减湿(吸收的一种特殊过程)-气体由气相到液相

2、气体的增湿(解吸,减湿的逆过程)-气体由液相到气相 (2)液-液萃取 溶质从一液相转入另一液相,它的逆过程仍然是萃取.(3)固-液萃取 简称浸沥或浸取 溶质由固相转入液相. 由于固体混合物一般是多相系,故浸取常属于多相系的分离.(4)结晶 溶质有液相趋附于溶质晶体的表面,转为固相,使晶体长大.其逆过程为溶解. 溶解与浸取的差别是后一过程中溶质与很多不溶性杂质混在一起.(5) 吸附 物质由气相或液相趋附于固体表面(主要是多孔性固体的内表面).其逆过程就是脱附.(6)干燥 液体(通常为水)经过汽化,从固体表面或内部转入气相.(7)精馏 不同物质在气液两相间的相互转移.二元精馏时易挥发组分A由液相转

3、入气相,同时难挥发组分B由气相转入液相4 相际传质过程界面组分组分气相主体液相主体相际传质示意图二 相组成的表示方法 1 质量分率(工程制用重量分率)和摩尔分率 某组分的质量占总质量的分率或百分率. 对含A、B、C、.的均相混合物有1.,.,CBACCBBAAaaammammamma 传质机理与各组分的分子相对数目关系密切，故常用到摩尔分率1.,.,AAACCBBAAxxxnnxnnxnnx 另一相中的摩尔分率用yA、yB、yC，.来代表，当物系中有气相时，习惯上用y表示气相的摩尔分率。 质量分率和摩尔分率可相互转换如下：iiiAAiiiAAABBBBBAAAAAiiiAAiiiAAAAiii

4、BBAABBBBBAAAAAMxMxnMxnMxanMxMnmnMxMnmMaMaMamMmannxMamMmaMmanMmaMmnMmaMmn故又故因,.,.,.,2 质量比和摩尔比 有时也用一个组分对另一个组分的质量比或摩尔比代表组成，较常见于双组分体系。BABAnnXmma摩尔比：质量比： 它们与上述两种组成的表示方法的关系如下：XXxxxXaaaaaa11113 浓度 浓度：单位体积中物质的量，物质量可用质量来表示，也可用摩尔数来表示。 V为均相混合物的体积)/()/(33mmolVnCmkgVmcAAAA摩尔浓度：质量浓度： 先讨论浓度与其他组成表示法的换算： 对均相混合物的密度混合

5、物的总摩尔浓度。同理摩尔浓度：故质量浓度：VnCCxVnxVnCaVmaVmccccAAAAAAAAiiBA.对于气体混合物PpnnyRTpVnCRTpMVnMVmcRTpVnCAAAAAAAAAAAA度为：气体混合物的总摩尔浓 气体混合物的摩尔比可用分压比表达如下：BBAABBAABABABAMpMpMnMnmmap pnnY而质量比可以表达为：第二节 扩散原理 一扩散方式扩散方式分子扩散分子扩散涡流扩散涡流扩散作用物作用物流体分子流体分子流体质点流体质点作用方式作用方式热运动热运动湍动和旋涡湍动和旋涡作用对象作用对象静止、滞流静止、滞流湍流湍流推动力推动力 浓度差浓度差 物质传递物质传递

6、简称为扩散简称为扩散终点：终点： 浓度差为浓度差为扩散快慢？扩散快慢？ 单位面积上单位时间内扩散传递的单位面积上单位时间内扩散传递的物质量，单位为物质量，单位为kmol/(m2s); 影响因素影响因素: 物质性质物质性质 浓度差浓度差 扩散距离扩散距离 等有关等有关扩散通量与浓度梯度成正比。扩散通量与浓度梯度成正比。对于组分对于组分A对于组分对于组分B 浓度梯度浓度梯度dldcDNAABA0,dldcAdldpRTDNAABA0,分压梯度分压梯度气体气体dldpAN NA,0 A,0 物质物质A A在介质在介质B B中的分子扩散通量中的分子扩散通量DAB 分子扩散系数分子扩散系数“” 扩散沿浓

7、度扩散沿浓度降低的方向降低的方向 dldcDNBBAB0, 注意！注意！ 虽然扩散是物质分子热运动的结果，但物质虽然扩散是物质分子热运动的结果，但物质A的扩的扩散速度并不等于在扩散温度下单个分子的热运动速散速度并不等于在扩散温度下单个分子的热运动速度。度。dyduntdAdQdzdcDJAABA这三个扩散过程在形式上是相似的,称为三传类似.（1）NA,0 = - NB,0 （等分子反向扩散）等分子反向扩散）（2）对）对A、B二元物系，系统各处的总摩尔二元物系，系统各处的总摩尔浓度都相等；即浓度都相等；即 p=pA+pB=Const.则则 DAB=DBA 在这种双组分混合物内，产生物质在这种双组

8、分混合物内，产生物质A的扩散流的扩散流JA的同时，的同时，必定伴有方向相反的物质必定伴有方向相反的物质B的扩散流的扩散流JB。 D与物系有关，与与物系有关，与T T、P P有关，数据实测。有关，数据实测。dldcdldcBAD气相气相 D液相液相 等分子反向扩散发生在静止的或在垂直于浓度梯度方向上作滞流运动的流等分子反向扩散发生在静止的或在垂直于浓度梯度方向上作滞流运动的流体中，是一种最单纯的分子扩散过程。体中，是一种最单纯的分子扩散过程。 对于双组分混合物，在总压处处相等对于双组分混合物，在总压处处相等的前提下的前提下( (分子浓度处处相等分子浓度处处相等):):NA：单位时间通过单位固定空

9、间传质面积的单位时间通过单位固定空间传质面积的A物质量，单位物质量，单位 kmol/(m2s)；定态过程，连通管内定态过程，连通管内 NA、D、T 均为均为Const。将上式中的将上式中的p、z 对应积分，整理得：对应积分，整理得：同理，组分同理，组分B有有若为液相，则有若为液相，则有dldpRTDdldcDNNAAAA0,)(21AAAppRTlDN210,BBBBppRTlDNN21BBBcclDN21AAAcclDN二、一组分通过另一停滞组分的扩散（单向扩散） 4、总体流动与总体流动与B的扩散运动方向相反的扩散运动方向相反BAMBMABAMBMAPpNNppNN,故有溶质溶质A相界面相界

10、面溶剂溶剂S同时同时S不逆向通过（汽化）不逆向通过（汽化）如吸收：如吸收：通过通过B对于截面对于截面2：N， NAM ， NBM；2、A、B做等分子反方向扩散的传递运动做等分子反方向扩散的传递运动3、总体流动加快了、总体流动加快了A的传递速度的传递速度1、总体流动。总体流动。即即NA,0= - NB,0NA=NA,0+NAMNB=NB+NBM =0 B为停滞组分。为停滞组分。 由该式可得由该式可得NBM= NA,0即有即有dldppppRTDdldpPpRTDPpPpNNNNNAAABAABABAMBAMAAA)()1 (N)1 (0,0,0,11lnlnBBiAAiAppRTlDppppRT

11、lDN利用边界条件积分后BAMBMABAMBMAPpNNppNN,故有ccABMMB,MMA,cNNcNN:和递速率分别为因整体流动而产生的传1111BBAABABApppp ppppp2222B1BB1BiAAApp)lnpppp(RTlpDNii)p(ppplnpppRTlDN AiA1B1BiB1BiA , , 令令1212mBBBBBpplnppp )(21AABAppppRTlDNmAiAsmBMMALcccccclDN1 75. 1122112TTppDD dzdcDNAEABdzdcDDNAEAB层流：层流：D占主要地位；占主要地位；湍流：湍流：DE占主要地位占主要地位。膜模型（停滞膜模型）e0c