第4章-传质基础-副本

第四章传质分离基础

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。

化工单元操作，是化学工程的主要研究领域，是在化学工业生产中具有共同的物理变化特点的基本操作。工业上常见的吸收、精馏等操作过程就是通过物质的传递来实现混合物分离，是典型的单元操作过程。§1传质过程概述1-1传质分离操作在化工生产中的作用焦化厂用水吸收焦炉气中的氨

1-2传质分离操作的种类§

2传质过程机理物质传递的三个步骤：扩散物质从一相的主体扩散到两相界面；在界面上的扩散物质从一相进入另一相；进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散。相平衡与热平衡不同：相平衡时一般两相浓度不相等，传质过程仍在进行，只不过通过相界面的某一组分的净传质量为零。属动态平衡。2-1单相中的传质

单相传质是指：物质从一相主体到相界面和从相界面到另一相主体的扩散。

单相流体内物质的传递方式有分子扩散和对流扩散两种。分子扩散如果在流体内部存在某一组分的浓度差时，由于物质分子的无规则运动，该组分将从较高浓度处向较低浓度处转移，直至流体内部达到浓度均匀为止。

Fick定律：流体内任一点处组分A的扩散通量与该组分在扩散方向上的浓度梯度成正比。1．等物质的量反向定常态扩散NA,0=-NB,0说明：在双组分混合物体系中,当物质总浓度CM在系统内保持不变时,其组分A在分子扩散的同时必然伴有物质的量相等而方向相反的组分B的分子扩散。这种现象叫等物质的量反向分子扩散。传质速率（或传质通量）NA：单位时间通过单位固定空间传质面积的物质量，mol/(m2s)；AB等物质的量反向扩散浓度分布

在没有物质流动的单纯等物质的量反向扩散过程，A组分的传质通量（NA）等于分子的扩散通量，即NA=NA,0AB1、对于理想气体：两点说明：2、DAB=DBA等物质的量反向分子扩散现象多发生在两个组分的摩尔气化潜热相近的蒸馏操作中。如苯和甲苯的混合物体系，因为它们彼此的摩尔气化潜热相近，所以对该混合物进行蒸馏操作时，若有1mol的难发挥组分（甲苯）从气相向气、液两相界面扩散，则必然伴随有近1mol的易挥发组分（苯）从相界面向气相主体扩散。AB

在没有物质流动的单纯等物质的量反向扩散过程，A组分的传质通量（NA）等于分子的扩散通量，即NA=NA,0AB习题2.单方向的扩散

只有氨被水吸收，没有物质从液体向气相作相反的液相传递。这种现象称为A组分的单方向扩散。

相界面气相（A＋B）液相S主体流动三、传质的速度与通量物料系统内的分子扩散是由物质浓度（或分压）差引起的分子微观运动；总体流动是因系统内流体主体与相界面处存在总压差引起的流体流动的宏观运行，其起因还是分子扩散。总体流动是一种分子扩散的伴生现象。在总体流动的流体中组分A和组分B的量与各自在混合气体中的分压成正比。示例：用水吸收空气中的氨单方向扩散相界面气相（A＋B）液相S主体流动主体流动现象示例：用水吸收空气

中的氨相界面气相（A＋B）液相S主体流动

在多组分系统中，各组分在进行分子扩散的同时其微团常处于运动状态—主体流动现象。三、传质的速度与通量2、总体流动NA，M：压强差引起的宏观运动组分A的传质通量为分子扩散通量和总体流动中组分A的传质通量之和。单方向传质过程中：1、分子扩散NA，0：物质的浓度差相界面气相（A＋B）液相S主体流动组分B的传质通量为零组分A的传质通量计算公式中：根据等物质的量反向定常态扩散有：相界面气相（A＋B）液相S主体流动积分:有相界面气相（A＋B）液相S主体流动所以pB,m惰性组分B在相界面和气相主体间的对数平均分压得若用推动力与阻力之比来表示，则上式可改写为：相界面气相（A＋B）液相S主体流动其中：相界面气相（A＋B）液相S主体流动讨论漂流因数意义：漂流因子的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。漂流因子体现了总体流动对传质速率的影响.

1）与等物质的量反向扩散的传质通量计算式相比较，上面的式子多了

分子是组分A从气相扩散到界面的传质推动力；分母是传质阻力。说明：在静止或层流流动的流体内，物质通过单位面积的传质速度与溶质的分压成正比，与温度，扩散距离、以及惰性组分B的对数平均分压成反比。相界面气相（A＋B）液相S主体流动习题扩散系数

扩散系数即分子扩散系数（m2·s-1），是扩散物质在单位面积（m2）、单位浓度梯度（mol·m-4）下的扩散速率（mol·m2·s-1）。物质的扩散速度不仅取决于它本身，还与介质、温度、压力有关。物质的扩散系数一般通过实验来决定。3、扩散系数如果没有数据可查，可用有关的半经验公式。1.气体A在气体B中的扩散系数，可用FSG公式：依下式可以从已知的温度和压力时气体物系的扩散系数来推算温度为T和压力为P时该物系的扩散系数：估算在20℃和1.013×10-5Pa下CO2在空气中的扩散系数。解：设A组分为CO2，B组分为空气

ΣVA=26.9×10-6m3.Mol-1ΣVB=20.1×10-6m3.Mol-1Mr，A=44Mr，B=29T=273+20=293KP=1.013×10-5Pa半经验公式

1.气体A在气体B中的扩散系数

2.组分在液相中的扩散系数

涡流扩散一般分子的扩散速度很小，例如，一杯水中滴入一滴红墨水，红色的扩散很慢，这是因为静止水的物质扩散只靠分子扩散。为了加速红色扩散，用玻璃棒搅拌，水中质点的运动使红色很快扩散。这种依靠流体质点的运动而引起的物质的扩散称为涡流扩散。

DE为涡流扩散系数。它不是流体的物理量，而是流动状态的函数，与流动系统的几何形状、尺寸、所处的位置、流速、以及流体的物理性质等影响因素有关。

对流扩散（传质扩散）

湍流流体中的传质过程，既有分子扩散又有涡流扩散。湍流扩散主要依靠流体微团的湍动与涡流运动传递物质，这种传质规模及速率都远大于分子扩散。湍流主体与相界面间的传质称为对流扩散，这种扩散现象要比分子扩散复杂得多。2.对流传质的机理

所谓对流传质的机理是指在传质过程中，流体以哪种方式进行传质。研究对流传质速率需首先弄清对流传质的机理。

层流内层缓冲层湍流中心湍流流体流体与管壁间的浓度分布二、对流传质湍流主体层流内层缓冲层传质机理：分子传质传质机理：涡流传质为主浓度分布：为一陡峭直线传质机理浓度分布：为一渐缓曲线浓度分布：为一平坦曲线分子传质涡流传质在与壁面垂直的方向上分为三层二、对流传质在两相界面传质过程中，两相界面有二种情况：（1）固定界面气、液两相或液、固两相间的界面为固定的表面。（2）流动界面气、液两相和液、液两相的界面为流动的界面。（2）有效膜模型

层流层：没有与界面垂直的运动，物质的传递为分子的扩散。

过渡层：垂直运动不强，同时有分子扩散与涡流扩散。

湍流层：很强的分子垂直运动，以涡流为主。在气相中，用分压表示组分的含量在液相中，用摩尔浓度表示组分的含量lG，lL虽为虚构膜层厚度，但也有其物理意义。流体的湍动越强烈，层流越薄，膜层厚度越小，传质阻力小，传质通量大。习题kG，kL-为气膜、液膜传质分数，PA，PA，i-为扩散组分A在气相主体与界面上的分压CA，CA，i-为扩散组分A在液相主体与界面上的浓度。2-2相际间传质

实际的传质过程是发生在相际之间的，如气体吸附，先从气相扩散到气、液界面，再从相界面扩散到液相主体。由于在两相界面附近的流体流动状况及传质过程非常复杂，难以观测和进行严格的数学描述。此时，采用数学模型法是有益的。对考查对象进行分析简化，构成传质过程的物理模型，再用已有的理论和数学知识作出描述，建立数学模型，然后将此结果与实验数据作比较，以验证其准确性与合理性。相际对流传质三大模型：双膜模型、溶质渗透模型、表面更新模型双膜模