传质过程概论

传质过程概论2023/7/81第1页，课件共39页，创作于2023年2月三、传质设备简介（一）填料塔连续接触式传质设备2023/7/82第2页，课件共39页，创作于2023年2月（二）板式塔逐级接触式传质设备2023/7/83第3页，课件共39页，创作于2023年2月第二节扩散与单向传质一、分子扩散定义：单一相内、浓度差异下，分子的无规则运动造成的物质传递现象，称为分子扩散。

它类似于传热中的热传导，是分子微观运动的宏观统计结果。分子扩散产生的原因有： 存在温度梯度、 或者压强梯度 或者浓度梯度2023/7/84第4页，课件共39页，创作于2023年2月本章仅讨论因浓度梯度而造成的分子扩散速率。二、对流传质定义：凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为对流传质。发生在静止或层流流体里的扩散都是分子扩散。2023/7/85第5页，课件共39页，创作于2023年2月

发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是对流传质。 将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜， 若用勺搅动杯中水，则将甜得更快更均匀，这就是分子扩散的结果。那便是对流传质的结果。2023/7/86第6页，课件共39页，创作于2023年2月分子扩散与费克定律费克定律 只要流体内部有浓度梯度，就会产生分子扩散。 在恒温恒压下，一维分子扩散速率可用费克定律表达如下：指向浓度增加的方向，而扩散向浓度降低的方向进行，故式中加－负号。浓度梯度DAB为组分A在双组分混合物A、B中的扩散系数。2023/7/87第7页，课件共39页，创作于2023年2月二、双组分混合物中的一维稳定分子扩散如图，密闭容器两侧装有温度、压强均相同的A、B两种气体。抽掉隔板后，在浓度梯度的推动下两种气体分子在垂直于隔板的方向上相互扩散。A

B

AB

AB

P,T=const.依照分子扩散规律同理1等摩尔反方向分子扩散2023/7/88第8页，课件共39页，创作于2023年2月对于气体，在总压不太高的情况下，我们有因为系统的总压相等，通过挡板的两个物质通量，方向相反，大小相等。2023/7/89第9页，课件共39页，创作于2023年2月显然，dpA=-dpB

JA=-JB

即考虑A的传递方向为正，可以写出我们又有，P=pA+pB=const2023/7/810第10页，课件共39页，创作于2023年2月

在任一固定的空间位置上，单位时间内通过单位面积的A的物质量，称为A的传质速率，用NA表示。若传质截面积相等，则NA为等值。温度、总压一定，则D一定；根据右面的图进行积分，可得2023/7/811第11页，课件共39页，创作于2023年2月同理，有对于液相有

很明显可以看出，对于等分子反方向扩散，通过接管中任一横截面的净物质通量N为零，即

N=NA+NB=02023/7/812第12页，课件共39页，创作于2023年2月实际的传质过程中，很少为严格的等分子反向扩散过程。

在精馏过程中，易挥发的A组分由液相进入气相的速率与难挥发的B组分由气相进入液相的速率大体相同。只有当A、B两个组分的摩尔汽化潜热接近相等，对该二元混合物进行精馏操作时，气液两相进行传质，才可以看成是该过程。2023/7/813第13页，课件共39页，创作于2023年2月 设在界面的气相一侧有一个厚度为的静止气层。 气层内各处P、T相等。2组分A通过静止组分B的分子扩散 对于稳态吸收过程，混合气体A+B中，A为可溶组分，B为不溶组分。就会发生如上的分子扩散过程。2023/7/814第14页，课件共39页，创作于2023年2月（1）分子扩散与主体流动由于界面处A组分不断地溶解、被吸收，气相主体浓度CA>界面处浓度CAi

，

A组分存在浓度梯度dCA/dZ，分子扩散JA方向是朝界面扩散。2023/7/815第15页，课件共39页，创作于2023年2月惰性气体B组分由于不能被液体吸收，故存在CBi>CB。

B组分存在浓度梯度dCB/dZ，朝气相主体扩散，2023/7/816第16页，课件共39页，创作于2023年2月 吸收过程，液相不存在B组分，不可能向界面提供B组分，故吸收过程所发生的是组分A的单向扩散，而不是等分子反向扩散。结果：导致界面处气体总压降低，使气相主体与界面之间产生微小压差，这一压差必然促使混合气体向界面流动，此流动称为主体流动。界面处组分A被液体吸收、组分B反向扩散离开界面2023/7/817第17页，课件共39页，创作于2023年2月主体流动不同于扩散流（JA或JB）： 扩散流是分子微观运动的宏观结果，它所传递的是纯组分A或纯组分B。

主体流动系宏观运动，它同时携带组分A与B流向界面。 在稳态条件下，主体流动所带组分B的量必恰好等于组分B反向扩散的量，以使CBi保持恒定。2023/7/818第18页，课件共39页，创作于2023年2月 因气相主体与界面间的微小压差便足以造成必要的主体流动，因此气相各处的总压（或CM）仍可认为基本上是相等的，即JA=-JB的前提依然成立。2023/7/819第19页，课件共39页，创作于2023年2月 通过静止或层流气膜中与界面平行的任一静止平面的物流有三个：两个扩散流JA和JB，及一个主体流动NM。

(2)速率方程

设通过静止平面的净物流为N，对平面作总物料衡算可得

N=NM+JA+JB=NM(因为JA=-JB)

式中：N、NM、JA、JB

——kmol/(m2.s)

2023/7/820第20页，课件共39页，创作于2023年2月上式说明，尽管主体流动与净物流的含义不同，但主体流动的速率NM与净物流速率N必相等。为了求出组分A因分子扩散和主体流动而造成的传质速率NA,可在平面PQ处组分A作物料衡算。2023/7/821第21页，课件共39页，创作于2023年2月

NA=JA+NM(CA/CM)

式中：

JA——因组分A存在浓度梯度引起的分子扩散速率；NM(CA/CM)——主体流动中A所占的传递速率。一般情况下，对双组分物系，净物流速率NM既包括组分A,也包括组分B，即NM=NA+NB

2023/7/822第22页，课件共39页，创作于2023年2月故： NA=JA+(NA+NB)(CA/CM)

JA与dCA/dZ有关。

上式分子扩散速率微分式中包含NA和NB两个未知数，只有已知NA和NB之间的关系时，才能积分求解NA。

(3)扩散速率的积分式

注意：吸收过程主体流动所带组分B的量必等于组分B反向分子扩散的量，故惰性组分B的净传递速率NB=02023/7/823第23页，课件共39页，创作于2023年2月所以有 NA=JA+NA(CA/CM)整理并结合前式，可以得到：令则2023/7/824第24页，课件共39页，创作于2023年2月故前面积分式表示单向扩散时，组分A的浓度分布为一对数函数。对气相2023/7/825第25页，课件共39页，创作于2023年2月与等分子反向扩散速率方程相比，单向扩散时多了一个因子CM/CBm或P/pBm。

(CM/CBm)>1，(P/pBm)>1,我们称之为漂流因子（数）。 它反映了主体流动对传质速率的影响，P/pBm增大，主体流动作用加大，对吸收愈好，这就如顺水推舟,水流使船速加大，故称之为漂流因子。2023/7/826第26页，课件共39页，创作于2023年2月小结一下计算公式：2023/7/827第27页，课件共39页，创作于2023年2月液相：讨论1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系2）、——漂流因数，无因次2023/7/828第28页，课件共39页，创作于2023年2月漂流因数意义：其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。漂流因数的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小3）单向扩散体现在吸收过程中。2023/7/829第29页，课件共39页，创作于2023年2月

现代化学工程所要解决的分离与纯化的任务，面临着越来越多、越来越复杂的混合物体系。 质量扩散系数的研究既有代表性又有本质意义。 质量扩散系数的理论与实验研究已经成为化学工程科学中一个重要的基础研究领域。三、扩散系数 质量扩散在气体、液体、固体物质中都可以发生，但各有其特征。分子质量扩散系数2023/7/830第30页，课件共39页，创作于2023年2月特征分别是：气相分子扩散：依靠分子随机热运动液相中溶质分子扩散：可视作刚性小球在连续介质中的缓慢运动固相或多孔介质内的分子扩散：类似于液相的固溶体扩散机制，也有大孔道中分子碰撞机制和毛细孔道中分子与壁的碰撞机制。2023/7/831第31页，课件共39页，创作于2023年2月由气体分子动力学可知道，分子的运动是很快的。如：常温、常压下，其平均速度为数百米/秒；但分子的平均自由程很短（仅10-7米），所以很快改变方向（发生碰撞），所以总体扩散速率慢，扩散系数小。气相扩散系数2023/7/832第32页，课件共39页，创作于2023年2月物质在气体当中的扩散系数，主要取决于温度、压力和气体组分的性质。 压力不高时，基本上与气体浓度无关。2023/7/833第33页，课件共39页，创作于2023年2月在实际应用中，人们更多地是采用半经验公式来计算。比如，Fuller公式

p

－总压（绝），atm T－绝对温度，K ∑υA

、∑υB

－组分A和B的分子扩散体积，cm3/molMA、MB

－组分A和B的分子量

2023/7/834第34页，课件共39页，创作于2023年2月分子扩散体积讲义上的图表（p418）查出。从上式看出，如果已知一定温度、压力下的扩散系数，可以用下式计算另一条件下的扩散系数。2023/7/835第35页，课件共39页，创作于2023年2月常温、大气压条件下某些双组分气体混合物的扩散系数系统温度K扩散系数DAB×104m2/s系统温度K扩散系数DAB×104m2/s空气—Cl22730.124空气—甲苯2980.0844空气—CO22760.142H2—N22980.784空气—SO22930.122H2—NH32930.849空气—H2O2980.260H2—CO2730.651空气—NH32980.229CO2—乙醇2730.0693空气—H22730.611CO2—H2O2980.164空气—C6H62980.0962CO—O22730.185空气—乙醇2980.135N2—NH32930.241空气—甲醇2980.162N2—乙烯2980.1632023/7/836第36页，课件共39页，创作于2023年2月液相扩散系数影响溶质在液体中的扩散系数的因素： 物质的种类、 温度、 溶质的浓度、 溶剂分子的缔合作用。 溶质扩散理论至今尚不成熟，扩散系数的计算目前仍主要采用半经验方法。2023/7/837第37页，课件共39页，创作于2023年2月 例如，