化工原理传质导论

化工原理传质导论第1页，课件共56页，创作于2023年2月简单回顾1：

化工原理在化工领域中的地位

本课程，不是教学生如何合成得到新物质？如何提取新物质？如何表征新物质？这是化学家的事。化学工程研究的是：如何把化学家们的小试研究成果开发放大为中试，再开发为生产规模。是在科学实验与化工之间架桥的工作，是直接为人类服务的创造价值的劳动。“单元操作”（UnitOperations）化工生产=单元操作+单元过程（化学反应）化学工程=化工原理+反应工程=三传+一反三传=动量传递+热量传递+质量传递第2页，课件共56页，创作于2023年2月简单回顾2：动量传递（动量扩散）（动量通量）=-（动量扩散系数）×（动量浓度梯度）热量传递（热量扩散）（热量通量）=-（热量扩散系数）×（热量浓度梯度）现象（唯象）方程（phenomenologicalequation）

分子传递基本定律，在固体中、静止或层流流动的流体内才会产生这种传递过程。质量传递（扩散）？

？（质量通量）=-（质量扩散系数）×（质量浓度梯度）（通量）=-（扩散系数）×（浓度梯度）第3页，课件共56页，创作于2023年2月简单回顾3：以“三传”为物理内核的单元操作第4页，课件共56页，创作于2023年2月排名公司标志公司名称主要业务营业收入亿美元131

中国石化炼油750.77346中国石油天然气炼油677.248287中化集团

贸易203.81中国企业在2005年度世界500强（18家）中化工企业的排位

第5页，课件共56页，创作于2023年2月化工原理II教学组织及要求1．化工原理II讲课学时安排《化工原理》下册，教学大纲共计54学时。第八章传质过程导论8学时第九章吸收12学时第十章蒸馏18学时第十三章

干燥12学时复习4学时2．教学环节与要求课堂教学（思路和概念为主）：认真听讲、记笔记，不迟到、早退，保证出勤率预习、复习、练习作业：严谨，独立完成，及时答疑，平时成绩30%。一般每周二上课前交齐,学习委员负责答疑：地点：系办公室期末考试(闭卷)第6页，课件共56页，创作于2023年2月相关的参考资料参考教材1、《化工原理》（上、下），谭天恩等，化学工业出版社2、《化工原理》（上、下），陈敏恒等，化学工业出版社辅助教学资料：1、《化工原理学习指南-问题与习题解析》，姚玉英等，天津大学出版社2、《化工原理例题与习题》，姚玉英，化学工业出版社3、《化工原理教与学》，陈敏恒等，化学工业出版社4、《化工原理例题详解》，陈敏恒等，化学工业出版社5、《化工原理习题精解》（上、下），何潮洪等，科学出版社6、《化工原理详解与应用》，丛德滋，化学工业出版社网络资源：超星电子图书（图书馆）；化工原理网络课程网页上的教学园地；其它。第7页，课件共56页，创作于2023年2月第八章传质过程导论目的：1、了解传质的重要性；

2、掌握相组成的多种表示方法；

3、掌握扩散原理；

4、掌握三种传递之类比；

5、了解传质设备。重点：扩散原理（分子扩散，稳定、不稳定扩散，等摩尔相互扩散，单向扩散，涡流扩散，对流扩散）的理解，掌握相互间之差别。难点：相组成的表示；扩散原理。第8页，课件共56页，创作于2023年2月第一节概述§8-1化工生产中的传质过程单元操作动量传递质量传递热量传递流体输送、机械分离、沉降、流态化等加热、冷却、蒸发等吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥、膜分离等均相中，溶质由一相转移到另一相的过程。第9页，课件共56页，创作于2023年2月吸收过程（Absorption）利用不同气相组份在液相溶剂中的溶解度差异，进行选择性的吸收分离依据ΔP、ΔCΔy、Δx气相A+B液相A+SAA脱收吸收相界面传质推动力第10页，课件共56页，创作于2023年2月萃取过程（Extraction）利用液相各组分在溶剂中的溶解度差异传质推动力ΔC、Δx液相A+B液相A+SA萃取相界面分离依据第11页，课件共56页，创作于2023年2月蒸馏过程（Distillation）利用液相各组分的挥发度差异传质推动力ΔP、ΔCΔy、Δx气相A+B液相A+BAB精馏相界面分离依据第12页，课件共56页，创作于2023年2月吸附和干燥过程气液相A+B固相CAA脱附吸附相界面吸附过程固相A+B气相C+AA干燥相界面A干燥过程热量第13页，课件共56页，创作于2023年2月气相液相相界面PGPiCiCLΔPΔC主体主体溶质由气相主体向气液相界面的扩散推动力溶质由气液相界面向液相主体的扩散推动力传质过程（吸收）的共性气相传质液相传质溶解第14页，课件共56页，创作于2023年2月②平衡状态③衡量单位b、溶质A在相界面上溶解，溶解过程；传质：虽然各相内主体浓度相等，但界面附近区域的浓度不相等；理想假设：气液界面浓度服从亨利定律Pi=Ci/H传热：K或℃传质：浓度或组成的单位复杂①传质步骤a、溶质A由气相主体到相界面，气相内传递；c、溶质A自相界面到液相主体，液相内传递。传热：温度处处相等第15页，课件共56页，创作于2023年2月§8-2相组成的表示方法1、质量分数和摩尔分数A、质量分数ωi：组分i的质量占总质量的分率或百分率B、摩尔分数xi：组分i的摩尔数与混合物总摩尔数之比物系是气相时，习惯用yi来代表气相摩尔分数，关系同上第16页，课件共56页，创作于2023年2月C、之间的关系第17页，课件共56页，创作于2023年2月2、质量比和摩尔比常在双组分体系中用质量比或摩尔比来代表组成关系质量比摩尔比同理第18页，课件共56页，创作于2023年2月3、浓度：单位体积物质量质量浓度摩尔浓度Kg/m3Kmol/m3浓度与其他组成的关系极稀溶液第19页，课件共56页，创作于2023年2月质量浓度气体混合物的摩尔比气体混合物的质量比对于气体混合物（理想气体）摩尔浓度摩尔分数第20页，课件共56页，创作于2023年2月第二节扩散原理

§8-3基本概念和费克(Fick)定律流体中物质扩散的基本方式：

扩散方式分子扩散涡流扩散作用物流体分子流体质点作用方式热运动湍动和旋涡作用对象静止、滞流湍流扩散：物质在单一相内的传递过程

第21页，课件共56页，创作于2023年2月在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处这种现象称为分子扩散。1、分子扩散（moleculardiffusion)AAABAAAAAAABBBBBBBBBAAABABABBABBABAⅠⅡ第22页，课件共56页，创作于2023年2月2、Fick定律1）扩散通量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，J表示，kmol/(m2·s)。2）Fick定律：对双组分体系，在稳态下组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。JA——组分A扩散速率（扩散通量），kmol/（m2·s）；

—组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；

DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行。

第23页，课件共56页，创作于2023年2月对理想气体，常用分压梯度来表示如果沿传质Z方向无温度梯度变化，即Fick定律第24页，课件共56页，创作于2023年2月几点说明：A、与导热不同，分子扩散的特点是：当一个分子沿扩散方向移去后，留下的空位由其他分子填空。B、对JA的定义是通过“分子对称”的截面：既有一个净A分子通过这截面，也有相等的净B分子反方向通过同一截面，填补A的净空位。C、分子对称面在空间上既可以是固定，也可以是移动的。第25页，课件共56页，创作于2023年2月注意！

虽然扩散是物质分子热运动的结果，但物质A的扩散速度并不等于在扩散温度下单个分子的热运动速度。动量传递（扩散）热量传递（扩散）质量传递（扩散）扩散并不单独占有任何空间扩散占据一定空间（通量）=-（扩散系数）×（梯度）费克定律同傅利叶定律和

牛顿粘性定律第26页，课件共56页，创作于2023年2月§8-4一维稳定分子扩散A、等摩尔相互扩散－－精馏操作B、单向扩散－－吸收过程1、等摩尔相互扩散(EquimolarCounterDiffusion)PA1PB1PA2PB2JAJBFⅠⅡ两容器中总P、T相等，PA1>PA2,PB1<PB2;组分A从Ⅰ向Ⅱ扩散净量等于组分B从Ⅱ向Ⅰ扩散净量。F—分子对称面（固定）第27页，课件共56页，创作于2023年2月相对F截面，A扩散通量：同理，B扩散通量：分子对称面，大小相等，方向相反总压一定第28页，课件共56页，创作于2023年2月传质速率方程推导边界条件积分：令扩散距离Z2-Z1=Z，则第29页，课件共56页，创作于2023年2月在传质过程计算中，传质速率是相对于空间固定截面而言，用符号NA表示，定义为单位时间内通过单位固定截面的物质量。JA是通过分子对称面，此处是固定的。同理对于液相中的相互扩散，总浓度c=cA+cB认为是常数；同理得到：第30页，课件共56页，创作于2023年2月PA122’11’FF’ABABZ2、单向扩散(UnidirectionalDiffusion)在吸收过程中，我们假设：A、气液相界面只容许溶质A通过，惰性气体B不通过；B、溶剂S不汽化：不逆向通过界面。NA,bNB,bNbNAJAJBPA2单向扩散中存在总体流动(摩尔流动)：1）因分子本身扩散引起的宏观流动；2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率。分子对称面随总体流动向界面推移，而不是一固定界面。固定截面而言，单向扩散是总体流动和分子扩散的总效应第31页，课件共56页，创作于2023年2月1）通过固定截面F-F’的各通量：PA122’11’FF’ABABZNA,bNB,bNbNAJAJBPA2传质速率方程推导A的分子扩散JA总体流动Nb其中总浓度C＝CA＋CB＝P/RT2）逆向通过截面F-F’的是B分子扩散：3）通过相界面2-2’的只有A的溶解通量NA第32页，课件共56页，创作于2023年2月取截面F-F’及2-2’之间的体系进行物料衡算PA122’11’FF’ABABZNA,bNB,bNbNAJAJBPA2对组分A对组分B总体任一界面处B的分子扩散与总体流动方向相反，大小相等，没有净传质，是停滞的。总体流动通量Nb与A穿过界面2-2’的传质通量NA相等第33页，课件共56页，创作于2023年2月由组分B的恒算式代入组分A恒算式得边界条件第34页，课件共56页，创作于2023年2月代表初终截面处PB的对数平均值令第35页，课件共56页，创作于2023年2月单向扩散速率方程等摩尔相互扩散速率方程漂流因子（DriftFactor）：其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值>1,为总体流动使传质速率较分子扩散增大的倍数。

分压PA高(PB低)时，漂流因数大，总体流动的影响大。分压PA低(PB高)时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。单向扩散与等摩尔相互扩散相差无几。对液相中的单向扩散表示液相扩散初终截面处溶剂S的对数平均浓度值第36页，课件共56页，创作于2023年2月ppB1pA1pA2pB2扩散距离z0zpppB1pA1pA2pB2扩散距离z0zp单向扩散等摩尔相互扩散PA、PB沿Z变化是直线函数PA、PB沿Z变化是指数函数两种扩散的比较第37页，课件共56页，创作于2023年2月§8-5扩散系数扩散系数：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；D，m2/s。D的影响因素：A、B、T、P、浓度。D的来源：查手册；半经验公式；测定。1）气相中的扩散系数范围：10-5～10-4m2/s

Fuller经验公式双状况下第38页，课件共56页，创作于2023年2月2）液相中的扩散系数由于分子密集，扩散系数比气体要小的多，范围：10-10～10-9m2/s

对极稀的非电解质溶液：

双状况下第39页，课件共56页，创作于2023年2月第三节流体与界面间传质1、湍流扩散特点（TurbulentDiffusion）1）存在着杂乱的质点涡流运动：既有主体方向上的整体流动也有其他方向上的脉动运动。2）质点脉动引起的物质扩散要比分子扩散大得多。3）涡流或脉动的复杂性，尚不能从理论上进行分析计算。效仿分子扩散，借用Fick定律的形式来表示：——涡流扩散（EddyDiffusion）速率，kmol/(m2·s)；

——涡流扩散系数，m2/s。涡流扩散系数DE是随流动状况以及位置等而变的，属于非物性；分子扩散系数D是一种物性，在P、T、xi一定时，是常数。第40页，课件共56页，创作于2023年2月湍流流体中同时存在着分子扩散和涡流扩散，总扩散速率JAT为两者之和：湍流区：DE>>D,分子扩散几乎可以忽略；层流底层区：DE≈0，涡流扩散可忽略；过渡区：DE、D在一个数量级，均不可忽略。分子扩散DE第41页，课件共56页，创作于2023年2月气相液相2、膜模型（FilmModel）pApAicAicAcA’pA’FGHδδ’EδLδGE’液相有效层流膜厚气相有效层流膜厚膜模型双膜理论第42页，课件共56页，创作于2023年2月我们可以认为

(1)由气相主体到相界面的扩散速率等于通过厚度为δG的有效层流气膜的分子扩散速率；(2)由相界面到液相主体的扩散速率等于通过厚度为δL的有效层流液膜的分子扩散速率。

——以气相分压差表示推动力的气相传质系数，kmol/（m2·s·Pa）——以液相浓度差表示推动力的液相对流传质系数，m/s）第43页，课件共56页，创作于2023年2月由W.K.Lewis和W.G.Whitman在上世纪二十年代提出，是最早出现的传质理论。双膜理论的基本论点是：(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（当量厚度分别为1和2）的流体膜层。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。(2)相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。(3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。气相主体液相主体相界面pi=ci/Hp12pi

ci

c气膜液膜双膜理论第44页，课件共56页，创作于2023年2月按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式地结果k∝D0.67相差较大；由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但当量膜层厚度1和2以及界面上浓度pi和ci都难以确定；双膜理论存在着很大的局限性，忽视了溶质在膜内是一个积累过程，既忽略了两相初接触时的无浓度梯度阶段；例如对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的；该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，