传质过程课件

重点：传质过程机理

难点：传质速率方程4.传质过程化学与环境工程学院李强11:48:134传质过程（45）24.1传质过程概述

什么是传质过程？在一个多组分的物系中，若存在浓度梯度，则某一组分将会由高浓度区向低浓度区转移，该过程称为传质过程。传质过程可以在一相中进行，也可以在两相间进行。在两相间的传质过程称为传质分离过程。11:48:134传质过程（45）3传质分离操作的种类（1）气体吸收选择一定的溶剂（外界引入第二相）造成两相，以分离气体混合物。如用水作溶剂来吸收混合氨，它是利用氨和其它气体在水中溶解度的差异进行分离的。（2）液体蒸馏对于液体混合物，通过改变状态，如加热气化，使混合物分为两相，它是利用混合物中不同组分挥发性的差异进行分离

的。11:48:134传质过程（45）4（3）固体干燥对含一定湿分（水或其它溶剂）的固体提供一定的热量，使溶剂汽化，利用湿分压差，使湿分从固体表面或内部转移到

气相，从而使含湿固体物料得以干燥。（4）液-液萃取向液体混合物中加入某种溶剂，利用液体中各组分在溶剂中溶解度的差异分离液体混合物，在其分离过程中，溶质由一

液相转移到另一液相。传质分离操作的种类11:48:134传质过程（45）5（5）结晶对混合物（蒸汽、溶液或熔融物）采用降温或浓缩的方法使其达到过饱和状态，析出溶质，得到固体产品。（6）吸附利用多孔固体颗粒选择性地吸附混合物（液体或气体）中的一个组分或几个组分，从而使混合物得以分离。其逆过程为脱附过程。（7）膜分离利用固体膜对混合物中各组分的选择性渗透从而分离各个组分。传质分离操作的种类11:48:134传质过程（45）64.2传质过程机理当不平衡的气液两相接触时，若y>y*，则溶质从气相向液相传递，为吸收过程，该过程包括以下三个步骤：气相y液相气相界面层y*液相界面层对流过程扩散过程气体分子在液相中溶解相界面11:48:134传质过程（45）7不论溶质在气相或液相，它在单一相里的传递有两种基本形式，一是分子扩散，二是对流扩散(涡流扩散）。

（1）溶质由气相主体向相界面传递，即在单一相（气相）内传递物质。特点：单相中的传质，对流过程（2）溶质在气液相界面上溶解，由气相转入液相，即在相界面上发生溶解过程。特点：相际传质，溶解过程（3）溶质自气液相界面向液相主体传递，即在单一相（液相）内传递物质。特点：单相中的传质，分子扩散11:48:134传质过程（45）84.2.1单相中的传质一、分子扩散分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差(浓度梯度)，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。11:48:134传质过程（45）9分子扩散现象：如图所示的容器中，用一块隔板将容器分为左右两室，两室分别盛有温度及压强相同的A、B两种气体。当抽出中间的隔板后，分子A借分子运动由高浓度的左室向低浓度的右室扩散，同理气体B由高浓度的右室向低浓度的左室扩散，扩散过程进行到整个容器里A、B两组分浓度均匀为止。11:48:134传质过程（45）10扩散速率：扩散进行的快慢用扩散速率来衡量，定义为：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，称为扩散速率，以符号JA表示，单位为mol/(m2·s)。11:48:134传质过程（45）11Fick定律(1855年）：

由两组分A和B组成的混合物，在恒温恒压的定常态条件下，若组分A只沿z方向扩散，浓度梯度为dcA/dz，则任一点处组分A的扩散速率与该处A的浓度梯度成正比，此定律称为Fick定律，其数学表达式为：式中负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反，即扩散沿着浓度降低的方向进行。JA分子扩散速率，也称为扩散通量，kmol/㎡·sdcA/dz浓度梯度，mol/m4,DAB扩散系数，㎡/s11:48:134传质过程（45）12分子扩散系数分子扩散系数的物理意义分子扩散系数D为单位浓度下的扩散速率，单位m2/s.分子扩散系数反映了混合物中某一组分在一定的介质（气相或液相）中的扩散能力，是物质的属性之一。其大小随物质的种类、温度、浓度和总压的不同而变化。其值由实验或经验公式确定。11:48:134传质过程（45）13分子扩散系数气体分子在气体中的扩散系数

某些情况也可由(Fuller-Schettler-Giddings)经验公式确定：

需要修正，可用式：

一般情况下，可由有关手册查到相关数据。

V：分子的扩散体积11:48:134传质过程（45）14分子扩散系数溶质在溶液中的扩散系数

某些低浓度的非电解质溶液也可由(Wilke-Chang)经验公式确定：

一般情况下，可由有关手册查到相关数据。

A为溶质，B为溶剂。VA：溶质摩尔体积。φB为溶剂的缔合参数。11:48:134传质过程（45）15三传类似动量传递牛顿黏性定律热量传递傅立叶定律质量传递菲克定律如此研究问题，俺也会11:48:134传质过程（45）16Fick定律的分压表示对于理想混合物，组分A的浓度cA与其分压的关系为：代入Fick定律为：由理想气体方程有：11:48:134传质过程（45）17等摩尔相互定常态扩散两容器等温、等压，分别装有不同浓度的A、B混合气体。当通过连通管内任一截面处的两个组分的扩散速率大小均相等时，此扩散称为等物质的量反向定常态扩散。

11:48:134传质过程（45）18传质速率NA、NB传质速率：在任一固定的空间位置上，单位时间内通过垂直于传递方向的单位面积传递的物质量，称为传质速率（传质通量）记作NA。在等摩尔相互定常态扩散中，组分A的传质速率等于其扩散速率，即：11:48:134传质过程（45）19等摩尔相互定常态扩散混合物总的浓度在各处是相等的，即c=cA+cB=常数故有：所以：11:48:134传质过程（45）20等摩尔相互定常态扩散速率方程利用边界条件：Z=0,cA=cA1;Z=Z,CA=cA2,对式：进行分离变量积分，得：11:48:134传质过程（45）212.单方向扩散的描述总体流动：(吸收过程)①气相主体中的组分A（如氨）扩散到界面，通过界面进入液相(如水），使界面处分压减小，在气相主体和界面之间产生分压力梯度，则组分A从气相主体向界面扩散。②由于A的溶解，B（如惰性气体）组分的分压略有增加，而使组分B由界面向气相主体反向扩散，但由于相界面不能提供组分B，造成在界面左侧附近总压降低，使气相主体与界面产生一小压差，促使A、B混合气体由气相主体向界面处流动，此流动称为总体流动NAMNBM。11:48:134传质过程（45）22

组分A从气相主体至界面的传递速率NA为分子扩散JA和总体流动中A的传质速率NAM两项之和，即：A从气相主体至界面的传递速率NA11:48:134传质过程（45）23惰性组分B的反方向扩散传递速率JB

在界面附近的组分A溶于液相，而组分B不溶，且组分B还随总体流动从气相主体向界面移动，故在总压一定的条件下，界面处A的分压减少，B的分压增大，必将在界面和主体之间产生组分B的分压梯度，导致组分B从界面向气相进行反向分子扩散，其速率用JB表示，而从主体向界面的总体流动所携带的组分B，其传递速率用NBM表示，NBM和JB两者数值相等，方向相反，达到动平衡。即：

11:48:134传质过程（45）24单方向扩散速率方程则：

代入：

B的反方向扩散传递速率中，有：

由于主体扩散中，有：

即：

11:48:134传质过程（45）25单方向扩散速率方程又由于在等物质的量反向分子扩散中，有：

故：11:48:134传质过程（45）26单方向扩散速率方程

则：

得：

稳态下NA是一恒定值，故：在理想气体扩散中，有：

11:48:134传质过程（45）27单方向扩散速率方程令：

则：改写为：

用组分的分压表示：

11:48:134传质过程（45）28

在单方向的静止或层流流动的流体内，A物质通过单位面积的传质速率与其（溶质）的分压差成正比；与温度、扩散距离以及惰性组分B对数平均分压成反比。单方向扩散速率方程的说明：11:48:134传质过程（45）29若用组分A的浓度cA代替分压，则有：式中：用浓度表示的单方向扩散速率方程11:48:134传质过程（45）30式中：漂流因子（漂流因素、移动因子）漂流因子（漂流因素、移动因子）漂流因子是一个大于1的量。反应了整体流动对传质速率的影响程度，浓度愈大，传质速率是分子扩散速率的倍数。当浓度较低时，漂流因子近似为1.11:48:134传质过程（45）3111:48:134传质过程（45）3211:48:134传质过程（45）3311:48:134传质过程（45）3411:48:134传质过程（45）3511:48:134传质过程（45）3611:48:134传质过程（45）3711:48:134传质过程（45）3811:48:134传质过程（45）39对流传质过程发生在湍流流动的流体中，靠流体微团的脉动进行的。传质层流底层气体液体cALcAGcAi气膜液膜湍流主体边界层边界层对流传质机理分析1.湍流主体因浓度均一无传质阻力；2.层流底层传质方式为分子扩散，阻力最大；3.过渡区（湍流主体与层流底层之间）传质方式为分子扩散和对流传质（脉动）。11:48:134传质过程（45）40对流传质速率方程

对流传质速率方程用近似的Fick定律来描述，其数学表达式为：JAE对流扩散速率，也称为对流扩散通量，kmol/㎡·sdcA/dz浓度梯度，mol/m4,DE对流扩散系数，㎡/s在湍流体系中，物质的扩散主要靠对流扩散，也有分子扩散，故：11:48:134传质过程（45）41对流传质速率方程（双膜模型）要点：

(1)

相界面两侧流体的对流传质阻力全部集中在界面两侧的两个停滞膜内，膜内传质方式为分子扩散。

(2)相界面上没有传质阻力，即可认为所需的传质推动力为零，或气液两相在相界面处达到平衡。气膜液膜11:48:134传质过程（45）42若为单向扩散，在液相中有：令：对流传质速率方程同理，令：KL：液膜传质分系数m/s;KG：气膜传质分系数kmol/s.m2.Pa;11:48:134传质过程（45）43双膜模型缺陷：

③界面阻力不计，这是一个尚有争议的问题。①只适用与有固定相界面的情形；②，与实际有差别；11:48:134传质过程（45）44对流传质速率方程

（溶质渗透模型：希格比（Higbie）1935年提出）11:48:134传质过程（45）45它是溶质渗透模型的修正。总之，由于传质的复杂性，目前尚没有一个完