华北理工环境工程原理课件05质量传递

第五章质量传递第五章质量传递第一节环境工程中的传质过程第二节质量传递的基本原理第三节分子传质第四节对流传质本章主要内容气体混合物中组分分离吹脱去除挥发性组分汽提液体混合物中组分分离染料废水处理样品石油烃分离测定气体和液体混合物中组分分离活性炭吸附水中有机物去除水中阴阳离子制作纯水去除水中重金属高分子薄膜为分离介质，组分选择性地透过膜制作纯水截留某些组分去除水、气体和固体中污染物的过程吸收萃取吸附膜分离离子交换——传质过程：……分离中的传质过程：第一节环境工程中的传质过程反应中的传质过程：石灰/石灰水洗涤烟气脱硫催化氧化法净化汽车尾气第一节环境工程中的传质过程质量传递的推动力温度差压力差电场或磁场的场强差浓度差第一节环境工程中的传质过程一个含有两种或两种以上组分的体系组分A的浓度分布不均匀组分A由浓度高的区域向浓度低的区域的转移物质传递现象——传质过程质量传递过程需要解决两个基本问题：过程的极限:过程的速率:相平衡关系以浓度差为推动力的传质过程：质量传递研究内容！第一节环境工程中的传质过程环境工程中常遇到的传质过程：两相间的传质气体的吸收：萃取：吸附、膜分离、生物膜反应：在气相与液相之间传质在液－液两相之间传质在气/液相和固相之间传质单相中的传质流体流过可溶性固体表面溶质在流体中的溶解气固相催化反应单相中的传质速率？第一节环境工程中的传质过程一、传质机理二、分子扩散三、涡流扩散本节的主要内容第二节质量传递的基本原理蓝色由最初的位置慢慢散开，即蓝墨水的分子由高浓度处向低浓度处移动向一杯水中加入一滴蓝墨水————质量传递静止——蓝色由最初的位置慢慢散开，经过较长一段时间后，杯中水的颜色趋于一致搅拌一下——？由分子的微观运动引起——工程上为了加速传质，通常使流体介质处于运动状态－湍流状态，涡流扩散的效果占主要地位——慢由流体微团的宏观运动引起——分子扩散——快涡流扩散第二节质量传递的基本原理一、传质机理分子扩散过程只有在固体、静止流体或层流流动的流体中才会单独发生。由分子的不规则热运动而导致的传递（一）费克定律在某一空间充满A、B组分组成的混合物，无总体流动或处于静止状态21AAcc分子热运动的结果将导致A分子由浓度高的区域向浓度低的区域净扩散，即发生由高浓度处向低浓度处的分子扩散分子扩散的速率？二、分子扩散第二节质量传递的基本原理AAzABdcNDdz在一维稳态情况下，单位时间通过垂直于z方向的单位面积扩散的组分A的量为单位时间在z方向上经单位面积扩散的A组分的量，即扩散通量，也称为扩散速率，kmol/（m2·s）组分A的物质的量浓度，kmol/m3组分A在组分B中进行扩散的分子扩散系数，m2/s组分A在z方向上的浓度梯度，kmol/m3·m——由浓度梯度引起的扩散通量与浓度梯度成正比负号表示组分A向浓度减小的方向传递以摩尔浓度为基准费克定律(5.2.1)第二节质量传递的基本原理（二）分子扩散系数分子扩散系数物质分子扩散能力。扩散系数大，表示分子扩散快。分子扩散系数是物理常数，其数值受体系温度、压力和混合物浓度等因素的影响AzABANDdcdz(5.2.5)第二节质量传递的基本原理（2）溶质在液体中的扩散系数远比在气体中的小，在固体中的扩散系数更小。气体、液体、固体扩散系数的数量级分别为10-5~10-4、10-9~10-10、10-9~10-14m2/s。（3）低密度气体、液体和固体的扩散系数随温度的升高而增大，随压力的增加而降低。，ABD（1）非理想气体及浓溶液,是浓度的函数（二）分子扩散系数第二节质量传递的基本原理涡流扩散系数不是物理常数，它取决于流体流动的特性，受湍动程度和扩散部位等复杂因素的影响。工程中大部分流体流动为湍流状态，在充分发展的湍流中，涡流扩散系数往往比分子扩散系数大得多。：由流体质点强烈掺混所导致的物质扩散涡流扩散三、涡流扩散第二节质量传递的基本原理D定义涡流质量扩散系数AADdcNdz()AAAtABDABeffdcdcNDDdzdz有效质量扩散系数DABeffD一、传质机理二、分子扩散——费克定律三、涡流扩散本节的主要内容第二节质量传递的基本原理微观运动——分子扩散——慢宏观运动——涡流扩散——快——充分发展的湍流中，传质过程以涡流扩散为主在静止介质中由于分子扩散所引起的质量传递问题静止流体相界面组分A通过气相主体向相界面扩散依靠分子扩散,AAicc,0AAccNA在相界面附近，组分A沿扩散的方向将建立一定的浓度分布第三节分子传质水含有氨的废气苯－甲苯体系苯NB单向扩散等分子反向扩散甲苯第三节分子传质空气与氨的混合气体（静止）氨空气氨的分压p减小流体自气相主体向相界面流动空气分压增大——反向扩散可视为空气处于没有流动的静止状态相界面氨的扩散量增加相界面上，氨溶解于水气相总压减小第三节分子传质一、单向扩散氨传质过程：氨溶解于水氨分压降低相界面处的气相总压降低流体主体与相界面之间形成总压梯度流体主体向相界面处流动氨的扩散量增加流动氨空气相界面上空气的浓度增加空气应从相界面向混合气体主体作反方向扩散相界面处空气的浓度（或分压）恒定可视为空气处于没有流动的静止状态空气氨溶解于水第三节分子传质第三节分子传质氨流动氨空气空气AAzABdcNDdz扩散系数在低压下与浓度无关总通量＝流动所造成的传质通量＋叠加于流动之上的分子扩散通量总通量＝？扩散通量d()dAAAABABccNDNNzc费克定律的普通表达形式(5.3.5)分子扩散通量流动所造成的传质通量第三节分子传质第三节分子传质BN=0ddAAABAccNDccz组分B在单向扩散中没有净流动，所以单向扩散也称为停滞介质中的扩散在稳态情况下为定值AN,AAicc,0AAcc,0,0dAAiLcABAAcADcNdzccc在恒温恒压条件下，式中为常数，所以ABDc气相主体:相界面:z=0z=L(5.3.6),0,,,0,lnBBiBmBBiccccc,,0,()ABAAiABmDcNccLc惰性组分在相界面和气相主体间的对数平均浓度扩散推动力(5.3.9)(5.3.10)第三节分子传质根据pcRT)(0,,,AiAmBABAppRTLppDNiBBiBBmBppppp,0,,0,,ln,,0,()ABAAiABmDcNccLc总压强惰性组分在相界面和气相主体间的对数平均分压组分A在相界面的分压组分A在相主体的分压(5.3.11)(5.3.10)第三节分子传质(一)扩散通量0ABNN没有流体的总体流动，因此AAABdcNDdz特征二、等分子反向扩散(5.3.16)第三节分子传质苯－甲苯体系苯NB甲苯d()dAAAABABccNDNNzc在稳态情况下为定值AN,AAicc,0AAcc在等温等压条件下，式中为常数，所以ABD气相主体:相界面:z=0z=L,0,0AAiLCAABACNdzDdc,,0()ABAAiADNccL(5.3.17)第三节分子传质,,0,()ABAAiABmDcNccLc,Bmcc单向扩散漂移因子因总体流动而使组分A传质通量增大的因子等分子反向扩散,,0()ABAAiADNccL第三节分子传质一、对流传质过程的机理及传质边界层二、对流传质速率方程本节的主要内容第四节对流传质第四节对流传质分子扩散涡流扩散质量传递将受到流体性质、流动状态以及流场几何特性等的影响。(一)对流传质过程的机理＋层流区湍流区,0AC,AiC质量传递固体壁面附近形成浓度分布？传质的机理,0AC,AiC一、对流传质过程的机理及传质边界层层流底层湍流核心区过渡区湍流区第四节对流传质层流区——分子扩散——涡流扩散——分子扩散和涡流扩散分子扩散(二)传质边界层可以认为质量传递的全部阻力都集中在传质边界层内c传质边界层的名义厚度定义为Sc1c时具有浓度梯度的流体层传质边界层,0Ac,Aiccc,,0,()0.99()AAiAAicccc第四节对流传质二、对流传质速率方程G,0,()AAiCC有效膜层或虚拟膜层Gl,0Ac,Aic整个有效膜层的传质推动力为浓度分布全部传质阻力集中在有效膜层第四节对流传质对流传质系数，也称传质分系数，下标“c”表示组分浓度以物质的量浓度表示，m/s对流传质速率方程,,0()AcAiANkcc传质系数体现了传质能力的大小，与流体的物理性质、界面的几何形状以及流体流动状况等因素有关。cAiAAkccN1)(0,,组分浓度常用分压表示界面上组分A的分压，N/m2气相主体中组分A的分压气相传质分系数，kmol/（m2·s·Pa）液相传质分系数，m/s气相与界面的传质液相与界面的传质)(0,,AiAGAppkN,,0()ALAiANkcc第四节对流传质(5.4.5)(5.4.6)两种典型情况其对流传质系数的表达形式不同单向扩散等摩尔反向扩散对流传质单相中在虚拟膜层内的分子扩散第四节对流传质双组分系统中，A和B两组分作等分子反向扩散时，BANN对流传质系数用表示，则0Ck0,,0()AcAiANkcc相应的分子扩散速率为,,0()ABAAiAGDNccl0ABcGDkl虚拟膜层的厚度第四节对流传质1.等分子反向扩散时的传质系数(5.4.11)(5.4.12)2.单向扩散时的传质系数双组分系统中，组分A通过停滞组分B作单向扩散时，0BN对流传质系数用表示。则ck,,0()AcAiANkcc相应的分子扩散通量为故组分B的对数平均摩尔分数,,0,()ABAAiAGBmDcNcclc,,ABABcBmGBmGcDDkclxl0,ccBmkkx第四节对流传质(5.4.13)(5.4.14)组分A的对流传质速率，kmol/（m2·s）——传质通量对流传质速率方程,,0()AcAiANkcc第四节对流传质(5.4.4)【例题5.4.2】填料床内装填直径为0.2cm的苯酚粒子，纯水以表观速度5cm/s流过床层，通过100cm床层高度后，水中苯酚浓度为饱和浓度的62％，已知单位床层体积的苯酚表面积为23cm2，试求该系统的传质系数。解：在填料床中取微元段,微元体积为，为填料床横截面积dzdzAA在微元段内对苯酚作质量衡算，稳态情况下，流出量－流入量－溶解量＝0zaANAd溶解量:a为单位床层体积的苯酚表面积dzA,d()d0AAsAuAckccaAz流入量流出量,d()d0AAsAuAckccaAz饱和浓度(d)AAuAccAuAc第四节对流传质分离变量，并在z=0，CA=0和z=1m，CA=0.62CA,s之间积分，得,0.62100,1dcdAscAAsAakzccu4,,,0.6212310ln0.05AsAsAscckc解得21km/s,d()d0AAsAuAckccaAz第四节对流传质动量传递热量传递质量传递强化传递速率的方法湍流流动对流传热对流传质边界层流动边界层传热边界层传质边界层边界层定义速度梯度温度梯度浓度梯度边界层厚度流态与传递机理层流底层导热分子扩散缓冲区对流与导热分子扩散和涡流扩散湍流中心对流涡流扩散传递阻力推动力层流底层——层流底层温度差层流底层浓度差传递速率——yuxddyTddyddcAu=0.99u0(T-TW)＝0.99(T0-TW),,0,()0.99()AAiAAiccccmQTKA,,0()AcAiANkcc第五章质量传递第一节环境工程中的传质过程第二节质量传递的基本原理第三节分子传质第四节对流传质本章主要内容单相？两相？分子扩散？涡流扩散？,,0()ABAAiAGDNccl,,0,()ABAAiAGBmDcNcclc,,0()AcAiANkcc