第4章传质过程

第四章传质过程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气相（乙醇-水）乙醇水液相（乙醇-水）蒸馏相界面水pG气相主体pi液相主体传质方向CiCL空气+氨气吸收固系统：如干燥操作—气操作固系统：如结晶、浸取—液作液系统：如液液萃取操—液操作液系统：如蒸馏、精馏—气等单元操作液系统：如吸收、解吸—气空气水湿物料干燥相界面水CG液相主体Ci液相主体传质方向CL氯仿（含醋酸）液液萃取非均相混合物均相混合物分离场、电场、磁场等加场，如浓度场、温度加入能量分离剂加入另外一种物质作为方法§2传质过程机理--------物质从一相主体通过相界面向另一相主体的扩散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。相界面水pG气相主体pi液相主体传质方向CiCL空气+氨气吸收--------相际间传质的最终状态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。dldcDNAABOA,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拌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。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,0)()(2,1,2,1,02,1,AAAAAAccAlAAABAppRTlDNcclDNdcDdlNdldcDNAA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。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。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。DpRTlpppNmBiAAA,,1,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。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23/13/12/1,,75.16])()[()].1()/1[(10013.1BABrArVVpMMTD6.02/118)(10859.1VTMDr半经验公式估算在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=34Mr，B=29T=273+20=293KP=1.013×10-5Pa23/13/12/1,,75.16])()[()].1()/1[(10013.1BABrArVVpMMTD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。dldcDdldcDNAEAA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。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。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。dldpRTDdldcDNAAAdldpRTDDdldcDDNAEAEA)(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)(,,iAAmBGApppRTlDpN)(,,AiAmBMLAcccclDN•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。•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。)()(,,AiALAiAAGAcckNppkN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。双膜理论•在气、液两相之间有稳定界面，溶质以分子扩散的形式连续通过这两个膜层，膜层厚度随流体的流动状态而变化。•界面上没有传质阻力，且成平衡状态，•在气、液之体内，由于流体充分湍动，溶质的浓度分布基本均匀，浓度梯度为零。即浓度梯度全部集中在有效膜内。本章小结•单相传质原理1）静止流体内部的分子扩散原理2）流动流体内部的对流扩散（传质扩散）原理•相间传质的模型理论与传质速率方程式