环境工程原理-第四章-质量传递

第四章质量传递第一节质量传递的基本概念第二节质量传递的基本原理第三节质量传递的基本方式第四节环境工程中的传质过程本章主要内容第一节传质的基本概念简介传质是指在两种或两种以上的组元构成的混合物系中，如果其中各处浓度不同(存在浓度差)时，则必发生减少浓度不均匀性的过程，各组元将由浓度大的地方向浓度小的地方迁移，即质量传递现象。一、浓度浓度定义：单位容积中物质的量称为浓度。浓度表示方法：质量浓度(m/V):单位为kg/m3或g/cm3摩尔浓度(n/V):单位为kmol/m3或mol/cm3组分A的质量浓度ρA:单位容积混合物中含有组分A的质量若混合物由几种组分构成，则混合物的质量浓度为:VmAAnii1（一）质量浓度组分A的质量浓度与总质量浓度之比，称为质量分数ωＡ：niiAAniiAAmm111组分A的质量浓度与总质量浓度之比，称为质量分数ωＡ：niiAAniiAAmm111组分A的摩尔浓度cＡ：单位容积混合物中含有组分A的摩尔数。niiAAAAAccRTpMVnc1RTpVncpiV＝niRT（二）（物质的量）浓度摩尔分数：固体和液体：xA=cA/c气体：yA=cA/cyA=pA/p1111niiniiyx二、速度(一)以静止坐标为参考基准在双组分混合物流体中,组分A和B相对于静止坐标系的速度分别以uA和uB表示。当uA≠uB时,混合物的平均速度可以有不同的定义。例如,若组分A和B的质量浓度分别为和,则混合物流体的质量平均速度u定义为类似地,若组分A和B的(物质的量)浓度分别为cA和cB,则混合物流体的质量平均速度un定义为)(1BBAAuuu)(1BBAAnucuccu(二)以质量平均速度u为参考基准以质量平均速度为参考基准时,所能观察到的是诸组分的相对速度,混合物总体、A组分和B组分相对于质量平均速度的扩散速度分别为,u-u=0，uA-u和uB-u。(三)以摩尔平均速度um为参考基准若以摩尔平均速度为参考基准,所能观察到的同样是诸组分的相对速度,混合物总体、A组分和B组分相对于摩尔平均速度的扩散速度分别为,um-un=0,uA-um和uB-un。第二节质量传递的基本原理传质过程•相内传质过程•相际传质过程相内传质过程：物质在一个物相内部从浓度(化学位)高的地方向浓度(化学位)高的地方转移的过程实例：煤气、氨气在空气中的扩散，食盐在水中的溶解等等相际传质过程：物质由一个相向另一个相转移的过程相际传质过程是分离均相混合物必须经历的过程，其作为化工单元操作在工业生产中广泛应用，如蒸馏、吸收、萃取等等一、质量传递与动量传递、热量传递传质过程与动量传递、热量传递过程比较有相似之处，但比后二者复杂。例如与传热过程比较，主要差别为：(1)平衡差别传热过程的推动力为两物体(或流体)的温度差，平衡时两物体的温度相等；传质过程的推动力为两相的浓度差，平衡时两相的浓度不相等。例如1atm,20ºC下用水吸收空气中的氨，平衡时液相的浓度为0.582kmol/m3，气相的浓度为3.28×10-4kmol/m3，两者相差5个数量级(2)推动力差别传热推动力为温度差，单位为ºC，推动力的数值和单位单一；而传质过程推动力浓度有多种表示方法无(例如可用气相分压、摩尔浓度、摩尔分数等等表示)，不同的表示方法推动力的数值和单位均不相同。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——快涡流扩散二、传质机理二、传质机理行传质的方式靠流体质点的脉动来进中，涡流扩散：在湍流流动的方式靠分子运动来进行传质流流动的流体中，分子扩散：静止的或层传质方式传质方式分子扩散：物质依靠分子运动从浓度高的地方转移到浓度低的地方，称为分子扩散。分子扩散在静止或呈层流流动的流体中进行。实例：空气中气味的传播，食盐在静止的水中的溶解等等。分子扩散是在一相内部因浓度梯度的存在，由于分子的无规则的随机热运动而产生的物质传质现象。尽管分子运动向各方向是无规则的，但是在浓度高处的分子向浓度低方向扩散表现为数量大，效率高，反之，浓度低处的分子向浓度高方向扩散的数量少，频率低，两处比较，则浓度高处向浓度低处扩散的量大，从而表现出沿浓度降低方向上质量的传递。当流体处于湍流状态时，湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡，造成组分扩散，称为涡流扩散。虽然在湍流流动中分子扩散与涡流扩散同时发挥作用，但宏观流体微团的传递规模和速率远远大于单个分子，因此涡流扩散占主要地位，即物质在湍流流体中的传递主要是依靠流体微团的不规则运动。例如大气湍流中污染物的扩散方式，研究结果表明，涡流扩散系数远大于分子扩散系数，并随湍动程度的增加而增大。dzdCDNAABzA,相界面气相液相传质方向扩散通量，kmol/m2s表示扩散方向与浓度梯度方向相反A在B中的扩散系数m2/s三、费克定律费克定律的其它表达形式：dzdpRTDdzRTpdDdzdxCDNAABAABAABzA,(8-5)0图4.2.1分子扩散示意图mAAABddzxNDzc设混合物的物质的量浓度为,kmol/m3，组分A的摩尔分数为Axc当为常数时AAccx以质量分数为基准以摩尔分数为基准混合物质量浓度，kg/m3组分A的质量分数当混合物的密度为常数时AmAx组分A的质量浓度，kg/m3以质量浓度为基准kg/（m2·s）kg/（m2·s）AAABddzxNcDzAAABddzNDzAAABddzcNDzkmol/（m2·s）（1）非理想气体及浓溶液,是浓度的函数。ABD（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、10-10~10-9、10-14~10-9m2/s。（4）对于双组分气体物系，1.750ABAB,00pTDDpT（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。，扩散系数与总压力成反比，与热力学温度的1.75次方成正比（二）分子扩散系数分子扩散（二）扩散系数：式中：DAB,1——物质在压力为p1、温度为T1时的扩散系数，m2/s；DAB,2——物质在压力为p2、温度为T2时的扩散系数，m2/s。n——温度指数，一般情况下n=1.5~2。组分在气体中的扩散系数：nABABTTppDD12211,2,分子扩散组分在液体中的扩散系数：0.6A0.5B8ABμVTαM107.4D式中：DAB---组分A的扩散系数，cm2/s；T---绝对温度，K；μ---溶剂粘度，mPa·s；MB---溶剂B的摩尔质量，kg/mol；VA---组分A在常沸点下的摩尔体积，cm3/mol。扩散组分为低摩尔质量的非电解质，在稀溶液中：分子扩散组分在固体中的扩散系数：若固体内部存在某一组分的浓度梯度，也会发生扩散，例如氢气透过橡皮的扩散,锌与铜形成固体溶液时在铜中的扩散，以及粮食内水分的扩散等。物质在固体中的扩散系数随物质的浓度而异，且在不同方向上其数值可能有所不同，目前还不能进行计算。各种物质在固体中的扩散系数差别可以很大，如氢在25℃时在硫化橡胶中为0.85×10—9m2/s,氦在20℃时在铁中为2.6×10—13m2/s。四、涡流扩散涡流扩散系数表示涡流扩散能力的大小，值越大，表明流体质点在其浓度梯度方向上的脉动越剧烈，传质速率越高。dzdNADAD工程中大部分流体流动为湍流状态，同时存在分子扩散和涡流扩散，因此组分A总的质量扩散通量NAt为式中：DABeff——组分A在双组分混合物中的有效质量扩散系数。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，因而有DABeff≈。dzdDdzdDNAABeffADABAt)(D第三节质量传递的基本方式质量传递的基本方式为分子传质（扩散）与对流传质，在本质上都是依靠分子的随机运动而引起的转移运动。1、分子传质分子传质又称为分子扩散，简称为扩散，它是由分子的无规则热运动而形成的物质传递现象。在静止的系统中，由于浓度梯度而产生的质量传递称为分子扩散。分子传质的机理就是上节描述的费克定律，而如上所述分子传质现象和导热现象都是物质内部微观粒子运动产生的传输现象，但是分子传质和导热既有相似又有明显区别。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AA,iccAA,0cc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1分子传质单向扩散等分子反向扩散水含有氨的废气苯——甲苯体系苯NB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单向扩散运动着的流体与相界面之间发生的传质过程不互溶的两种运动流体之间的界面流动的流体与固体壁面气体的吸收：在气相与液相之间传质流体流过可溶性固体表面流体中某组分在固体表面反应萃取：在液相与液相之间传质2对流传质分子扩散流体各部分之间的宏观位移引起的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A,0cA,ic质量传递固体壁面附近形成浓度分布？传质的机理A,0cA,ic一、对流传质过程的机理及传质边界层但其扩散通量明显大于静止时的传质。这是因为流动加大了壁面处的浓度梯度，从而使壁面上的扩散通量增大。层流边界层：在垂直于流动的方向上只存在由浓度梯度引起的分子扩散。扩散通量依据费克第一定律(一)对流传质过程的机理湍流边界层：层流底层：物质依靠分子扩散传递，浓度梯度较大，传质速率可用费克第一定律描述，其浓度分布曲线很陡，近似为直线；湍流核心区：有大量的旋涡存在，物质的传递主要依靠涡流扩散，由于强烈混合，浓度梯度几乎消失，组分在该区域内的浓度基本均匀，其分布曲线较为平坦，近似为一垂直直线层流底层湍流核心区过渡区过渡区：分子扩散和涡流扩散同时存在除了分子扩散外，更重要的是涡流扩散。湍流区cA,icA,0D0.05LdReScD50Ld湍流流动时，传质进口段长度为传质进口段长度层流流动的传质进口段长度为流体流过圆管进行传质cDL二、对流传质速率方程流动处于湍流状态时，物质的传递包括了分子扩散和涡流扩散将过渡层内的涡流扩散折合为通过某一定厚度的层流膜层的分子扩散GA,0A,()icc有效膜层或虚拟膜层Gl涡流扩散系数难以测定和计算简化计算A,0cA,ic由流体主体到界面的扩散通过有效膜层的分子扩散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组分A的对流传质速率，kmol/（m2·s）流体主体中组分A的浓度，kmol/m3界面上组分A的浓度，kmol/m3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。用分子扩散速率方程去描述对流扩散。由壁面至流体主体的对流传质速率为AA,A,0()