第七章-2012

目录7.1概述7.1.1化工生产中的传质过程7.1.2相组成的表示法7.2分子传质7.2.1菲克定律7.2.2扩散系数7.3一维稳定分子扩散7.3.1无化学反应的一维稳定分子扩散7.3.2伴有化学反应的稳定分子扩散7.4对流传质7.4.1对流传质系数及相关重要准数7.4.2对流传质系数的关联式7.5传质设备简介三传动量传递热量传递质量传递7.1概述化工过程中的分离过程非均相分离均相分离固、固液、固气、固沉降筛分过滤旋风分离旋液分离机械分离一、化工生产中的分离过程7.1概述气相混合物液相混合物吸收萃取结晶吸附蒸馏质量传递二、质量传递质量传递：物质在浓度差、温度差、压力差等推动力作用下，从一处向另一处的转移。质量传递：包括相内传质和相际传质。1、气－液系统：如吸收、解吸等单元操作7.1概述三、化工生产中的几种相间传质过程2、汽－液系统：如蒸馏、精馏操作7.1概述3、液－液系统：如液液萃取7.1概述4、气－固系统：如干燥、吸附操作5、液－固系统：如结晶、浸取、吸附操作7.1概述四、相平衡相平衡－相际间传质的最终状态与热平衡不同：相平衡时,界面上：一般两相浓度不相等，两相浓度达到平衡。此时，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，因此属动态平衡。7.1概述微团1微团2质量传递机理：分子热运动流体微团的宏观运动流体层1流体层2流体层1浓度流体层2浓度7.1概述五、三传的类似性动量传递热量传递质量传递原因速度分布不均匀温度分布不均匀浓度（或压力）分布不均一推动力速度梯度温度梯度浓度梯度传递机理层流：分子热运动牛顿粘性定律：热传导：分子热运动傅立叶定律：分子传质（分子扩散）：分子热运动？湍流：流体微团的宏观运动对流传热：流体微团的宏观运动牛顿冷却定律：对流传质：流体微团的宏观运动？yuxxyyTq)(Wfttq7.1概述7.1概述热传导：气、液、固对流传热：湍流流动的流体分子传质：气、液、固对流传质：湍流流动的流体相组成的表示方法摩尔分率质量分率摩尔比质量比摩尔浓度kmol/m3质量浓度kg/m3混合物总摩尔浓度混合物总质量浓度注：对气体还可用pA表示浓度nnyxAAA)(BAAAnnYX)(VnCAAVnCVmVmAABAAmmammaAA相组成的表示方法pypAARTCpAAAAAAABBxMaxMxM相组成之间的关系均相混合物中所用组分的摩尔分率之和均相混合物中所用组分的质量分率之和摩尔分率与质量分率的关系摩尔分率与摩尔浓度的关系质量分率与质量浓度的关系双组分均相物系中，摩尔分率与摩尔比的关系双组分均相物系中，质量分率与质量比的关系摩尔浓度与质量浓度的关系思考题：对于理想气体，C、ρ、y与P的关系？1BAaa1BAxxXXx1xxX1aaa1aaa1AAAMCCxCAAAAaBBAAAAAMaMaMaxBBAAAAAMxMxMxa相组成的表示方法定义：1、传质通量NA单位时间通过单位横截面上的A物质的摩尔数2、扩散通量JA由于扩散引起的，单位时间通过单位横截面上的A物质的摩尔数BBBAAACNCN7.2分子传质,AAzABdxJCDdzC---组分A和B的总浓度，kmol/m3；xA---组分A在混合物中的摩尔分率；dxA/dz---组分A的浓度梯度，m-1；JA---组分A在z方向上的扩散通量，kmol/m2.s；DAB---组分A在组分B中的扩散系数，m2/s；负号（－）---扩散通量的方向与浓度梯度相反。一、费克定律1、费克定律：在二元混合物(A+B)中，组分的扩散通量与其浓度梯度成正比。7.2.1费克定律,AAzABdCJDdz,AABAAzABdpRTDdpJDdzRTdz2、费克定律的其它表示方法：（1）当C是常数：（2）理想气体：7.2.1费克定律7.2.1费克定律二、广义费克定律扩散主体运动AAJN扩散+主体运动)(BAAAANNxJN)()()(BAABBAAABBAAAAANNxxxCxxxCCN,,,,,,AAzABAAzBzAzAAzBzdxNCDxNNdzJxNNA的扩散通量（相对于平均速度）A的主体流动通量（相对于静止坐标）＝＋绝对扩散通量相对扩散通量二、广义费克定律7.2.1费克定律ABA,,,,,,AAzABAAzBzAzAAzBzdxNCDxNNdzJxNN,,,,,,zBBzBABAzBzBzBAzBzdxNCDxNNdJxNN,,,,,,AAzABAAzBzAzAAzBzdyNCDyNNdzJyNN对A物质：对B物质：对气体混合物，组分的摩尔分率用y表示：7.2.1费克定律7.2.2扩散系数1、扩散系数D表达某个组分在介质中扩散的快慢，是物质的一种传递性质。2、单位：m2/s。3、扩散系数是物质的系统属性。4、扩散系数比较复杂。与混合物中各组分的性质有关，还与温度、浓度等有关。一、气体中的扩散系数3、气体中的扩散系数与系统、温度、压力有关，数量级为10-5m2/s2、对于二元气体A和B的相互扩散，DAB=DBA=D1、气体扩散系数的获得：（1）表7-1(课本324页)给出了某些二元气体在常压下的扩散系数（2）对于二元气体扩散系数的估算，用富勒提出的公式2、液体的扩散系数要比气体小很多，其数量级为10-9m2/s。3、溶质A在溶剂B中的扩散系数DAB与溶质B在溶剂A中的扩散系数DBA不相等，DAB≠DBA1、液体扩散系数的获得（1）表7-3(课本325页)给出了某些溶质在液体溶剂中的扩散系数。（2）对于很稀的非电解质溶液(溶质A+溶剂B)，其扩散系数用Wilke-Chang公式二、液体中的扩散系数三、固体中的扩散系数固体中的扩散系数目前还不能估算，表7-6(课本328页)给出了某些物质在固体中的扩散系数，其数量级为10-9m2/s。扩散系数单位：m2/s影响扩散系数的因素DAB越大，表示组分A在介质B中的扩散速度越快。在气体中的扩散DAB＝DBAT，DABP，DABMB，DAB在液体中的扩散T，DABμ，DABMB，DABDAB≠DBA溶质在气相中的扩散系数溶质在液相中的扩散系数通过恒定截面积的等摩尔反向扩散N2P1,V1CO2P2,V2P1=P2；V1=V2；T1=T2例1一、通过恒定截面积的等摩尔反向扩散等摩尔反向扩散：在由A、B所组成的混合物中，A、B两组分的传质方向相反而传质通量大小相等，即NA=－NB=常数。该情形在精馏过程中会遇到。应用：得到：边界条件：z=z1，yA=yA1；z=z2，yA=yA2即：对于理想气体：汽相液相ABAB难挥发组分易挥发组分例2二、通过恒定截面积的单向扩散单向扩散：指组分A通过停滞组分B的扩散。由于B是停滞组分，则NB=0。这在化工中经常遇到，例如：吸收。得到：边界条件：z=z1，yA=yA1；z=z2，yA=yA2即：通过恒定截面积的单向扩散NH3/Air/H2OH2O例1：例2：AirH2O121B2A2A1121B21212A2A12A12A11212lny1)p-p()(y1lnp-pyylnBBBABBBBABAABBAByyyzzRTDyyyzzDRTyyyyzzDRTPyBm对于液相中的单向扩散，同理有：令截面1、2之间yB的对数平均值为yBm，则：将该式代入，得对理想气体，单向扩散的传质速率有通过恒定截面积的单向扩散一、等摩尔反向扩散二、单向扩散比较等摩尔反向扩散和单向扩散的公式：1、发现单向扩散的公式多了一个因子(P/pBm)，其值大于1。因此，单向扩散的传质速率要比等摩尔反向扩散的传质速率大，原因是有总体流动。2、P/pBm称为漂流因子。等摩尔反向扩散与单向扩散的比较无化学反应一维稳定分子扩散等摩尔反向扩散NA＝－NB＝常数蒸馏属于等摩尔反向扩散1221()ABAzAADNcczz单向扩散NB＝0，JB≠0吸收属于单向扩散1221()ABAzAABmDCNcczzc漂流因素反应总体流动的影响。单向扩散：漂流因素1等摩尔反向扩散：漂流因素＝1,BmBmCPcpJA＝－JBJA＝－JBNA＝JA等摩尔反向扩散单向扩散JA=-JBNA=-NBJA=NAJB=NBP/pBm=1没有主体流动JA=-JBNAJANB=0JBNBP/pBm1由分子扩散造成的主体流动一、对流传质：通常指运动流体与界面（固体壁面或流体界面）间由于涡流或脉动作用所造成的质量传递，是相际传质的基础。二、对流传质方程7.4对流传质三、对流传质系数kG和kL取决于流体物性、流动状况等因素7.4对流传质对流传质系数kG和kL取决于流体物性、流动状况等因素，需要通过实验测定。与对流传热系数类似，传质系数关联式也表示成准数形式。1.施密特准数(Schmidt)，Sc(与普兰特准数类似)2.舍伍德准数(Sherwood)，Sh(与努赛尔特准数类似)7.4.1对流传质系数及相关重要准数对流传质速率与分子扩散速率之比引起）传递速率（分子热运动起）传递速率（对流传递引23ABLGrAg223tgLGrpcPrABDScduRelNuABDklSh动量传递热量传递质量传递物性影响自然对流强制对流传质自然对流传质强制对流传热自然对流传热Pr)(Re,fNuPr),(GrfNu)(Re,ScfSh),(ScGrfShAB一、管内流动传质气体或液体在管内作湍流流动时(Re＞2100)，常用公式适用范围为：0.6＜Sc＜3000。该式与管内湍流传热的传热系数的表达式类似。7.4.2对流传质系数的关联式nNuPrRe023.08.0传热：停滞膜模型（双膜理论）溶质渗透模型表面更新模型传质理论双膜理论模型要点：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，或汽液两相在相界面处达到平衡。双膜理论模型一、填料塔圆筒形的塔体内放置专用的填料作为接触元件。填料的作用：液体在填料表面散布成大面积的液膜，增强气流的湍动，以提供良好的气液接触。在塔底：设有液体出口、气体入口和填料支承结构。在塔顶：设有液体入口、气体出口和液体分布装置。在填料塔内气液两相沿着塔高连续地接触、传质，故两相浓度沿着塔高连续变化。特点：连续接触式传质设备7.5传质设备简介二、板式塔最简单的塔板是筛板。沿塔下降的液流与上升的气流在塔板上相遇，进行气液接触。在板式塔内，气流与液流依次在各层塔板上接触、传质，其浓度沿着塔高呈阶跃式变化。特点：逐级接触式传质设备7.5传质设备简介