化工原理传质过程导论

《化工原理》电子教案/目录1目录第八章传质过程导论第一节概述一、化工生产中的传质过程二、相平衡三、相组成的表示方法四、传质方式第二节分子扩散一、费克定律二．费克定律的另一种常用形式三．双组分、一维稳态分子扩散举例《化工原理》电子教案/目录2目录第三节对流传质一、对流传质机理分析二、膜模型三、传质模型简介四、对流传质方程五、对流传质系数经验式第八章小结《化工原理》电子教案/第八章3/36第八章传质过程导论质量传递热量传递动量传递三传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利用某种性质分离过程在全厂的设备投资费和操作费上占很大比重。对一典型的化工厂，分离设备的投资占60-70％，分离过程的能耗约占30％。转下页-----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过程。包括相内传质和相际传质两类。转第5页《化工原理》电子教案/第八章4/36可被利用于分离的性质物理化学生物学力学性质密度、表面张力、尺寸、质量等如重力沉降、过滤热力学性质熔点、沸点、临界点、转变点、蒸汽压、溶解度、分配系数等。如吸收、精馏电、磁性质电导率、介电常数、迁移率、电荷、淌度、磁化率等输送性质扩散系数、分子飞行速度反应速度性质反应速度常数热力学性质反应平衡常数、化学吸附平衡常数、离解常数、电离电位生物学亲和力、生物学吸附平衡、生物学反应速度常数返回上页《化工原理》电子教案/第八章5/36第一节概述相界面水pG气相主体pi液相主体传质方向CiCL空气+氨气吸收气相（乙醇-水）乙醇水液相（乙醇-水）蒸馏一、化工生产中的常规分离方法相界面苯CG液相主体Ci液相主体传质方向CL煤焦油（含苯酚）液液萃取空气水湿物料干燥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—汽等单元操作液系统：如吸收、解吸—气《化工原理》电子教案/第八章6/36第一节概述相界面水pG气相主体pi液相主体传质方向CiCL空气+氨气吸收二、相平衡与热平衡不同之处：▲达到相平衡时，一般两相浓度不相等。▲相平衡属动态平衡------达到相平衡时，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。---相际间传质的最终状态《化工原理》电子教案/第八章7/36第一节概述摩尔分数nnyxAAA)(或质量分数mmwAA摩尔比BAAAnnYX）或(质量比BAAmmw物质的量浓度VncAA，kmol/m3质量浓度VmAA，kg/m3混合物总摩尔浓度Vnc混合物总质量浓度Vm对气体，还可以用Ap表示浓度三、相组成的表示方法转下页《化工原理》电子教案/第八章8/361BAxx1BAwwBBAAAAAMwMwMwx///BBAAAAAMxMxMxwxxX1XXx111cxcAAAAw思考1：双组分均相物系（A、B）的摩尔分数之和等于多少？质量分数之和呢？思考2：xA与wA的关系？思考3：双组分均相物系中，x与X的关系？w与的关系？w思考4：xA与cA的关系？wA与A的关系？返回上页《化工原理》电子教案/第八章9/36思考5：cA与A的关系？思考6：对理想气体，c与p的关系？y与p？与p？RTpVncAAA通用气体常数KkmolJR/8314AAAMcRTPVncPpnnyAAARTMpVnMVmAAAAAA返回第7页《化工原理》电子教案/第八章10/36第一节概述四．传质方式传质的两种方式分子扩散对流传质（给质过程）---发生在静止流体、层流流动的流体中，靠分子运动进行的。---发生在湍流流动的流体中，靠流体微团的脉动进行的。返回目录《化工原理》电子教案/第八章11/36第二节分子扩散dzdcDJAABzA,一．菲克定律ntq对照：牛顿粘性定律：傅立叶定律：dydu----又称菲克第一定律，适用于双组分体系。1855年Fick用与傅立叶定律类比的方法而不是用实验方法提出的。dzdcDJBBAzB,AAAAAAAABBBBBBBB质量中心面组分A的扩散量JA,z组分B的扩散量JB,z《化工原理》电子教案/第八章12/36一．菲克定律dzdcDJAABzA,表示扩散方向与浓度梯度方向相反菲克定律的其它表达形式：dzdpRTDdzRTpdDdzdxcDJAABAABAABzA,dzdcDJBBAzB,扩散通量，kmol/m2sA在B中的扩散系数m2/sAAAAAAAABBBBBBBB质量中心面组分A的扩散量JA,z组分B的扩散量JB,zB在A中的扩散系数m2/s《化工原理》电子教案/第八章13/36一．菲克定律说明：（1）JA,z、JB,z是相对扩散通量（绝对扩散通量用NA,z表示）组分A移走后，出现空位，其他分子（可能是A也可能是B）将会补位，若A、B分子量不等，那么质量中心会局部发生漂移。JA,z、JB,z是为了使JA,z＋JB,z＝0而定义的，即JA,z、JB,z是相对于一个移动的扩散面而定义的扩散通量。组分A的扩散量JA,z组分B的扩散量JB,zAAAAAAAABBBBBBBB质量中心面（2）JA,z＝－JB,z由JA,z＋JB,z＝0可证得。《化工原理》电子教案/第八章14/36一．菲克定律（3）DA,B是物性。),,(,xTPfDBADA,B（气）10-5m2/sDA,B（液）10-9m2/sDA,B（固）10-10m2/s每cm3所具有的分子个数：氧气：2.5×1019水：3.3×1022铜：7.3×1022组分A的扩散量JA,z组分B的扩散量JB,zAAAAAAAABBBBBBBB质量中心面说明：转下页（4）对二元体系，扩散系数的下标可去掉。即对气体体系有：DA,B＝DB,A对液体体系有：DA,BDB,A对气体体系由JA,z＝－JB,z可证得。对液体体系当＝常数时可证得。《化工原理》电子教案/第八章15/36扩散系数的经验估算式：PTD75.1DT,,对于二元气体扩散系数的估算，通常用较简单的由福勒（Fuller）等提出的公式：23/13/175.15)()(1110013.1BABAVVPMMTD（低压，室温）对于很稀的非电解质溶液（溶质A+溶剂B），其扩散系数常用Wilke-Chang公式估算：6.02/115104.7ABABVTMD固体中的扩散系数需靠实验确定。如何解释此规律？如何解释此规律？返回上页《化工原理》电子教案/第八章16/36菲克定律的另一种常用形式-----NA,z与JA,z的关系式(vA,z-vM,z)zMzBBzBvvCJ,,,zMzAAzAvvCJ,,,zAAzAvCN,,zBBzBvCN,,zBzAzMzNNCvN,,,相对扩散通量JA、JB绝对扩散通量NA、NB、N----相对于静止面的摩尔传质速率，kmol/m2szMAzAzAvCNJ,,,zMv,vA,z-----A的摩尔速度vB,z-----B的摩尔速度vM,z-----摩尔平均速度vA,z不是一个分子的瞬时速度，而是微元体积中所有A分子的速度的算术平均值。----相对于移动面（以vM,z大小在运动）的摩尔传质速率，kmol/m2svM,zvA,z静止面zBzAAzAzAzAzMAzANNxNNxNCvCCN,,,,,,zBzABzBzBNNxNJ,,,,《化工原理》电子教案/第八章17/36菲克定律的另一种常用形式-----NA,z与JA,z的关系式dzdcDJAABzA,zBzAAAABzBzAAzAzANNxdzdcDNNxJN,,,,,,zBzABzBzBNNxJN,,,,绝对扩散通量=相对扩散通量+总体扩散通量（相对于静止坐标）（相对于平均速度）相对于静止坐标）于是：JA,zNA,z静止面zBzAANNx,,---不常用《化工原理》电子教案/第八章18/36二．双组分、一维稳态分子扩散举例常数特点：zBzANN,,0zN常数zBzAJJ,,NBBNAA相界面等摩尔相互扩散1．等摩尔相互扩散zBzAAzAzANNxJN,,,,zBzABzBzBNNxJN,,,,由前面的介绍可知，还有边界条件：21,,21AAAAcczzcczzzAzAJN,,dzdcDA《化工原理》电子教案/第八章19/361．等摩尔相互扩散NBBNAA相界面等摩尔相互扩散2121,AAccAzzzAdcDdzN阻力推动力DzcccczzDNAAAAzA212112,在1,1Acz，Acz,范围内积分得：AAzAcczzDN11,AAppzzRTD1121211212AAAAppzzRTDyyzzcDcA2cA1-----cA（或pA）随z呈线性变化《化工原理》电子教案/第八章20/362．单向扩散0,zBN特点：NB=0NAA相界面单向扩散zAAzAzANxJN,,,zBzAAzAzANNxJN,,,,zBzABzBzBNNxJN,,,,所谓单向扩散是指组分A通过停滞（或不扩散）组分B的分子扩散。常数zBzAJJ,,由前面的介绍可知，还有zAAzAJxN,,)1(dzdcDA《化工原理》电子教案/第八章21/362．单向扩散NB=0NAA相界面单向扩散在1,1Acz，2,2Acz范围内积分得：2121,AAccAAzzzAccdccDdzN1212lnln1212,BBAAzAcczzcDcccczzcDN引入截面1、2上CB的对数平均值1212lnBBBBBcccccm，得：阻力推动力cDzccccccczzDNmmBAABBBzA211212,《化工原理》电子教案/第八章22/36)()(2112,AABmzApppPzzRTDN21112,AABmzAyyyzzcDN21121212,AABBBBzAcccczzDcccczzDNmm2．单向扩散式中)/ln(1212BBBBBmyyyyy，)/ln(1212BBBBBmppppp漂流因数（均1）代表总体流动的影响对照：等摩尔相互扩散2112,AAzAcczzDN或写成《化工原理》电子教案/第八章23/36NB=0ANA相界面单向扩散NBBNAA相界面等摩尔相互扩散思考：为什么单向扩散比等摩尔相互扩散多一个大于1的漂流因数？在等分子相互扩散中，组分A移走后，出现的空位会由组分B补位，故Nz＝0，即无总体流动。在单向扩散中，组分A移走后，出现的空位会由周围混合物（A＋B）补位，故Nz0，即有总体流动。考虑到这部分由总体流动引起的组分A的扩散通量，因而单向扩散的扩散通量要比等分子相互扩散的大。思考：混合物中A组分的浓度愈高，漂流因数则如何变化？为什么？，，故，则1212lnBBBBBBAcccccccmmBcc漂流因数《化工原理》电子教案/第八章24/362．单向扩散11lnln11,BBAAzAcczzcDcccczzcDN121121lnlnzzzzccccBBBBCB2CB1CA1CA2z相界面前面已推得：1212lnln1212,BBAAzAcczzcDcccczzcDN若将式中带有下标2的各项的下标去掉，可得：-----cB（或cA）随z呈对数函数变化返回目录作业：《化工原理》电子教案/第八章25/36第三节对流传质回忆：如图，得到假想的气膜和液膜，并认为在气（液）膜中传质方式均为分子扩散。于是对流传质的阻力就都集中在假想的气膜和液膜中。