第4章_傳質(zhì)基礎(chǔ) - 副本

1、第四章傳質(zhì)分離基礎(chǔ)第四章傳質(zhì)分離基礎(chǔ) 在含有兩個(gè)或兩個(gè)以上組分的混合體系中，如果存在濃度梯度，某一組分(或某些組分)將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動，該移動過程稱為傳質(zhì)過程。 化工單元操作，化工單元操作，是化學(xué)工程的主要研究領(lǐng)域，是在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中具有共同的物理變化特點(diǎn)的基本操作。工業(yè)上常見的吸收、精餾等操作過程就是通過物質(zhì)的傳遞來實(shí)現(xiàn)混合物分離，是典型的單元操作過程。 1 傳質(zhì)過程概述傳質(zhì)過程概述1-1 傳質(zhì)分離操作在化工生產(chǎn)中的作用傳質(zhì)分離操作在化工生產(chǎn)中的作用焦化廠用水吸收焦?fàn)t氣中的氨 1-2 傳質(zhì)分離操作的種類傳質(zhì)分離操作的種類固系統(tǒng)：如干燥操作氣操作固系統(tǒng)：如結(jié)晶、浸取液作液系統(tǒng)：如液液萃

2、取操液操作液系統(tǒng)：如蒸餾、精餾氣等單元操作液系統(tǒng)：如吸收、解吸氣 氣相氣相 （乙醇（乙醇-水）水） 乙醇乙醇 水水 液相（乙醇液相（乙醇-水）水） 蒸餾蒸餾 相相界界面面 水水 pG 氣氣相相主主體體 pi 液液相相主主體體 傳傳質(zhì)質(zhì)方方向向 Ci CL 空空氣氣+氨氨氣氣 吸吸收收空氣空氣水水濕物料濕物料干燥干燥 相相界界面面 水水 CG 液液相相主主體體 Ci 液液相相主主體體 傳傳質(zhì)質(zhì)方方向向 CL 氯氯仿仿（含含醋醋酸酸） 液液液液萃萃取取 非均相混合物非均相混合物均相混合物均相混合物分分離離 場場、電電場場、磁磁場場等等加加場場，如如濃濃度度場場、溫溫度度加加入入能能量量分分離離劑劑

3、加加入入另另外外一一種種物物質(zhì)質(zhì)作作為為方方法法 物質(zhì)傳遞的三個(gè)步驟：擴(kuò)散物質(zhì)從一相的主體擴(kuò)散到兩相界面；在界面上的擴(kuò)散物質(zhì)從一相進(jìn)入另一相；進(jìn)入另一相的擴(kuò)散物質(zhì)從界面向該相的主體擴(kuò)散。 相相界界面面 水水 pG 氣氣相相主主體體 pi 液液相相主主體體 傳傳質(zhì)質(zhì)方方向向 Ci CL 空空氣氣+氨氨氣氣 吸吸收收相平衡相平衡與熱平衡不同： 相平衡時(shí)一般兩相濃度不相等，傳質(zhì)過程仍在進(jìn)行，只不過通過相界面的某一組分的凈傳質(zhì)量為零。屬動態(tài)平衡。2-1 單相中的傳質(zhì) 單相傳質(zhì)是指：物質(zhì)從一相主體到相界面和從相界面到另一相主體的擴(kuò)散。 單相流體內(nèi)物質(zhì)的傳遞方式有分子擴(kuò)散和對流擴(kuò)散兩種。分子擴(kuò)散 如果在流

4、體內(nèi)部存在某一組分的濃度差時(shí)，由于物質(zhì)分子的無規(guī)則運(yùn)動，該組分將從較高濃度處向較低濃度處轉(zhuǎn)移，直至流體內(nèi)部達(dá)到濃度均勻?yàn)橹埂?Fick定律： 流體內(nèi)任一點(diǎn)處組分A的擴(kuò)散通量與該組分在擴(kuò)散方向上的濃度梯度成正比。dldcDNAABOA,1等物質(zhì)的量反向定常態(tài)擴(kuò)散NA,0= - NB,0說明：在雙組分混合物體系中,當(dāng)物質(zhì)總濃度CM在系統(tǒng)內(nèi)保持不變時(shí),其組分A在分子擴(kuò)散的同時(shí)必然伴有物質(zhì)的量相等而方向相反的組分B的分子擴(kuò)散。這種現(xiàn)象叫等物質(zhì)的量反向分子擴(kuò)散。傳質(zhì)速率（或傳質(zhì)通量）傳質(zhì)速率（或傳質(zhì)通量）NA：單位時(shí)間通過單位固定空間傳質(zhì)：單位時(shí)間通過單位固定空間傳質(zhì)面積的物質(zhì)量面積的物質(zhì)量，mol/(

5、m2 s)；constccCBA1Ac2Ac1Bc2BcAB等物質(zhì)的量反向擴(kuò)散濃度分布等物質(zhì)的量反向擴(kuò)散濃度分布 在沒有物質(zhì)流動的單純等物質(zhì)的量反向擴(kuò)散過程，A組分的傳質(zhì)通量（NA）等于分子的擴(kuò)散通量，即NA=NA,0)()(2,1 ,2,1 ,02,1 ,AAAAAAccAlAAABAppRTlDNcclDNdcDdlNdldcDNAAconstccCBA1Ac2Ac1Bc2BcAB1、對于理想氣體：兩點(diǎn)說明：2、 DAB=DBA等物質(zhì)的量反向分子擴(kuò)散現(xiàn)象多發(fā)生在兩個(gè)組分的摩爾氣化潛熱相近的蒸餾操作中。如苯和甲苯的混合物體系，因?yàn)樗鼈儽舜说哪枤饣瘽摕嵯嘟詫υ摶旌衔镞M(jìn)行蒸餾操作時(shí)，若有

6、1mol的難發(fā)揮組分（甲苯）從氣相向氣、液兩相界面擴(kuò)散，則必然伴隨有近1mol的易揮發(fā)組分（苯）從相界面向氣相主體擴(kuò)散。constccCBA1Ac2Ac1Bc2BcAB 在沒有物質(zhì)流動的單純等物質(zhì)的量反向擴(kuò)散過程，A組分的傳質(zhì)通量（NA）等于分子的擴(kuò)散通量，即NA=NA,0)()(2,1 ,2,1 ,02,1 ,AAAAAAccAlAAABAppRTlDNcclDNdcDdlNdldcDNAAconstccCBA1Ac2Ac1Bc2BcAB習(xí)題2. 單方向的擴(kuò)散 只有氨被水吸收，沒有物質(zhì)從液體向氣相作相反的液相傳遞。這種現(xiàn)象稱為A組分的單方向擴(kuò)散。 相界面氣相（AB）液相 SAN0 ,AN0

7、,BN主體流動0BNmAN,mBN,三、傳質(zhì)的速度與通量物料系統(tǒng)內(nèi)的分子擴(kuò)散是由物質(zhì)濃度（或分壓）差引起的分子微觀運(yùn)動；總體流動是因系統(tǒng)內(nèi)流體主體與相界面處存在總壓差引起的流體流動的宏觀運(yùn)行，其起因還是分子擴(kuò)散?？傮w流動是一種分子擴(kuò)散的伴生現(xiàn)象。在總體流動的流體中組分A和組分B的量與各自在混合氣體中的分壓成正比。示例：用水吸收空氣中的氨單方向擴(kuò)散相界面氣相（AB）液相 SAN0 , AN0 ,BN主體流動0BNmAN,mBN,主體流動現(xiàn)象示例：用水吸收空氣 中的氨相界面氣相（AB）液相 SAN0 ,AN0 ,BN主體流動0BN 在多組分系統(tǒng)中，各組分在進(jìn)行分子擴(kuò)散的同時(shí)其微團(tuán)常處于運(yùn)動狀態(tài)主體

8、流動現(xiàn)象。mAN,mBN,MANANNA,0 ,0,0 ,MBNBNNB三、傳質(zhì)的速度與通量2、總體流動NA，M：壓強(qiáng)差引起的宏觀運(yùn)動組分A的傳質(zhì)通量為分子擴(kuò)散通量和總體流動中組分A的傳質(zhì)通量之和。單方向傳質(zhì)過程中：1、分子擴(kuò)散NA，0：物質(zhì)的濃度差相界面氣相（AB）液相 SAN0 , AN0 ,BN主體流動0BNmAN,mBN,組分B的傳質(zhì)通量為零組分A的傳質(zhì)通量計(jì)算公式中：根據(jù)等物質(zhì)的量反向定常態(tài)擴(kuò)散有：相界面氣相（AB）液相 SAN0 , AN0 ,BN主體流動0BNmAN,mBN,積分:有相界面氣相（AB）液相 SAN0 , AN0 ,BN主體流動0BNmAN,mBN,所以pB,m惰性

9、組分B在相界面和氣相主體間的對數(shù)平均分壓得若用推動力與阻力之比來表示，則上式可改寫為：相界面氣相（AB）液相 SAN0 , AN0 ,BN主體流動0BNmAN,mBN,其中：相界面氣相（AB）液相 SAN0 , AN0 ,BN主體流動0BNmAN,mBN,討 論漂流因數(shù)意義：漂流因子的影響因素： 濃度高，漂流因數(shù)大，總體流動的影響大。 低濃度，漂流因數(shù)近似等于1，總體流動的影響小。漂流因子體現(xiàn)了總體流動對傳質(zhì)速率的影響. 1）與等物質(zhì)的量反向擴(kuò)散的傳質(zhì)通量計(jì)算式相比較，上面的式子多了 分子是組分A從氣相擴(kuò)散到界面的傳質(zhì)推動力； 分母是傳質(zhì)阻力。說明：在靜止或?qū)恿髁鲃拥牧黧w內(nèi)，物質(zhì)通過單位面積的

10、傳質(zhì)速度與溶質(zhì)的分壓成正比，與溫度，擴(kuò)散距離、以及惰性組分B的對數(shù)平均分壓成反比。DpRTlpppNmBiAAA,1 ,相界面氣相（AB）液相 SAN0 ,AN0 ,BN主體流動0BNmAN,mBN,習(xí)題擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù)即分子擴(kuò)散系數(shù)（m2s-1），是擴(kuò)散物質(zhì)在單位面積（m2）、單位濃度梯度（molm-4）下的擴(kuò)散速率（mol m2s-1）。 物質(zhì)的擴(kuò)散速度不僅取決于它本身，還與介質(zhì)、溫度、壓力有關(guān)。物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)一般通過實(shí)驗(yàn)來決定。3、擴(kuò)散系數(shù)如果沒有數(shù)據(jù)可查，可用有關(guān)的半經(jīng)驗(yàn)公式。1.氣體A在氣體B中的擴(kuò)散系數(shù)，可用FSG公式：依下式可以從已知的溫度和壓力時(shí)氣體物系的擴(kuò)散系數(shù)來推算溫度為

11、T和壓力為P時(shí)該物系的擴(kuò)散系數(shù)：估算在20和1.01310-5Pa下CO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)。解：設(shè)A組分為CO2，B組分為空氣 VA = 26.910-6m3.Mol-1 VB =20.110-6m3.Mol-1 Mr，A=44 Mr，B=29 T=273+20=293K P=1.01310-5Pa23/13/12/1,75. 16)()(). 1 ()/1(10013. 1BABrArVVpMMTD半經(jīng)驗(yàn)公式 1.氣體A在氣體B中的擴(kuò)散系數(shù) 2.組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù) 23/13/12/1,75. 16)()()/1 ()/1(10013. 1BABrArVVpMMTD6 . 02/118

12、)(10859. 1VTMDr 渦流擴(kuò)散 一般分子的擴(kuò)散速度很小，例如，一杯水中滴入一滴紅墨水，紅色的擴(kuò)散很慢，這是因?yàn)殪o止水的物質(zhì)擴(kuò)散只靠分子擴(kuò)散。為了加速紅色擴(kuò)散，用玻璃棒攪拌，水中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動使紅色很快擴(kuò)散。這種依靠流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動而引起的物質(zhì)的擴(kuò)散稱為渦流擴(kuò)散。dldcDdldcDNAEAAE， DE為渦流擴(kuò)散系數(shù)。它不是流體的物理量，而是流動狀態(tài)的函數(shù)，與流動系統(tǒng)的幾何形狀、尺寸、所處的位置、流速、以及流體的物理性質(zhì)等影響因素有關(guān)。 對流擴(kuò)散（傳質(zhì)擴(kuò)散） 湍流流體中的傳質(zhì)過程，既有分子擴(kuò)散又有渦流擴(kuò)散。湍流擴(kuò)散主要依靠流體微團(tuán)的湍動與渦流運(yùn)動傳遞物質(zhì)，這種傳質(zhì)規(guī)模及速率都遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散。

13、湍流主體與相界面間的傳質(zhì)稱為對流擴(kuò)散，這種擴(kuò)散現(xiàn)象要比分子擴(kuò)散復(fù)雜得多。 2.對流傳質(zhì)的機(jī)理 所謂對流傳質(zhì)的機(jī)理是指在傳質(zhì)過程中，流體以哪種方式進(jìn)行傳質(zhì)。 研究對流傳質(zhì)速率需首先弄清對流傳質(zhì)的機(jī)理。 層流內(nèi)層緩沖層湍流中心AicAfc)(rfcA湍流流體流體與管壁間的濃度分布二、對流傳質(zhì)湍流主體層流內(nèi)層緩沖層傳質(zhì)機(jī)理：分子傳質(zhì)傳質(zhì)機(jī)理：渦流傳質(zhì)為主濃度分布：為一陡峭直線傳質(zhì)機(jī)理濃度分布：為一漸緩曲線濃度分布：為一平坦曲線分子傳質(zhì)渦流傳質(zhì)在與壁面垂直的方向上分為三層 二、對流傳質(zhì)在兩相界面?zhèn)髻|(zhì)過程中，兩相界面有二種情況：（1）固定界面 氣、液兩相或液、固兩相間的界面為固定的表面。（2）流動界面

14、氣、液兩相和液、液兩相的界面為流動的界面。p層流層 過渡層湍流主體llGlGQOpApA,i相界面（2）有效膜模型 層流層：沒有與界面垂直的運(yùn)動，物質(zhì)的傳遞為分子的擴(kuò)散。過渡層：垂直運(yùn)動不強(qiáng)，同時(shí)有分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散。 湍流層：很強(qiáng)的分子垂直運(yùn)動，以渦流為主。dldpRTDdldcDNAAAdldpRTDDdldcDDNAEAEA)(在氣相中，用分壓表示組分的含量在液相中，用摩爾濃度表示組分的含量)(,iAAmBGApppRTlDpN)(,AiAmBMLAcccclDNlG，lL雖為虛構(gòu)膜層厚度，但也有其物理意義。流體的湍動越強(qiáng)烈，層流越薄，膜層厚度越小，傳質(zhì)阻力小，傳質(zhì)通量大。習(xí)題kG，kL-為氣膜、液膜傳質(zhì)分?jǐn)?shù)，PA，PA，i-為擴(kuò)散組分A在氣相主體與界面上的分壓CA，CA，i-為擴(kuò)散組分A在液相主體與界面上的濃度。)()(,AiALAiAAGAcckNppkN2-2 相際間傳質(zhì) 實(shí)際的傳質(zhì)過程是發(fā)生在相際之間的，如氣體吸附，先從氣相擴(kuò)散到氣、液界面，再從相界面擴(kuò)散到液相主體。由于在兩相界面附近的流體流動狀況及傳質(zhì)過程非常復(fù)雜，難以觀測和進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述。此時(shí)，采用數(shù)學(xué)模型法是有益的。對考查對象進(jìn)行分析簡化，構(gòu)成傳質(zhì)過程的物理模型，再用已有的理論和數(shù)學(xué)知識作出描述，建立數(shù)學(xué)模型，然后將此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作比較，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性