第五章_質(zhì)量傳遞

1、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理第五章 質(zhì)量傳遞 質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞熱量傳遞熱量傳遞動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞三傳三傳 是指物質(zhì)在濃度差、溫度差、壓力差、電場(chǎng)或磁是指物質(zhì)在濃度差、溫度差、壓力差、電場(chǎng)或磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)差等推動(dòng)力作用下，從一處向另一處的轉(zhuǎn)場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)差等推動(dòng)力作用下，從一處向另一處的轉(zhuǎn)移，包括相內(nèi)傳質(zhì)和相際傳質(zhì)兩類。移，包括相內(nèi)傳質(zhì)和相際傳質(zhì)兩類。 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理溫度差熱擴(kuò)散壓力差壓力擴(kuò)散場(chǎng)強(qiáng)差強(qiáng)制擴(kuò)散濃度差分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理 在環(huán)境工程中，去除水、氣和固體中的污染物常用到傳質(zhì)過程，如常見的吸收、吸附、萃取、膜分離過程。在化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)中，也常伴隨著傳

2、質(zhì)過程。 酸堿中和反應(yīng)厭氧生物膜 好氧生物膜四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理5.1 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過程環(huán)境工程中的傳質(zhì)過程1.吸收與吹脫（汽提）2.萃取3.吸附4.離子交換5.膜分離四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理 根據(jù)氣體混合物中各組分在同一溶劑中的溶解度不同，使氣體與溶劑充分接觸，其中易溶的組分溶于溶劑進(jìn)入液相，而與非溶解的氣體組分分離。 用水吸收混合氣體中的氨 石灰/石灰石法煙氣脫硫 化學(xué)工程中將被吸收的氣體組分從吸收劑中脫出的過程稱為解吸。 環(huán)境工程中，解吸常用于從水中去除揮發(fā)性的污染物。 利用空氣作解吸劑，稱為吹脫（如高濃度NH3-N廢水的處理）；利用蒸汽作解吸劑，稱為汽提（如油庫(kù)、航

3、空港等地方受石油烴污染的地下水處理）。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理 萃取是利用液體混合物中各組分在不同溶劑中溶解度的差異分離液體混合物的方法。（高濃度含酚廢水處理時(shí)可通過萃取一方面回收酚，另一方面降低處理的難度；從染料廢水中提取有用染料；從洗毛廢水中提取羊毛脂） 吸附：當(dāng)某種固體與氣體或液體混合物接觸時(shí)，氣體或液體中的某一或某些組分能以擴(kuò)散的方式從氣相或液相進(jìn)入固相，稱為吸附。 活性炭脫硫 活性炭、陶粒柱凈水四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理 離子交換是依靠陰、陽離子交換樹脂中的可交換離子與水中帶同種電荷的陰、陽離子進(jìn)行交換，從而使離子從水中除去。 制取軟化水，純水，去除水中某種特定物質(zhì)（如去除

4、電鍍廢水中的重金屬）。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理RA+M+ = RM+A+ R-NHOH+HCl = R-NHCl+H2O 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理 膜分離是以天然或人工合成的高分子薄膜為分離介質(zhì)，當(dāng)膜的兩側(cè)存在某種推動(dòng)力（如壓力差、濃度差、電位差）時(shí)，混合物中的某一組分或某些組分可選擇性地透過膜，從而與混合物中的其他組分分離。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于給水和污水處理中，如高純水的制備、MBR 反滲透反滲透:利用半滲透膜，當(dāng)對(duì)高濃度一側(cè)施加高于滲透壓的壓力時(shí)，水分子通過滲透膜，從而使水得到凈化。 電滲透電滲透( (析）析）:在電流作用下，陽、陰離子分別通過陽、陰離子交換膜而在局部富集，使水得到凈

5、化，從而脫鹽。 納濾納濾 超濾超濾 微濾微濾書上P368四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理C D極室極水極室（+）四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理5.2 質(zhì)量傳遞的基本原理質(zhì)量傳遞的基本原理一、傳質(zhì)機(jī)理傳質(zhì)方式分子擴(kuò)散：渦流擴(kuò)散：靜止或?qū)恿髁鲃?dòng)的流體中， 靠分子微觀運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行傳質(zhì)在湍流狀態(tài)下，靠流體質(zhì)點(diǎn)（流體微團(tuán))強(qiáng)烈摻混來進(jìn)行傳質(zhì)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理二、分子擴(kuò)散（一）費(fèi)克定律（一）費(fèi)克定律 某一空間中充滿組分A、B組成的混合物、無總體流動(dòng)或處于靜止?fàn)顟B(tài)。若組分A的物質(zhì)的量濃度為cA，cA沿Z方向分布不均勻，上部濃度高于下部濃度，

6、即cA2cA1，如圖所示。 分子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果將導(dǎo)致A分子濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域凈擴(kuò)散流動(dòng)，即發(fā)生由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的分子擴(kuò)散。yxzOcA2cA1四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理dzdCDNAABAz擴(kuò)散通量，擴(kuò)散通量，kmol/m2 s表表示示擴(kuò)擴(kuò)散散方方向向與與濃濃度度梯梯度度方方向向相相反反A 在在 B 中中的的擴(kuò)擴(kuò)散散系系數(shù)數(shù) m2/s費(fèi)克定律的物理意義：在一維穩(wěn)態(tài)情況下，由濃度梯度引起的組分A在Z方向上的質(zhì)量通量-（分子擴(kuò)散系數(shù)）（Z方向上組分A的質(zhì)量濃度梯度）（僅適用于雙組分混合物）四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理n費(fèi)克定律的其它表達(dá)形式：費(fèi)克定律的其它表達(dá)形式：dzdDNA

7、ABAzdzdxcDNAABAzdzdxDNmAABAzc為混合物的物質(zhì)的量濃度（kmol/m3）xA為組分A的摩爾分?jǐn)?shù)為混合物的物質(zhì)的量濃度（kg/m3）xmA為組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)A為組分A的質(zhì)量濃度（kg/m3）四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理（二）分子擴(kuò)散系數(shù)dzdcNDAAzAB 分子擴(kuò)散系數(shù)是擴(kuò)散物質(zhì)在單位濃度梯度單位濃度梯度下的擴(kuò)散速率，表征物質(zhì)的分子擴(kuò)散能力，擴(kuò)散系數(shù)大，則表示分子擴(kuò)散快擴(kuò)散系數(shù)大，則表示分子擴(kuò)散快。 分子擴(kuò)散系數(shù)是很重要的物理常數(shù)，其數(shù)值受體系溫度、壓力和混合物濃度等因素的影響。 低密度氣體、液體、固體的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而增大，隨壓力的增加而減少。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本

8、科生課程環(huán)工原理三、渦流擴(kuò)散dzdNADAdzdDdzdDNAABeffADABAt)(D為渦流質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2/sDABeff為組分A在雙組分混合物中的有效質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)。在充分發(fā)展的湍流中，渦流擴(kuò)散系數(shù)往往比分子擴(kuò)散系數(shù)大得多，因而有DABeffD組分A的平均濃度梯度四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理5.3 分子傳質(zhì)分子傳質(zhì) 發(fā)生在靜止流體靜止流體、層流流動(dòng)的流體以及某些固體的傳質(zhì)過程中。 當(dāng)靜止流體與相界面接觸時(shí)，若流體中組分A的濃度與相界面處不同，則物質(zhì)將通過流體主體向相界面擴(kuò)散。在這一過程中，組分A沿?cái)U(kuò)散方向?qū)⒕哂幸欢ǖ臐舛确植肌?duì)于穩(wěn)態(tài)過程，濃度分布不隨時(shí)間變化，組分的擴(kuò)散速率也

9、為定值。 靜止流體中的質(zhì)量傳遞分為單向擴(kuò)散單向擴(kuò)散和等等分子反向擴(kuò)散。分子反向擴(kuò)散。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理一、單向擴(kuò)散 靜止流體與相界面接觸時(shí)的物質(zhì)傳遞完全依靠分子擴(kuò)散，其擴(kuò)散規(guī)律完全可以用費(fèi)克定律描述。 只有氣體組分氨從氣相向液相傳遞，而沒有物質(zhì)從液相向氣相作相反方向的傳遞，這種現(xiàn)象可視為單向擴(kuò)散單向擴(kuò)散。NH3、空氣水四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理但是，在某些傳質(zhì)過程中，分子擴(kuò)散往往伴隨著流體的流動(dòng)，從而促使組分的擴(kuò)散通量增大。在氣液兩相界面上，由于氨溶解于水而使得氨的含量減少，氨分壓降低，導(dǎo)致相界面處的氣相總壓降低，使氣相主體與相界面之間形成總壓梯度。在此總壓梯度的推動(dòng)下，混合氣

10、體自氣相主體向相界面處流動(dòng)，使流體的所有組分一起向相界面處流動(dòng)，從而使氨的擴(kuò)散量增加。NH3、空氣水四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理理解：我們這一節(jié)講的是靜止流體中的擴(kuò)散，但上面講到空氣似乎是流動(dòng)的？空氣是處于沒有流動(dòng)的靜止?fàn)顟B(tài)的。0L氣相主體液相界面pA,0 pB,0pA,i pB,i pA pBA的傳遞A擴(kuò)散B擴(kuò)散B的傳遞總壓pp四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理以上分析表明：在單向擴(kuò)散中擴(kuò)散組分的總通量擴(kuò)散組分的總通量流動(dòng)所造成的傳質(zhì)通量流動(dòng)所造成的傳質(zhì)通量+疊加疊加于流動(dòng)之上的由濃度梯度引起的分子擴(kuò)散通量于流動(dòng)之上的由濃度梯度引起的分子擴(kuò)散通量其中，分子擴(kuò)散是由物質(zhì)濃度（或分壓）差而引起的分

11、子微觀運(yùn)動(dòng)；而流動(dòng)是因?yàn)橄到y(tǒng)主體與相界面之間存在壓差而引起的流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，其起因還是分子擴(kuò)散，流動(dòng)是一種分子擴(kuò)散的伴生現(xiàn)象。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理（一）擴(kuò)散通量dzdcDcccNAABAA由組分A、B組成的雙組分混合氣體氣體，假設(shè)A為溶質(zhì)，組分B為惰性組分，組分A向流體界面擴(kuò)散并溶解于液體，則組分則組分A從氣相到相界面的傳質(zhì)通量為分子擴(kuò)散從氣相到相界面的傳質(zhì)通量為分子擴(kuò)散通量與流動(dòng)中組分通量與流動(dòng)中組分A的傳質(zhì)通量之和。的傳質(zhì)通量之和。費(fèi)克定律的普通表達(dá)形式：費(fèi)克定律的普通表達(dá)形式：)(BAAAABANNccdzdcDN對(duì)于單向擴(kuò)散（停滯介質(zhì)中的擴(kuò)散）：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理

12、dzdcDcccNAABAA)(0,AiAmBABAccLccDN)(0,AiAmBABAppRTLppDN在穩(wěn)態(tài)情況下，NA為定值四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理（二）濃度分布LziAAiAAyyyy)11(11,0,LziBBiBByyyy)(,0, 相界面相界面 氣相氣相 液相液相 傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向 可見，組分A通過停滯組分B擴(kuò)散時(shí)，濃度分布曲線為對(duì)數(shù)型。0L氣相主體氣相主體液相界面界面pA,0 pB,0pA,i pB,i pA pBA的傳遞A擴(kuò)散B擴(kuò)散B的傳遞總壓pp四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理二、等分子反向擴(kuò)散 在一些雙組分混合體系的傳質(zhì)過程中，當(dāng)體系總濃度保持均勻不變時(shí)，組分A在分

13、子擴(kuò)散的同時(shí)伴有組分B向相反方向的分子擴(kuò)散，且組分B擴(kuò)散時(shí)的量與組分A相等，這種傳質(zhì)過程稱為等分子反向擴(kuò)散。pA1pA2pB1pB2pp12pA1pA2pB1pB2系統(tǒng)內(nèi)任一點(diǎn)總壓不變四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理（一)擴(kuò)散通量等分子反向擴(kuò)散NA+NB=0)(BAAAABANNccdzdcDNdzdcDNAABA)(0,AiAABAccLDN沒有流體的總體流動(dòng)（P188式5.3.5）在z0，cAcA，i和zL，cAcA，0之間積分等分子反向擴(kuò)散四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理（二）濃度分布iAiAAAczLccc,0,0LcB,0(或pB,0) cA,0(或pA,0) cM(或p)BAcA,i(

14、或pA,i) cB,i(或pB,i) cM(或p) 可見，組分A的物質(zhì)的量濃度分布為直線，同樣可得組分B的物質(zhì)的量濃度分布也為直線。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理三、界面上有化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)傳質(zhì) 既有分子擴(kuò)散，又伴隨著化學(xué)反應(yīng)。這兩種過程的相對(duì)速率極大地影響著過程的性質(zhì)。率化學(xué)反應(yīng)速率擴(kuò)散速率化學(xué)反應(yīng)速率擴(kuò)散速擴(kuò)散控制過程反應(yīng)控制過程四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理z0LNANBL催化劑表面圖圖 界面處有化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)過程界面處有化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)過程在物質(zhì)表面進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過程。（以催化劑反應(yīng)為例）)(2)()(gBsCgA 可逆根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量式，可得出組分A的擴(kuò)散通量NA與組分B的擴(kuò)散通量NB

15、之間的關(guān)系為NB= - 2 NA四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理)(BAAAABANNccdzdcDN)(BAAAABANNydzdycDNNB= - 2 NAdzdyycDNAAABA1將上式在催化劑表面和氣相主體之間積分，邊界條件為 z=0, yA=yA,i z=L, yA=yA,0四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理AyyAABLAdyycDdzNAiA0,10iAAABAyyLcDN,0,11ln)1ln(0,AABAyLcDN在一定操作條件下，DAB和c為常數(shù)，因此n若反應(yīng)是瞬時(shí)完成的，可認(rèn)為催化劑表面不存在組分A，即yA,i=0n若在催化劑表面化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得極為緩慢，化學(xué)反應(yīng)速率遠(yuǎn)小于擴(kuò)散

16、速率，且化學(xué)反應(yīng)屬一級(jí)反應(yīng)，則在催化劑表面，組分A的傳質(zhì)通量與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系為yA,i=NA/(k1c)ckNyLcDNAAABA10,11ln四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理ckNyLcDNAAABA10,11lnLkDyLcDNABAABA10,1)1ln()1ln(0,AABAyLcDN)1ln(0,1AAyckN或更小4 . 01ckNA11ckDAB11ckDAB擴(kuò)散控制反應(yīng)控制超越方程超越方程四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理5.4 對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì) 對(duì)流傳質(zhì)是運(yùn)動(dòng)著的流體與相相界面（固體壁面或流（固體壁面或流體界面）體界面）之間發(fā)生的傳質(zhì)過程，也稱為對(duì)流擴(kuò)散。單相中的對(duì)單相中的對(duì)流傳質(zhì)

17、流傳質(zhì)兩相間的對(duì)兩相間的對(duì)流傳質(zhì)流傳質(zhì)如：流體流過可溶性固體表面，溶質(zhì)在流體中的溶解過程在催化劑表面進(jìn)行的氣固相催化反應(yīng)兩相流體接觸，組分先由一相的主體向相界面?zhèn)鬟f，然后通過相界面向另一相中傳遞，如：氣體的吸收；液液兩相萃取等。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理一、對(duì)流傳質(zhì)過程的機(jī)理及傳質(zhì)邊界層對(duì)流傳質(zhì)中分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散一般同時(shí)存在。（一）對(duì)流傳質(zhì)過程的機(jī)理u0，cA,0u=0.99u0cA-cA,i=0.99（cA,o-cA,i）cAcA,ic流體流過平壁面的對(duì)流傳質(zhì)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理層流流動(dòng)相鄰層間流體互不摻混，在垂直方向上只存在由濃度梯度引起的分子擴(kuò)散，界面與流體間的擴(kuò)散通量符

18、合費(fèi)克第一定律。湍流流動(dòng)相鄰層間流體在垂直方向上強(qiáng)烈混合，除了由濃度梯度引起的分子擴(kuò)散外，更重要的是渦流擴(kuò)散。湍流邊界層包括層流底層、過渡區(qū)及湍流核心區(qū)費(fèi)克第一定律主要是渦流擴(kuò)散四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理（二）傳質(zhì)邊界層 具有濃度梯度的流體層稱為傳質(zhì)邊界層，可以認(rèn)為質(zhì)量傳遞的全部阻力都集中在邊界層內(nèi)。與流動(dòng)邊界層相似，對(duì)于平板壁面，將傳質(zhì)邊界層的名義厚度c定義為3/1ScccA-cA,i=0.99（cA,o-cA,i）傳質(zhì)邊界層厚度c與流動(dòng)邊界層厚度一般不相等，他們的關(guān)系取決于施密特?cái)?shù)Sc，即ABDScSc分子動(dòng)量傳遞能力和分子擴(kuò)散能力的比值。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理對(duì)于圓管的傳質(zhì)ScdLDRe05. 0LDcA-cA,i=0.99（cA,o-cA,i）cA,icu0，cA,0u=0.99u0圓管內(nèi)的傳質(zhì)邊界層層流：dLD50湍流：-傳質(zhì)進(jìn)口段長(zhǎng)度四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生課程環(huán)工原理二、對(duì)流傳質(zhì)速率方程（一）