第八章 傳質(zhì)過程導(dǎo)論

1、第八章第八章 傳質(zhì)過程導(dǎo)論傳質(zhì)過程導(dǎo)論Introduction of Mass Transfer說明說明 Announcements 1、作業(yè)：每周二交作業(yè) Assignments submission : every Tuesday 2、答疑：每周一次，19:00-21:00，地點(diǎn)：6446 Tutorial: 19:00-21:00 once a week in Room 6446 3、考核方式：平時(shí)成績20%，期末筆試80% Assignment 平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn) : 10% Auditorium 出勤情況(包括答疑) : 10% Final Examination 期末考試 : 80%C

2、ontent概概 述述 Introduction1擴(kuò)散原理擴(kuò)散原理 Diffusion2流體界面間的傳質(zhì)流體界面間的傳質(zhì) Turbulent diffusion3傳質(zhì)設(shè)備簡介傳質(zhì)設(shè)備簡介 Equipments4 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)量傳遞三傳三傳分類：相內(nèi)傳質(zhì)和相際傳質(zhì)。分類：相內(nèi)傳質(zhì)和相際傳質(zhì)。 目的：分離均相混合物。目的：分離均相混合物。實(shí)現(xiàn)方法：加入分離劑，加入能量，加入場實(shí)現(xiàn)方法：加入分離劑，加入能量，加入場8.1.1 傳質(zhì)過程定義傳質(zhì)過程定義 物質(zhì)在濃度差、溫度差、壓物質(zhì)在濃度差、溫度差、壓力差等推動(dòng)力作用下的位移。力差等推動(dòng)力作用下的位移。 8.1.2 化工生

3、產(chǎn)中的傳質(zhì)化工生產(chǎn)中的傳質(zhì) 吸收吸收 adsorption 脫吸脫吸 desorption (第九章第九章)蒸餾蒸餾 distillation 蒸餾蒸餾 (第十章第十章)萃取萃取 exaction 萃取萃取 (第十二章第十二章)干燥干燥 drying 增濕增濕 (第十三章第十三章)吸附吸附 absorption，結(jié)晶，結(jié)晶 crystallizaiotn，浸取，浸取 leaching，離子交換離子交換 ion exchange，膜分離，膜分離membrane separation (第十四章第十四章)逆過程逆過程氣氣- -液液汽汽- -液液液液- -液液氣氣- -固固- -液液 相界面相界面p

4、G氣相主體氣相主體pi液相主體液相主體 Ci CL吸收吸收傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向空氣空氣+ +氨氣氨氣水水8.1.2 化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)化工生產(chǎn)中的傳質(zhì) 汽相汽相(乙醇乙醇-水水)乙醇乙醇水水液相液相(乙醇乙醇-水水)蒸餾蒸餾 相相界界面面 苯苯 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 煤煤焦焦油油（含含苯苯酚酚） 液液液液萃萃取取空氣空氣水水濕物料濕物料干燥干燥8.1.2 化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程的方向與極限：相平衡過程的方向與極限：相平衡 phase equilibrium過程速率：傳質(zhì)速率過程速率：傳質(zhì)速率= 傳質(zhì)推動(dòng)力傳質(zhì)推動(dòng)力/傳質(zhì)阻力傳質(zhì)阻力概念

5、原理概念原理工藝流程工藝流程過程計(jì)算過程計(jì)算設(shè)備介紹和設(shè)計(jì)設(shè)備介紹和設(shè)計(jì) 8.1.3 相組成的表示方法相組成的表示方法 1.質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù) mass fraction，wi : wi=1 摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù) mole fraction，xi(液相液相)/yi(氣相氣相)Mw(Mw)Mm(Mmnny/xiiiiiiiiiiiw1w ww1ww)My(My)Mx(Mxwiiiiiiiii計(jì)算基準(zhǔn)：惰性組分的量或質(zhì)量計(jì)算基準(zhǔn)：惰性組分的量或質(zhì)量2.質(zhì)量比質(zhì)量比 w與摩爾比與摩爾比 X(液相液相)/Y(氣相氣相)X1X xx1xX雙組分物系雙組分物系 8.1.3 相組成的表示方法相組成的表示方法 3.

6、濃度濃度 concentration： 質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度Ci 物質(zhì)的量濃度物質(zhì)的量濃度ciiiiiwVmwVmCcxVnxVnciiii理想氣體物系：理想氣體物系：iiCVmVmiiiiiicMyRTPMVmCRTPyRTpVnciiiiBABAppnnYBBAABBAABAMpMpMnMnmmwContent概概 述述 Introduction1擴(kuò)散原理擴(kuò)散原理 Diffusion2流體界面間的傳質(zhì)流體界面間的傳質(zhì) Turbulent diffusion3傳質(zhì)設(shè)備簡介傳質(zhì)設(shè)備簡介 Equipments48.2.1 基本概念基本概念傳質(zhì)機(jī)理：傳質(zhì)機(jī)理： 分子擴(kuò)散：分子擴(kuò)散：分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)造成

7、分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)造成 靜止或傳質(zhì)垂直方向?qū)恿髁黧w中靜止或傳質(zhì)垂直方向?qū)恿髁黧w中 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 對流傳質(zhì)：對流傳質(zhì)：流體質(zhì)點(diǎn)的湍流和漩渦引起流體質(zhì)點(diǎn)的湍流和漩渦引起 湍流流體中，強(qiáng)度更大湍流流體中，強(qiáng)度更大 對流傳熱對流傳熱 擴(kuò)散擴(kuò)散通量通量JA，flux；傳質(zhì)傳質(zhì)通量通量NA ；相界面；相界面interface8.2.2 菲克定律菲克定律 Ficks Law前提：無反應(yīng)，前提：無反應(yīng)，T、P恒定，二元物系。恒定，二元物系。 起因：起因：濃度差濃度差dzdcDJAABA “-”: 傳質(zhì)方向與濃度梯度方向相反傳質(zhì)方向與濃度梯度方向相反DAB: 擴(kuò)散系數(shù)，物性常數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)，物性常數(shù)，m2/sJA：

8、擴(kuò)散通量，：擴(kuò)散通量，kmol/m2 s dzdcA：濃度梯度，指向濃度增加的方向。：濃度梯度，指向濃度增加的方向。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：dzdpRTDdzRTpdDdzdxcDJAABAABAABA相界面相界面氣相氣相液相液相傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向 雙組分混合物，在總濃度雙組分混合物，在總濃度( (氣相也可說總壓氣相也可說總壓) ) 各處相等的前提下，有各處相等的前提下，有: :8.2.2 菲克定律菲克定律 Ficks Law傳質(zhì)與傳熱區(qū)別傳質(zhì)與傳熱區(qū)別: :分子占據(jù)體積分子占據(jù)體積“分子對稱面分子對稱面”zCD)zCD(JJABABABBAddddDDDBAABdzCd

9、dzCdBA等摩爾相互擴(kuò)散等摩爾相互擴(kuò)散 Equimolar (counter) diffusion 無凈物流無凈物流 N=0，無主體流動(dòng)，無主體流動(dòng) 組分組分A的濃度分布為直線的濃度分布為直線 對氣相對氣相(理想氣體理想氣體) 8.2.3 一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散NB BA相界面相界面等摩爾相互擴(kuò)散NA0NorNNBA 常數(shù)結(jié)論：常數(shù)BAJJ)pp(RTzDJN2A1AAARTpVncAAA)cc (zDzdcdDJN2A1AAAAAABBJN and JN僅分子擴(kuò)散一種傳質(zhì)機(jī)制僅分子擴(kuò)散一種傳質(zhì)機(jī)制 Review傳質(zhì)概念，常見傳質(zhì)種類傳質(zhì)概念，常見傳質(zhì)種類(2)濃度表示：濃度表示：

10、w，x(y)；w，X/Y；ci，Ci，pi(3)菲克定律：分子擴(kuò)散的計(jì)算菲克定律：分子擴(kuò)散的計(jì)算(4)一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散：一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散： 等摩爾相互擴(kuò)散：精餾，僅分子擴(kuò)散等摩爾相互擴(kuò)散：精餾，僅分子擴(kuò)散BBAABAJN,JN0NorNN 常數(shù)特點(diǎn)：)pp(RTzD)cc (zDJN2A1A2A1AAA dzdcDJAABA單向擴(kuò)散單向擴(kuò)散 One-way diffusion8.2.3 一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散 分子擴(kuò)散：分子擴(kuò)散：JA=-JB。 主主/總體流動(dòng)：總體流動(dòng)：A進(jìn)入液相而進(jìn)入液相而B反向擴(kuò)散，界面總壓低于氣相反向擴(kuò)散，界面總壓低于氣相主，混合氣體向界面流動(dòng)，主，混合氣體向

11、界面流動(dòng)，Nb。總體流動(dòng)總體流動(dòng)bulk flow of the mixture凈物流凈物流net flow但總體流動(dòng)速率但總體流動(dòng)速率Nb=凈物流速率凈物流速率NbMBB, bbMAA, bbBAbNccN,NccN,NJJNN 擴(kuò)散：單組分?jǐn)U散：單組分A或或B的流動(dòng)的流動(dòng)總體流動(dòng)：混合物總體的宏觀流動(dòng)總體流動(dòng)：混合物總體的宏觀流動(dòng)單向擴(kuò)散單向擴(kuò)散8.2.3 一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散2A1A21ccAMAMzzAAMAAAccdcDcdzNdzdcD)cc1 (NJ1B2BM1AM2AM122MAcclnzDccccclnzzDcNMAAAABccNJN , 0N濃度分布為對數(shù)濃度分

12、布為對數(shù))ccln(ccc1B2B1B2BBm令：)cc (cczDN2A1ABmMA)pp(pPRTzDN2A1ABmA氣相：氣相：NB=0A相界面相界面單向擴(kuò)散NA單向擴(kuò)散單向擴(kuò)散8.2.3 一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散)pp(zRTDN, )cc (zDN2A1AA2A1AA氣相：等摩爾相互擴(kuò)散：組分組分A通過停滯通過停滯(或不擴(kuò)散或不擴(kuò)散)組分組分B的分子擴(kuò)散的分子擴(kuò)散 漂流因子：漂流因子：BmBmMpP or cc總體流動(dòng)對運(yùn)動(dòng)組分總體流動(dòng)對運(yùn)動(dòng)組分A傳質(zhì)的影響，傳質(zhì)的影響，1總體流動(dòng)加速總體流動(dòng)加速A的傳質(zhì)，而阻礙的傳質(zhì)，而阻礙B的傳質(zhì)的傳質(zhì)漂流因子漂流因子，總體流動(dòng)越利于，總

13、體流動(dòng)越利于A傳質(zhì)傳質(zhì)若若cA很小，漂流因子很小，漂流因子1 ，總體流動(dòng)可忽略，總體流動(dòng)可忽略BAB2A1ABmA2A1ABmMAJJ , 0N)pp(pPRTzDN)cc (cczDN總結(jié)：總結(jié)： 等摩爾相互擴(kuò)散：等摩爾相互擴(kuò)散： 工業(yè)實(shí)例工業(yè)實(shí)例精餾精餾 無凈物流無凈物流 N=0，NA=JA，NB=JB，JA=-JB，濃度直線分布，濃度直線分布 8.2.3 一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散)pp(RTzDJN2A1AAA)cc (zDJN2A1AAA單向擴(kuò)散：單向擴(kuò)散： 工業(yè)實(shí)例工業(yè)實(shí)例吸收吸收NB=0，JA=-JB，濃度對數(shù)分布，引入漂流因子濃度對數(shù)分布，引入漂流因子BmBmMpP or

14、 cc)pp(pPRTzDN ),cc (cczDN2A1ABmA2A1ABmMA8.2.4 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù) Diffusivity擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)，D，m2/s: 和和 物理意義：單位濃度梯度下的擴(kuò)散通量物理意義：單位濃度梯度下的擴(kuò)散通量物性常數(shù)：物質(zhì)擴(kuò)散快慢物性常數(shù)：物質(zhì)擴(kuò)散快慢影響因素：種類影響因素：種類(兩種物質(zhì)兩種物質(zhì))、濃度、濃度、P、T數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí) ： D氣體氣體 D液體液體 D固體固體 D氣氣10-5m2/s；D液液10-9m2/s；D固固10-10m2/s獲得途徑：獲得途徑：試驗(yàn)測定；試驗(yàn)測定；手冊；手冊；經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)公式估算。公式估算。8.2.4 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系

15、數(shù) Diffusivity氣體的擴(kuò)散系數(shù)：氣體的擴(kuò)散系數(shù)：液體的擴(kuò)散系數(shù)：液體的擴(kuò)散系數(shù)：極稀的非電解質(zhì)溶液極稀的非電解質(zhì)溶液)PP()TT(DD075. 10023/ 1B3/ 1ABA75. 15)V()V(PM1M1T10013. 1D)(TT(DD0006 . 0A5 . 0A8ASVT)M(104 . 7D固體的擴(kuò)散系數(shù)：固體的擴(kuò)散系數(shù)：滲透率代替滲透率代替生命物質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)：生命物質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)：大分子大分子Wilke-Chang式式Fuller式式Content概概 述述 Introduction1擴(kuò)散原理擴(kuò)散原理 Diffusion2對流傳質(zhì)對流傳質(zhì) Turbulent di

16、ffusion3傳質(zhì)設(shè)備簡介傳質(zhì)設(shè)備簡介 Equipments48.3.1 流體對傳質(zhì)的貢獻(xiàn)流體對傳質(zhì)的貢獻(xiàn)流體靜止：分子擴(kuò)散流體靜止：分子擴(kuò)散流體層流：擴(kuò)散，但流動(dòng)流體層流：擴(kuò)散，但流動(dòng)改變了截面的濃度分布改變了截面的濃度分布流體湍流：最常見，促進(jìn)了橫向流體湍流：最常見，促進(jìn)了橫向( (傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向) )傳質(zhì)，傳質(zhì)，流體主體的濃度均化，界面處濃度梯度進(jìn)一步增加流體主體的濃度均化，界面處濃度梯度進(jìn)一步增加 層流底層擴(kuò)散，其余對流，傳質(zhì)強(qiáng)化層流底層擴(kuò)散，其余對流，傳質(zhì)強(qiáng)化傳質(zhì)增強(qiáng)傳質(zhì)增強(qiáng)AWddcz8.3.2 湍流流體中的傳質(zhì)湍流流體中的傳質(zhì)DE：渦流擴(kuò)散系數(shù)：渦流擴(kuò)散系數(shù)eddy diff

17、usivity 湍流主體：渦流擴(kuò)散，湍流主體：渦流擴(kuò)散，DED 層流底層：分子擴(kuò)散，層流底層：分子擴(kuò)散，DED 過渡區(qū)過渡區(qū) ：漩渦擴(kuò)散和分子擴(kuò)散，：漩渦擴(kuò)散和分子擴(kuò)散，DE與與D相當(dāng)相當(dāng)對流擴(kuò)散速率分子擴(kuò)散對流擴(kuò)散速率分子擴(kuò)散菲克定律進(jìn)行計(jì)算菲克定律進(jìn)行計(jì)算c或或p 氣膜氣膜pGpi傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向氣相主體氣相主體G zAATEddcJDDz iGBmGApppPRTDNiGGAppRTDN G：有效膜厚：有效膜厚 氣膜傳質(zhì)系數(shù)氣膜傳質(zhì)系數(shù)kG 8.3.3 對流傳質(zhì)速率方程對流傳質(zhì)速率方程 氣相氣相( (與界面與界面) )的傳質(zhì)速率方程的傳質(zhì)速率方程氣相分傳質(zhì)速率方程氣相分傳質(zhì)速率方程xxk

18、NixALiLAcckNiyAyykNiGGAppkNMLxckk PkkGy液相液相( (與界面與界面) )的傳質(zhì)速率方程的傳質(zhì)速率方程液相分傳質(zhì)速率方程液相分傳質(zhì)速率方程比較以上各式可得比較以上各式可得LxGyk ,k ,k, k：以氣相摩爾分率、分壓，液相摩爾分：以氣相摩爾分率、分壓，液相摩爾分率、摩爾濃度為推動(dòng)力時(shí)的分傳質(zhì)系率、摩爾濃度為推動(dòng)力時(shí)的分傳質(zhì)系數(shù)或傳質(zhì)阻力的倒數(shù)數(shù)或傳質(zhì)阻力的倒數(shù)8.3.4 傳質(zhì)系數(shù)求取傳質(zhì)系數(shù)求取 傳質(zhì)速率方程傳質(zhì)速率方程= =傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)推動(dòng)力傳質(zhì)推動(dòng)力 = =傳質(zhì)推動(dòng)力傳質(zhì)推動(dòng)力/ /傳質(zhì)阻力傳質(zhì)阻力找出影響傳質(zhì)系數(shù)的因素找出影響傳質(zhì)系數(shù)的因素

19、 k=f(,u,d,D)因次分析，得出無因次數(shù)群的函數(shù)表達(dá)式：因次分析，得出無因次數(shù)群的函數(shù)表達(dá)式： Sh=f(Re,Sc)，Sh=kd/D，Re=du/，Sc=/D由試驗(yàn)測定函數(shù)的定量關(guān)系由試驗(yàn)測定函數(shù)的定量關(guān)系降膜式吸收器降膜式吸收器33. 083. 0ScRe23. 0Sh8.4 三傳類比三傳類比 (自學(xué)自學(xué))三傳間類似的規(guī)律類比研究三傳間類似的規(guī)律類比研究Content概概 述述 Introduction1擴(kuò)散原理擴(kuò)散原理 Diffusion2對流傳質(zhì)對流傳質(zhì) Turbulent diffusion3傳質(zhì)設(shè)備簡介傳質(zhì)設(shè)備簡介 Equipments48.5 傳質(zhì)設(shè)備簡介傳質(zhì)設(shè)備簡介 塔設(shè)

20、備塔設(shè)備( (第十一章內(nèi)容第十一章內(nèi)容)Tower)Tower 填料塔填料塔packed ：填料為接觸元件填料為接觸元件連續(xù)接觸設(shè)備連續(xù)接觸設(shè)備 板式塔板式塔plate ： 塔板為接觸元件塔板為接觸元件 級(jí)式接觸設(shè)備級(jí)式接觸設(shè)備作作 業(yè)業(yè) p18：8-2，8-4，8-7提示：提示：8-2：總的物質(zhì)的量變化，而空氣不變，以：總的物質(zhì)的量變化，而空氣不變，以空氣量為計(jì)算基準(zhǔn)，用質(zhì)量比或摩爾比來表示空氣量為計(jì)算基準(zhǔn)，用質(zhì)量比或摩爾比來表示CCl4的濃度。的濃度。 8-4：要蒸發(fā)的水的量為：要蒸發(fā)的水的量為V/M水水=Ah/M水水 傳質(zhì)截面積傳質(zhì)截面積=A， 故時(shí)間故時(shí)間=需傳質(zhì)的量需傳質(zhì)的量/(A傳質(zhì)速率傳質(zhì)速率)習(xí)習(xí) 題題 8-2.解：壓縮：P；冷凝： P T；冷卻？(1)壓縮前后，氣相中CCl4所占分率(y, w)不變冷凝前，p1=p*s,313K=28 kPa， p0=? y0=y1=28 /1013=0.02763w0=w1=0.02763154/(0.02763154)+(0.9723729)=0.1311c0=p0/RT0=2.8/(8