傳質(zhì)過(guò)程概論

傳質(zhì)過(guò)程概論2023/7/81第1頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、傳質(zhì)設(shè)備簡(jiǎn)介（一）填料塔連續(xù)接觸式傳質(zhì)設(shè)備2023/7/82第2頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）板式塔逐級(jí)接觸式傳質(zhì)設(shè)備2023/7/83第3頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)擴(kuò)散與單向傳質(zhì)一、分子擴(kuò)散定義：?jiǎn)我幌鄡?nèi)、濃度差異下，分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象，稱為分子擴(kuò)散。

它類(lèi)似于傳熱中的熱傳導(dǎo)，是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果。分子擴(kuò)散產(chǎn)生的原因有： 存在溫度梯度、 或者壓強(qiáng)梯度 或者濃度梯度2023/7/84第4頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章僅討論因濃度梯度而造成的分子擴(kuò)散速率。二、對(duì)流傳質(zhì)定義：憑藉流體質(zhì)點(diǎn)的湍流和漩渦而引起的擴(kuò)散稱為對(duì)流傳質(zhì)。發(fā)生在靜止或?qū)恿髁黧w里的擴(kuò)散都是分子擴(kuò)散。2023/7/85第5頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)生在湍流流體里的傳質(zhì)除分子擴(kuò)散外更主要的是對(duì)流傳質(zhì)。 將一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都會(huì)變甜， 若用勺攪動(dòng)杯中水，則將甜得更快更均勻，這就是分子擴(kuò)散的結(jié)果。那便是對(duì)流傳質(zhì)的結(jié)果。2023/7/86第6頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分子擴(kuò)散與費(fèi)克定律費(fèi)克定律 只要流體內(nèi)部有濃度梯度，就會(huì)產(chǎn)生分子擴(kuò)散。 在恒溫恒壓下，一維分子擴(kuò)散速率可用費(fèi)克定律表達(dá)如下：指向濃度增加的方向，而擴(kuò)散向濃度降低的方向進(jìn)行，故式中加－負(fù)號(hào)。濃度梯度DAB為組分A在雙組分混合物A、B中的擴(kuò)散系數(shù)。2023/7/87第7頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、雙組分混合物中的一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散如圖，密閉容器兩側(cè)裝有溫度、壓強(qiáng)均相同的A、B兩種氣體。抽掉隔板后，在濃度梯度的推動(dòng)下兩種氣體分子在垂直于隔板的方向上相互擴(kuò)散。A

B

AB

AB

P,T=const.依照分子擴(kuò)散規(guī)律同理1等摩爾反方向分子擴(kuò)散2023/7/88第8頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于氣體，在總壓不太高的情況下，我們有因?yàn)橄到y(tǒng)的總壓相等，通過(guò)擋板的兩個(gè)物質(zhì)通量，方向相反，大小相等。2023/7/89第9頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月顯然，dpA=-dpB

JA=-JB

即考慮A的傳遞方向?yàn)檎?，可以?xiě)出我們又有，P=pA+pB=const2023/7/810第10頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在任一固定的空間位置上，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的A的物質(zhì)量，稱為A的傳質(zhì)速率，用NA表示。若傳質(zhì)截面積相等，則NA為等值。溫度、總壓一定，則D一定；根據(jù)右面的圖進(jìn)行積分，可得2023/7/811第11頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月同理，有對(duì)于液相有

很明顯可以看出，對(duì)于等分子反方向擴(kuò)散，通過(guò)接管中任一橫截面的凈物質(zhì)通量N為零，即

N=NA+NB=02023/7/812第12頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際的傳質(zhì)過(guò)程中，很少為嚴(yán)格的等分子反向擴(kuò)散過(guò)程。

在精餾過(guò)程中，易揮發(fā)的A組分由液相進(jìn)入氣相的速率與難揮發(fā)的B組分由氣相進(jìn)入液相的速率大體相同。只有當(dāng)A、B兩個(gè)組分的摩爾汽化潛熱接近相等，對(duì)該二元混合物進(jìn)行精餾操作時(shí)，氣液兩相進(jìn)行傳質(zhì)，才可以看成是該過(guò)程。2023/7/813第13頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 設(shè)在界面的氣相一側(cè)有一個(gè)厚度為的靜止氣層。 氣層內(nèi)各處P、T相等。2組分A通過(guò)靜止組分B的分子擴(kuò)散 對(duì)于穩(wěn)態(tài)吸收過(guò)程，混合氣體A+B中，A為可溶組分，B為不溶組分。就會(huì)發(fā)生如上的分子擴(kuò)散過(guò)程。2023/7/814第14頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）分子擴(kuò)散與主體流動(dòng)由于界面處A組分不斷地溶解、被吸收，氣相主體濃度CA>界面處濃度CAi

，

A組分存在濃度梯度dCA/dZ，分子擴(kuò)散JA方向是朝界面擴(kuò)散。2023/7/815第15頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月惰性氣體B組分由于不能被液體吸收，故存在CBi>CB。

B組分存在濃度梯度dCB/dZ，朝氣相主體擴(kuò)散，2023/7/816第16頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 吸收過(guò)程，液相不存在B組分，不可能向界面提供B組分，故吸收過(guò)程所發(fā)生的是組分A的單向擴(kuò)散，而不是等分子反向擴(kuò)散。結(jié)果：導(dǎo)致界面處氣體總壓降低，使氣相主體與界面之間產(chǎn)生微小壓差，這一壓差必然促使混合氣體向界面流動(dòng)，此流動(dòng)稱為主體流動(dòng)。界面處組分A被液體吸收、組分B反向擴(kuò)散離開(kāi)界面2023/7/817第17頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主體流動(dòng)不同于擴(kuò)散流（JA或JB）： 擴(kuò)散流是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀結(jié)果，它所傳遞的是純組分A或純組分B。

主體流動(dòng)系宏觀運(yùn)動(dòng)，它同時(shí)攜帶組分A與B流向界面。 在穩(wěn)態(tài)條件下，主體流動(dòng)所帶組分B的量必恰好等于組分B反向擴(kuò)散的量，以使CBi保持恒定。2023/7/818第18頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 因氣相主體與界面間的微小壓差便足以造成必要的主體流動(dòng)，因此氣相各處的總壓（或CM）仍可認(rèn)為基本上是相等的，即JA=-JB的前提依然成立。2023/7/819第19頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 通過(guò)靜止或?qū)恿鳉饽ぶ信c界面平行的任一靜止平面的物流有三個(gè)：兩個(gè)擴(kuò)散流JA和JB，及一個(gè)主體流動(dòng)NM。

(2)速率方程

設(shè)通過(guò)靜止平面的凈物流為N，對(duì)平面作總物料衡算可得

N=NM+JA+JB=NM(因?yàn)镴A=-JB)

式中：N、NM、JA、JB

——kmol/(m2.s)

2023/7/820第20頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上式說(shuō)明，盡管主體流動(dòng)與凈物流的含義不同，但主體流動(dòng)的速率NM與凈物流速率N必相等。為了求出組分A因分子擴(kuò)散和主體流動(dòng)而造成的傳質(zhì)速率NA,可在平面PQ處組分A作物料衡算。2023/7/821第21頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

NA=JA+NM(CA/CM)

式中：

JA——因組分A存在濃度梯度引起的分子擴(kuò)散速率；NM(CA/CM)——主體流動(dòng)中A所占的傳遞速率。一般情況下，對(duì)雙組分物系，凈物流速率NM既包括組分A,也包括組分B，即NM=NA+NB

2023/7/822第22頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月故： NA=JA+(NA+NB)(CA/CM)

JA與dCA/dZ有關(guān)。

上式分子擴(kuò)散速率微分式中包含NA和NB兩個(gè)未知數(shù)，只有已知NA和NB之間的關(guān)系時(shí)，才能積分求解NA。

(3)擴(kuò)散速率的積分式

注意：吸收過(guò)程主體流動(dòng)所帶組分B的量必等于組分B反向分子擴(kuò)散的量，故惰性組分B的凈傳遞速率NB=02023/7/823第23頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月所以有 NA=JA+NA(CA/CM)整理并結(jié)合前式，可以得到：令則2023/7/824第24頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月故前面積分式表示單向擴(kuò)散時(shí)，組分A的濃度分布為一對(duì)數(shù)函數(shù)。對(duì)氣相2023/7/825第25頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月與等分子反向擴(kuò)散速率方程相比，單向擴(kuò)散時(shí)多了一個(gè)因子CM/CBm或P/pBm。

(CM/CBm)>1，(P/pBm)>1,我們稱之為漂流因子（數(shù)）。 它反映了主體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響，P/pBm增大，主體流動(dòng)作用加大，對(duì)吸收愈好，這就如順?biāo)浦?水流使船速加大，故稱之為漂流因子。2023/7/826第26頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)一下計(jì)算公式：2023/7/827第27頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液相：討論1）組分A的濃度與擴(kuò)散距離z為指數(shù)關(guān)系2）、——漂流因數(shù)，無(wú)因次2023/7/828第28頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月漂流因數(shù)意義：其大小反映了總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響程度，其值為總體流動(dòng)使傳質(zhì)速率較單純分子擴(kuò)散增大的倍數(shù)。漂流因數(shù)的影響因素：濃度高，漂流因數(shù)大，總體流動(dòng)的影響大。低濃度時(shí)，漂流因數(shù)近似等于1，總體流動(dòng)的影響小3）單向擴(kuò)散體現(xiàn)在吸收過(guò)程中。2023/7/829第29頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)代化學(xué)工程所要解決的分離與純化的任務(wù)，面臨著越來(lái)越多、越來(lái)越復(fù)雜的混合物體系。 質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)的研究既有代表性又有本質(zhì)意義。 質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)成為化學(xué)工程科學(xué)中一個(gè)重要的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。三、擴(kuò)散系數(shù) 質(zhì)量擴(kuò)散在氣體、液體、固體物質(zhì)中都可以發(fā)生，但各有其特征。分子質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)2023/7/830第30頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特征分別是：氣相分子擴(kuò)散：依靠分子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)液相中溶質(zhì)分子擴(kuò)散：可視作剛性小球在連續(xù)介質(zhì)中的緩慢運(yùn)動(dòng)固相或多孔介質(zhì)內(nèi)的分子擴(kuò)散：類(lèi)似于液相的固溶體擴(kuò)散機(jī)制，也有大孔道中分子碰撞機(jī)制和毛細(xì)孔道中分子與壁的碰撞機(jī)制。2023/7/831第31頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由氣體分子動(dòng)力學(xué)可知道，分子的運(yùn)動(dòng)是很快的。如：常溫、常壓下，其平均速度為數(shù)百米/秒；但分子的平均自由程很短（僅10-7米），所以很快改變方向（發(fā)生碰撞），所以總體擴(kuò)散速率慢，擴(kuò)散系數(shù)小。氣相擴(kuò)散系數(shù)2023/7/832第32頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)在氣體當(dāng)中的擴(kuò)散系數(shù)，主要取決于溫度、壓力和氣體組分的性質(zhì)。 壓力不高時(shí)，基本上與氣體濃度無(wú)關(guān)。2023/7/833第33頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在實(shí)際應(yīng)用中，人們更多地是采用半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算。比如，F(xiàn)uller公式

p

－總壓（絕），atm T－絕對(duì)溫度，K ∑υA

、∑υB

－組分A和B的分子擴(kuò)散體積，cm3/molMA、MB

－組分A和B的分子量

2023/7/834第34頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分子擴(kuò)散體積講義上的圖表（p418）查出。從上式看出，如果已知一定溫度、壓力下的擴(kuò)散系數(shù)，可以用下式計(jì)算另一條件下的擴(kuò)散系數(shù)。2023/7/835第35頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常溫、大氣壓條件下某些雙組分氣體混合物的擴(kuò)散系數(shù)系統(tǒng)溫度K擴(kuò)散系數(shù)DAB×104m2/s系統(tǒng)溫度K擴(kuò)散系數(shù)DAB×104m2/s空氣—Cl22730.124空氣—甲苯2980.0844空氣—CO22760.142H2—N22980.784空氣—SO22930.122H2—NH32930.849空氣—H2O2980.260H2—CO2730.651空氣—NH32980.229CO2—乙醇2730.0693空氣—H22730.611CO2—H2O2980.164空氣—C6H62980.0962CO—O22730.185空氣—乙醇2980.135N2—NH32930.241空氣—甲醇2980.162N2—乙烯2980.1632023/7/836第36頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液相擴(kuò)散系數(shù)影響溶質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)的因素： 物質(zhì)的種類(lèi)、 溫度、 溶質(zhì)的濃度、 溶劑分子的締合作用。 溶質(zhì)擴(kuò)散理論至今尚不成熟，擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算目前仍主要采用半經(jīng)驗(yàn)方法。2023/7/837第37頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 例如，