第八章傳質(zhì)過程導(dǎo)論

1、化工原理化工原理電子教案電子教案/目錄目錄1目錄目錄第八章第八章 傳質(zhì)過程導(dǎo)論傳質(zhì)過程導(dǎo)論 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程 二、相平衡 三、相組成的表示方法 四、傳質(zhì)方式 第二節(jié)第二節(jié) 分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散 一、費(fèi)克定律 二費(fèi)克定律的另一種常用形式 三雙組分、一維穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散舉例化工原理化工原理電子教案電子教案/目錄目錄2目錄目錄第三節(jié)第三節(jié) 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì) 一、對流傳質(zhì)機(jī)理分析 二、膜模型 三、傳質(zhì)模型簡介 四、對流傳質(zhì)方程 五、對流傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)式第八章第八章 小結(jié)小結(jié)化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章3/36第八章第八章 傳質(zhì)過程導(dǎo)論傳質(zhì)過程導(dǎo)論 質(zhì)量傳遞質(zhì)

2、量傳遞熱量傳遞熱量傳遞動量傳遞動量傳遞三傳三傳 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)作作為為方方法法利用某種性質(zhì)利用某種性質(zhì)分離過程在全廠的設(shè)備投資分離過程在全廠的設(shè)備投資費(fèi)和操作費(fèi)上占很大比重。費(fèi)和操作費(fèi)上占很大比重。對一典型的化工廠，分離設(shè)對一典型的化工廠，分離設(shè)備的投資占備的投資占60-7060-70，分離過，分離過程的能耗約占程的能耗約占3030。轉(zhuǎn)下頁轉(zhuǎn)下頁-在濃度差、溫度差、壓在濃度差、溫度差、壓力差等推動力作用下，從一處力差等推動力作用下，

3、從一處向另一處的轉(zhuǎn)移過程。包括相向另一處的轉(zhuǎn)移過程。包括相內(nèi)傳質(zhì)和相際傳質(zhì)兩類。內(nèi)傳質(zhì)和相際傳質(zhì)兩類。轉(zhuǎn)第轉(zhuǎn)第5 5頁頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章4/36可可被被利利用用于于分分離離的的性性質(zhì)質(zhì)物理化學(xué)生物學(xué)力學(xué)性質(zhì)密度、表面張力、尺寸、質(zhì)量等密度、表面張力、尺寸、質(zhì)量等如重力沉降、過濾如重力沉降、過濾熱力學(xué)性質(zhì)熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、臨界點(diǎn)、轉(zhuǎn)變點(diǎn)、蒸汽壓、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、臨界點(diǎn)、轉(zhuǎn)變點(diǎn)、蒸汽壓、溶解度、分配系數(shù)等。如吸收、精餾溶解度、分配系數(shù)等。如吸收、精餾電、磁性質(zhì)電導(dǎo)率、介電常數(shù)、遷移率、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、遷移率、電荷、淌度、磁化率等電荷、淌度、磁化率等輸送性質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)、分子飛

4、行速度擴(kuò)散系數(shù)、分子飛行速度反應(yīng)速度性質(zhì)反應(yīng)速度常數(shù)反應(yīng)速度常數(shù)熱力學(xué)性質(zhì)反應(yīng)平衡常數(shù)、化學(xué)吸附平衡常數(shù)、反應(yīng)平衡常數(shù)、化學(xué)吸附平衡常數(shù)、離解常數(shù)、電離電位離解常數(shù)、電離電位生物學(xué)親和力、生物學(xué)吸附平衡、生物學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)生物學(xué)親和力、生物學(xué)吸附平衡、生物學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)返回上頁返回上頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章5/36第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 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 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

5、）水） 蒸餾蒸餾 一、化工生產(chǎn)中的常規(guī)分離方法一、化工生產(chǎn)中的常規(guī)分離方法 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 固固系系統(tǒng)統(tǒng)：如如干干燥燥操操作作氣氣操操作作固固系系統(tǒng)統(tǒng)：如如結(jié)結(jié)晶晶、浸浸取取液液作作液液系系統(tǒng)統(tǒng)：如如液液液液萃萃取取操操液液操操作作液液系系統(tǒng)統(tǒng)：如如蒸蒸餾餾、精精餾餾汽汽等等單單元元操操作作液液系系統(tǒng)統(tǒng)：如如吸吸收收、解解吸吸氣氣化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章6/36第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 相相界界面面 水水 p

6、G 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 二、相平衡二、相平衡與熱平衡不同之處：與熱平衡不同之處：達(dá)到相平衡時(shí)，一般兩相達(dá)到相平衡時(shí)，一般兩相 濃度不相等。濃度不相等。相平衡屬動態(tài)平衡相平衡屬動態(tài)平衡-達(dá)到達(dá)到相平衡時(shí)，傳質(zhì)過程仍在進(jìn)行，相平衡時(shí)，傳質(zhì)過程仍在進(jìn)行，只不過通過相界面的某一組分只不過通過相界面的某一組分的凈傳質(zhì)量為零。的凈傳質(zhì)量為零。-相際間傳質(zhì)的最終狀態(tài)相際間傳質(zhì)的最終狀態(tài) 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章7/36第一節(jié)第一節(jié) 概述概述對對氣氣體體，還還可可以以用用Ap表表示示濃濃度度三、相組成的

7、表示方法三、相組成的表示方法轉(zhuǎn)下頁轉(zhuǎn)下頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章8/361 BAxx1 BAww BBAAAAAMwMwMwx/ BBAAAAAMxMxMxwxxX 1XXx 1www 1www 1cxcAA AAw 思考思考1：雙組分均相物系（雙組分均相物系（A、B）的摩爾分?jǐn)?shù)之和等于多）的摩爾分?jǐn)?shù)之和等于多少？質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和呢？少？質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和呢？ 思考思考2：xA與與wA的關(guān)系？的關(guān)系？ 思考思考3：雙組分均相物系中，雙組分均相物系中，x與與X的關(guān)系？的關(guān)系？w與的與的 關(guān)系？關(guān)系？ w思考思考4：xA與與cA的關(guān)系？的關(guān)系？wA與與 A的關(guān)系？的關(guān)系？ 返回上頁

8、返回上頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章9/36思考思考5：cA與與 A的關(guān)系？的關(guān)系？ 思考思考6：對理想氣體，對理想氣體，c與與 p的關(guān)系？的關(guān)系？y與與p？ 與與p？ RTpVncAAA 通通用用氣氣體體常常數(shù)數(shù)KkmolJR /8314AAAMc RTPVnc PpnnyAAA RTMpVnMVmAAAAAA 返回第返回第7 7頁頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章10/36第一節(jié)第一節(jié) 概述概述四傳質(zhì)方式四傳質(zhì)方式傳質(zhì)的兩種方式傳質(zhì)的兩種方式分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散對流傳質(zhì)（給質(zhì)過程）對流傳質(zhì)（給質(zhì)過程）-發(fā)生在靜止流體、層流流動的流體中，發(fā)生在靜止流體、層

9、流流動的流體中， 靠分子運(yùn)動進(jìn)行的?？糠肿舆\(yùn)動進(jìn)行的。 -發(fā)生在湍流流動的流體中，發(fā)生在湍流流動的流體中， 靠流體微團(tuán)的脈動進(jìn)行的?？苛黧w微團(tuán)的脈動進(jìn)行的。 返回目錄返回目錄化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章11/36第二節(jié)第二節(jié) 分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散dzdcDJAABzA , 一菲克定律一菲克定律ntq 對照：對照：牛頓粘性定律：牛頓粘性定律：傅立葉定律：傅立葉定律： dydu -又稱菲克第一定律，適用于又稱菲克第一定律，適用于 雙組分體系。雙組分體系。1855年年Fick用與傅立葉用與傅立葉定律類比的方法而不是定律類比的方法而不是用實(shí)驗(yàn)方法提出的。用實(shí)驗(yàn)方法提出的。dzdcDJ

10、BBAzB ,AAAAAAAABBBBBBBB質(zhì)量中心面質(zhì)量中心面組分組分A的擴(kuò)散量的擴(kuò)散量JA,z組分組分B的擴(kuò)散量的擴(kuò)散量JB,z化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章12/36一菲克定律一菲克定律dzdcDJAABzA ,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 菲克定律的其它表達(dá)形式：菲克定律的其它表達(dá)形式： dzdpRTDdzRTpdDdzdxcDJAABAABAABzA ,dzdcDJBBAzB ,擴(kuò)擴(kuò)散散通通量量，kmol/m2 sA 在在 B 中中的的擴(kuò)擴(kuò)散散系系數(shù)數(shù) m2/sAAAAAAAABBBBBBBB質(zhì)量中心面質(zhì)量中心面組分組分A的擴(kuò)散量

11、的擴(kuò)散量JA,z組分組分B的擴(kuò)散量的擴(kuò)散量JB,z化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章13/36一菲克定律一菲克定律說明：說明：（1）JA,z、 JB,z是相對擴(kuò)散通量是相對擴(kuò)散通量 （絕對擴(kuò)散通量用（絕對擴(kuò)散通量用NA,z表示）表示） 組分組分A移走后，出現(xiàn)空位，其他移走后，出現(xiàn)空位，其他分子（可能是分子（可能是A也可能是也可能是B）將會）將會補(bǔ)位，若補(bǔ)位，若A、B分子量不等，那么分子量不等，那么質(zhì)量中心會局部發(fā)生漂移。質(zhì)量中心會局部發(fā)生漂移。JA,z、 JB,z是為了使是為了使JA,z JB,z0而定義的而定義的，即，即JA,z、 JB,z是相對于一個(gè)移動的是相對于一個(gè)移動的

12、擴(kuò)散面而定義的擴(kuò)散通量。擴(kuò)散面而定義的擴(kuò)散通量。組分組分A的擴(kuò)散量的擴(kuò)散量JA,z組分組分B的擴(kuò)散量的擴(kuò)散量JB,zAAAAAAAABBBBBBBB質(zhì)量中心面質(zhì)量中心面（2）JA,z JB,z由由JA,z JB,z0可證得?？勺C得?；ぴ砘ぴ黼娮咏贪鸽娮咏贪? /第八章第八章14/36一菲克定律一菲克定律（3）DA,B是物性。是物性。),(,xTPfDBA DA,B（氣）氣） 10-5m2/sDA,B（液）液） 10-9m2/s DA,B（固）固） 1）代表總體流動的影響代表總體流動的影響對對照照：等等摩摩爾爾相相互互擴(kuò)擴(kuò)散散 2112,AAzAcczzDN 或?qū)懗苫驅(qū)懗?化工原理化工原

13、理電子教案電子教案/ /第八章第八章23/36 NB=0 A NA 相界面相界面 單向擴(kuò)散單向擴(kuò)散 NB B NA A 相界面相界面 等摩爾相互擴(kuò)散等摩爾相互擴(kuò)散 思考：思考：為什么單向擴(kuò)散比等摩爾相互擴(kuò)散多一為什么單向擴(kuò)散比等摩爾相互擴(kuò)散多一個(gè)大于個(gè)大于1 1的漂流因數(shù)？的漂流因數(shù)？在等分子相互擴(kuò)散中，組分在等分子相互擴(kuò)散中，組分A移走后，出現(xiàn)的空位會移走后，出現(xiàn)的空位會由組分由組分B補(bǔ)位，故補(bǔ)位，故Nz0，即無總體流動。，即無總體流動。在單向擴(kuò)散中，組分在單向擴(kuò)散中，組分A移走后，出現(xiàn)的空位會由周圍移走后，出現(xiàn)的空位會由周圍混合物（混合物（AB）補(bǔ)位，故）補(bǔ)位，故Nz 0，即有總體流動?？?/p>

14、慮，即有總體流動。考慮到這部分由總體流動引起的組分到這部分由總體流動引起的組分A的擴(kuò)散通量的擴(kuò)散通量 ，因而因而單向擴(kuò)散的擴(kuò)散通量要比等分子相互擴(kuò)散的大。單向擴(kuò)散的擴(kuò)散通量要比等分子相互擴(kuò)散的大。思考：思考：混合物中混合物中A A組分的濃度愈高，漂流因數(shù)組分的濃度愈高，漂流因數(shù)則如何變化？為什么？則如何變化？為什么？，故，故，則，則 1212lnBBBBBBAcccccccm mBcc漂流因數(shù)漂流因數(shù)化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章24/362單向擴(kuò)散單向擴(kuò)散11lnln11,BBAAzAcczzcDcccczzcDN 121121lnlnzzzzccccBBBB CB2 C

15、B1CA1 CA2 z 相界面相界面前面已推得：前面已推得：1212lnln1212,BBAAzAcczzcDcccczzcDN 若將式中帶有下標(biāo)若將式中帶有下標(biāo)2的各項(xiàng)的下標(biāo)去掉，可得：的各項(xiàng)的下標(biāo)去掉，可得：-cB（或（或cA）隨）隨z呈對數(shù)函數(shù)變化呈對數(shù)函數(shù)變化返回目錄返回目錄作業(yè)：作業(yè)：化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章25/36第三節(jié)第三節(jié) 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)回憶：回憶： 如圖，得到假想的氣膜和液膜，如圖，得到假想的氣膜和液膜，并認(rèn)為在氣（液）膜中傳質(zhì)方式并認(rèn)為在氣（液）膜中傳質(zhì)方式均為分子擴(kuò)散。均為分子擴(kuò)散。 于是對流傳質(zhì)的阻力就都集中于是對流傳質(zhì)的阻力就都集中在假想

16、的氣膜和液膜中。在假想的氣膜和液膜中。對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)-發(fā)生在湍流流動的流體中，發(fā)生在湍流流動的流體中， 靠流體微團(tuán)的脈動進(jìn)行的?？苛黧w微團(tuán)的脈動進(jìn)行的。 相界面相界面?zhèn)髻|(zhì)傳質(zhì)層流底層層流底層氣體氣體液體液體cALcAGcAi氣膜氣膜液膜液膜湍流主體湍流主體湍流主體湍流主體邊界層邊界層邊界層邊界層u湍流主體因濃度均一無傳質(zhì)阻力；湍流主體因濃度均一無傳質(zhì)阻力；u層流底層傳質(zhì)方式為分子擴(kuò)散，阻力最大；層流底層傳質(zhì)方式為分子擴(kuò)散，阻力最大；u過渡區(qū)（湍流主體與層流底層之間）傳過渡區(qū)（湍流主體與層流底層之間）傳質(zhì)方式為分子擴(kuò)散和對流傳質(zhì)（脈動）。質(zhì)方式為分子擴(kuò)散和對流傳質(zhì)（脈動）。一、對流傳質(zhì)機(jī)理分析

17、：一、對流傳質(zhì)機(jī)理分析：二、膜模型：二、膜模型：化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章26/36第三節(jié)第三節(jié) 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)三、傳質(zhì)模型簡介三、傳質(zhì)模型簡介（詳見教材（詳見教材P58第五節(jié)）第五節(jié)） 表面更新模型表面更新模型溶質(zhì)滲透模型溶質(zhì)滲透模型雙膜模型雙膜模型-即膜模型即膜模型-即膜模型即膜模型化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章27/36第三節(jié)第三節(jié) 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)1 1、雙膜模型、雙膜模型 pG pi 傳傳質(zhì)質(zhì)方方向向 Ci 氣氣相相主主體體 液液相相主主體體 CL G L z 距距離離 雙雙膜膜模模型型 組組成成 要點(diǎn)：要點(diǎn)： (1) 相界面兩側(cè)流體的相

18、界面兩側(cè)流體的對流傳質(zhì)阻力全部集中對流傳質(zhì)阻力全部集中在界面兩側(cè)的兩個(gè)停滯在界面兩側(cè)的兩個(gè)停滯膜內(nèi)，膜內(nèi)傳質(zhì)方式為膜內(nèi)，膜內(nèi)傳質(zhì)方式為分子擴(kuò)散。分子擴(kuò)散。 (2)相界面上沒有傳質(zhì)相界面上沒有傳質(zhì)阻力，即可認(rèn)為所需的阻力，即可認(rèn)為所需的傳質(zhì)推動力為零，或氣傳質(zhì)推動力為零，或氣液兩相在相界面處達(dá)到液兩相在相界面處達(dá)到平衡。平衡。氣膜氣膜 液膜液膜回憶：回憶：膜模型膜模型化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章28/36第三節(jié)第三節(jié) 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì) 氣氣膜膜 液液膜膜 pG pi 傳傳質(zhì)質(zhì)方方向向 Ci 氣氣相相主主體體 液液相相主主體體 CL G L z 距距離離 雙雙膜膜模模型型組組

19、成成 2121ppkcckNGLA對流傳質(zhì)方程：對流傳質(zhì)方程：)(21AABmLLAccccDN BmLLLccDk 若為單向擴(kuò)散，在液相中有：若為單向擴(kuò)散，在液相中有：對照對流傳質(zhì)方程，可知：對照對流傳質(zhì)方程，可知：可見，可見，kL DL化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章29/36第三節(jié)第三節(jié) 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)LLDk 雙膜模型缺陷：雙膜模型缺陷： 界面阻力不計(jì)，這是一個(gè)尚有爭議的問題。界面阻力不計(jì)，這是一個(gè)尚有爭議的問題。只適用與有固定相界面的情形；只適用與有固定相界面的情形；，與實(shí)際不符；，與實(shí)際不符；化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章30/36第三節(jié)第三

20、節(jié) 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)界面界面 CAi 23 4 CA0 10 距界面距離距界面距離經(jīng)推導(dǎo)，得經(jīng)推導(dǎo)，得LLDk ，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。特點(diǎn)：強(qiáng)調(diào)形成穩(wěn)定濃度梯度的過特點(diǎn)：強(qiáng)調(diào)形成穩(wěn)定濃度梯度的過 渡階段渡階段 缺陷：認(rèn)為各批旋渦與氣相接觸的缺陷：認(rèn)為各批旋渦與氣相接觸的 時(shí)間相同時(shí)間相同 2、溶質(zhì)滲透模型：希格比（、溶質(zhì)滲透模型：希格比（Higbie）1935年提出年提出相界面微團(tuán)cAiC0AC化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章31/36第三節(jié)第三節(jié) 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì) 由丹克沃茨（由丹克沃茨（Danckwerts）1951年提出，是溶質(zhì)滲透年提出，是溶質(zhì)滲透模型的修正。模型的修正。3、表面更新模型、表面更新模型 總之，由于傳質(zhì)的復(fù)雜性，目前尚沒有一個(gè)完總之，由于傳質(zhì)的復(fù)雜性，目前尚沒有一個(gè)完善的傳質(zhì)理論可用。善的傳質(zhì)理論可用?；ぴ砘ぴ黼娮咏贪鸽娮咏贪? /第八章第八章32/36第三節(jié)第三節(jié) 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)系數(shù) 2121ppkcckNGLA四、對流傳質(zhì)方程四、對流傳質(zhì)方程回憶回憶：牛頓冷卻定律：牛頓冷卻定律q = ( t -tw)影響對流傳質(zhì)系數(shù)影響對流傳質(zhì)系數(shù) k 的因素：的因素：u流動狀況流動狀況u物性物性u操