第四章 傳質(zhì)過程教材

1、第四章 傳質(zhì)過程一 概述 1 概念 在含有兩個或兩個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. 例如: 吸收 萃取等等2 傳質(zhì)分離 傳質(zhì)過程可以在一相中進(jìn)行,也可以在兩相中進(jìn)行,在兩相中傳質(zhì)是分離過程的基礎(chǔ).3 傳質(zhì)分離操作的種類 (1) 吸收和解吸 氣體-液體系統(tǒng) 選用合適的液體溶劑(吸收劑)在專用設(shè)備中使之與氣體充分接觸,此時氣體中的一個或幾個組分由氣相轉(zhuǎn)入液相,從而實現(xiàn)對混合氣體的分離.這種操作就稱為氣體的吸收. 氣體的解吸就是把被吸收的組分從吸收劑中脫除的過程. 氣體的減濕(吸收的一種特殊過程)-氣體由氣相到液相

2、氣體的增濕(解吸,減濕的逆過程)-氣體由液相到氣相 (2)液-液萃取 溶質(zhì)從一液相轉(zhuǎn)入另一液相,它的逆過程仍然是萃取.(3)固-液萃取 簡稱浸瀝或浸取 溶質(zhì)由固相轉(zhuǎn)入液相. 由于固體混合物一般是多相系,故浸取常屬于多相系的分離.(4)結(jié)晶 溶質(zhì)有液相趨附于溶質(zhì)晶體的表面,轉(zhuǎn)為固相,使晶體長大.其逆過程為溶解. 溶解與浸取的差別是后一過程中溶質(zhì)與很多不溶性雜質(zhì)混在一起.(5) 吸附 物質(zhì)由氣相或液相趨附于固體表面(主要是多孔性固體的內(nèi)表面).其逆過程就是脫附.(6)干燥 液體(通常為水)經(jīng)過汽化,從固體表面或內(nèi)部轉(zhuǎn)入氣相.(7)精餾 不同物質(zhì)在氣液兩相間的相互轉(zhuǎn)移.二元精餾時易揮發(fā)組分A由液相轉(zhuǎn)

3、入氣相,同時難揮發(fā)組分B由氣相轉(zhuǎn)入液相4 相際傳質(zhì)過程界面組分組分氣相主體液相主體相際傳質(zhì)示意圖二 相組成的表示方法 1 質(zhì)量分率(工程制用重量分率)和摩爾分率 某組分的質(zhì)量占總質(zhì)量的分率或百分率. 對含A、B、C、.的均相混合物有1.,.,CBACCBBAAaaammammamma 傳質(zhì)機理與各組分的分子相對數(shù)目關(guān)系密切，故常用到摩爾分率1.,.,AAACCBBAAxxxnnxnnxnnx 另一相中的摩爾分率用yA、yB、yC，.來代表，當(dāng)物系中有氣相時，習(xí)慣上用y表示氣相的摩爾分率。 質(zhì)量分率和摩爾分率可相互轉(zhuǎn)換如下：iiiAAiiiAAABBBBBAAAAAiiiAAiiiAAAAiii

4、BBAABBBBBAAAAAMxMxnMxnMxanMxMnmnMxMnmMaMaMamMmannxMamMmaMmanMmaMmnMmaMmn故又故因,.,.,.,2 質(zhì)量比和摩爾比 有時也用一個組分對另一個組分的質(zhì)量比或摩爾比代表組成，較常見于雙組分體系。BABAnnXmma摩爾比：質(zhì)量比： 它們與上述兩種組成的表示方法的關(guān)系如下：XXxxxXaaaaaa11113 濃度 濃度：單位體積中物質(zhì)的量，物質(zhì)量可用質(zhì)量來表示，也可用摩爾數(shù)來表示。 V為均相混合物的體積)/()/(33mmolVnCmkgVmcAAAA摩爾濃度：質(zhì)量濃度： 先討論濃度與其他組成表示法的換算： 對均相混合物的密度混合

5、物的總摩爾濃度。同理摩爾濃度：故質(zhì)量濃度：VnCCxVnxVnCaVmaVmccccAAAAAAAAiiBA.對于氣體混合物PpnnyRTpVnCRTpMVnMVmcRTpVnCAAAAAAAAAAAA度為：氣體混合物的總摩爾濃 氣體混合物的摩爾比可用分壓比表達(dá)如下：BBAABBAABABABAMpMpMnMnmmap pnnY而質(zhì)量比可以表達(dá)為：第二節(jié) 擴散原理 一擴散方式擴散方式分子擴散分子擴散渦流擴散渦流擴散作用物作用物流體分子流體分子流體質(zhì)點流體質(zhì)點作用方式作用方式熱運動熱運動湍動和旋渦湍動和旋渦作用對象作用對象靜止、滯流靜止、滯流湍流湍流推動力推動力 濃度差濃度差 物質(zhì)傳遞物質(zhì)傳遞

6、簡稱為擴散簡稱為擴散終點：終點： 濃度差為濃度差為擴散快慢？擴散快慢？ 單位面積上單位時間內(nèi)擴散傳遞的單位面積上單位時間內(nèi)擴散傳遞的物質(zhì)量，單位為物質(zhì)量，單位為kmol/(m2s); 影響因素影響因素: 物質(zhì)性質(zhì)物質(zhì)性質(zhì) 濃度差濃度差 擴散距離擴散距離 等有關(guān)等有關(guān)擴散通量與濃度梯度成正比。擴散通量與濃度梯度成正比。對于組分對于組分A對于組分對于組分B 濃度梯度濃度梯度dldcDNAABA0,dldcAdldpRTDNAABA0,分壓梯度分壓梯度氣體氣體dldpAN NA,0 A,0 物質(zhì)物質(zhì)A A在介質(zhì)在介質(zhì)B B中的分子擴散通量中的分子擴散通量DAB 分子擴散系數(shù)分子擴散系數(shù)“” 擴散沿濃

7、度擴散沿濃度降低的方向降低的方向 dldcDNBBAB0, 注意！注意！ 雖然擴散是物質(zhì)分子熱運動的結(jié)果，但物質(zhì)雖然擴散是物質(zhì)分子熱運動的結(jié)果，但物質(zhì)A的擴的擴散速度并不等于在擴散溫度下單個分子的熱運動速散速度并不等于在擴散溫度下單個分子的熱運動速度。度。dyduntdAdQdzdcDJAABA這三個擴散過程在形式上是相似的,稱為三傳類似.（1）NA,0 = - NB,0 （等分子反向擴散）等分子反向擴散）（2）對）對A、B二元物系，系統(tǒng)各處的總摩爾二元物系，系統(tǒng)各處的總摩爾濃度都相等；即濃度都相等；即 p=pA+pB=Const.則則 DAB=DBA 在這種雙組分混合物內(nèi)，產(chǎn)生物質(zhì)在這種雙組

8、分混合物內(nèi)，產(chǎn)生物質(zhì)A的擴散流的擴散流JA的同時，的同時，必定伴有方向相反的物質(zhì)必定伴有方向相反的物質(zhì)B的擴散流的擴散流JB。 D與物系有關(guān)，與與物系有關(guān)，與T T、P P有關(guān)，數(shù)據(jù)實測。有關(guān)，數(shù)據(jù)實測。dldcdldcBAD氣相氣相 D液相液相 等分子反向擴散發(fā)生在靜止的或在垂直于濃度梯度方向上作滯流運動的流等分子反向擴散發(fā)生在靜止的或在垂直于濃度梯度方向上作滯流運動的流體中，是一種最單純的分子擴散過程。體中，是一種最單純的分子擴散過程。 對于雙組分混合物，在總壓處處相等對于雙組分混合物，在總壓處處相等的前提下的前提下( (分子濃度處處相等分子濃度處處相等):):NA：單位時間通過單位固定空

9、間傳質(zhì)面積的單位時間通過單位固定空間傳質(zhì)面積的A物質(zhì)量，單位物質(zhì)量，單位 kmol/(m2s)；定態(tài)過程，連通管內(nèi)定態(tài)過程，連通管內(nèi) NA、D、T 均為均為Const。將上式中的將上式中的p、z 對應(yīng)積分，整理得：對應(yīng)積分，整理得：同理，組分同理，組分B有有若為液相，則有若為液相，則有dldpRTDdldcDNNAAAA0,)(21AAAppRTlDN210,BBBBppRTlDNN21BBBcclDN21AAAcclDN二、一組分通過另一停滯組分的擴散（單向擴散） 4、總體流動與總體流動與B的擴散運動方向相反的擴散運動方向相反BAMBMABAMBMAPpNNppNN,故有溶質(zhì)溶質(zhì)A相界面相界

10、面溶劑溶劑S同時同時S不逆向通過（汽化）不逆向通過（汽化）如吸收：如吸收：通過通過B對于截面對于截面2：N， NAM ， NBM；2、A、B做等分子反方向擴散的傳遞運動做等分子反方向擴散的傳遞運動3、總體流動加快了、總體流動加快了A的傳遞速度的傳遞速度1、總體流動。總體流動。即即NA,0= - NB,0NA=NA,0+NAMNB=NB+NBM =0 B為停滯組分。為停滯組分。 由該式可得由該式可得NBM= NA,0即有即有dldppppRTDdldpPpRTDPpPpNNNNNAAABAABABAMBAMAAA)()1 (N)1 (0,0,0,11lnlnBBiAAiAppRTlDppppRT

11、lDN利用邊界條件積分后BAMBMABAMBMAPpNNppNN,故有ccABMMB,MMA,cNNcNN:和遞速率分別為因整體流動而產(chǎn)生的傳1111BBAABABApppp ppppp2222B1BB1BiAAApp)lnpppp(RTlpDNii)p(ppplnpppRTlDN AiA1B1BiB1BiA , , 令令1212mBBBBBpplnppp )(21AABAppppRTlDNmAiAsmBMMALcccccclDN1 75. 1122112TTppDD dzdcDNAEABdzdcDDNAEAB層流：層流：D占主要地位；占主要地位；湍流：湍流：DE占主要地位占主要地位。膜模型（停滯膜模型）e0c