化工原理傳質(zhì)導(dǎo)論

1、化工原理傳質(zhì)導(dǎo)論第1頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二簡單回顧1：化工原理在化工領(lǐng)域中的地位 本課程，不是教學(xué)生如何合成得到新物質(zhì)？如何提取新物質(zhì)？如何表征新物質(zhì)？這是化學(xué)家的事?；瘜W(xué)工程研究的是：如何把化學(xué)家們的小試研究成果開發(fā)放大為中試，再開發(fā)為生產(chǎn)規(guī)模。是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)與化工之間架橋的工作，是直接為人類服務(wù)的創(chuàng)造價(jià)值的勞動(dòng)?！皢卧僮鳌?（Unit Operations）化工生產(chǎn) = 單元操作 + 單元過程（化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)工程 = 化工原理 + 反應(yīng)工程 = 三傳 + 一反三傳 = 動(dòng)量傳遞 + 熱量傳遞 + 質(zhì)量傳遞第2頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)5

2、9分，星期二簡單回顧2：動(dòng)量傳遞（動(dòng)量擴(kuò)散） （動(dòng)量通量）= -（動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)）（動(dòng)量濃度梯度）熱量傳遞（熱量擴(kuò)散） （熱量通量）= -（熱量擴(kuò)散系數(shù)）（熱量濃度梯度）現(xiàn)象（唯象）方程（phenomenological equation） 分子傳遞基本定律，在固體中、靜止或?qū)恿髁鲃?dòng)的流體內(nèi)才會(huì)產(chǎn)生這種傳遞過程。質(zhì)量傳遞（擴(kuò)散）？ ？ （質(zhì)量通量）= -（質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)）（質(zhì)量濃度梯度）（通量）= -（擴(kuò)散系數(shù)）（濃度梯度）第3頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二簡單回顧3：以“三傳”為物理內(nèi)核的單元操作第4頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二排名公司標(biāo)

3、志公司名稱主要業(yè)務(wù)營業(yè)收入億美元131 中國石化 煉油750.77346中國石油天然氣 煉油677.248287中化集團(tuán) 貿(mào)易203.81 中國企業(yè)在2005年度世界500強(qiáng)（18家）中化工企業(yè)的排位 第5頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二化工原理II教學(xué)組織及要求1化工原理II講課學(xué)時(shí)安排 化工原理下冊，教學(xué)大綱共計(jì)54學(xué)時(shí)。第 八 章 傳質(zhì)過程導(dǎo)論 8學(xué)時(shí)第 九 章 吸收 12學(xué)時(shí)第 十 章 蒸餾 18學(xué)時(shí)第十三章干燥 12學(xué)時(shí)復(fù)習(xí) 4學(xué)時(shí)2教學(xué)環(huán)節(jié)與要求課堂教學(xué)（思路和概念為主）：認(rèn)真聽講、記筆記，不遲到、早退，保證出勤率預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、練習(xí)作業(yè) ：嚴(yán)謹(jǐn)，獨(dú)立完成，及

4、時(shí)答疑， 平時(shí)成績30%。 一般每周二上課前交齊, 學(xué)習(xí)委員負(fù)責(zé)答疑 ： 地點(diǎn) ：系辦公室期末考試(閉卷)第6頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二相關(guān)的參考資料參考教材1、化工原理（上、下），譚天恩等，化學(xué)工業(yè)出版社2、化工原理（上、下），陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社輔助教學(xué)資料：1、化工原理學(xué)習(xí)指南-問題與習(xí)題解析，姚玉英等，天津大學(xué)出版社2、化工原理例題與習(xí)題，姚玉英，化學(xué)工業(yè)出版社3、化工原理教與學(xué)，陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社4、化工原理例題詳解，陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社5、化工原理習(xí)題精解（上、下），何潮洪等，科學(xué)出版社6、化工原理詳解與應(yīng)用，叢德滋，化學(xué)工業(yè)出版社網(wǎng)絡(luò)

5、資源： 超星電子圖書（圖書館）；化工原理網(wǎng)絡(luò)課程網(wǎng)頁上的教學(xué)園地；其它。第7頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二第八章 傳質(zhì)過程導(dǎo)論目的：1、了解傳質(zhì)的重要性； 2、掌握相組成的多種表示方法； 3、掌握擴(kuò)散原理； 4、掌握三種傳遞之類比； 5、了解傳質(zhì)設(shè)備。 重點(diǎn)：擴(kuò)散原理（分子擴(kuò)散，穩(wěn)定、不穩(wěn)定擴(kuò)散，等摩 爾相互擴(kuò)散，單向擴(kuò)散，渦流擴(kuò)散，對流擴(kuò)散） 的理解，掌握相互間之差別。 難點(diǎn)：相組成的表示；擴(kuò)散原理。第8頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二第一節(jié) 概 述8-1 化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程單元操作動(dòng)量傳遞質(zhì)量傳遞熱量傳遞流體輸送、機(jī)械分離、沉降、流態(tài)

6、化等加熱、冷卻、蒸發(fā)等吸收、蒸餾、萃取、吸附、干燥、膜分離等均相中，溶質(zhì)由一相轉(zhuǎn)移到另一相的過程。第9頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二吸收過程（Absorption）利用不同氣相組份在液相溶劑中的溶解度差異，進(jìn)行選擇性的吸收分離依據(jù)P、Cy 、x 氣相A+B液相A+SAA脫收吸收相界面?zhèn)髻|(zhì)推動(dòng)力第10頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二萃取過程（Extraction）利用液相各組分在溶劑中的溶解度差異傳質(zhì)推動(dòng)力C、x液相A+B液相A+SA萃取相界面分離依據(jù)第11頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二蒸餾過程（Distillat

7、ion）利用液相各組分的揮發(fā)度差異傳質(zhì)推動(dòng)力P、Cy 、x 氣相A+B液相A+BAB精餾相界面分離依據(jù)第12頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二吸附和干燥過程氣液相A+B固相CAA脫附吸附相界面吸附過程固相A+B氣相C+AA干燥相界面A干燥過程熱量第13頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二氣相液相相界面PGPiCiCLPC主體主體溶質(zhì)由氣相主體向氣液相界面的擴(kuò)散推動(dòng)力溶質(zhì)由氣液相界面向液相主體的擴(kuò)散推動(dòng)力傳質(zhì)過程（吸收）的共性氣相傳質(zhì)液相傳質(zhì)溶解第14頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二平衡狀態(tài)衡量單位b、溶質(zhì)A在相界面上溶解，

8、溶解過程；傳質(zhì)：雖然各相內(nèi)主體濃度相等，但界面附近區(qū)域的濃度不相等；理想假設(shè)：氣液界面濃度服從亨利定律Pi=Ci/H傳熱：K或傳質(zhì)：濃度或組成的單位復(fù)雜傳質(zhì)步驟a、溶質(zhì)A由氣相主體到相界面，氣相內(nèi)傳遞；c、溶質(zhì)A自相界面到液相主體，液相內(nèi)傳遞。傳熱：溫度處處相等第15頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二8-2 相組成的表示方法1、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)A、質(zhì)量分?jǐn)?shù)i：組分i的質(zhì)量占總質(zhì)量的分率或百分率B、摩爾分?jǐn)?shù)xi：組分i的摩爾數(shù)與混合物總摩爾數(shù)之比物系是氣相時(shí)，習(xí)慣用yi來代表氣相摩爾分?jǐn)?shù)，關(guān)系同上第16頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二C、之間的

9、關(guān)系第17頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二2、質(zhì)量比和摩爾比常在雙組分體系中用質(zhì)量比或摩爾比來代表組成關(guān)系質(zhì)量比摩爾比同理第18頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二3、濃度：單位體積物質(zhì)量質(zhì)量濃度摩爾濃度Kg/m3Kmol/m3濃度與其他組成的關(guān)系極稀溶液第19頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二質(zhì)量濃度氣體混合物的摩爾比氣體混合物的質(zhì)量比對于氣體混合物（理想氣體）摩爾濃度摩爾分?jǐn)?shù)第20頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二 第二節(jié) 擴(kuò)散原理 8-3 基本概念和費(fèi)克(Fick)定律流體中物質(zhì)擴(kuò)散的基本方式

10、： 擴(kuò)散方式分子擴(kuò)散渦流擴(kuò)散作用物流體分子流體質(zhì)點(diǎn)作用方式熱運(yùn)動(dòng)湍動(dòng)和旋渦作用對象靜止、滯流湍流擴(kuò)散：物質(zhì)在單一相內(nèi)的傳遞過程 第21頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二 在靜止或滯流流體內(nèi)部，若某一組分存在濃度差，則因分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。1、分子擴(kuò)散（molecular diffusion)AAABAAAAAAABBBBBBBBBAAABABABBABBABA第22頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二2、Fick定律 1）擴(kuò)散通量：單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積擴(kuò)散的物質(zhì)量，J 表示

11、， kmol/(m2s)。2）Fick定律：對雙組分體系，在穩(wěn)態(tài)下組分A在擴(kuò)散方向上任一點(diǎn)處的擴(kuò)散通量與該處A的濃度梯度成正比。JA組分A擴(kuò)散速率（擴(kuò)散通量）， kmol/（m2s）； 組分A在擴(kuò)散方向z上的濃度梯度（kmol/m3）/m； DAB組分A在B組分中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。負(fù)號：表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反，擴(kuò)散沿著濃度降低的方向進(jìn)行。 第23頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二對理想氣體，常用分壓梯度來表示如果沿傳質(zhì)Z方向無溫度梯度變化，即Fick定律第24頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二幾點(diǎn)說明：A、與導(dǎo)熱不同，分子擴(kuò)散的特點(diǎn)是

12、：當(dāng)一個(gè)分子沿?cái)U(kuò)散方向移去后，留下的空位由其他分子填空。B、對JA的定義是通過“分子對稱”的截面：既有一個(gè)凈A分子通過這截面，也有相等的凈B分子反方向通過同一截面，填補(bǔ)A的凈空位。C、分子對稱面在空間上既可以是固定，也可以是移動(dòng)的。第25頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二 注意！ 雖然擴(kuò)散是物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，但物質(zhì)A的擴(kuò)散速度并不等于在擴(kuò)散溫度下單個(gè)分子的熱運(yùn)動(dòng)速度。動(dòng)量傳遞（擴(kuò)散）熱量傳遞（擴(kuò)散）質(zhì)量傳遞（擴(kuò)散）擴(kuò)散并不單獨(dú)占有任何空間擴(kuò)散占據(jù)一定空間（通量）= -（擴(kuò)散系數(shù)）（梯度）費(fèi)克定律同傅利葉定律 和 牛頓粘性定律第26頁，共56頁，2022年，5月20日

13、，16點(diǎn)59分，星期二8-4 一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散A、等摩爾相互擴(kuò)散精餾操作B、單向擴(kuò)散吸收過程1、等摩爾相互擴(kuò)散(Equimolar Counter Diffusion)PA1PB1PA2PB2JAJBF兩容器中總P、T相等，PA1PA2 , PB11, 為總體流動(dòng)使傳質(zhì)速率較分子擴(kuò)散增大的倍數(shù)。 分壓PA高(PB低)時(shí)，漂流因數(shù)大，總體流動(dòng)的影響大。分壓PA低(PB高)時(shí)，漂流因數(shù)近似等于1，總體流動(dòng)的影響小。單向擴(kuò)散與等摩爾相互擴(kuò)散相差無幾。對液相中的單向擴(kuò)散表示液相擴(kuò)散初終截面處溶劑S的對數(shù)平均濃度值第36頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二ppB1pA1pA2pB2

14、擴(kuò)散距離z0zpppB1pA1pA2pB2擴(kuò)散距離z0zp單向擴(kuò)散等摩爾相互擴(kuò)散PA、PB沿Z變化是直線函數(shù)PA、PB沿Z變化是指數(shù)函數(shù)兩種擴(kuò)散的比較第37頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二8-5 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)：單位濃度梯度下的擴(kuò)散通量，反映某組分在一定介質(zhì)中的擴(kuò)散能力，是物質(zhì)特性常數(shù)之一；D，m2/s。D的影響因素：A、B、T、P、濃度。D的來源：查手冊；半經(jīng)驗(yàn)公式；測定。1）氣相中的擴(kuò)散系數(shù)范圍：10-510-4m2/s Fuller經(jīng)驗(yàn)公式雙狀況下第38頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二2）液相中的擴(kuò)散系數(shù)由于分子密集，擴(kuò)散系數(shù)比氣體要

15、小的多，范圍：10-1010-9m2/s 對極稀的非電解質(zhì)溶液： 雙狀況下第39頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二第三節(jié) 流體與界面間傳質(zhì)1、湍流擴(kuò)散特點(diǎn)（Turbulent Diffusion）1）存在著雜亂的質(zhì)點(diǎn)渦流運(yùn)動(dòng)：既有主體方向上的整體流動(dòng)也有其他方向上的脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)。2）質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)引起的物質(zhì)擴(kuò)散要比分子擴(kuò)散大得多。3）渦流或脈動(dòng)的復(fù)雜性，尚不能從理論上進(jìn)行分析計(jì)算。效仿分子擴(kuò)散，借用Fick定律的形式來表示：渦流擴(kuò)散（Eddy Diffusion）速率，kmol/(m2s)； 渦流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。渦流擴(kuò)散系數(shù)DE是隨流動(dòng)狀況以及位置等而變的，屬于非物性；分子擴(kuò)

16、散系數(shù)D是一種物性，在P、T、xi一定時(shí)，是常數(shù)。第40頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二湍流流體中同時(shí)存在著分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散，總擴(kuò)散速率JAT為兩者之和：湍流區(qū)：DE D, 分子擴(kuò)散幾乎可以忽略；層流底層區(qū)： DE0，渦流擴(kuò)散可忽略；過渡區(qū)： DE 、 D在一個(gè)數(shù)量級，均不可忽略。分子擴(kuò)散DE第41頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二氣相液相2、膜模型（Film Model）pApAicAicAcApAFGHELGE液相有效層流膜厚氣相有效層流膜厚膜模型雙膜理論第42頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二我們可以認(rèn)為 (1)

17、由氣相主體到相界面的擴(kuò)散速率等于通過厚度為G的有效層流氣膜的分子擴(kuò)散速率； (2)由相界面到液相主體的擴(kuò)散速率等于通過厚度為L的有效層流液膜的分子擴(kuò)散速率。 以氣相分壓差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2sPa）以液相濃度差表示推動(dòng)力的液相對流傳質(zhì)系數(shù)，m/s）第43頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二 由W.K.Lewis 和 W.G.Whitman 在上世紀(jì)二十年代提出，是最早出現(xiàn)的傳質(zhì)理論。雙膜理論的基本論點(diǎn)是： (1) 相互接觸的兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各存在著一個(gè)很?。ó?dāng)量厚度分別為 1 和 2 ）的流體膜層。溶質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過此兩膜層。

18、(2) 相界面沒有傳質(zhì)阻力，即溶質(zhì)在相界面處的濃度處于相平衡狀態(tài)。(3) 在膜層以外的兩相主流區(qū)由于流體湍動(dòng)劇烈，傳質(zhì)速率高，傳質(zhì)阻力可以忽略不計(jì)，相際的傳質(zhì)阻力集中在兩個(gè)膜層內(nèi)。 氣相主體 液相主體 相界面pi = ci / Hp 12pi ci c 氣膜液膜雙膜理論第44頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二按雙膜理論，傳質(zhì)系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)成正比，這與實(shí)驗(yàn)所得的關(guān)聯(lián)式地結(jié)果kD0.67相差較大；由此理論所得的傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算式形式簡單，但當(dāng)量膜層厚度 1 和 2 以及界面上濃度 pi 和 ci 都難以確定；雙膜理論存在著很大的局限性，忽視了溶質(zhì)在膜內(nèi)是一個(gè)積累過程，既忽略了兩

19、相初接觸時(shí)的無濃度梯度階段；例如對具有自由相界面或高度湍動(dòng)的兩流體間的傳質(zhì)體系，相界面是不穩(wěn)定的；該理論提出的雙阻力概念，即認(rèn)為傳質(zhì)阻力集中在相接觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計(jì)的概念，在傳質(zhì)過程的計(jì)算中得到了廣泛承認(rèn)，仍是傳質(zhì)過程及設(shè)備設(shè)計(jì)的依據(jù)；本書后續(xù)部分也將以該理論為討論問題的基礎(chǔ)。 雙膜理論第45頁，共56頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)59分，星期二第四節(jié) 質(zhì)量、熱量、動(dòng)量傳遞之間的關(guān)系 三種傳遞間的類比2112z1z2l壁面流動(dòng)方向質(zhì)量傳遞方向熱量傳遞方向動(dòng)量傳遞方向zzmc1c2cwcmc三種傳遞均起源于渦流的質(zhì)點(diǎn)交換存在內(nèi)在聯(lián)系k、的關(guān)系三傳類比第46頁，共56頁，2022年，5月20