第05章質(zhì)量傳遞060529

第四章質(zhì)量傳遞一個(gè)含有兩種或兩種以上組分的體系組分A的濃度分布不均勻組分A由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域的轉(zhuǎn)移物質(zhì)傳遞現(xiàn)象——傳質(zhì)過(guò)程質(zhì)量傳遞過(guò)程需要解決兩個(gè)基本問(wèn)題：過(guò)程的極限:過(guò)程的速率:相平衡關(guān)系研究主要內(nèi)容！第五章質(zhì)量傳遞

第一節(jié)

環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程第二節(jié)

質(zhì)量傳遞的基本原理第三節(jié)

分子傳質(zhì)第四節(jié)對(duì)流傳質(zhì)本章主要內(nèi)容氣體混合物中組分分離吹脫去除揮發(fā)性組分汽提液體混合物中組分分離染料廢水處理樣品石油烴分離測(cè)定氣體和液體混合物中組分分離活性炭吸附水中有機(jī)物去除水中陰陽(yáng)離子制作純水去除水中重金屬高分子薄膜為分離介質(zhì)，組分選擇性地透過(guò)膜制作純水截留某些組分去除水、氣體和固體中污染物的過(guò)程吸收萃取吸附膜分離離子交換——傳質(zhì)過(guò)程：……分離中的傳質(zhì)過(guò)程：第一節(jié)環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程反應(yīng)中的傳質(zhì)過(guò)程：石灰/石灰水洗滌煙氣脫硫催化氧化法凈化汽車尾氣第一節(jié)環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程質(zhì)量傳遞的推動(dòng)力溫度差壓力差電場(chǎng)或磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)差濃度差第一節(jié)環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程環(huán)境工程中常遇到的傳質(zhì)過(guò)程：兩相間的傳質(zhì)氣體的吸收：萃?。何?、膜分離、生物膜反應(yīng)：在氣相與液相之間傳質(zhì)在液－液兩相之間傳質(zhì)在氣/液相和固相之間傳質(zhì)單相中的傳質(zhì)流體流過(guò)可溶性固體表面溶質(zhì)在流體中的溶解氣固相催化反應(yīng)單相中的傳質(zhì)速率？第一節(jié)環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程一、傳質(zhì)機(jī)理二、分子擴(kuò)散三、渦流擴(kuò)散本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié)質(zhì)量傳遞的基本原理

藍(lán)色由最初的位置慢慢散開(kāi)，即藍(lán)墨水的分子由高濃度處向低濃度處移動(dòng)向一杯水中加入一滴藍(lán)墨水————質(zhì)量傳遞靜止——藍(lán)色由最初的位置慢慢散開(kāi)，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)一段時(shí)間后，杯中水的顏色趨于一致攪拌一下——？由分子的微觀運(yùn)動(dòng)引起——工程上為了加速傳質(zhì)，通常使流體介質(zhì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)－湍流狀態(tài)，渦流擴(kuò)散的效果占主要地位——慢由流體微團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)引起——分子擴(kuò)散——快渦流擴(kuò)散第二節(jié)質(zhì)量傳遞的基本原理

一、傳質(zhì)機(jī)理分子擴(kuò)散過(guò)程只有在固體、靜止流體或?qū)恿髁鲃?dòng)的流體中才會(huì)單獨(dú)發(fā)生。由分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的傳遞（一）費(fèi)克定律在某一空間充滿A、B組分組成的混合物，無(wú)總體流動(dòng)或處于靜止?fàn)顟B(tài)

分子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果將導(dǎo)致A分子由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域凈擴(kuò)散，即發(fā)生由高濃度處向低濃度處的分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散的速率？第二節(jié)質(zhì)量傳遞的基本原理

二、分子擴(kuò)散在一維穩(wěn)態(tài)情況下，單位時(shí)間通過(guò)垂直于z方向的單位面積擴(kuò)散的組分A的量為單位時(shí)間在z方向上經(jīng)單位面積擴(kuò)散的A組分的量，即擴(kuò)散通量，也稱為擴(kuò)散速率，kmol/（m2·s）組分A的物質(zhì)的量濃度，kmol/m3組分A在組分B中進(jìn)行擴(kuò)散的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s組分A在z方向上的濃度梯度，kmol/m3·m——由濃度梯度引起的擴(kuò)散通量與濃度梯度成正比負(fù)號(hào)表示組分A向濃度減小的方向傳遞以摩爾濃度為基準(zhǔn)費(fèi)克定律第二節(jié)質(zhì)量傳遞的基本原理

(5.2.1)（二）分子擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散物質(zhì)在單位濃度梯度下的擴(kuò)散速率，表征物質(zhì)分子擴(kuò)散能力。擴(kuò)散系數(shù)大，表示分子擴(kuò)散快。分子擴(kuò)散系數(shù)是物理常數(shù)，其數(shù)值受體系溫度、壓力和混合物濃度等因素的影響第二節(jié)質(zhì)量傳遞的基本原理

(5.2.5)（2）溶質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)比在氣體中的小，在固體中的擴(kuò)散系數(shù)更小。氣體、液體、固體擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)量級(jí)分別為10-5~10-4、10-9~10-10、10-9~10-14m2/s。（4）對(duì)于雙組分氣體物系，（3）低密度氣體、液體和固體的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而增大，隨壓力的增加而降低。，（1）非理想氣體及濃溶液,是濃度的函數(shù)擴(kuò)散系數(shù)與總壓力成反比，與絕對(duì)溫度的1.75次方成正比（二）分子擴(kuò)散系數(shù)第二節(jié)質(zhì)量傳遞的基本原理

定義渦流質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)渦流擴(kuò)散系數(shù)不是物理常數(shù)，它取決于流體流動(dòng)的特性，受湍動(dòng)程度和擴(kuò)散部位等復(fù)雜因素的影響工程中大部分流體流動(dòng)為湍流狀態(tài)，同時(shí)存在分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散，因此組分A總的質(zhì)量擴(kuò)散通量有效質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)在充分發(fā)展的湍流中，渦流擴(kuò)散系數(shù)往往比分子擴(kuò)散系數(shù)大得多，因而有組分A的平均物質(zhì)的量濃度（三）渦流擴(kuò)散第二節(jié)質(zhì)量傳遞的基本原理

第二節(jié)質(zhì)量傳遞的基本原理

(1)什么是分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散？(2)簡(jiǎn)述費(fèi)克定律的物理意義和適用條件。(3)簡(jiǎn)述溫度、壓力對(duì)氣體和液體分子擴(kuò)散系數(shù)的影響。(4)對(duì)于雙組分氣體物系，當(dāng)總壓和溫度提高1倍時(shí)，分子擴(kuò)散系數(shù)將如何變化？思考題一、單向擴(kuò)散

擴(kuò)散通量、濃度分布二、等分子反向擴(kuò)散擴(kuò)散通量、濃度分布三、界面上有化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)本節(jié)的主要內(nèi)容第三節(jié)分子傳質(zhì)在靜止介質(zhì)中由于分子擴(kuò)散所引起的質(zhì)量傳遞問(wèn)題靜止流體相界面組分A通過(guò)氣相主體向相界面擴(kuò)散依靠分子擴(kuò)散NA在相界面附近，組分A沿?cái)U(kuò)散的方向?qū)⒔⒁欢ǖ臐舛确植嫉谌?jié)分子傳質(zhì)單向擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散

水含有氨的廢氣第三節(jié)分子傳質(zhì)空氣與氨的混合氣體（靜止）氨空氣氨的分壓p減小流體自氣相主體向相界面流動(dòng)空氣分壓增大——反向擴(kuò)散可視為空氣處于沒(méi)有流動(dòng)的靜止?fàn)顟B(tài)相界面氨的擴(kuò)散量增加相界面上，氨溶解于水氣相總壓減小第三節(jié)分子傳質(zhì)一、單向擴(kuò)散氨傳質(zhì)過(guò)程：氨溶解于水氨分壓降低相界面處的氣相總壓降低流體主體與相界面之間形成總壓梯度流體主體向相界面處流動(dòng)氨的擴(kuò)散量增加流動(dòng)氨空氣相界面上空氣的濃度增加空氣應(yīng)從相界面向混合氣體主體作反方向擴(kuò)散相界面處空氣的濃度（或分壓）恒定可視為空氣處于沒(méi)有流動(dòng)的靜止?fàn)顟B(tài)空氣氨溶解于水第三節(jié)分子傳質(zhì)一、單向擴(kuò)散總通量＝流動(dòng)所造成的傳質(zhì)通量＋疊加于流動(dòng)之上的分子擴(kuò)散通量總通量＝？第三節(jié)分子傳質(zhì)一、單向擴(kuò)散(一)擴(kuò)散通量傳質(zhì)時(shí)流體混合物內(nèi)各組分的運(yùn)動(dòng)速度是不同的為了表達(dá)混合物總體流動(dòng)的情況組分A的宏觀運(yùn)動(dòng)速度組分B的宏觀運(yùn)動(dòng)速度引入平均速度流體混合物的流動(dòng)是以平均速度流動(dòng)的，稱為總體流動(dòng)

第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.1)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系得到相對(duì)速度由通量的定義，可得第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.3b)(5.3.3c)(5.3.2b)(5.3.2a)mol*m-2*s-1=mol*m-3*m*s-1費(fèi)克定律的普通表達(dá)形式而相對(duì)于平均速度的組分A的通量即為分子擴(kuò)散通量，即第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.4)(5.3.2a)(5.3.3a)(5.3.3c)(5.3.5)單向擴(kuò)散，由于=0組分B在單向擴(kuò)散中沒(méi)有凈流動(dòng)，所以單向擴(kuò)散也稱為停滯介質(zhì)中的擴(kuò)散在穩(wěn)態(tài)情況下為定值在恒溫恒壓條件下，式中為常數(shù)，所以

氣相主體:相界面:z=0z=L第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.6)惰性組分在相界面和氣相主體間的對(duì)數(shù)平均濃度擴(kuò)散推動(dòng)力第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.7)(5.3.8)(5.3.9)(5.3.10)若靜止流體為理想氣體，則根據(jù)總壓強(qiáng)惰性組分在相界面和氣相主體間的對(duì)數(shù)平均分壓組分A在相界面的分壓組分A在相主體的分壓第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.11)(5.3.10)在恒溫恒壓下，均為常數(shù)(二)濃度分布對(duì)于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程，為常數(shù)，即對(duì)于氣體組分A，濃度用摩爾分?jǐn)?shù)表示第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.13)(5.3.6)上式經(jīng)兩次積分，代入邊界條件氣相主體:相界面:組分A通過(guò)停滯組分B擴(kuò)散時(shí)，濃度分布為對(duì)數(shù)型第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.15b)(5.3.15a)【例題5.3.1】用溫克爾曼方法測(cè)定氣體在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，測(cè)定裝置如圖所示。在1.013×105Pa下，將此裝置放在328K的恒溫箱內(nèi)，立管中盛水，最初水面離上端管口的距離為0.125m，迅速向上部橫管中通入干燥的空氣，使水蒸氣在管口的分壓接近于零。實(shí)驗(yàn)測(cè)得經(jīng)1.044×106s后，管中的水面離上端管口距離為0.15m。求水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)。解：水面與上端管口距離為z，水蒸氣擴(kuò)散的傳質(zhì)通量為單向擴(kuò)散傳質(zhì)通量：可用管中水面的下降速度表示第三節(jié)分子傳質(zhì)=15.73kPa（328K下水的飽和蒸氣壓）＝0kPa328K下，水的密度為985.6kg/m3，故kmol/m3第三節(jié)分子傳質(zhì)邊界條件：

t=0,z=0.125mt=1.044×106s,z=0.150mm2/s第三節(jié)分子傳質(zhì)在一些雙組分混合體系的傳質(zhì)過(guò)程中，當(dāng)體系總濃度保持均勻不變時(shí)，組分A在分子擴(kuò)散的同時(shí)必然伴有組分B向相反方向的分子擴(kuò)散，且組分B擴(kuò)散的量與組分A相等，這種傳質(zhì)過(guò)程稱為等分子反向擴(kuò)散。(一)擴(kuò)散通量沒(méi)有流體的總體流動(dòng)，因此特征二、等分子反向擴(kuò)散第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.16)在穩(wěn)態(tài)情況下為定值在等溫等壓條件下，式中為常數(shù)，所以氣相主體:相界面:z=0z=L第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.17)(二)濃度分布上式經(jīng)兩次積分，代入邊界條件相界面:對(duì)于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程，為常數(shù)，即氣相主體：組分A和B的濃度分布為直線第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.18)(5.3.20)單向擴(kuò)散漂移因子因總體流動(dòng)而使組分A傳質(zhì)通量增大的因子當(dāng)組分A的濃度較低時(shí)，漂移因子接近于1，此時(shí)單向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)通量表達(dá)式與等分子反向擴(kuò)散時(shí)一致

第三節(jié)分子傳質(zhì)等分子反向擴(kuò)散在物質(zhì)表面進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程化學(xué)反應(yīng)過(guò)程－反應(yīng)速率A的擴(kuò)散過(guò)程－擴(kuò)散速率邊界條件：催化劑表面：z=0，yA=yA,i

氣相主體：z=L，yA=yA,0例如：催化反應(yīng)三、界面上有化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.23)(5.3.22)在一定操作條件下，式中為常數(shù)，所以（1）若反應(yīng)瞬時(shí)完成，可認(rèn)為在催化劑表面不存在A組分，即=0（2）若化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得極為緩慢，且化學(xué)反應(yīng)屬一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)，m/s。擴(kuò)散控制的傳質(zhì)通量表達(dá)式受到反應(yīng)速率的影響第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.24)(5.3.25a)(5.3.26)或更小，可推導(dǎo)出上式的近似解，即化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散聯(lián)合控制的質(zhì)量通量表達(dá)式對(duì)于界面上具有化學(xué)反應(yīng)的擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程，化學(xué)反應(yīng)式不同，傳質(zhì)通量的描述也不同。（3）若>>1，即擴(kuò)散過(guò)程很快，則有：反應(yīng)控制的傳質(zhì)通量表達(dá)式第三節(jié)分子傳質(zhì)(5.3.27)(5.3.28)(5.3.30)【例題5.3.2】為減少汽車尾氣中NO對(duì)大氣的污染，必須對(duì)尾氣進(jìn)行凈化處理。含有NO及CO混合氣體的尾氣通過(guò)凈化器，尾氣中所含的NO與凈化器中的催化劑接觸，在凈化劑表面發(fā)生還原反應(yīng)，這一反應(yīng)過(guò)程可看作氣體NO通過(guò)靜止膜的一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程。已知：汽車尾氣排放溫度為540℃，壓力為1.18×105N/m2，含有0.002（摩爾分?jǐn)?shù)）的NO，該溫度下反應(yīng)速率常數(shù)為228.6m/h，擴(kuò)散系數(shù)為0.362m2/h，試確定NO的還原速率達(dá)到4.19×10-3kmol/(m2·h)時(shí)，凈化反應(yīng)器高度的最大值。氣相主體第三節(jié)分子傳質(zhì)同時(shí)，在催化劑表面，有尾氣濃度kmol/m3

故

1.44mm實(shí)際應(yīng)用中完全可以實(shí)現(xiàn)解：若NO在催化劑表面的反應(yīng)過(guò)程可以看作是通過(guò)靜止膜的擴(kuò)散，所以傳質(zhì)通量為第三節(jié)分子傳質(zhì)單向擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散漂移因子（一）擴(kuò)散通量（二）濃度分布費(fèi)克定律的普通表達(dá)形式第三節(jié)分子傳質(zhì)第三節(jié)分子傳質(zhì)(1)什么是總體流動(dòng)？分析總體流動(dòng)和分子擴(kuò)散的關(guān)系。(2)在雙組分混合氣體的單向分子擴(kuò)散中，組分A的宏觀運(yùn)動(dòng)速度和擴(kuò)散速度的關(guān)系？(3)單向擴(kuò)散中擴(kuò)散組分總擴(kuò)散通量的構(gòu)成及表達(dá)式。(4)簡(jiǎn)述漂移因子的涵義。(5)分析雙組分混合氣體中，當(dāng)NB=0、NB=-NA及NB=-2NA時(shí)，總體流動(dòng)對(duì)組分傳質(zhì)速率的影響。思考題運(yùn)動(dòng)著的流體與相界面之間發(fā)生的傳質(zhì)過(guò)程不互溶的兩種運(yùn)動(dòng)流體之間的界面流動(dòng)的流體與固體壁面氣體的吸收：在氣相與液相之間傳質(zhì)流體流過(guò)可溶性固體表面流體中某組分在固體表面反應(yīng)萃取。。。。第四節(jié)對(duì)流傳質(zhì)

二、對(duì)流傳質(zhì)速率方程流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，物質(zhì)的傳遞包括了分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散將過(guò)渡層內(nèi)的渦流擴(kuò)散折合為通過(guò)某一定厚度的層流膜層的分