化工原理講稿中國石油大學第八章傳質(zhì)過程概論

第八章傳質(zhì)過程概論（IntroductiontoMassTransfer）中國石油大學（華東）2007年3月第八章傳質(zhì)過程概論主要內(nèi)容：第一節(jié)概述第二節(jié)擴散與單相傳質(zhì)第三節(jié)質(zhì)量、熱量和動量傳遞類比第一節(jié)概述(Introduction)一、傳質(zhì)過程及其分類

1.什么是傳質(zhì)？當不平衡的兩相進行接觸時，就會有一個或多個組分從一個相傳入另一個相中，物質(zhì)從一相傳遞到另一相中的過程稱為相間質(zhì)量傳遞，簡稱傳質(zhì)。

2.傳質(zhì)過程的應用主要用于均相物系的分離，根據(jù)分離的物系不同，有不同的單元操作，如常見的蒸餾，吸收，萃取等等，是石油和化學工業(yè)最常用的工業(yè)過程。例如乙烯及汽、煤、柴油的制備；ＳＯ２、Ｈ２Ｓ的吸收等。第一節(jié)概述(Introduction)(1)氣(汽)－液接觸傳質(zhì)過程精餾：利用液體混合物中各組分飽和蒸汽壓或沸點或揮發(fā)性的差異而將各組分分離開來;吸收：利用氣體混合物中的各組分在某種溶劑中的溶解度不同而將各組分分離開來;增（減）濕：不飽和氣相與溫度比它高的熱水接觸為增濕；含水蒸氣的飽和濕氣體與溫度比它低的冷水接觸為減濕。３．分類(2)氣－固接觸傳質(zhì)過程干燥：含水分（或可揮發(fā)性液體）的固體與比較干燥的氣體接觸。氣體吸附：物質(zhì)從氣相進入固相表面。(3)液－液接觸傳質(zhì)過程液－液萃?。豪靡后w混合物中各組分在某種溶劑中的溶解度差異而將各組分分離開來。第一節(jié)概述(Introduction)(4)液－固接觸傳質(zhì)過程固－液萃?。航?、浸瀝。應用溶劑將固體原料中的可溶組分提取出來。液相吸附：如活性炭脫去蔗糖粗溶液中的有色物質(zhì)。結晶：溶質(zhì)的過飽和溶液與溶質(zhì)固體相接觸。第一節(jié)概述(Introduction)傳質(zhì)過程的進行：物質(zhì)由一相內(nèi)部擴散至兩相界面；物質(zhì)穿過相界面；物質(zhì)由相界面擴散至另一相的內(nèi)部主體或傳質(zhì)速率＝傳質(zhì)系數(shù)×濃度差和傳熱速率一樣，傳質(zhì)速率也可表示成第一節(jié)概述(Introduction)二、相組成的表示方法（一）質(zhì)量分率和摩爾分率1.質(zhì)量分率質(zhì)量分率為混合物中某組分的質(zhì)量占總質(zhì)量的分率或百分率。第一節(jié)概述(Introduction)2.摩爾分率指混合物中某組分的摩爾數(shù)占總摩爾數(shù)的分率或百分率。3.質(zhì)量分率與摩爾分率的換算

第一節(jié)概述(Introduction)（二）質(zhì)量比和摩爾比若雙組分物系由A、B兩組分組成，則1.質(zhì)量比質(zhì)量比和質(zhì)量分率的換算關系如下第一節(jié)概述(Introduction)本書中用X表示液相組成，Y表示氣相組成。摩爾比和摩爾分率的換算關系如下2.摩爾比第一節(jié)概述(Introduction)（三）摩爾濃度和質(zhì)量濃度1.摩爾濃度指單位體積內(nèi)的物質(zhì)的量，對A組分對于氣體混合物(在總壓不太高時)，若其中組分A的分壓為PA，則可由理想氣體定律計算其摩爾濃度第一節(jié)概述(Introduction)2.質(zhì)量濃度指單位體積內(nèi)的物質(zhì)的質(zhì)量，對A組分對氣體混合物(在總壓不太高時)中A組分的質(zhì)量濃度為３.濃度與其他組成方法的換算根據(jù)組成方法的定義換算（略）第一節(jié)概述(Introduction)三、傳質(zhì)設備簡介（一）填料塔第一節(jié)概述(Introduction)（二）板式塔第一節(jié)概述(Introduction)第二節(jié)擴散與單相傳質(zhì)一、分子擴散與費克定律分子擴散對流傳質(zhì)單相內(nèi)傳質(zhì)機理定義：單一相內(nèi)、在有濃度差異存在的條件下，分子的無規(guī)則運動造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。1.分子擴散(moleculardiffusion)3.費克定律(Fick’slaw)2.擴散通量擴散通量：是指在單位時間內(nèi)單位面積上擴散傳遞的物質(zhì)的量，其單位為kmol/(m2·S),以J表示。

在恒溫恒壓下，A在混合物中沿Z方向作穩(wěn)定分子擴散時，其擴散通量與擴散系數(shù)及在擴散方向的濃度梯度成正比。

第二節(jié)擴散與單相傳質(zhì)Z擴散面DAB─A的擴散系數(shù)，m2/s二、雙組分混合物中的一維穩(wěn)定分子擴散1.等分子反向擴散pA1pA2pB2pB112FF’ABPP第二節(jié)擴散與單相傳質(zhì)對任一截面FF’來說，根據(jù)費克定律，A的擴散通量為:同理，B的擴散通量為對于氣體，在總壓不太高的條件下，組分在氣相中的摩爾濃度可用分壓來表示。即第二節(jié)擴散與單相傳質(zhì)這兩個通量方向相反，大小相等，若以A的傳遞方向(Z)為正方向，則可寫出下式:由于總壓是常數(shù)，所以因此因此第二節(jié)擴散與單相傳質(zhì)傳質(zhì)速率沃的定義：在任槍一固定成的空間煎位置上遼，A在貍單位時窮間內(nèi)通溉過單位劈燕面積的溉物質(zhì)的卷量，稱幣為A的蒼傳質(zhì)速劃率，用悄NA表示。將上式改肅寫為擴散初免終截面只處的積律分限為第二節(jié)防擴拿散與單確相傳質(zhì)在等分子貓反向擴散翻中：積分后得駝到令同理，組漁分B的傳章質(zhì)速率為第二節(jié)摔擴維散與單敞相傳質(zhì)等分子反黃向擴散，夕通過接管魚中任一截陜面的凈物舉質(zhì)通量N窩為零。第二節(jié)拼擴寧散與單庭相傳質(zhì)對于液相中的脫等分子反癥向擴散，若總權濃度為忽常數(shù)，物同理可亂積分而漢得到組殖分A的癥傳質(zhì)速泊率：摩爾汽相化潛熱新接近相利等的二罩元混合斧物進行精餾廚操作時，嗎在汽、液唐兩相的接補觸過程中舊，易揮發(fā)敬的A組分訊由液相進仙入汽相的碰速率與難煌揮發(fā)的B旺組分從汽踏相進入液籮相的速率夸大體相同橡。因此，無論在雕汽相中溝，或者尺在液相月中進行界的傳質(zhì)輪過程都黑可視為朋等分子激反向擴歷散第二節(jié)越擴箏散與單賀相傳質(zhì)例題8-澡2：如圖所示掠，氨氣(腹A)與氮捐氣(B)演在長0.蔑1m的直偷徑均勻的梁聯(lián)接管中少相互擴散暑?？倝簆挨=101債.3kP壁a,溫度明T=29巖8K，點校1處pA1=10.擱13kP蘋a、點2潛處PA2=5.0朱7kPa夢，擴散系秩數(shù)D=2將.30x儲10-5m2/S。倒試求穩(wěn)冷態(tài)下的剛擴散通傅量JA、JB及傳質(zhì)速猛率NA、NB。pA1pA2pB2pB112FF’ABPP第二節(jié)軍擴散與呈單相傳質(zhì)2.一組分糧通過另遠一停滯場組分的短擴散(單向擴預散)可溶組分妄(溶質(zhì))扇A；惰性組初分B；平面2叢2'為氣液界勤面；厚度為δ網(wǎng)的滯流氣宿層。三種流動好:擴散流字JA；擴散流JB；總體流NM；第二節(jié)夠擴匪散與單郊相傳質(zhì)δJAJB122'1'A+BA同理?第二節(jié)現(xiàn)擴構散與單烘相傳質(zhì)對于氣趴體，在據(jù)總壓不當太高的壁條件下所以第二節(jié)笛擴散與捷單相傳質(zhì)在穩(wěn)定持狀況下過，NA＝常數(shù)，驅(qū)D、P、慕T也均為化常數(shù)。對通上式進行尊積分:則令第二節(jié)任擴典散與單斗相傳質(zhì)因為截屋面11',22'上的總壓詢相等，即故則第二節(jié)美擴仔散與單乳相傳質(zhì)令──擴散敲初、終截罩面處組分貍B分壓的介對數(shù)平均腸值，kp齡a；──漂流漿因子，無促因次。第二節(jié)佳擴散與蛛單相傳質(zhì)對液相，同理可野得：──擴施散初、摟終截面客處溶劑籃濃度的鄙對數(shù)平唯均值，兼mol兇/m3；──漂奧流因子吼，無因中次。第二節(jié)泥擴染散與單給相傳質(zhì)漂流因子夢大于1；單向擴散賴速率大于毛分子擴散防速率；A的濃度食很低時，座單向擴散千速率近似飲等于分子拋擴散速率醉。討論：第二節(jié)晴擴拴散與單判相傳質(zhì)三、擴才散系數(shù)物質(zhì)的旨擴散系費數(shù)是物質(zhì)丈的一種守傳遞屬乖性；同一種段物質(zhì)在撐不同的灰混合物圖中其擴賤散系數(shù)遍不同；擴散系物數(shù)受溫駕度、壓控力及混斷合物中很組分的討濃度的講影響。氣體中態(tài)的擴散旬，濃度紹的影響慢可以忽奧略；液體中的除擴散，濃遣度的影響瘋不可忽略牢，壓力的穴影響不顯著。實驗測范定；資料及禾手冊中料查得；經(jīng)驗或半回經(jīng)驗的公工式進行估先算。來源：第二節(jié)給擴散與妻單相傳質(zhì)1.組分毯在氣體中具的擴散系斷數(shù)第二節(jié)忍擴散與探單相傳質(zhì)福勒（F青ulle面r)半經(jīng)服驗公式估筒算誤差一般日不超過1霉0%；可用于況常溫及廟高溫，粥但不適捐用于低賽溫；組成的變頸化對其影形響也很?。灰话銥閰R10-5-10-4m2/s；與壓力成域反比，與容溫度的1破.75次別方成正比。第二節(jié)潔擴散與墻單相傳質(zhì)2.組暴分在液頑體中的向擴散系卷數(shù)第二節(jié)卵擴散與蘋單相傳質(zhì)Wilk佩e-Ch誦omg公赴式估算組分在全液體中緣瑞的擴散鉆系數(shù)比答在氣體細中的小畝得多售；與溫度玩成正比稀，與粘權度成反狗比；一般為1愁0-9m2/s。適用于削低分子沉量的非鳴電解質(zhì)撕在很稀滔溶液中杜的擴散溉系數(shù)的墨計算。第二節(jié)缺擴散與都單相傳質(zhì)1.渦姥流擴散涉(Ed黨dy慢Dif唱fus飲ion祖)流體質(zhì)點鉆在濃度梯汪度方向上蓄的脈動所甜造成的物變質(zhì)向濃度脊降低方向史的傳遞稱鬧為渦流擴削散。渦流擴辰散通量可借用費非克定律的它形式來表辨達，即渦流擴盟散系數(shù)東不是物斜性常數(shù)恢;渦流擴膛散系數(shù)歐與流體孕的湍動徐程度有含關;渦流擴散耳系數(shù)隨位濕置(離穩(wěn)緒定界面的費距離)等描條件而變次。──渦勻流擴散徹系數(shù)，該m2／s四、渦流偵擴散與對濟流傳質(zhì)第二節(jié)桑擴覺散與單革相傳質(zhì)湍流流體鎖中在進行夠渦流擴宇散的同異時、也魯存在分劣子擴散待，總擴散逼通量應為兩者床之和，即流動的永流體與鍬壁面(三或相界鵝面)之傭間的物搏質(zhì)傳遞鑄稱為對息流傳質(zhì)哥。當流印體是湍速流流動胳時，對墻流傳質(zhì)挪是渦流選擴散與謎分子擴素散共同她作用的頂結果。而對流傳江質(zhì)是相頃間物質(zhì)糧傳遞的遇基礎。2.對流拆傳質(zhì)(C晶onve繩ctio尤nMa歡ssT禮rans靠fer)第二節(jié)塌擴散與譜單相傳質(zhì)對流傳艙質(zhì)過程績分析：層流底層縮慧分魄子擴散過渡區(qū)鑼分子擴散字和渦流擴餃散湍流主體略分季子擴散和梳渦流擴散將壁面與頭流體主體鋒間的對流區(qū)傳質(zhì)作為捎通過厚度夢為δL的層流綱膜層內(nèi)庭的分子跟擴散來俱計算。撿這種處極理對流辛傳質(zhì)的慚簡化物祥理圖像唐，稱為醉膜模型棍。膜模型：第二節(jié)撥擴散與格單相傳質(zhì)若進行的鎮(zhèn)是單向擴居散：液相氣相實際上賺對流傳今質(zhì)速率漿依靠實練驗來測危定，并昏仿照對榨流傳熱信，將對流傳偷質(zhì)速率寫征成傳質(zhì)系擾數(shù)與推動規(guī)力的乘積繩形式，即界面與洞液相間若的傳質(zhì)界面與氣待相間的傳隆質(zhì)第二節(jié)注擴黨散與單爺相傳質(zhì)傳質(zhì)系數(shù)對于等皮分子反狐向擴散卷，則有說明：對流傳質(zhì)濾系數(shù)和對跟流傳熱系電數(shù)類似，測取決于物宋系的性質(zhì)由、流動狀上況等因素蛋，一般不格能通過左怨側(cè)公式計夏算，需通改過實驗測返定，或通剩過經(jīng)驗公疫式計算。第二節(jié)討擴太散與單索相傳質(zhì)第三節(jié)趕質(zhì)量、臉熱量和動始量傳遞的離類比當湍流流盒體沿壁面竹流動時，頁流體與壁翼面間存在額動量、熱么量及質(zhì)量怕傳遞，相躬互間存在割著一定的沙內(nèi)在聯(lián)系銳，常用傳參質(zhì)系數(shù)、躬對流傳熱堤系數(shù)和摩潑擦系數(shù)之修間的關系偷表示，稱維為三傳類羊比。三傳類擁比湍流流體帽沿壁面流那動時：而動量傳遞的結果為壁面受到剪應力，即傳質(zhì)速隆率傳熱速陵率(8-鴉44)(8-惜45)(8-4滅6)第三節(jié)謹質(zhì)量、柜熱量和動保量傳遞的晃類比(1)默流體與應壁面間坐的物質(zhì)億傳遞只貫考慮渦塞流的質(zhì)竄點傳遞跡，忽略食分子傳旦遞；(2)代脈表平均濃燦度的流層志(離壁面遣距離為Z緒m)，與到代表平均擇溫度Tm贏,平均速嫌度Um的給流層相重趟合。若該流層嗎至面積為敘dF的壁傳面間，在趕時間t內(nèi)鞏交換的流悼體體積為縫dV，則賺由此而導俯致三種傳俱遞的速率?？煞謩e表渠達如下：簡化假設象：(8-4顆7)(8-4喂8)(8-4雹9)第三節(jié)摧質(zhì)量、勿熱量和動腥量傳遞的必類比將式(夾8-4母8)、規(guī)(8-離47)帶兩式相匪除，得再將式久(8-貸44)榴、(8僚-45錦)代入目，經(jīng)整梨理得上式聯(lián)春系了對被流傳熱磚系數(shù)和咱傳質(zhì)系壟數(shù)之間狹的關系猶。這一熱量、我質(zhì)量傳毛遞間的晌類比式稱為劉荷易斯(森Lew望is)漁關系,癥對于空絮氣-水誦系統(tǒng)中弓，空氣捎和水面話(或濕乘物料表坊面)間騰的對流集傳熱和竿傳質(zhì)基述本符合猜此關系仇。(8-5比0)第三節(jié)罵質(zhì)量、竿熱量和動弓量傳遞的透類比將式(8叉-48)扁、(8-住49)兩膽式相除，尾得再將式(耳8-45途)、(8與-46)先代入，經(jīng)格整理可得否摩擦系數(shù)摸與對流傳哥熱系數(shù)之袋間的關系嫁，即式(8乘-51渣)為動量、繡熱量傳罰遞間的尺類比式，通稱為挨雷諾類比即，是雷諾抱(Rey學nold畢)在18株74年提河出的。(8-5稍1)第三節(jié)帶質(zhì)餅量、熱愧量和動查量傳遞責的類比把式(厘8-5李0)代照入式(澤8-5蠟1)可貌得動量使、質(zhì)量鑰傳遞間惑的類比昌式，即結合式觸(8-岡51)銜可得動鏡量、熱考量、質(zhì)珍量三種糠傳遞間度的雷諾葡類比式婚：(8-5踐2)(8-握53)第三節(jié)酸質(zhì)量、信熱量和動守量傳遞的斑類比──斯五坦頓(遼Sta巨nto擁n)數(shù)歌，用符旺號St統(tǒng)表示，──斯視坦頓(媽Sta熱nto子n)數(shù)腫，用符勺號St'表示，施伍德(俯Sher局wood矮)數(shù)(相棟當于傳熱串中的努塞汁特數(shù)，式必中d為管座徑，D為彩擴散系數(shù)甚)施密特(形Schm負it)數(shù)務(相當于紫傳熱中的鞭普朗特數(shù)欄)第三節(jié)質(zhì)質(zhì)錄量、熱擋量和動渡量傳遞互的類比因此三川傳的雷裙諾類比廊式也可贏寫成：試驗證現(xiàn)明，當校Pr≈色1，動歸量、熱哨量傳遞暴類比式映基本上及與實際腦相符。園對于氣輝體Pr陡數(shù)接近榆1，而綠液體的偵Pr數(shù)國一般與屋1相差阻較大，走故動量站、熱量織傳遞類耗比式能堡近似適災用于氣莫體及無吹形體阻漏力時的杏情況，色一般不緣瑞適用于規(guī)液體。對于動量祥、質(zhì)量傳橡遞間的類鍬比式，則拜只有當S救c≈1及塑只考慮摩拌擦阻力時命才基本適胡用。無論揀氣體或液反體均很難頃滿足Sc笑≈1這個碑條件，故銹動量、質(zhì)頂量傳遞間體的類比式袍對傳質(zhì)的姨應用有很喇大局限性娛。第三節(jié)賤質(zhì)量、形熱量和動磁量傳遞的恥類比雷諾類緩比應用奸的局限廣性是由堪于它只肉考慮渦翁流的質(zhì)析點傳遞善。忽略產(chǎn)了分子黃傳遞。旋實際上評緊靠壁普面有一愛薄層層踏流底層革，其中嘗的傳遞捕主要靠袖分子傳冬遞，其耕傳遞的果阻力相盼當大，疫不能忽泳略?；び嫳闼阒袘I用最廣秋泛的是明契爾頓傲-柯爾事本(C頓hil嫌ton毛-Co談lbu在rn)言j-因控子類比介式，它駝的形式穩(wěn)比較簡味單，而兩且有較丘好的準蝕確性。筒這個類錄比式是廈根據(jù)層拾流和湍佛流狀態(tài)棍下氣體扎及液體蕩的實驗賴數(shù)據(jù)得含出的，漁其形