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1、第四章 质量传递,一个含有两种或两种以上组分的体系,组分A的浓度分布不均匀,组分A由浓度高的区域向浓度低的区域的转移,物质传递现象,传质过程,质量传递过程,需要解决两个基本问题：,过程的极限:,过程的速率:,相平衡关系,研究主要内容！,第五章 质量传递,第一节 环境工程中的传质过程 第二节 质量传递的基本原理 第三节 分子传质 第四节 对流传质,本章主要内容,气体混合物中组分分离 吹脱去除挥发性组分 汽提,液体混合物中组分分离 染料废水处理 样品石油烃分离测定,气体和液体混合物中组分分离 活性炭吸附水中有机物,去除水中阴阳离子 制作纯水 去除水中重金属,高分子薄膜为分离介质，组分选择性地透过膜
2、 制作纯水 截留某些组分,去除水、气体和固体中污染物的过程,吸收,萃取,吸附,膜分离,离子交换,传质过程：,分离中的传质过程：,第一节 环境工程中的传质过程,反应中的传质过程：,石灰/石灰水洗涤烟气脱硫,催化氧化法净化汽车尾气,第一节 环境工程中的传质过程,质量传递的推动力,温度差,压力差,电场或磁场的场强差,浓度差,第一节 环境工程中的传质过程,环境工程中常遇到的传质过程：,两相间的传质,气体的吸收：,萃取：,吸附、膜分离、生物膜反应：,在气相与液相之间传质,在液液两相之间传质,在气/液相和固相之间传质,单相中的传质,流体流过可溶性固体表面 溶质在流体中的溶解,气固相催化反应,单相中的传质速
3、率？,第一节 环境工程中的传质过程,一、传质机理 二、分子扩散 三、涡流扩散,本节的主要内容,第二节 质量传递的基本原理,蓝色由最初的位置慢慢散开，即蓝墨水的分子由高浓度处向低浓度处移动,向一杯水中加入一滴蓝墨水,质量传递,静止蓝色由最初的位置慢慢散开，经过较长一段时间后，杯中水的颜色趋于一致,搅拌一下？,由分子的微观运动引起,工程上为了加速传质，通常使流体介质处于运动状态湍流状态，涡流扩散的效果占主要地位,慢,由流体微团的宏观运动引起,分子扩散,快,涡流扩散,第二节 质量传递的基本原理,一、传质机理,分子扩散过程只有在固体、静止流体或层流流动的流体中才会单独发生。,由分子的不规则热运动而导致
4、的传递,（一）费克定律,在某一空间充满A、B组分组成的混合物，无总体流动或处于静止状态,分子热运动的结果将导致A分子由浓度高的区域向浓度低的区域净扩散，即发生由高浓度处向低浓度处的分子扩散,分子扩散的速率？,第二节 质量传递的基本原理,二、分子扩散,在一维稳态情况下，单位时间通过垂直于z方向的单位面积扩散的组分A的量为,单位时间在z方向上经单位面积扩散的A组分的量，即扩散通量，也称为扩散速率，kmol/（m2s）,组分A的物质的量浓度，kmol/m3,组分A在组分B中进行扩散的分子扩散系数，m2/s,组分A在z方向上的浓度梯度，kmol/m3m,由浓度梯度引起的扩散通量与浓度梯度成正比,负号表
5、示组分A向浓度减小的方向传递,以摩尔浓度为基准,费克定律,第二节 质量传递的基本原理,(5.2.1),（二）分子扩散系数,扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率，表征物质分子扩散能力。扩散系数大，表示分子扩散快。,分子扩散系数是物理常数，其数值受体系温度、压力和混合物浓度等因素的影响,第二节 质量传递的基本原理,(5.2.5),（2）溶质在液体中的扩散系数远比在气体中的小，在固体中的扩散系数更小。气体、液体、固体扩散系数的数量级分别为10-510-4、10-910-10、10-910-14 m2/s。,（4）对于双组分气体物系，,（3）低密度气体、液体和固体的扩散系数随温度的升高而增大，随压力的增
6、加而降低。,，,（1）非理想气体及浓溶液, 是浓度的函数,扩散系数与总压力成反比，与绝对温度的1.75次方成正比,（二）分子扩散系数,第二节 质量传递的基本原理,定义涡流质量扩散系数,涡流扩散系数不是物理常数，它取决于流体流动的特性，受湍动程度和扩散部位等复杂因素的影响,工程中大部分流体流动为湍流状态，同时存在分子扩散和涡流扩散，因此组分A总的质量扩散通量,有效质量扩散系数,在充分发展的湍流中，涡流扩散系数往往比分子扩散系数大得多，因而有,组分A的平均物质的量浓度,（三）涡流扩散,第二节 质量传递的基本原理,第二节 质量传递的基本原理,(1)什么是分子扩散和涡流扩散？ (2)简述费克定律的物理
7、意义和适用条件。 (3)简述温度、压力对气体和液体分子扩散系数的影响。 (4)对于双组分气体物系，当总压和温度提高1倍时，分子扩散系数将如何变化？,思考题,一、单向扩散 扩散通量、浓度分布 二、等分子反向扩散 扩散通量、浓度分布 三、界面上有化学反应的稳态传质,本节的主要内容,第三节 分子传质,在静止介质中由于分子扩散所引起的质量传递问题,静止流体,相界面,组分A通过气相主体向相界面扩散,依靠分子扩散,NA,在相界面附近，组分A沿扩散的方向将建立一定的浓度分布,第三节 分子传质,单向扩散,等分子反向扩散,水,含有氨的废气,第三节 分子传质,空气与氨的混合气体 （静止）,氨,空气,氨的分压 p减
8、小,流体自气相主体向相界面流动,空气分压增大反向扩散,可视为空气处于没有流动的静止状态,相界面,氨的扩散量增加,相界面上，氨溶解于水,气相总压减小,第三节 分子传质,一、单向扩散,氨,传质过程：氨溶解于水,氨分压降低,相界面处的气相总压降低,流体主体与相界面之间形成总压梯度,流体主体向相界面处流动,氨的扩散量增加,氨,空气,相界面上空气的浓度增加,空气应从相界面向混合气体主体作反方向扩散,相界面处空气的浓度（或分压）恒定,可视为空气处于没有流动的静止状态,空气,氨溶解于水,第三节 分子传质,一、单向扩散,总通量流动所造成的传质通量叠加于流动之上的分子扩散通量,总通量？,第三节 分子传质,一、单
9、向扩散,(一)扩散通量,传质时流体混合物内各组分的运动速度是不同的,为了表达混合物总体流动的情况,组分A的宏观运动速度,组分B的宏观运动速度,引入平均速度,流体混合物的流动是以平均速度流动的，称为总体流动,第三节 分子传质,(5.3.1),相对于运动坐标系,得到相对速度,由通量的定义，可得,第三节 分子传质,(5.3.3b),(5.3.3c),(5.3.2b),(5.3.2a),mol*m-2*s-1=mol*m-3*m*s-1,费克定律的普通表达形式,而相对于平均速度的组分A的通量即为分子扩散通量，即,第三节 分子传质,(5.3.4),(5.3.2a),(5.3.3a),(5.3.3c),(
10、5.3.5),单向扩散，由于,=0,组分B在单向扩散中没有净流动，所以单向扩散也称为停滞介质中的扩散,在稳态情况下 为定值,在恒温恒压条件下，式中 为常数，所以,气相主体:,相界面:,z=0,z=L,第三节 分子传质,(5.3.6),惰性组分在相界面和气相主体间的对数平均浓度,扩散推动力,第三节 分子传质,(5.3.7),(5.3.8),(5.3.9),(5.3.10),若静止流体为理想气体，则根据,总压强,惰性组分在相界面和气相主体间的对数平均分压,组分A在相界面的分压,组分A在相主体的分压,第三节 分子传质,(5.3.11),(5.3.10),在恒温恒压下， 均为常数,(二)浓度分布,对于
11、稳态扩散过程， 为常数，即,对于气体组分A，浓度用摩尔分数表示,第三节 分子传质,(5.3.13),(5.3.6),上式经两次积分，代入边界条件,气相主体:,相界面:,组分A通过停滞组分B扩散时，浓度分布为对数型,第三节 分子传质,(5.3.15b),(5.3.15a),【例题5.3.1】用温克尔曼方法测定气体在空气中的扩散系数，测定装置如图所示。在1.013105Pa下，将此装置放在328K的恒温箱内，立管中盛水，最初水面离上端管口的距离为0.125m，迅速向上部横管中通入干燥的空气，使水蒸气在管口的分压接近于零。实验测得经1.044106s后，管中的水面离上端管口距离为0.15m。求水蒸气
12、在空气中的扩散系数。,解：水面与上端管口距离为z，水蒸气扩散的传质通量为,单向扩散,传质通量：,可用管中水面的下降速度表示,第三节 分子传质,=15.73kPa（328K下水的饱和蒸气压）,0,kPa,328K下，水的密度为985.6kg/m3，故,kmol/m3,第三节 分子传质,边界条件： t=0, z=0.125m t=1.044106s, z=0.150m,m2/s,第三节 分子传质,在一些双组分混合体系的传质过程中，当体系总浓度保持均匀不变时，组分A在分子扩散的同时必然伴有组分B向相反方向的分子扩散，且组分B扩散的量与组分A相等，这种传质过程称为等分子反向扩散。,(一)扩散通量,没有
13、流体的总体流动，因此,特征,二、等分子反向扩散,第三节 分子传质,(5.3.16),在稳态情况下 为定值,在等温等压条件下，式中 为常数，所以,气相主体:,相界面:,z=0,z=L,第三节 分子传质,(5.3.17),(二)浓度分布,上式经两次积分，代入边界条件,相界面:,对于稳态扩散过程， 为常数，即,气相主体：,组分A和B的浓度分布为直线,第三节 分子传质,(5.3.18),(5.3.20),单向扩散,漂移因子,因总体流动而使组分A传质通量增大的因子,当组分A的浓度较低时，,漂移因子接近于1，此时单向扩散时的传质通量表达式与等分子反向扩散时一致,第三节 分子传质,等分子反向扩散,在物质表面
14、进行的化学反应过程,化学反应过程反应速率,A的扩散过程扩散速率,边界条件： 催化剂表面：z=0，yA=yA,i 气相主体： z=L，yA=yA,0,例如：催化反应,三、界面上有化学反应的稳态传质,第三节 分子传质,(5.3.23),(5.3.22),在一定操作条件下，式中 为常数，所以,（1）若反应瞬时完成，可认为在催化剂表面不存在A组分，即,=0,（2）若化学反应进行得极为缓慢，且化学反应属一级反应,一级反应速率常数，m/s。,扩散控制的传质通量表达式,受到反应速率的影响,第三节 分子传质,(5.3.24),(5.3.25a),(5.3.26),或更小，可推导出上式的近似解，即,化学反应与扩
15、散联合控制的质量通量表达式,对于界面上具有化学反应的扩散传质过程，化学反应式不同，传质通量的描述也不同。,（3）若 1，即扩散过程很快，则有：,反应控制的传质通量表达式,第三节 分子传质,(5.3.27),(5.3.28),(5.3.30),【例题5.3.2】为减少汽车尾气中NO对大气的污染，必须对尾气进行净化处理。含有NO及CO混合气体的尾气通过净化器，尾气中所含的NO与净化器中的催化剂接触，在净化剂表面发生还原反应，这一反应过程可看作气体NO通过静止膜的一维稳态扩散过程。,已知：汽车尾气排放温度为540，压力为1.18105N/m2，含有0.002（摩尔分数）的NO，该温度下反应速率常数为228.6m/h，扩散系数为0.362m2/h，试确定NO的还原速率达到4.1910-3kmol/(m2h)时，净化反应器高度的最大值。,气相主体,第三节 分子传质,同时，在催化剂表面，有,尾气浓度,kmol/m3,故,1.44mm,实际应用中完全可以实现,解：若NO在催化剂表面的反应过程可以看作是通过静止膜的扩散，所以传质通量为,第三节 分子传质,单向扩散,等分子反向扩散,漂移因子,（一）扩散通量,（二）浓度分布,费克定律的普通表达形式,第三节 分子传质,第三节 分子传质,(1)什么是总体流动？分析总体流动和分子扩散的关系。 (2)在双组分混合气体的单向分子扩散中，组分A的宏观运动速度和
