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1、材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 第四章 质量传递基础 l4 1 传质基本概念 l4 2 分子扩散传质 l4 3 对流传质 l4 4 传质与化学反应 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 4 1 传质基本概念 l一 传质过程 l二 吸收 l三 平衡溶解度 l四 亨利定律 l五 相平衡与吸收过程的关系 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 4 1 传质基本概念 一 传质过程 l传质过程是指物质通过相界面从一相迁移 至另一相的过程 以下图示意 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 4 1 传质基本概念 一 传质过程
2、 l研究传质过程就是研究物质通过相界面的 迁移过程的基本规律以及主要受这些基本 规律支配的若干单元操作 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 基本概念 定义 混合体系中由于组分浓度的分布 不均匀 导致该组分自发的由高浓度 向低浓度方向传递 即质量传递 原因 浓度差 形式 分子扩散 传导 紊流扩散 对流 4 1 传质基本概念 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 扩散通量 扩散速度 为矢量 m3 浓度梯度 mol m3 m3 质量通量 i m2 s 摩尔通量 Ci mol m2 s 净质量通量 净摩尔通量 4 1 传质基本概念 材料工程基础及设备材料工程基
3、础及设备多媒体课件多媒体课件 4 1 传质基本概念 二 吸收 l吸收操作是分离气体混合物的方法之一 l吸收操作的分离依据是混合物各组分在某种溶 剂 吸收剂 中溶解度的差异 从而达到的目 的 l例如 将含NH3的空气通入水中 因NH3 空 气在水中溶解度差异很大 NH3很容易溶解于 水中 形成氨水溶液 而空气几乎不溶于水中 所以用水吸收混合气体中的NH3能使NH3 空气加以分离 并回收NH3 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 4 1 传质基本概念 l二 吸收 l 一般地 混合气体中能溶解的组份称为 溶质或吸收质 用A表示 混合气体中不能 溶解的组份称为惰性成分或载体 用B
4、表示 空气 吸收操作中所用的溶剂称为吸 收剂或溶剂 用S表示 水 吸收操作中 所得的溶液称为吸收液 用S A表示 吸收 操作中排除的气体称为吸收尾气 用 A B表示 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 4 1 传质基本概念 二 吸收 l吸收的目的有三个 l1 分离混合气体以获得一定的组分 例子 硫酸吸收焦炉气中的NH3 洗油吸收焦炉气中的 苯 甲苯蒸汽 l2 除去有害组分以净化气体 例子 用水或 钾碱液吸收合成氨原料气中的二氧化碳 l3 制备某种气体的溶液 例子 用水吸收氯 化氢 三氧化硫 二氧化氮制得酸 l实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的 材料工程基础及设备材料工
5、程基础及设备多媒体课件多媒体课件 4 1 传质基本概念 二 吸收 l吸收操作必须解决三个问题 l1 选择合适的溶剂使其能选择性的溶解某个 或某些 被分离组分 l2 提供适当的传质设备 吸收塔 以实现气 液两相的接触 使被分离组分得以自气相转移至 液相 l3 溶剂的再生 既脱除溶解于其中的被分离组 分以便循环使用 l总之 一个完整的吸收分离过程包括吸收和解吸 两个组成部分 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 4 1 传质基本概念 二 吸收 l吸收操作效果由溶剂的性能决定 选择溶 剂注意七点 l1 溶解度 大 或在一定的温度和浓 度下 溶质的平衡分压要低 这样可提高 吸收速率
6、并减小吸收剂的耗用量 气体中 溶质的极限残余浓度亦可降低 l2 选择性 高 l3 溶解度与温度的关系 敏感 温度 低 溶解度要大 反之 要小 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 4 1 传质基本概念 二 吸收 l4 挥发度 小 操作温度下吸收剂的 蒸汽压要低 因为离开吸收设备的气体往 往为吸收剂所饱和 吸收剂的挥发度愈大 则吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失 愈大 l5 粘性 小 粘度要低且在吸收过程 中不易产生泡沫 塔内气液接触良好和塔 顶气液分离易于实现 且输液功耗小 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 4 1 传质基本概念 二 吸收 l6 化学稳
7、定性 良好 以免发生变质 l7 价廉 易得 无毒 无害 不易燃烧 l 实际上 很难找到一个理想的溶剂能够 满足所有要求 因此应对可供选用吸收剂 作全面评价后做出经济合理的选择 l 吸收操作的经济性是由总费用 即操作 费用加设备费用 来衡量的 最经济的吸 收操作应是操作费用与设备费用之和即总 费用最小 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 4 1 传质基本概念 三 平衡溶解度Equilibrium Solubility lP T一定 使一定量的吸收剂与混合气体 接触 溶质便向液相转移 这个传质过程 直至液相中溶质达到饱和 浓度不再增加 为止 此时气液两相达到平衡 这个饱和 浓
8、度就叫做气体溶质在液体中的溶解度 l通常以 或 或摩尔分率 表示 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 三 平衡溶解度Equilibrium Solubility 平衡状态 一定压力和温度 一定量的吸 收剂与混合气体充分接触 气相中的溶质向溶 剂中转移 长期充分接 触后 液相溶质组分 的浓度不再增加 此时 气液两相达到平衡 4 1 传质基本概念 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 三 平衡溶解度Equilibrium Solubility 饱和浓度 平衡时溶质在液相中的浓度 平衡分压 平衡时气相中溶质的分压 对于相同浓度不同溶质的溶液 易溶气体在 溶液
9、上方的气相平衡分压小 难溶气体在溶液上 方的气相平衡分压大 加压和降温提高气体溶解度 则加压降温有 利于吸收操作 升温减压有利于解吸操作 4 1 传质基本概念 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 T p一定 或 三 平衡溶解度Equilibrium Solubility 溶解度曲线 pA cA NA 当NA 0时 推动力 0 cA cA 气液相平衡 溶解度 单组分物理吸收 变量 p T pA cA 三个组分 溶质A 溶剂S 惰性气体B 两个相 气相 液相 自由度数 F C 2 3 2 2 3 4 1 传质基本概念 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件
10、氨在水中的溶解度 液相中氨的摩尔数 气相中氨的分压 60 50 40 30 4 1 传质基本概念 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 20 下SO2在水中的溶解度 101 3kPa 202 6kPa x y 4 1 传质基本概念 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 讨论 2 温度 y一定 总压增加 在同一溶剂中 溶质的溶解度x随之增加 有利于吸收 1 总压 y一定 温度下降 在同一溶剂中 溶质的溶解度x随之增加 有利于吸收 3 相同的总压及摩尔分率 cO2 cCO2 cSO2 x或 A由气相向液相传质 吸收过程 平衡状态 A由液相向气相传质 解吸过程
11、 吸收过程 4 1 传质基本概念 五 相平衡与吸收过程的关系 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 2 指明过程进行的极限 过程极限 相平衡 y P y x A B C x y y y 4 1 传质基本概念 五 相平衡与吸收过程的关系 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 1 逆流吸收 塔高无限 G ya G yb L xa L xb 2 逆流吸收 塔高无限 3 确定过程的推动力 1 吸收过程推动力的表达式 y y 或x x或 4 1 传质基本概念 五 相平衡与吸收过程的关系 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 2 在x y图上 A
12、 P y y x x 4 1 传质基本概念 五 相平衡与吸收过程的关系 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 一 分子扩散与费克定律 Molecular Diffusion and Fick s Law 吸收过程 1 A由气相主体到相界面 气相内传递 2 A在相界面上溶解 溶解过程 3 A自相界面到液相主体 液相内传递 单相内传递方式 分子扩散 对流扩散 4 2 分子扩散传质 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 分子扩散 在静止或滞流流体内部 若某一组分存在浓度差 则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高 处传递至浓度较低处 扩散通量 单位时间内通过垂
13、直于扩散方向的单位截面积 扩散的物质量 J表示 kmol m2 s 4 2 分子扩散传质 一 分子扩散与费克定律 Molecular Diffusion and Fick s Law 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 分子扩散现象 4 2 分子扩散传质 一 分子扩散与费克定律 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 JA 组分A扩散速率 扩散通量 kmol m2 s 组分A在扩散方向z上的浓度梯度 kmol m3 m DAB 组分A在B组分中的扩散系数 m2 s 负号 表示扩散方向与浓度梯度方向相反 扩散沿 着浓度降低的方向进行 菲克定律 温度 总压一
14、定 组分A在扩散方向上任 一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比 4 2 分子扩散传质 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 理想气体 分子扩散两种形式 等分子反向扩散 单向扩散 4 2 分子扩散传质 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 二 等摩尔逆向扩散 Equimolar Counter Diffusion JA JB T P pA2 pB2 T P pA1 pB1 12 等分子反向扩散 任一截面处两个组分的扩散速率 大小相等 方向相反 4 2 分子扩散传质 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 总压一定 JA JB DAB
15、DBA D 4 2 分子扩散传质 二 等摩尔逆向扩散 Equimolar Counter Diffusion 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 二 等摩尔逆向扩散 等分子反向扩散传质速率方程 传质速率定义 任一固定的空间位置上 单位时间 内通过单位面积的物质量 记作N kmol m2 s NA 气相 NA 液相 4 2 分子扩散传质 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 二 等摩尔逆向扩散 关于等分子反向扩散传质速率方程的讨论 1 2 组分的浓度与扩散距离z 成直线关系 3 等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中 p pB1 pA1 pA2 pB2 扩散距
16、离z 0 z p 4 2 分子扩散传质 书p221例4 2 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 1 2 JA JB NMA NMB 总体流 动NM NA 三 组分A通过静止组分B的扩散 Diffusion of A Through Stagnant B 4 2 分子扩散传质 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 单向扩散传质速率方程 三 组分A通过静止组分B的扩散 在气相扩散 积分式 4 2 分子扩散传质 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 三 组分A通过静止组分B的扩散 积分式 4 2 分子扩散传质 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 微分式 三 组分A通过静止组分B的扩散 Diffusion of A Through Stagnant B 液相 4 2 分子扩散传质 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒体课件多媒体课件 积分式 液相 讨论 1 组分A的浓度与扩散距离z为指数关系 2 漂流因数 无因次 三 组分A通过静止组分B的扩散 4 2 分子扩散传质 材料工程基础及设备材料工程基础及设备多媒
