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1、第五章第五章质量传递质量传递第五章 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
2、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:相平衡关系以浓度差为推动力的传质过程：质量传递研究内容！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率？ 第一节 环境工程中的传质过程一、传质机理
3、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
4、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示组分A向浓度减小的方向传递以物质的量浓度为基准 费克定律第二节 质量传递的基本原理 (5.2.1
5、)设混合物的物质的量浓度为 ,kmol/m3，组分A的摩尔分数为当 为常数时以质量分数为基准以摩尔分数为基准混合物质量浓度，kg /m3组分A的质量分数当混合物的密度为常数时组分A的质量浓度，kg /m3以质量浓度为基准kg/（m2s） kg/（m2s） kmol/（m2s）第二节 质量传递的基本原理 (5.2.2)(5.2.3)（一）费克定律 （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)（1）非理想气体及浓溶液, 是
6、浓度的函数。（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、10-1010-9、10-1410-9m2/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，随压力的增加而降低。，扩散系数与总压力成反比，与热力学温度的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
7、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？(5)分析湍流流动中组分的传质机理。本节思考题一、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
8、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等分子反向扩散 水含有氨的废气苯甲苯体系苯NB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流动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
9、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 组分在双组分混合气体中的分子扩散扩散系数在低压下与浓度无关 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扩散速度，表明组分因分子扩散引起的运动速度由通量的定义，可得第三节 分子传质(5.
10、3.3b)(5.3.3c)(5.3.3a)(5.3.2b)(5.3.2a)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)(5.3.5)(5.3.2a)(5.3.3a)(5.3.3c)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=0z=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
11、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)对于稳态扩散过程， 为常数，即在恒温恒压下， 均为常数(二)浓度分布对于气体组分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101.3kPa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0.12
12、5m，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0=15.73kPa（328K下水的饱和蒸气压）kPa328K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=0.150mm2/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
13、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=0z=L第三节 分子传质(5.3.17)对于稳态扩散过程， 为常数，即(二)浓度分布上式经两次积分，代入边界条件相界面: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
14、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)（3）若 1，即
15、扩散过程很快，则有：或更小，可推导出上式的近似解，即 化学反应与扩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。 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：汽车尾气净化后排放温度为540，压力为1.18105N/m2，含有0.002（摩尔分数）的NO，
16、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的宏观运动速度和扩散速度的关系？
17、(3)单向扩散中扩散组分总扩散通量的构成及表达式。(4)简述漂移因子的涵义。(5)分析双组分混合气体中，当NB=0、 NB=NA及NB=2NA时，总体流动对组分传质速率的影响。本节思考题一、对流传质过程的机理及传质边界层二、对流传质速率方程三、典型情况下的对流传质系数本节的主要内容第四节 对流传质 运动着的流体与相界面之间发生的传质过程 不互溶的两种运动流体之间的界面 流动的流体与固体壁面p 气体的吸收：在气相与液相之间传质p 流体流过可溶性固体表面p 流体中某组分在固体表面反应p 萃取： 在液相与液相之间传质第四节 对流传质 分子扩散流体各部分之间的宏观位移引起的扩散 质量传递将受到流体性质
18、、流动状态以及流场几何特性等的影响。(一)对流传质过程的机理层流区湍流区质量传递固体壁面附近形成浓度分布？传质的机理第四节 对流传质 一、对流传质过程的机理及传质边界层 但其扩散通量明显大于静止时的传质。这是因为流动加大了壁面处的浓度梯度，从而使壁面上的扩散通量增大。 层流边界层： 在垂直于流动的方向上只存在由浓度梯度引起的分子扩散。扩散通量依据费克第一定律第四节 对流传质 (一)对流传质过程的机理湍流边界层：层流底层：物质依靠分子扩散传递，浓度梯度较大，传质速率可用费克第一定律描述，其浓度分布曲线很陡，近似为直线； 湍流核心区：有大量的旋涡存在，物质的传递主要依靠涡流扩散，由于强烈混合，浓度
19、梯度几乎消失，组分在该区域内的浓度基本均匀，其分布曲线较为平坦，近似为一垂直直线层流底层湍流核心区过渡区过渡区：分子扩散和涡流扩散同时存在除了分子扩散外，更重要的是涡流扩散。湍流区第四节 对流传质 (二)传质边界层可以认为质量传递的全部阻力都集中在传质边界层内传质边界层的名义厚度定义为时0.99u00.99C0具有浓度梯度的流体层传质边界层流动边界层与传质边界层的关系：分子动量传递能力和分子扩散能力的比值。施密特数 (cA-cA,i)0.99(cA,0-cA,i)第四节 对流传质 (5.4.1)0.99u0cA,icA,0(cA-cA,i)0.99(cA,0-cA,i)湍流流动时，传质进口段长
20、度为传质进口段长度层流流动的传质进口段长度为流体流过圆管进行传质 第四节 对流传质 (5.4.3)(5.4.2)二、对流传质速率方程 流动处于湍流状态时，物质的传递包括了分子扩散和涡流扩散 将过渡层内的涡流扩散折合为通过某一定厚度的层流膜层的分子扩散 G有效膜层或虚拟膜层 涡流扩散系数难以测定和计算 简化计算由流体主体到界面的扩散通过有效膜层的分子扩散整个有效膜层的传质推动力为浓度分布全部传质阻力集中在有效膜层第四节 对流传质 组分A的对流传质速率，kmol/（m2s）流体主体中组分A的浓度，kmol/m3界面上组分A的浓度，kmol/m3对流传质系数，也称传质分系数，下标“c”表示组分浓度以
21、物质的量浓度表示，m/s对流传质速率方程传质系数体现了传质能力的大小，与流体的物理性质、界面的几何形状以及流体流动状况等因素有关。 用分子扩散速率方程去描述对流扩散。由壁面至流体主体的对流传质速率为第四节 对流传质 (5.4.4)组分浓度常用分压表示界面上组分A的分压，N/m2气相主体中组分A的分压，N/m2气相传质分系数，kmol/（m2sPa）液相传质分系数，m/ s气相与界面的传质液相与界面的传质第四节 对流传质 (5.4.5)(5.4.6)若组分用摩尔分数表示，对于气相中的传质，摩尔分数为y，则 用组分A的摩尔分数差表示推动力的气相传质分系数对于液相中的传质，若摩尔分数为x，则用组分A
22、的摩尔分数差表示推动力的液相传质分系数第四节 对流传质 (5.4.8)(5.4.10)(5.4.9)两种典型情况其对流传质系数的表达形式不同单向扩散等分子反向扩散对流传质单相中在虚拟膜层内的分子扩散第四节 对流传质 双组分系统中，A和B两组分作等分子反向扩散时，对流传质系数用 表示，则相应的分子扩散速率为虚拟膜层的厚度第四节 对流传质 1.等分子反向扩散时的传质系数(5.4.11)(5.4.12)2.单向扩散时的传质系数双组分系统中，组分A通过停滞组分B作单向扩散时，对流传质系数用 表示。则相应的分子扩散通量为故 组分B的对数平均摩尔分数第四节 对流传质 (5.4.13)(5.4.14)解：此
23、题为组分A的单向扩散传质p2atm，,Aip0.2atm，,0Ap0 第四节 对流传质 【例题5.4.1】在总压为2 atm下，组分A由一湿表面向大量的、流动的不扩散气体B中进行质量传递。已知界面上A的分压为0.20 atm，在传质方向上一定距离处可近似地认为A的分压为零。已测得A和B在等分子反向扩散时的传质系数 为6.7810-5 kmol/(m2s)。试求传质系数 及传质通量 kmol/（m2sPa）传质通量为 kmol/（m2s）kmol/（m2s）第四节 对流传质 单向扩散传质通量的计算分子传质等分子反向扩散对流传质第四节 对流传质 在稳态传质下，组分A通过有效膜层的传质速率应等于对流
24、传质速率，即关键在于求壁面浓度梯度 工程中常见的湍流传质问题，基于机理的复杂性，不能采用分析方法求解。施伍德数传质设备的特征尺寸 对流传质系数一般采用类比法或量纲分析法确定。三、典型情况下的对流传质系数 第四节 对流传质 (5.4.15)(5.4.16)(一)平板壁面上的层流传质局部传质系数以x为特征尺寸的雷诺数x距离平板前缘距离 施密特数第四节 对流传质 三、典型情况下的对流传质系数 (5.4.17)对于长度为L的整个板面，其平均传质系数以板长L为特征尺寸的雷诺数适用范围：0.6，平板壁面上传质速率很低（壁面法向流动可忽略不计）(一)平板壁面上的层流传质第四节 对流传质 (5.4.18) 平
25、均传质系数对流传质系数(二)平板壁面上的湍流传质第四节 对流传质 (5.4.19)(5.4.20)（1）组分A在管壁处的浓度 恒定(三)圆管内的层流对流传质在圆管内流动的流体与管壁间发生传质速度分布和浓度分布均已充分发展、且传质速率较低时，（2）组分A在管壁处的质量通量 恒定管道内径管壁覆盖着某种可溶性物质多孔性管壁，组分A以恒定的传质速率通过整个管壁流入流体中管内层流时，对流传质系数或施伍德数为常数 第四节 对流传质 (5.4.21)(5.4.22)球直径球的运动速度(四)绕固体的强制对流传质第四节 对流传质 (5.4.23)【例题5.4.2】填料床内装填直径为0.2 cm的苯酸粒子，纯水以
26、表观速度5 cm/s流过床层，通过100 cm床层高度后，水中苯酸浓度为饱和浓度的62，已知单位床层体积的苯酸表面积为23 cm2，试求该系统的传质系数。 解：在填料床中取微元段 ,微元体积为 ， 为填料床横截面积。在微元段内对苯酸作质量衡算，稳态情况下， 流出量流入量溶解量0溶解量:为单位床层体积的苯酸表面积流入量流出量饱和浓度 第四节 对流传质 分离变量，并在z=0，cA=0和 z=1m，cA=0.62cA,s之间积分，得解得m/s第四节 对流传质 第四节 对流传质 (1)简述对流传质的机理和传质阻力的分布。(2)传质边界层的范围如何确定？试分析传质边界层与流动边界层的关系。(3)为什么流体层流流动时其传质速率较静止时增大？(4)虚拟膜层的涵义是什么？试比较对流传质速率方程和费克定律的异同。(5)比较对流传热和对流传质的区别。为什么对流传质存在两种情况？(6)简述影响对流传质速率的因素和强化传质的措施。本节思考题
