第05章质量传递

第五章质量传递质量传递：是指物质在浓度差、温度差、压力差、电场或磁场场强差等推动力作用下，从一处向另一处的转移，简称传质。包括相内传质和相际传质两类，前者发生在同一个相内，后者则涉及不同的两相。质量传递的推动力温度差压力差场强差浓度差热扩散压力扩散强制扩散分子扩散和涡流扩散第五章质量传递质量传递与动量传递、热量传递相比有相似之处，但比后二者复杂。如与传热过程比较，主要差别为：(1)推动力差别传热推动力为温度差，单位为ºC，推动力的数值和单位单一；传质过程推动力为浓度差，浓度有多种表示方法(如气相分压、摩尔浓度、摩尔分数等)，不同表示方法的推动力数值和单位均不同。(2)过程最终状态的差别传热是Δt=0；相际间传质不是浓度差=0，而是相平衡（如：NH3溶于H2O）。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第一节环境工程中的传质过程分类非均相混合物均相混合物特点有相界面无相界面单元操作过滤、沉降等吸收、萃取、吸附、离子交换、膜分离等分离依据不同相的物性差异人造相界面物质在相间的物性差异1、水、气体和固体中污染物的分离过程相界面气相液相SB+AS+A吸收AA脱吸相界面气相B液相B+AS+A相界面气相或液相固相CB+A吸附A脱附A相界面固相液相B+AS+A浸沥（取）固—液萃取A相界面液相液相B+AS+A萃取A2、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用水吸收混合气体中的氨过程的极限:过程的速率:相平衡关系——传质方向传质机理——传质速率3、传质过程需要解决两个基本问题：一、传质机理二、分子扩散三、涡流扩散主要内容第二节质量传递的基本原理能力要求：掌握费克定律、分子扩散系数、涡流扩散与涡流扩散系数的概念。一、传质机理扩散：物质在单一相内的传递过程第二节质量传递的基本原理分子扩散：在静止或层流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子的无规则热运动使该组分由浓度高处传递至浓度低处，这种现象称为分子扩散。1、流体中物质扩散的基本方式：涡流扩散：流体湍流流动时，由于质点的无规则运动，相互碰撞和混合，在存在浓度梯度的情况下，组分会从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。工程上为了加速传质，通常使流体处于湍流状态，涡流扩散占主导要地位。2、两种扩散方式的区别：扩散方式分子扩散涡流扩散作用物流体分子流体质点作用方式热运动湍动和旋涡作用对象静止、层流湍流扩散快慢慢快第二节质量传递的基本原理1、费克定律二、分子扩散dzdCDNAABAz表示组分A向浓度减小的方向传递A在B中的扩散系数，m2/sA物质的量浓度，kmol/m3A在z方向浓度梯度，kmol/m3·m扩散通量第二节质量传递的基本原理扩散通量(扩散速率)：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，kmol/(m2·s)。由组分A和B组成的混合物，在恒温、总压条件下，若组分A只沿z方向扩散，则任一点处组分A的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比，此定律称为菲克定律。mAAABddzxNDz以质量分数为基准：以摩尔分数为基准：以质量浓度为基准：AAABddzxNcDzAAABddzNDz第二节质量传递的基本原理费克定律的其它表达形式：c为混合物物质的量浓度(kmol/m3)，xA为组分A的摩尔分数ρ为混合物的质量浓度(kg/m3)，xmA为组分A的质量分数ρA为组分A的质量浓度（kg/m3）2、分子扩散系数AABAddzNDcz第二节质量传递的基本原理定义式：物理意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；扩散系数大，分子扩散快。影响因素：系统的温度、压力和物系的组成。数据来源：一般由实验确定、半经验公式计算。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数：（1）气体分子扩散系数（10-5~10-4m2/s）第二节质量传递的基本原理1.750ABAB,00pTDDpT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（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。液体、固体扩散系数的数量级分别为10-10~10-9、10-14~10-9m2/s。涡流扩散系数不是物理常数，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影响，很难测定。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DABeff≈εD组分A的平均物质的量浓度AADddcNzAAAtABDABeffdd()ddccNDDzz3、涡流扩散第二节质量传递的基本原理涡流扩散通量表示方法借助于费克定律，定义扩散系数D动量传递（扩散）牛顿粘性定律热量传递（扩散）傅利叶导热定律质量传递（扩散）费克扩散定律扩散并不单独占有任何空间扩散占据一定空间通量=-（扩散系数）×（梯度）三传的类似性dyduntdAdQdzdcDNAABAz第二节质量传递的基本原理由于质量传递、热量传递和动量传递都牵涉到流体质点的交换(涡流传递)和分子交换(分子传递)，因此三种传递之间必然存在一定的内在联系。事实上，在湍流流动中，当上述三种传递同时发生时，湍流流体质点和分子之间的交换不同程度地同时影响着三种传递，这使得三种传递的机理和计算方法具有相似性。(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。思考题第二节质量传递的基本原理一、等分子反向扩散扩散通量、浓度分布二、单向扩散扩散通量、浓度分布三、界面上有化学反应的稳态传质主要内容第三节分子传质能力要求：掌握扩散通量与浓度分布的计算在一些双组分混合体系的传质过程中，当体系总浓度保持不变时，组分A在分子扩散的同时伴有组分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、等分子反向扩散第三节分子传质1、2两截面上A、B分压保持不变等分子反向扩散发生在静止或垂直于浓度梯度方向上作层流运动的流体中，是一种最单纯的分子扩散过程。p=pA+pB=Const2pA1pA2pB1pB2pp1ABpA1pA2pB1pB2等分子反向扩散等分子反向扩散NA+NB=0)(BAAAABANNccdzdcDNdzdcDNAABA)(0,,AiAABAccLDN无流体的总体流动在z＝0，cA＝cA，i和z＝L，cA＝cA，0之间积分1、扩散通量第三节分子传质稳态，NA定值等温等压DAB为常数0LcB,0(或pB,0)cA,0(或pA,0)cM(或p)BAcA,i(或pA,i)cB,i(或pB,i)cM(或p)同理，组分B有)(0,,BiBBABccLDN)(0,i,AAABAppRTLDN)(0,i,BBBABppRTzDN？稳态扩散过程，NA为常数，2、浓度分布经两次积分，代入边界条件0ddAzNAAABddcNDz2A2d0dcz组分A和B的浓度分布为直线相界面:AA,0,izccAA,0,zLcc气相主体：第三节分子传质iAiAAAczLccc,,0,iBiBBBczLccc,,0,同理，组分B有等分子反向扩散氨分压降低相界面处气相总压降低流体主体向相界面处流动氨扩散量增加相界面上空气浓度增加空气从相界面向混合气体主体作反方向扩散相界面处空气浓度（或分压）恒定可视空气处于没有流动的静止状态氨溶解于水第三节分子传质空气氨流动传质过程：氨溶解于水二、单向扩散1、过程分析空气与氨的混合气体（静止）相界面上流体主体与相界面间形成总压梯度在气液两相界面上，只有气体组分A从气相向液相传递，而无物质从液相向气相作相反方向的传递，这种现象可视为单向扩散。由于组分A被溶剂吸收，使气相主体与相界面之间形成总压梯度，在此梯度推动下，气相主体向界面处流动，这种现象称为主体流动。第三节分子传质什么是单向扩散？分子扩散是由浓度差引起的分子微观运动；主体流动是由气相主体与相界面之间的压差引起的流体的宏观运动，起因是分子扩散，所以主体流动是分子扩散的伴生现象。2、扩散通量第三节分子传质扩散组分的总通量由两部分组成，即流动所造成的传质通量和叠加于流动之上的分子扩散通量；由组分A、B组成的混合气体，如组分A为溶质，B为惰性气体，组分A向液体界面扩散并溶于液体中，则组分A的传质通量为流动中组分A的传质通量+分子扩散通量。单向扩散AABBMcucuuc传质时流体混合物内各组分的运动速度不同，为了表达混合物总体流动的情况，引入平均速度uMuA、uB——组分A、B的宏观运动速度第三节分子传质c、cA、cB——混合气体及组分A、B物质量的浓度相对于运动坐标系uM，则组分A、B的相对速度——扩散速度MADA,uuuMBDB,uuu第三节分子传质由通量定义，可得：AAANcuBBBNcuMMABNcuNNNA、NB、NM分别为组分A、B和流体混合物的扩散通量。组分A的分子扩散通量A,DAA,DNcuMADA,uuuAABBMcucuucMMABNcuNNAAAABABd()dccNDNNzcAA,DAAB()cNNNNc费克定律的普通表达形式单向扩散，NB=0AAABAddccNDccz在稳态情况下NA为定值A,0A,ABAA0AddiLccDcNzccc在恒温恒压条件下DAB、c常数，所以气相主体:相界面:AA,iccz=0AA,0ccz=L第三节分子传质A,0ABAA,lniccDcNLccA,A,0B,0ABAB,0B,B,()ln()iiicccDcNLcccA,B,iicccA,0A,B,B,0iiccccA,0B,0ccc由于cB,m惰性组分在相界面和气相主体间的对数平均浓度第三节分子传质B,0B,B,mB,0B,lniiccccc令ABAA,A,0B,m()iDcNccLc则扩散推动力)(0,A,AmB,ABAppRTLppDNi若静止流体为理想气体，根据P=cRT总压强组分A在相界面的分压组分A在相主体的分压iippppp,B0,B,B0,BmB,ln惰性组分在相界面和气相主体间的对数平均分压与等分子反向扩散速率方程相比，单向扩散时多了一个因子讨论（1）组分A的浓度与扩散距离L为指数关系（2）BmppmB,cc、—漂流因子，无量纲意义：反映了主体流动对传质速率的影响程度，其值为主体流动使组分A传质通量增大的倍数，其值恒大于1，当A的浓度很低时，其值接近于1，主体流动的影响可忽略。（3）单向扩散体现在吸收过程中。第三节分子传质A,0ABAA,lniccDcNLccABAA,A,0B,m()iDcNccLc)(0,A,AmB,ABAppRTLppDNiABAAAd1dDcyNyz3、浓度分布浓度用摩尔分数表示AAABAddccNDccz第三节分子传质组分A的总传质通量：对于稳态扩散过程，NA为常数，即0ddAzNABAAdd0d1dDcyzyz在恒温恒压下，DAB,c均为常数0dd11ddAAzyyzLziiyyyy,A0,A,AA1111Lziiyyyy,B0,B,BB上式经两次积分，代入边界条件组分A通过停滞组分B扩散时，浓度分布为对数型ppyyzii,A,AA,0ppyyLz0,A0,AA,气相主体:相界面:第三节分子传质得：或：单向扩散【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