传质基本知识-传质综述

传质基本知识传质综述序言PREFACE质量传递是一普遍自然现象，例如水分由海洋表面蒸发进入大气，又从大气中冷凝成雨水或冻结成雪回归大地和海洋，化肥在土壤中渗透并进入植物的根部，氧气在肺部从肺叶进入血液，并通过血液供应人体各处，糖块和盐粒在水中的溶解等等，都是传质现象。学习重点、难点课程重点：定义及原理、质量传递的基本方式课程难点：传质的速度与通量PART01定义及原理PART02传质概述PART03传质的速度与通量目录CONTENTSPART05课后习题PART04质量传递的基本方式定义及原理1PART011、1定义物质传递正确的名称应为质量传递，简称传质。一种自然界的物理现象，化学工程中的主要过程之一，是物质系统由于浓度不均匀而发生的质量迁移过程。化学势差是质量传递的推动力，因浓度不同导致的质量传递过程，直到浓度达到平衡才停止。两相流体间的质量传递在工业过程中最为重要，可以借以分离混合物。气体吸收、空气增湿、分离、提纯产品等。例如蒸发、干燥、蒸馏、精馏、萃取、吸收、吸附等过程都是属于质量传递过程。质量传递都是由于物质分子运动的结果，有分子传质和对流传质两种方式。化学势的差异是传质动力，化学势可由浓度、温度、压力和外加电场所引起。质量传递可以发生在不同的两相和多相间、也可以发生在同一相内。1、2分类1.3传质的基本原理分子传质是由分子热运动造成；只要存在浓度差，就能够在一切物系中发生。对流传质由流体微团的宏观运动所引起，仅发生在流动的流体中。例如一杯水放入一块红糖，在静止的水中，红糖分子借助浓度的差异，会慢慢扩散到整个杯子的水中，直到整杯浓度都一样。如果对水进行不停地搅动，传递过程除了分子传质外，还有传质扩散，也即糖分子借水的宏观运动，扩散至整个杯中水中，两种扩散加快了糖的溶解；传质概述2PART02混合物组成的表示方法质量浓度AAMVBBMVi－－在单位体积中所含某组分的质量，即质量浓度，kg/m3。,ABMM组分A,B在体积V中具有的质量Nii1NiiCC1物质的量浓度AAnCVBBnCViC－－在单位体积中所含某组分的物质的量，即物质的量浓度，kmol/m3。,ABnn－－组分A,B在体积V中具有的物质的量，kmol质量浓度与物质的量浓度的关系：*AAACM*AM－－组分A的摩尔质量，kg/kmol质量分数AAMaM摩尔分数AAnxn11Nii11Niix气液两相：x-气相摩尔分数y-液相摩尔分数组分A的质量分数与摩尔分数的互换关系已知质量分数，求摩尔分数已知摩尔分数，求质量分数)(BBAAAAAMMMx)(BBAAAAAMxMxMx•5.质量比：混合物中某组分质量与惰性组分质量的比值。•6.摩尔比X：混合物中某组分物质的量与惰性组分物质的量的比值。AAAAAAaaXmmmX1:A系：质量比与质量分数的关组分AAAAAxxXnnnX1::AA系摩尔比与摩尔分数的关组分•例1－1由空气和氨气组成的混和气体中，氨的质量分数为5％。已知该条件下空气的密度为1.29kg/m3，氨气的密度为0.77kg/m3。求氨气的质量浓度，物质的量浓度，摩尔分数，质量比，摩尔比。•解：以100Kg混合气体为基准。则：•5kg氨气的体积为：5/0.77=6.4935m3•95kg空气的体积为：95/1.29=73.6434m308978.029/9517/505263.095508238.029/9517/517/5/106702.36434.734935.617/5/06239.06434.734935.65333AAAAAAAAAAAAnnnXmmmXnnxmkmolVncmkgVm摩尔比：质量比：摩尔分数：物质的量浓度：质量浓度：传质的速度与通量3PART031.传质的速度多组分的传质过程中，各组分均以不同的速度运动。设系统由A、B两组分组成，组分A、B通过系统内任一静止平面的速度为uA、uB，该二元混合物通过此平面的速度为u，它们之间的差值为uA-u、uB-u。uAuuBuA-uuB-u混合物静止平面•在上述的各速度中，uA、uB代表组分A、B的实际移动速度，称为绝对速度。u代表混合物的移动速度，称为主体流动速度或平均速度；uA-u及uB-u代表相对于主体流动速度的移动速度，称为扩散速度。•因uA=u+(uA-u)uB=u+(uB-u)故：•绝对速度＝主体流动速度＋扩散速度uAuuBuA-uuB-u混合物静止平面2.传质的通量•传质通量：单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量。•传质通量等于传质速度与浓度的乘积。•传质通量常用质量通量、摩尔通量表示。•(1)以绝对速度表示的传质通量。•质量通量：nA=ρAuAnB=ρBuB•混合物的总质量通量：•n=nA+nB=ρAuA+ρBuB=ρu•上式为质量平均速度的定义式)/(2smkguuuBBAA•摩尔通量：NA=cAuANB=cBuB•混合物的总摩尔通量：•N=NA+NB=cAuA+cBuB=cum•上式为摩尔平均速度的定义式)/(2smkmolcucucuBBAAm•(2)以扩散速度表示的传质通量。•质量通量：jA=ρA(uA-u)•jB=ρB(uB-u)•摩尔通量：JA=cA(uA-um)•JB=cB(uB-um)•混合物：j=jA+jBJ=JA+JB•(3)以主体流动速度表示的传质通量。)(B)(:)(B)(:BBABAmABAABBAAAmABABBAABBAAANNxucNNxcucuccucAnnaunnauuuA组分：组分：摩尔通量组分：组分：质量通量质量传递的基本方式4PART04•分为分子传质和对流传质•1.分子传质•(1)分子扩散现象•分子扩散：由浓度（或温度）不均引起，依靠微观分子运动产生传质的现象称。•过程：A分子向右运动，B分子向左运动。左右两室交换的分子数虽相等，但因左室A浓度高，故在同一时间内A分子进入右室较多而返回左室较少，其净结果是物质A自左向右传递。同理，物质B自右向左传递。两种物质各自沿其浓度降低的方向传递。•上述扩散过程将一直进行到整个容器中A、B两种物质的浓度完全均匀为止，此时，通过任一截面物质A、B的净的扩散通量为零，但扩散仍在进行，只是左、右两方向物质的扩散通量相等，系统处于扩散的动态平衡中。•当流体内部存在某一组分的浓度(或分压)差时，凭借分子的无规则热运动使该组分由高浓处向低浓处迁移的过程，称为分子扩散或分子传质，简称扩散。•分子扩散发生在固体、静止或层流流动的流体中。•(2)费克（Fick）第一定律•在恒定的温度和压力下，流体无宏观运动时，均相混合物中，扩散通量J（在单位时间内通过单位面积传递的物质的量）与浓度梯度成正比。•描述分子扩散的通量或速率的方程。•式中：jA－组分A的质量通量，kg/(m2.s)•dρA/dz－组分在传质方向上的质量浓度梯度，(kg/m3)/m•DAB－组分A在B中的扩散系数，m2/s•JA－组分A的摩尔通量，kmol/(m2.s)•dcA/dz－组分在传质方向上的摩尔浓度梯度，(kmol/m3)/mdzdcDJdzdcDJdzdDjdzdDjBBABAABABBABAABA;;要理解为DAB，是物理性质参数。“—”——表示散沿着浓度降低方向进行。对气体常用分压梯度表示，z方向上等温扩散时，因式中pA——Pa；T——K；R——气体常数，等于8314J/(kmol·K)；“—”——表示散沿着浓度降低方向进行。RTpVncAAAAAddpDJRTz2、扩散系数分子扩散系数是物质的物性常数之一。表示物质在介质中的扩散能力。液体的扩散系数与温度成正比，与黏度成反比，压强影响不大。气体的扩散系数与温度成正比，与黏度成反比，与压强成反比：气体扩散系数一般在0.1~1.0cm2／s之间。在数量级上要比液体中的扩散系数大105倍左右。一般气体的扩散通量比液体高出100倍数量级。•(3)等摩尔反向扩散•因两容器中气体总压相同，所以A、B两组分相互扩散的量nA和nB必然相等，故称为等摩尔反方向扩散。即：•JA=-JB1pA1pppB12pA2PB2JAJBpZ1PB1pA1PB2PA2Z2pZ•在扩散过程，虽然A、B两组分发生变化，但混合气体总压不变，即c=cA+cB=常数，因而dcA/dz=-dcB/dz，根据菲克定律：•故：DAB=DBA•该关系说明：对双组分混合气体，在进行等摩尔反方向分子扩散时，A在B中和B在A中的分子扩散系数相等，以后以D表示。dzdcDJdzdcDJBBABAABA•（4）单向扩散•截面上有一层只允许A组分通过但不允许B组分通过的膜。由于在气相主体与液面处存在A组分的分压差，所以组分A将不断向右进行分子扩散，并进入液相中去，而液相中无任何组分进入气相，使得液面处总压低于气相主体，在此压差的作用下，混合气体(A+B)便会自动向2截面发生宏观运动，称为主体流动。气液相界面气相主体JANMJBNA•主体流动的结果又使得液面附近B组分的分压大于气相主体中B的分压，因而组分B又将以分子扩散的方式向气相主体移动。这样实际的净结果是A组分不断向液面移动，对于B组分来讲，随主体流动向液面运动的同时又以相反方向进行分子扩散到气相主体，实际上等于没有运动，故称为单向扩散扩散。气液相界面气相主体JANMJBNA气相A+BA液相S+A气液相界面气相主体JANMJBNAzpApA1PpB总压ppB2pA2pB1（a）引例（b）扩散分析（c）浓度分布图计算公式ABm()DpNppRTZpA1A2液体：ABm()DcNccZcA1A2气体：Bmln/pppppB2B1B2B1Bmln/cccccB2B1B2B1两者比较单方向扩散的传质速率NA比等摩尔逆向扩散时的传质速率JA大。多一项漂流因子p/pBm，p/pBm1原因分析在单方向扩散时除了有分子扩散，还有混合物的整体移动所致。课后习题5PART05第一题物质传递正确的名称应为质量传递，简称传质。是物质系统由于浓度不均匀而发生的质量迁移过程。（）√第二题质量传递可以发生在不同的两相和多相间，不能发生在同一相内。（）×√分子扩散是由分子热运动造成；只要存在浓度差，就能够在一切物系中发生。（）第三题第四题在单位体积中所含某组分的质量，即物质的量浓度，单位kmol/m3。（）×混合物中某组分物质的量与惰性组分物质的量的比值称为摩尔比。（）第5题√第6题传质通量等于传质速度与浓度的比值，常用质量通量、摩尔通量表示。（）×第7题当流体内部存在某一组分的浓度(或分压)差时，凭借分子的无规则热运动使该组分由低浓处向高浓处迁移的过程，称为分子扩散或分子传质，简称扩散。（）×分子扩散发生在固体、静止或层流流动的流体中。（）第8题√第9题费克第一定律的一般表达式：组分的实际通量＝分子扩散通量＋主体流动通量（）√第10题质量比是混合物中某组分质量与惰性组分质量的比值。（）√第11题相同体积的情况下，质量浓度越大，物质的量浓度越小。（）×第12题对流传质由流体微团的宏观运动所引起，仅发生在流动的流体中。（）√第13题班组经济核算建设的五个维度√化学势的差异是传质动力，化学势可由浓度、温度、压力和外加电场所引起。（）第14题干燥过程既是传热过程又是传质过程。（）√精馏是传热和传质同时发生的单元操作过程。（）第15题√THANKS!