化工原理第4章.ppt

第四章　传质过程 在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓度梯度，某一组分(或某些组分)将由高浓度区向低浓度区移动，该移动过程称为传质过程。 化工单元操作，是化学工程的主要研究领域，是在化学工业生产中具有共同的物理变化特点的基本操作。 工业上常见的吸收、精馏等操作过程就是通过物质的传递来实现混合物分离，是典型的单元操作过程。 § 1 传质过程概述 焦化厂用水吸收焦炉气中的氨 物质传递的三个步骤： 扩散物质从一相的主体扩散到两相界面； 在界面上的扩散物质从一相进入另一相； 进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散。 2-1 单相中的传质 单相传质是指：物质从一相主体到相界面和从相界面到另一相主体的扩散。 ? 单相流体内物质的传递方式有分子扩散和对流扩散两种。 分子扩散 如果在流体内部存在某一组分的浓度差时，由于物质分子的无规则运动，该组分将从较高浓度处向较低浓度处转移，直至流体内部达到浓度均匀为止。 Fick定律： 流体内任一点处组分A的扩散通量与该组分在扩散方向上的浓度梯度成正比。 1．等物质的量反向定常态扩散 在没有物质流动的单纯等物质的量反向扩散过程，A组分的传质通量（NA）等于分子的扩散通量，即 NA=NA,0 2. 单方向的扩散 分子是组分A从气相扩散到界面的传质推动力； 分母是传质阻力。 说明：在静止或层流流动的流体内，物质通过单位面积的传质速度与溶质的分压成正比，与温度，扩散距离、以及惰性组分B的对数平均分压成反比。 扩散系数 扩散系数即分子扩散系数（m2·s-1），是扩散物质在单位面积（m2）、单位浓度梯度（mol·m-4）下的扩散速率（mol· m2·s-1）。 物质的扩散速度不仅取决于它本身，还与介质、温度、压力有关。物质的扩散系数一般通过实验来决定。 半经验公式 1.气体A在气体B中的扩散系数 2.组分在液相中的扩散系数 估算在20℃和1.013×10-5Pa下CO2在空气中的扩散系数。 解：设A组分为CO2，B组分为空气 ΣVA = 26.9×10-6m3.Mol-1 ΣVB =20.1×10-6m3.Mol-1 Mr，A=34 Mr，B=29 T=273+20=293K P=1.013×10-5Pa 涡流扩散 一般分子的扩散速度很小，例如，一杯水中滴入一滴红墨水，红色的扩散很慢，这是因为静止水的物质扩散只靠分子扩散。为了加速红色扩散，用玻璃棒搅拌，水中质点的运动使红色很快扩散。这种依靠流体质点的运动而引起的物质的扩散称为涡流扩散。 对流扩散（传质扩散） 在两相界面传质过程中，两相界面有二种情况： （1）固定界面 气、液两相或液、固两相间的界面为固定的表面。 （2）流动界面 气、液两相和液、液两相的界面为流动的界面。 　 层流层：没有与界面垂直的运动，物质的传递为分子的扩散。 过渡层：垂直运动不强，同时有分子扩散与涡流扩散。  湍流层：很强的分子垂直运动，以涡流为主。 lG，lL虽为虚构膜层厚度，但也有其物理意义。流体的湍动越强烈，层流越薄，膜层厚度越小，传质阻力小，传质通量大。 kG，kL-为气膜、液膜传质分数， PA，PA，i-为扩散组分A在气相主体与界面上的分压 CA，CA，i-为扩散组分A在液相主体与界面上的浓度。 2-2 相际间传质 实际的传质过程是发生在相际之间的，如气体吸附，先从气相扩散到气、液界面，再从相界面扩散到液相主体。 由于在两相界面附近的流体流动状况及传质过程非常复杂，难以观测和进行严格的数学描述。此时，采用数学模型法是有益的。 对考查对象进行分析简化，构成传质过程的物理模型，再用已有的理论和数学知识作出描述，建立数学模型，然后将此结果与实验数据作比较，以验证其准确性与合理性。 双膜理论 在气、液两相之间有稳定界面，溶质以分子扩散的形式连续通过这两个膜层，膜层厚度随流体的流动状态而变化。 界面上没有传质阻力，且成平衡状态， 在气、液之体内，由于流体充分湍动，溶质的浓度分布基本均匀，浓度梯度为零。即浓度梯度全部集中在有效膜内。 本章小结 单相传质原理 1）静止流体内部的分子扩散原理 2）流动流体内部的对流扩散（传质扩散）原理 相间传质的模型理论与传质速率方程式 * * 1-1 传质分离操作在化工生产中的作用