化工基礎(chǔ)第4章

1、第四章傳質(zhì)過(guò)程 在含有兩個(gè)或兩個(gè)以上組分的混合體系中，如果存在濃度梯度，某一組分(或某些組分)將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)，該移動(dòng)過(guò)程稱為傳質(zhì)過(guò)程。 化工單元操作，是化學(xué)工程的主要研究領(lǐng)域，是在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中具有共同的物理變化特點(diǎn)的基本操作。工業(yè)上常見(jiàn)的吸收、精餾等操作過(guò)程就是通過(guò)物質(zhì)的傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)混合物分離，是典型的單元操作過(guò)程。 1 傳質(zhì)過(guò)程概述1-1 傳質(zhì)分離操作在化工生產(chǎn)中的作用焦化廠用水吸收焦?fàn)t氣中的氨 1-2 傳質(zhì)分離操作的種類 2 傳質(zhì)過(guò)程機(jī)理物質(zhì)傳遞的三個(gè)步驟：擴(kuò)散物質(zhì)從一相的主體擴(kuò)散到兩相界面；在界面上的擴(kuò)散物質(zhì)從一相進(jìn)入另一相；進(jìn)入另一相的擴(kuò)散物質(zhì)從界面向該相的主體擴(kuò)散。相平衡

2、與熱平衡不同： 相平衡時(shí)一般兩相濃度不相等，傳質(zhì)過(guò)程仍在進(jìn)行，只不過(guò)通過(guò)相界面的某一組分的凈傳質(zhì)量為零。屬動(dòng)態(tài)平衡。2-1 單相中的傳質(zhì) 單相傳質(zhì)是指：物質(zhì)從一相主體到相界面和從相界面到另一相主體的擴(kuò)散。 單相流體內(nèi)物質(zhì)的傳遞方式有分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散兩種。分子擴(kuò)散 如果在流體內(nèi)部存在某一組分的濃度差時(shí)，由于物質(zhì)分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，該組分將從較高濃度處向較低濃度處轉(zhuǎn)移，直至流體內(nèi)部達(dá)到濃度均勻?yàn)橹埂?Fick定律： 流體內(nèi)任一點(diǎn)處組分A的擴(kuò)散通量與該組分在擴(kuò)散方向上的濃度梯度成正比。1等物質(zhì)的量反向定常態(tài)擴(kuò)散NA,0= - NB,0說(shuō)明：在雙組分混合物體系中,當(dāng)物質(zhì)總濃度CM在系統(tǒng)內(nèi)保持不變時(shí),其

3、組分A在分子擴(kuò)散的同時(shí)必然拌有物質(zhì)的量相等而方向相反的組分B的分子擴(kuò)散。這種現(xiàn)象叫等物質(zhì)的量反向分子擴(kuò)散。 在沒(méi)有物質(zhì)流動(dòng)的單純等物質(zhì)的量反向擴(kuò)散過(guò)程，A組分的傳質(zhì)通量（NA）等于分子的擴(kuò)散通量，即NA=NA,02. 單方向的擴(kuò)散 只有氨被水吸收，沒(méi)有物質(zhì)從液體向氣相作相反的液相傳遞。這種現(xiàn)象稱為A組分的單方向擴(kuò)散。 物料系統(tǒng)內(nèi)的分子擴(kuò)散是由物質(zhì)濃度（或分壓）差引起的分子微觀運(yùn)動(dòng)；總體流動(dòng)是因系統(tǒng)內(nèi)流體主體與相界面處存在總壓差引起的流體流動(dòng)的宏觀運(yùn)行，其起因還是分子擴(kuò)散。總體流動(dòng)是一種分子擴(kuò)散的伴生現(xiàn)象。在總體流動(dòng)的流體中組分A和組分B的量與各自在混合氣體中的分壓成正比。 分子是組分A從氣相擴(kuò)

4、散到界面的傳質(zhì)推動(dòng)力； 分母是傳質(zhì)阻力。說(shuō)明：在靜止或?qū)恿髁鲃?dòng)的流體內(nèi)，物質(zhì)通過(guò)單位面積的傳質(zhì)速度與溶質(zhì)的分壓成正比，與溫度，擴(kuò)散距離、以及惰性組分B的對(duì)數(shù)平均分壓成反比。擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù)即分子擴(kuò)散系數(shù)（m2s-1），是擴(kuò)散物質(zhì)在單位面積（m2）、單位濃度梯度（molm-4）下的擴(kuò)散速率（mol m2s-1）。 物質(zhì)的擴(kuò)散速度不僅取決于它本身，還與介質(zhì)、溫度、壓力有關(guān)。物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)決定。 1.氣體A在氣體B中的擴(kuò)散系數(shù) 2.組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù) 半經(jīng)驗(yàn)公式 估算在20和1.01310-5Pa下CO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)。解：設(shè)A組分為CO2，B組分為空氣 VA = 26.91

5、0-6m3.Mol-1 VB =20.110-6m3.Mol-1 Mr，A=34 Mr，B=29 T=273+20=293K P=1.01310-5Pa 渦流擴(kuò)散 一般分子的擴(kuò)散速度很小，例如，一杯水中滴入一滴紅墨水，紅色的擴(kuò)散很慢，這是因?yàn)殪o止水的物質(zhì)擴(kuò)散只靠分子擴(kuò)散。為了加速紅色擴(kuò)散，用玻璃棒攪拌，水中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)使紅色很快擴(kuò)散。這種依靠流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)而引起的物質(zhì)的擴(kuò)散稱為渦流擴(kuò)散。 DE為渦流擴(kuò)散系數(shù)。它不是流體的物理量，而是流動(dòng)狀態(tài)的函數(shù)，與流動(dòng)系統(tǒng)的幾何形狀、尺寸、所處的位置、流速、以及流體的物理性質(zhì)等影響因素有關(guān)。 對(duì)流擴(kuò)散（傳質(zhì)擴(kuò)散） 湍流流體中的傳質(zhì)過(guò)程，既有分子擴(kuò)散又有渦流擴(kuò)散

6、。湍流擴(kuò)散主要依靠流體微團(tuán)的湍動(dòng)與渦流運(yùn)動(dòng)傳遞物質(zhì)，這種傳質(zhì)規(guī)模及速率都遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散。湍流主體與相界面間的傳質(zhì)稱為對(duì)流擴(kuò)散，這種擴(kuò)散現(xiàn)象要比分子擴(kuò)散復(fù)雜得多。 在兩相界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)程中，兩相界面有二種情況：（1）固定界面 氣、液兩相或液、固兩相間的界面為固定的表面。（2）流動(dòng)界面 氣、液兩相和液、液兩相的界面為流動(dòng)的界面。 層流層：沒(méi)有與界面垂直的運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)的傳遞為分子的擴(kuò)散。過(guò)渡層：垂直運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)，同時(shí)有分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散。 湍流層：很強(qiáng)的分子垂直運(yùn)動(dòng)，以渦流為主。在氣相中，用分壓表示組分的含量在液相中，用摩爾濃度表示組分的含量lG，lL雖為虛構(gòu)膜層厚度，但也有其物理意義。流體的湍動(dòng)越強(qiáng)烈，層流

7、越薄，膜層厚度越小，傳質(zhì)阻力小，傳質(zhì)通量大。kG，kL-為氣膜、液膜傳質(zhì)分?jǐn)?shù)，PA，PA，i-為擴(kuò)散組分A在氣相主體與界面上的分壓CA，CA，i-為擴(kuò)散組分A在液相主體與界面上的濃度。2-2 相際間傳質(zhì) 實(shí)際的傳質(zhì)過(guò)程是發(fā)生在相際之間的，如氣體吸附，先從氣相擴(kuò)散到氣、液界面，再?gòu)南嘟缑鏀U(kuò)散到液相主體。由于在兩相界面附近的流體流動(dòng)狀況及傳質(zhì)過(guò)程非常復(fù)雜，難以觀測(cè)和進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述。此時(shí)，采用數(shù)學(xué)模型法是有益的。對(duì)考查對(duì)象進(jìn)行分析簡(jiǎn)化，構(gòu)成傳質(zhì)過(guò)程的物理模型，再用已有的理論和數(shù)學(xué)知識(shí)作出描述，建立數(shù)學(xué)模型，然后將此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作比較，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性與合理性。雙膜理論在氣、液兩相之間有穩(wěn)定界面，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的形式連續(xù)通過(guò)這兩個(gè)膜層，膜層厚度隨流體的流動(dòng)狀態(tài)而變化。界面上沒(méi)有傳質(zhì)阻力，且成平衡狀態(tài)，在氣、