華北理工環(huán)境工程原理課件05質(zhì)量傳遞

1、第五章質(zhì)量傳遞第五章 質(zhì)量傳遞 第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理第三節(jié) 分子傳質(zhì)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì)本章主要內(nèi)容氣體混合物中組分分離吹脫去除揮發(fā)性組分汽提液體混合物中組分分離染料廢水處理樣品石油烴分離測(cè)定氣體和液體混合物中組分分離活性炭吸附水中有機(jī)物去除水中陰陽(yáng)離子制作純水去除水中重金屬高分子薄膜為分離介質(zhì)，組分選擇性地透過(guò)膜制作純水截留某些組分去除水、氣體和固體中污染物的過(guò)程吸收萃取吸附膜分離離子交換 傳質(zhì)過(guò)程：分離中的傳質(zhì)過(guò)程：第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程反應(yīng)中的傳質(zhì)過(guò)程：石灰/石灰水洗滌煙氣脫硫催化氧化法凈化汽車尾氣第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程質(zhì)量傳遞的推動(dòng)力溫度差壓力

2、差電場(chǎng)或磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)差濃度差第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程一個(gè)含有兩種或兩種以上組分的體系組分A的濃度分布不均勻組分A由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域的轉(zhuǎn)移物質(zhì)傳遞現(xiàn)象傳質(zhì)過(guò)程質(zhì)量傳遞過(guò)程需要解決兩個(gè)基本問(wèn)題：過(guò)程的極限:過(guò)程的速率:相平衡關(guān)系以濃度差為推動(dòng)力的傳質(zhì)過(guò)程：質(zhì)量傳遞研究?jī)?nèi)容！第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程環(huán)境工程中常遇到的傳質(zhì)過(guò)程：兩相間的傳質(zhì) 氣體的吸收：萃取：吸附、膜分離、生物膜反應(yīng)：在氣相與液相之間傳質(zhì)在液液兩相之間傳質(zhì)在氣/液相和固相之間傳質(zhì)單相中的傳質(zhì) 流體流過(guò)可溶性固體表面溶質(zhì)在流體中的溶解氣固相催化反應(yīng)單相中的傳質(zhì)速率？ 第一節(jié) 環(huán)境工程中的傳質(zhì)過(guò)程一、傳質(zhì)機(jī)理二、分子擴(kuò)散三

3、、渦流擴(kuò)散本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 藍(lán)色由最初的位置慢慢散開(kāi)，即藍(lán)墨水的分子由高濃度處向低濃度處移動(dòng)向一杯水中加入一滴藍(lán)墨水質(zhì)量傳遞靜止藍(lán)色由最初的位置慢慢散開(kāi)，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)一段時(shí)間后，杯中水的顏色趨于一致攪拌一下？由分子的微觀運(yùn)動(dòng)引起工程上為了加速傳質(zhì)，通常使流體介質(zhì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)湍流狀態(tài)，渦流擴(kuò)散的效果占主要地位 慢由流體微團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)引起分子擴(kuò)散快渦流擴(kuò)散第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理一、傳質(zhì)機(jī)理 分子擴(kuò)散過(guò)程只有在固體、靜止流體或?qū)恿髁鲃?dòng)的流體中才會(huì)單獨(dú)發(fā)生。 由分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的傳遞（一）費(fèi)克定律在某一空間充滿A、B組分組成的混合物，無(wú)總體流動(dòng)或處于靜止?fàn)顟B(tài) 分子熱運(yùn)動(dòng)

4、的結(jié)果將導(dǎo)致A分子由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域凈擴(kuò)散，即發(fā)生由高濃度處向低濃度處的分子擴(kuò)散 分子擴(kuò)散的速率？二、分子擴(kuò)散第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理在一維穩(wěn)態(tài)情況下，單位時(shí)間通過(guò)垂直于z方向的單位面積擴(kuò)散的組分A的量為單位時(shí)間在z方向上經(jīng)單位面積擴(kuò)散的A組分的量，即擴(kuò)散通量，也稱為擴(kuò)散速率，kmol/（m2s）組分A的物質(zhì)的量濃度，kmol/m3組分A在組分B中進(jìn)行擴(kuò)散的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s組分A在z方向上的濃度梯度，kmol/m3m由濃度梯度引起的擴(kuò)散通量與濃度梯度成正比負(fù)號(hào)表示組分A向濃度減小的方向傳遞以摩爾濃度為基準(zhǔn) 費(fèi)克定律(5.2.1)第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理（二）分子擴(kuò)散系數(shù) 分

5、子擴(kuò)散系數(shù)物質(zhì)分子擴(kuò)散能力。擴(kuò)散系數(shù)大，表示分子擴(kuò)散快。 分子擴(kuò)散系數(shù)是物理常數(shù)，其數(shù)值受體系溫度、壓力和混合物濃度等因素的影響(5.2.5)第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理（2）溶質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)比在氣體中的小，在固體中的擴(kuò)散系數(shù)更小。氣體、液體、固體擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)量級(jí)分別為10-510-4、10-910-10、10-910-14 m2/s。（3）低密度氣體、液體和固體的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而增大，隨壓力的增加而降低。，（1）非理想氣體及濃溶液, 是濃度的函數(shù)（二）分子擴(kuò)散系數(shù) 第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 渦流擴(kuò)散系數(shù)不是物理常數(shù)，它取決于流體流動(dòng)的特性，受湍動(dòng)程度和擴(kuò)散部位等復(fù)雜因素的影響

6、。 工程中大部分流體流動(dòng)為湍流狀態(tài)，在充分發(fā)展的湍流中，渦流擴(kuò)散系數(shù)往往比分子擴(kuò)散系數(shù)大得多。：由流體質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈摻混所導(dǎo)致的物質(zhì)擴(kuò)散 渦流擴(kuò)散 三、渦流擴(kuò)散第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理定義渦流質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)有效質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)一、傳質(zhì)機(jī)理二、分子擴(kuò)散費(fèi)克定律三、渦流擴(kuò)散本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié) 質(zhì)量傳遞的基本原理 微觀運(yùn)動(dòng)分子擴(kuò)散慢宏觀運(yùn)動(dòng)渦流擴(kuò)散快 充分發(fā)展的湍流中，傳質(zhì)過(guò)程以渦流擴(kuò)散為主在靜止介質(zhì)中由于分子擴(kuò)散所引起的質(zhì)量傳遞問(wèn)題 靜止流體相界面組分A通過(guò)氣相主體向相界面擴(kuò)散 依靠分子擴(kuò)散NA在相界面附近，組分A沿?cái)U(kuò)散的方向?qū)⒔⒁欢ǖ臐舛确植?第三節(jié) 分子傳質(zhì)水 含有氨的廢氣苯甲苯體系苯NB單向擴(kuò)散等

7、分子反向擴(kuò)散 甲苯 第三節(jié) 分子傳質(zhì)空氣與氨的混合氣體 （靜止）氨空氣氨的分壓 p減小流體自氣相主體向相界面流動(dòng) 空氣分壓增大反向擴(kuò)散 可視為空氣處于沒(méi)有流動(dòng)的靜止?fàn)顟B(tài)相界面氨的擴(kuò)散量增加相界面上，氨溶解于水氣相總壓減小第三節(jié) 分子傳質(zhì)一、單向擴(kuò)散 氨傳質(zhì)過(guò)程：氨溶解于水氨分壓降低相界面處的氣相總壓降低流體主體與相界面之間形成總壓梯度流體主體向相界面處流動(dòng)氨的擴(kuò)散量增加流動(dòng)氨空氣相界面上空氣的濃度增加空氣應(yīng)從相界面向混合氣體主體作反方向擴(kuò)散相界面處空氣的濃度（或分壓）恒定可視為空氣處于沒(méi)有流動(dòng)的靜止?fàn)顟B(tài)空氣氨溶解于水第三節(jié) 分子傳質(zhì)第三節(jié) 分子傳質(zhì)氨流動(dòng)氨空氣空氣擴(kuò)散系數(shù)在低壓下與濃度無(wú)關(guān) 總

8、通量流動(dòng)所造成的傳質(zhì)通量疊加于流動(dòng)之上的分子擴(kuò)散通量總通量？擴(kuò)散通量費(fèi)克定律的普通表達(dá)形式(5.3.5)分子擴(kuò)散通量流動(dòng)所造成的傳質(zhì)通量第三節(jié) 分子傳質(zhì)第三節(jié) 分子傳質(zhì)=0組分B在單向擴(kuò)散中沒(méi)有凈流動(dòng)，所以單向擴(kuò)散也稱為停滯介質(zhì)中的擴(kuò)散在穩(wěn)態(tài)情況下 為定值在恒溫恒壓條件下，式中 為常數(shù)，所以 氣相主體: 相界面:z=0z=L(5.3.6)惰性組分在相界面和氣相主體間的對(duì)數(shù)平均濃度擴(kuò)散推動(dòng)力(5.3.9)(5.3.10)第三節(jié) 分子傳質(zhì)根據(jù)總壓強(qiáng)惰性組分在相界面和氣相主體間的對(duì)數(shù)平均分壓組分A在相界面的分壓組分A在相主體的分壓(5.3.11)(5.3.10)第三節(jié) 分子傳質(zhì)(一)擴(kuò)散通量沒(méi)有流體

9、的總體流動(dòng)，因此特征二、等分子反向擴(kuò)散 (5.3.16)第三節(jié) 分子傳質(zhì)苯甲苯體系苯NB 甲苯 在穩(wěn)態(tài)情況下 為定值在等溫等壓條件下，式中 為常數(shù)，所以氣相主體: 相界面:z=0z=L(5.3.17)第三節(jié) 分子傳質(zhì)單向擴(kuò)散漂移因子因總體流動(dòng)而使組分A傳質(zhì)通量增大的因子等分子反向擴(kuò)散 第三節(jié) 分子傳質(zhì)一、對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程的機(jī)理及傳質(zhì)邊界層二、對(duì)流傳質(zhì)速率方程本節(jié)的主要內(nèi)容第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 分子擴(kuò)散渦流擴(kuò)散 質(zhì)量傳遞將受到流體性質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)以及流場(chǎng)幾何特性等的影響。(一)對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程的機(jī)理層流區(qū)湍流區(qū)質(zhì)量傳遞固體壁面附近形成濃度分布？傳質(zhì)的機(jī)理一、對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程的機(jī)理及傳質(zhì)邊界層層流

10、底層湍流核心區(qū)過(guò)渡區(qū)湍流區(qū)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 層流區(qū)分子擴(kuò)散渦流擴(kuò)散分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散分子擴(kuò)散(二)傳質(zhì)邊界層可以認(rèn)為質(zhì)量傳遞的全部阻力都集中在傳質(zhì)邊界層內(nèi)傳質(zhì)邊界層的名義厚度定義為時(shí)0.99u00.99C0具有濃度梯度的流體層傳質(zhì)邊界層 (cA-cA,i)0.99(cA,0-cA,i)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 二、對(duì)流傳質(zhì)速率方程 G有效膜層或虛擬膜層 整個(gè)有效膜層的傳質(zhì)推動(dòng)力為濃度分布全部傳質(zhì)阻力集中在有效膜層第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，也稱傳質(zhì)分系數(shù)，下標(biāo)“c”表示組分濃度以物質(zhì)的量濃度表示，m/s對(duì)流傳質(zhì)速率方程傳質(zhì)系數(shù)體現(xiàn)了傳質(zhì)能力的大小，與流體的物理性質(zhì)、界面的幾何形狀以及流體流動(dòng)狀況等

11、因素有關(guān)。 組分濃度常用分壓表示界面上組分A的分壓，N/m2氣相主體中組分A的分壓氣相傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2sPa）液相傳質(zhì)分系數(shù)，m/ s氣相與界面的傳質(zhì)液相與界面的傳質(zhì)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.5)(5.4.6)兩種典型情況其對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)形式不同單向擴(kuò)散等摩爾反向擴(kuò)散對(duì)流傳質(zhì)單相中在虛擬膜層內(nèi)的分子擴(kuò)散第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 雙組分系統(tǒng)中，A和B兩組分作等分子反向擴(kuò)散時(shí)，對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)用 表示，則相應(yīng)的分子擴(kuò)散速率為虛擬膜層的厚度第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 1.等分子反向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)系數(shù)(5.4.11)(5.4.12)2.單向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)系數(shù)雙組分系統(tǒng)中，組分A通過(guò)停滯組分B作單向擴(kuò)散時(shí)，對(duì)流

12、傳質(zhì)系數(shù)用 表示。則相應(yīng)的分子擴(kuò)散通量為故 組分B的對(duì)數(shù)平均摩爾分?jǐn)?shù)第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.13)(5.4.14)組分A的對(duì)流傳質(zhì)速率，kmol/（m2s）傳質(zhì)通量對(duì)流傳質(zhì)速率方程第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) (5.4.4)【例題5.4.2】填料床內(nèi)裝填直徑為0.2cm的苯酚粒子，純水以表觀速度5cm/s流過(guò)床層，通過(guò)100cm床層高度后，水中苯酚濃度為飽和濃度的62，已知單位床層體積的苯酚表面積為23cm2，試求該系統(tǒng)的傳質(zhì)系數(shù)。 解：在填料床中取微元段 ,微元體積為 ， 為填料床橫截面積在微元段內(nèi)對(duì)苯酚作質(zhì)量衡算，穩(wěn)態(tài)情況下， 流出量流入量溶解量0溶解量:為單位床層體積的苯酚表面積流入量流出量飽和濃度 第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 分離變量，并在z=0，CA=0和 z=1m，CA=0.62CA,s之間積分，得解得m/s第四節(jié) 對(duì)流傳質(zhì) 動(dòng)量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞強(qiáng)化傳遞速率的方法湍流流動(dòng)對(duì)流傳熱對(duì)流傳質(zhì)邊界層流動(dòng)邊界層傳熱邊界層傳質(zhì)邊界