化工原理傳質(zhì)導(dǎo)論

化工原理傳質(zhì)導(dǎo)論第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單回顧1：

化工原理在化工領(lǐng)域中的地位

本課程，不是教學(xué)生如何合成得到新物質(zhì)？如何提取新物質(zhì)？如何表征新物質(zhì)？這是化學(xué)家的事?；瘜W(xué)工程研究的是：如何把化學(xué)家們的小試研究成果開發(fā)放大為中試，再開發(fā)為生產(chǎn)規(guī)模。是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)與化工之間架橋的工作，是直接為人類服務(wù)的創(chuàng)造價(jià)值的勞動?！皢卧僮鳌保║nitOperations）化工生產(chǎn)=單元操作+單元過程（化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)工程=化工原理+反應(yīng)工程=三傳+一反三傳=動量傳遞+熱量傳遞+質(zhì)量傳遞第2頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單回顧2：動量傳遞（動量擴(kuò)散）（動量通量）=-（動量擴(kuò)散系數(shù)）×（動量濃度梯度）熱量傳遞（熱量擴(kuò)散）（熱量通量）=-（熱量擴(kuò)散系數(shù)）×（熱量濃度梯度）現(xiàn)象（唯象）方程（phenomenologicalequation）

分子傳遞基本定律，在固體中、靜止或?qū)恿髁鲃拥牧黧w內(nèi)才會產(chǎn)生這種傳遞過程。質(zhì)量傳遞（擴(kuò)散）？

？（質(zhì)量通量）=-（質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)）×（質(zhì)量濃度梯度）（通量）=-（擴(kuò)散系數(shù)）×（濃度梯度）第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單回顧3：以“三傳”為物理內(nèi)核的單元操作第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月排名公司標(biāo)志公司名稱主要業(yè)務(wù)營業(yè)收入億美元131

中國石化煉油750.77346中國石油天然氣煉油677.248287中化集團(tuán)

貿(mào)易203.81中國企業(yè)在2005年度世界500強(qiáng)（18家）中化工企業(yè)的排位

第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月化工原理II教學(xué)組織及要求1．化工原理II講課學(xué)時(shí)安排《化工原理》下冊，教學(xué)大綱共計(jì)54學(xué)時(shí)。第八章傳質(zhì)過程導(dǎo)論8學(xué)時(shí)第九章吸收12學(xué)時(shí)第十章蒸餾18學(xué)時(shí)第十三章

干燥12學(xué)時(shí)復(fù)習(xí)4學(xué)時(shí)2．教學(xué)環(huán)節(jié)與要求課堂教學(xué)（思路和概念為主）：認(rèn)真聽講、記筆記，不遲到、早退，保證出勤率預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、練習(xí)作業(yè)：嚴(yán)謹(jǐn)，獨(dú)立完成，及時(shí)答疑，平時(shí)成績30%。一般每周二上課前交齊,學(xué)習(xí)委員負(fù)責(zé)答疑：地點(diǎn)：系辦公室期末考試(閉卷)第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月相關(guān)的參考資料參考教材1、《化工原理》（上、下），譚天恩等，化學(xué)工業(yè)出版社2、《化工原理》（上、下），陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社輔助教學(xué)資料：1、《化工原理學(xué)習(xí)指南-問題與習(xí)題解析》，姚玉英等，天津大學(xué)出版社2、《化工原理例題與習(xí)題》，姚玉英，化學(xué)工業(yè)出版社3、《化工原理教與學(xué)》，陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社4、《化工原理例題詳解》，陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社5、《化工原理習(xí)題精解》（上、下），何潮洪等，科學(xué)出版社6、《化工原理詳解與應(yīng)用》，叢德滋，化學(xué)工業(yè)出版社網(wǎng)絡(luò)資源：超星電子圖書（圖書館）；化工原理網(wǎng)絡(luò)課程網(wǎng)頁上的教學(xué)園地；其它。第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章傳質(zhì)過程導(dǎo)論目的：1、了解傳質(zhì)的重要性；

2、掌握相組成的多種表示方法；

3、掌握擴(kuò)散原理；

4、掌握三種傳遞之類比；

5、了解傳質(zhì)設(shè)備。重點(diǎn)：擴(kuò)散原理（分子擴(kuò)散，穩(wěn)定、不穩(wěn)定擴(kuò)散，等摩爾相互擴(kuò)散，單向擴(kuò)散，渦流擴(kuò)散，對流擴(kuò)散）的理解，掌握相互間之差別。難點(diǎn)：相組成的表示；擴(kuò)散原理。第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述§8-1化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程單元操作動量傳遞質(zhì)量傳遞熱量傳遞流體輸送、機(jī)械分離、沉降、流態(tài)化等加熱、冷卻、蒸發(fā)等吸收、蒸餾、萃取、吸附、干燥、膜分離等均相中，溶質(zhì)由一相轉(zhuǎn)移到另一相的過程。第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收過程（Absorption）利用不同氣相組份在液相溶劑中的溶解度差異，進(jìn)行選擇性的吸收分離依據(jù)ΔP、ΔCΔy、Δx氣相A+B液相A+SAA脫收吸收相界面?zhèn)髻|(zhì)推動力第10頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月萃取過程（Extraction）利用液相各組分在溶劑中的溶解度差異傳質(zhì)推動力ΔC、Δx液相A+B液相A+SA萃取相界面分離依據(jù)第11頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月蒸餾過程（Distillation）利用液相各組分的揮發(fā)度差異傳質(zhì)推動力ΔP、ΔCΔy、Δx氣相A+B液相A+BAB精餾相界面分離依據(jù)第12頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月吸附和干燥過程氣液相A+B固相CAA脫附吸附相界面吸附過程固相A+B氣相C+AA干燥相界面A干燥過程熱量第13頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月氣相液相相界面PGPiCiCLΔPΔC主體主體溶質(zhì)由氣相主體向氣液相界面的擴(kuò)散推動力溶質(zhì)由氣液相界面向液相主體的擴(kuò)散推動力傳質(zhì)過程（吸收）的共性氣相傳質(zhì)液相傳質(zhì)溶解第14頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月②平衡狀態(tài)③衡量單位b、溶質(zhì)A在相界面上溶解，溶解過程；傳質(zhì)：雖然各相內(nèi)主體濃度相等，但界面附近區(qū)域的濃度不相等；理想假設(shè)：氣液界面濃度服從亨利定律Pi=Ci/H傳熱：K或℃?zhèn)髻|(zhì)：濃度或組成的單位復(fù)雜①傳質(zhì)步驟a、溶質(zhì)A由氣相主體到相界面，氣相內(nèi)傳遞；c、溶質(zhì)A自相界面到液相主體，液相內(nèi)傳遞。傳熱：溫度處處相等第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月§8-2相組成的表示方法1、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)A、質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωi：組分i的質(zhì)量占總質(zhì)量的分率或百分率B、摩爾分?jǐn)?shù)xi：組分i的摩爾數(shù)與混合物總摩爾數(shù)之比物系是氣相時(shí)，習(xí)慣用yi來代表氣相摩爾分?jǐn)?shù)，關(guān)系同上第16頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月C、之間的關(guān)系第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2、質(zhì)量比和摩爾比常在雙組分體系中用質(zhì)量比或摩爾比來代表組成關(guān)系質(zhì)量比摩爾比同理第18頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3、濃度：單位體積物質(zhì)量質(zhì)量濃度摩爾濃度Kg/m3Kmol/m3濃度與其他組成的關(guān)系極稀溶液第19頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)量濃度氣體混合物的摩爾比氣體混合物的質(zhì)量比對于氣體混合物（理想氣體）摩爾濃度摩爾分?jǐn)?shù)第20頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)擴(kuò)散原理

§8-3基本概念和費(fèi)克(Fick)定律流體中物質(zhì)擴(kuò)散的基本方式：

擴(kuò)散方式分子擴(kuò)散渦流擴(kuò)散作用物流體分子流體質(zhì)點(diǎn)作用方式熱運(yùn)動湍動和旋渦作用對象靜止、滯流湍流擴(kuò)散：物質(zhì)在單一相內(nèi)的傳遞過程

第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月在靜止或滯流流體內(nèi)部，若某一組分存在濃度差，則因分子無規(guī)則的熱運(yùn)動使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。1、分子擴(kuò)散（moleculardiffusion)AAABAAAAAAABBBBBBBBBAAABABABBABBABAⅠⅡ第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2、Fick定律1）擴(kuò)散通量：單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積擴(kuò)散的物質(zhì)量，J表示，kmol/(m2·s)。2）Fick定律：對雙組分體系，在穩(wěn)態(tài)下組分A在擴(kuò)散方向上任一點(diǎn)處的擴(kuò)散通量與該處A的濃度梯度成正比。JA——組分A擴(kuò)散速率（擴(kuò)散通量），kmol/（m2·s）；

—組分A在擴(kuò)散方向z上的濃度梯度（kmol/m3）/m；

DAB——組分A在B組分中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。負(fù)號：表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反，擴(kuò)散沿著濃度降低的方向進(jìn)行。

第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月對理想氣體，常用分壓梯度來表示如果沿傳質(zhì)Z方向無溫度梯度變化，即Fick定律第24頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月幾點(diǎn)說明：A、與導(dǎo)熱不同，分子擴(kuò)散的特點(diǎn)是：當(dāng)一個(gè)分子沿?cái)U(kuò)散方向移去后，留下的空位由其他分子填空。B、對JA的定義是通過“分子對稱”的截面：既有一個(gè)凈A分子通過這截面，也有相等的凈B分子反方向通過同一截面，填補(bǔ)A的凈空位。C、分子對稱面在空間上既可以是固定，也可以是移動的。第25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月注意！

雖然擴(kuò)散是物質(zhì)分子熱運(yùn)動的結(jié)果，但物質(zhì)A的擴(kuò)散速度并不等于在擴(kuò)散溫度下單個(gè)分子的熱運(yùn)動速度。動量傳遞（擴(kuò)散）熱量傳遞（擴(kuò)散）質(zhì)量傳遞（擴(kuò)散）擴(kuò)散并不單獨(dú)占有任何空間擴(kuò)散占據(jù)一定空間（通量）=-（擴(kuò)散系數(shù)）×（梯度）費(fèi)克定律同傅利葉定律和

牛頓粘性定律第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月§8-4一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散A、等摩爾相互擴(kuò)散－－精餾操作B、單向擴(kuò)散－－吸收過程1、等摩爾相互擴(kuò)散(EquimolarCounterDiffusion)PA1PB1PA2PB2JAJBFⅠⅡ兩容器中總P、T相等，PA1>PA2,PB1<PB2;組分A從Ⅰ向Ⅱ擴(kuò)散凈量等于組分B從Ⅱ向Ⅰ擴(kuò)散凈量。F—分子對稱面（固定）第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月相對F截面，A擴(kuò)散通量：同理，B擴(kuò)散通量：分子對稱面，大小相等，方向相反總壓一定第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月傳質(zhì)速率方程推導(dǎo)邊界條件積分：令擴(kuò)散距離Z2-Z1=Z，則第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月在傳質(zhì)過程計(jì)算中，傳質(zhì)速率是相對于空間固定截面而言，用符號NA表示，定義為單位時(shí)間內(nèi)通過單位固定截面的物質(zhì)量。JA是通過分子對稱面，此處是固定的。同理對于液相中的相互擴(kuò)散，總濃度c=cA+cB認(rèn)為是常數(shù)；同理得到：第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月PA122’11’FF’ABABZ2、單向擴(kuò)散(UnidirectionalDiffusion)在吸收過程中，我們假設(shè)：A、氣液相界面只容許溶質(zhì)A通過，惰性氣體B不通過；B、溶劑S不汽化：不逆向通過界面。NA,bNB,bNbNAJAJBPA2單向擴(kuò)散中存在總體流動(摩爾流動)：1）因分子本身擴(kuò)散引起的宏觀流動；2）A、B在總體流動中方向相同，流動速度正比于摩爾分率。分子對稱面隨總體流動向界面推移，而不是一固定界面。固定截面而言，單向擴(kuò)散是總體流動和分子擴(kuò)散的總效應(yīng)第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1）通過固定截面F-F’的各通量：PA122’11’FF’ABABZNA,bNB,bNbNAJAJBPA2傳質(zhì)速率方程推導(dǎo)A的分子擴(kuò)散JA總體流動Nb其中總濃度C＝CA＋CB＝P/RT2）逆向通過截面F-F’的是B分子擴(kuò)散：3）通過相界面2-2’的只有A的溶解通量NA第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月取截面F-F’及2-2’之間的體系進(jìn)行物料衡算PA122’11’FF’ABABZNA,bNB,bNbNAJAJBPA2對組分A對組分B總體任一界面處B的分子擴(kuò)散與總體流動方向相反，大小相等，沒有凈傳質(zhì)，是停滯的?？傮w流動通量Nb與A穿過界面2-2’的傳質(zhì)通量NA相等第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月由組分B的恒算式代入組分A恒算式得邊界條件第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月代表初終截面處PB的對數(shù)平均值令第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月單向擴(kuò)散速率方程等摩爾相互擴(kuò)散速率方程漂流因子（DriftFactor）：其大小反映了總體流動對傳質(zhì)速率的影響程度，其值>1,為總體流動使傳質(zhì)速率較分子擴(kuò)散增大的倍數(shù)。

分壓PA高(PB低)時(shí)，漂流因數(shù)大，總體流動的影響大。分壓PA低(PB高)時(shí)，漂流因數(shù)近似等于1，總體流動的影響小。單向擴(kuò)散與等摩爾相互擴(kuò)散相差無幾。對液相中的單向擴(kuò)散表示液相擴(kuò)散初終截面處溶劑S的對數(shù)平均濃度值第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月ppB1pA1pA2pB2擴(kuò)散距離z0zpppB1pA1pA2pB2擴(kuò)散距離z0zp單向擴(kuò)散等摩爾相互擴(kuò)散PA、PB沿Z變化是直線函數(shù)PA、PB沿Z變化是指數(shù)函數(shù)兩種擴(kuò)散的比較第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月§8-5擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)：單位濃度梯度下的擴(kuò)散通量，反映某組分在一定介質(zhì)中的擴(kuò)散能力，是物質(zhì)特性常數(shù)之一；D，m2/s。D的影響因素：A、B、T、P、濃度。D的來源：查手冊；半經(jīng)驗(yàn)公式；測定。1）氣相中的擴(kuò)散系數(shù)范圍：10-5～10-4m2/s

Fuller經(jīng)驗(yàn)公式雙狀況下第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2）液相中的擴(kuò)散系數(shù)由于分子密集，擴(kuò)散系數(shù)比氣體要小的多，范圍：10-10～10-9m2/s

對極稀的非電解質(zhì)溶液：

雙狀況下第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)流體與界面間傳質(zhì)1、湍流擴(kuò)散特點(diǎn)（TurbulentDiffusion）1）存在著雜亂的質(zhì)點(diǎn)渦流運(yùn)動：既有主體方向上的整體流動也有其他方向上的脈動運(yùn)動。2）質(zhì)點(diǎn)脈動引起的物質(zhì)擴(kuò)散要比分子擴(kuò)散大得多。3）渦流或脈動的復(fù)雜性，尚不能從理論上進(jìn)行分析計(jì)算。效仿分子擴(kuò)散，借用Fick定律的形式來表示：——渦流擴(kuò)散（EddyDiffusion）速率，kmol/(m2·s)；

——渦流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。渦流擴(kuò)散系數(shù)DE是隨流動狀況以及位置等而變的，屬于非物性；分子擴(kuò)散系數(shù)D是一種物性，在P、T、xi一定時(shí)，是常數(shù)。第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月湍流流體中同時(shí)存在著分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散，總擴(kuò)散速率JAT為兩者之和：湍流區(qū)：DE>>D,分子擴(kuò)散幾乎可以忽略；層流底層區(qū)：DE≈0，渦流擴(kuò)散可忽略；過渡區(qū)：DE、D在一個(gè)數(shù)量級，均不可忽略。分子擴(kuò)散DE第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月氣相液相2、膜模型（FilmModel）pApAicAicAcA’pA’FGHδδ’EδLδGE’液相有效層流膜厚氣相有效層流膜厚膜模型雙膜理論第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月我們可以認(rèn)為

(1)由氣相主體到相界面的擴(kuò)散速率等于通過厚度為δG的有效層流氣膜的分子擴(kuò)散速率；(2)由相界面到液相主體的擴(kuò)散速率等于通過厚度為δL的有效層流液膜的分子擴(kuò)散速率。

——以氣相分壓差表示推動力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s·Pa）——以液相濃度差表示推動力的液相對流傳質(zhì)系數(shù)，m/s）第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月由W.K.Lewis和W.G.Whitman在上世紀(jì)二十年代提出，是最早出現(xiàn)的傳質(zhì)理論。雙膜理論的基本論點(diǎn)是：(1)相互接觸的兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各存在著一個(gè)很?。ó?dāng)量厚度分別為1和2）的流體膜層。溶質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過此兩膜層。(2)相界面沒有傳質(zhì)阻力，即溶質(zhì)在相界面處的濃度處于相平衡狀態(tài)。(3)在膜層以外的兩相主流區(qū)由于流體湍動劇烈，傳質(zhì)速率高，傳質(zhì)阻力可以忽略不計(jì)，相際的傳質(zhì)阻力集中在兩個(gè)膜層內(nèi)。氣相主體液相主體相界面pi=ci/Hp12pi

ci

c氣膜液膜雙膜理論第44頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月按雙膜理論，傳質(zhì)系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)成正比，這與實(shí)驗(yàn)所得的關(guān)聯(lián)式地結(jié)果k∝D0.67相差較大；由此理論所得的傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算式形式簡單，但當(dāng)量膜層厚度1和2以及界面上濃度pi和ci都難以確定；雙膜理論存在著很大的局限性，忽視了溶質(zhì)在膜內(nèi)是一個(gè)積累過程，既忽略了兩相初接觸時(shí)的無濃度梯度階段；例如對具有自由相界面或高度湍動的兩流體間的傳質(zhì)體系，相界面是不穩(wěn)定的；該理論提出的雙阻力概念，即認(rèn)為傳質(zhì)阻力集中在相接觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計(jì)的概念，