化工原理講稿(中國石油大學(xué))第八章傳質(zhì)過程概論

第八章傳質(zhì)過程概論〔IntroductiontoMassTransfer〕中國石油大學(xué)〔華東〕2007年3月第八章傳質(zhì)過程概論主要內(nèi)容：第一節(jié)概述第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)第三節(jié)質(zhì)量、熱量和動量傳送類比第一節(jié)概述(Introduction)一、傳質(zhì)過程及其分類1.什么是傳質(zhì)？當(dāng)不平衡的兩相進展接觸時，就會有一個或多個組分從一個相傳入另一個相中，物質(zhì)從一相傳送到另一相中的過程稱為相間質(zhì)量傳送，簡稱傳質(zhì)。2.傳質(zhì)過程的運用主要用于均相物系的分別，根據(jù)分別的物系不同，有不同的單元操作，如常見的蒸餾，吸收，萃取等等，是石油和化學(xué)工業(yè)最常用的工業(yè)過程。例如乙烯及汽、煤、柴油的制備；ＳＯ２、Ｈ２Ｓ的吸收等。第一節(jié)概述(Introduction)(1)氣(汽)－液接觸傳質(zhì)過程精餾：利用液體混合物中各組分飽和蒸汽壓或沸點或揮發(fā)性的差別而將各組分別分開來;吸收：利用氣體混合物中的各組分在某種溶劑中的溶解度不同而將各組分別分開來;增〔減〕濕：不飽和氣相與溫度比它高的熱水接觸為增濕；含水蒸氣的飽和濕氣體與溫度比它低的冷水接觸為減濕。３．分類(2)氣－固接觸傳質(zhì)過程枯燥：含水分〔或可揮發(fā)性液體〕的固體與比較枯燥的氣體接觸。氣體吸附：物質(zhì)從氣相進入固相外表。(3)液－液接觸傳質(zhì)過程液－液萃?。豪靡后w混合物中各組分在某種溶劑中的溶解度差別而將各組分別分開來。第一節(jié)概述(Introduction)(4)液－固接觸傳質(zhì)過程固－液萃取：浸取、浸瀝。運用溶劑將固體原料中的可溶組分提取出來。液相吸附：如活性炭脫去蔗糖粗溶液中的有色物質(zhì)。結(jié)晶：溶質(zhì)的過飽和溶液與溶質(zhì)固體相接觸。第一節(jié)概述(Introduction)傳質(zhì)過程的進展：物質(zhì)由一相內(nèi)部分散至兩相界面；物質(zhì)穿過相界面；物質(zhì)由相界面分散至另一相的內(nèi)部主體或傳質(zhì)速率＝傳質(zhì)系數(shù)×濃度差和傳熱速率一樣，傳質(zhì)速率也可表示成第一節(jié)概述(Introduction)二、相組成的表示方法〔一〕質(zhì)量分率和摩爾分率1.質(zhì)量分率質(zhì)量分率為混合物中某組分的質(zhì)量占總質(zhì)量的分率或百分率。第一節(jié)概述(Introduction)2.摩爾分率指混合物中某組分的摩爾數(shù)占總摩爾數(shù)的分率或百分率。3.質(zhì)量分率與摩爾分率的換算第一節(jié)概述(Introduction)〔二〕質(zhì)量比和摩爾比假設(shè)雙組分物系由A、B兩組分組成，那么1.質(zhì)量比質(zhì)量比和質(zhì)量分率的換算關(guān)系如下第一節(jié)概述(Introduction)本書中用X表示液相組成，Y表示氣相組成。摩爾比和摩爾分率的換算關(guān)系如下2.摩爾比第一節(jié)概述(Introduction)〔三〕摩爾濃度和質(zhì)量濃度1.摩爾濃度指單位體積內(nèi)的物質(zhì)的量，對A組分對于氣體混合物(在總壓不太高時)，假設(shè)其中組分A的分壓為PA，那么可由理想氣體定律計算其摩爾濃度第一節(jié)概述(Introduction)2.質(zhì)量濃度指單位體積內(nèi)的物質(zhì)的質(zhì)量，對A組分對氣體混合物(在總壓不太高時)中A組分的質(zhì)量濃度為３.濃度與其他組成方法的換算根據(jù)組成方法的定義換算〔略〕第一節(jié)概述(Introduction)三、傳質(zhì)設(shè)備簡介〔一〕填料塔第一節(jié)概述(Introduction)〔二〕板式塔第一節(jié)概述(Introduction)第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)一、分子分散與費克定律分子分散對流傳質(zhì)單相內(nèi)傳質(zhì)機理定義：單一相內(nèi)、在有濃度差別存在的條件下，分子的無規(guī)那么運動呵斥的物質(zhì)傳送景象。1.分子分散(moleculardiffusion)3.費克定律(Fick’slaw)2.分散通量分散通量：是指在單位時間內(nèi)單位面積上分散傳送的物質(zhì)的量，其單位為kmol/(m2·S),以J表示。在恒溫恒壓下，A在混合物中沿Z方向作穩(wěn)定分子分散時，其分散通量與分散系數(shù)及在分散方向的濃度梯度成正比。第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)Z分散面DAB─A的分散系數(shù)，m2/s二、雙組分混合物中的一維穩(wěn)定分子分散1.等分子反向分散pA1pA2pB2pB112FF’ABPP第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)對任一截面FF’來說，根據(jù)費克定律，A的分散通量為:同理，B的分散通量為對于氣體，在總壓不太高的條件下，組分在氣相中的摩爾濃度可用分壓來表示。即第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)這兩個通量方向相反，大小相等，假設(shè)以A的傳送方向(Z)為正方向，那么可寫出下式:由于總壓是常數(shù)，所以因此因此第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)傳質(zhì)速率的定義：在任一固定的空間位置上，A在單位時間內(nèi)經(jīng)過單位面積的物質(zhì)的量，稱為A的傳質(zhì)速率，用NA表示。將上式改寫為分散初終截面處的積分限為第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)在等分子反向分散中：積分后得到令同理，組分B的傳質(zhì)速率為第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)等分子反向分散，經(jīng)過接納中任一截面的凈物質(zhì)通量N為零。第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)對于液相中的等分子反向分散，假設(shè)總濃度為常數(shù)，同理可積分而得到組分A的傳質(zhì)速率：摩爾汽化潛熱接近相等的二元混合物進展精餾操作時，在汽、液兩相的接觸過程中，易揮發(fā)的A組分由液相進入汽相的速率與難揮發(fā)的B組分從汽相進入液相的速率大體一樣。因此，無論在汽相中，或者在液相中進展的傳質(zhì)過程都可視為等分子反向分散第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)例題8-2：如下圖，氨氣(A)與氮氣(B)在長0.1m的直徑均勻的聯(lián)接納中相互分散?？倝簆=101.3kPa,溫度T=298K，點1處pA1=10.13kPa、點2處PA2=5.07kPa，分散系數(shù)D=2.30x10-5m2/S。試求穩(wěn)態(tài)下的分散通量JA、JB及傳質(zhì)速率NA、NB。pA1pA2pB2pB112FF’ABPP第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)2.一組分經(jīng)過另一停滯組分的分散(單向分散)可溶組分(溶質(zhì))A；惰性組分B；平面22'為氣液界面；厚度為δ的滯流氣層。三種流動:分散流JA；分散流JB；總體流NM；第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)δJAJB122'1'A+BA同理?第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)對于氣體，在總壓不太高的條件下所以第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)在穩(wěn)定情況下，NA＝常數(shù)，D、P、T也均為常數(shù)。對上式進展積分:那么令第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)由于截面11',22'上的總壓相等，即故那么第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)令──分散初、終截面處組分B分壓的對數(shù)平均值，kpa；──漂流因子，無因次。第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)對液相，同理可得：──分散初、終截面處溶劑濃度的對數(shù)平均值，mol/m3；──漂流因子，無因次。第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)漂流因子大于1；單向分散速率大于分子分散速率；A的濃度很低時，單向分散速率近似等于分子分散速率。討論：第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)三、分散系數(shù)物質(zhì)的分散系數(shù)是物質(zhì)的一種傳送屬性；同一種物質(zhì)在不同的混合物中其分散系數(shù)不同；分散系數(shù)受溫度、壓力及混合物中組分的濃度的影響。氣體中的分散，濃度的影響可以忽略；液體中的分散，濃度的影響不可忽略，壓力的影響不顯著。實驗測定；資料及手冊中查得；閱歷或半閱歷的公式進展估算。來源：第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)1.組分在氣體中的分散系數(shù)第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)福勒〔Fuller)半閱歷公式估算誤差普通不超越10%；可用于常溫及高溫，但不適用于低溫；組成的變化對其影響也很??；普通為10-5-10-4m2/s；與壓力成反比，與溫度的1.75次方成正比。第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)2.組分在液體中的分散系數(shù)第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)Wilke-Chomg公式估算組分在液體中的分散系數(shù)比在氣體中的小得多；與溫度成正比，與粘度成反比；普通為10-9m2/s。適用于低分子量的非電解質(zhì)在很稀溶液中的分散系數(shù)的計算。第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)1.渦流分散(EddyDiffusion)流體質(zhì)點在濃度梯度方向上的脈動所呵斥的物質(zhì)向濃度降低方向的傳送稱為渦流分散。渦流分散通量可借用費克定律的方式來表達，即渦流分散系數(shù)不是物性常數(shù);渦流分散系數(shù)與流體的湍動程度有關(guān);渦流分散系數(shù)隨位置(離穩(wěn)定界面的間隔)等條件而變。──渦流分散系數(shù)，m2／s四、渦流分散與對流傳質(zhì)第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)湍流流體中在進展渦流分散的同時、也存在分子分散，總分散通量應(yīng)為兩者之和，即流動的流體與壁面(或相界面)之間的物質(zhì)傳送稱為對流傳質(zhì)。當(dāng)流體是湍流流動時，對流傳質(zhì)是渦流分散與分子分散共同作用的結(jié)果。對流傳質(zhì)是相間物質(zhì)傳送的根底。2.對流傳質(zhì)(ConvectionMassTransfer)第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)對流傳質(zhì)過程分析：層流底層分子分散過渡區(qū)分子分散和渦流分散湍流主體分子分散和渦流分散將壁面與流體主體間的對流傳質(zhì)作為經(jīng)過厚度為δL的層流膜層內(nèi)的分子分散來計算。這種處置對流傳質(zhì)的簡化物理圖像，稱為膜模型。膜模型：第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)假設(shè)進展的是單向分散：液相氣相實踐上對流傳質(zhì)速率依托實驗來測定，并仿照對流傳熱，將對流傳質(zhì)速率寫成傳質(zhì)系數(shù)與推進力的乘積方式，即界面與液相間的傳質(zhì)界面與氣相間的傳質(zhì)第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)傳質(zhì)系數(shù)對于等分子反向分散，那么有闡明：對流傳質(zhì)系數(shù)和對流傳熱系數(shù)類似，取決于物系的性質(zhì)、流動情況等要素，普通不能經(jīng)過左側(cè)公式計算，需經(jīng)過實驗測定，或經(jīng)過閱歷公式計算。第二節(jié)分散與單相傳質(zhì)第三節(jié)質(zhì)量、熱量和動量傳送的類比當(dāng)湍流流體沿壁面流動時，流體與壁面間存在動量、熱量及質(zhì)量傳送，相互間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)絡(luò)，常用傳質(zhì)系數(shù)、對流傳熱系數(shù)和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系表示，稱為三傳類比。三傳類比湍流流體沿壁面流動時：而動量傳送的結(jié)果為壁面遭到剪應(yīng)力，即傳質(zhì)速率傳熱速率(8-44)(8-45)(8-46)第三節(jié)質(zhì)量、熱量和動量傳送的類比(1)流體與壁面間的物質(zhì)傳送只思索渦流的質(zhì)點傳送，忽略分子傳送；(2)代表平均濃度的流層(離壁面間隔為Zm)，與代表平均溫度Tm,平均速度Um的流層相重合。假設(shè)該流層至面積為dF的壁面間，在時間t內(nèi)交換的流體體積為dV，那么由此而導(dǎo)致三種傳送的速率可分別表達如下：簡化假設(shè)：(8-47)(8-48)(8-49)第三節(jié)質(zhì)量、熱量和動量傳送的類比將式(8-48)、(8-47)兩式相除，得再將式(8-44)、(8-45)代入，經(jīng)整理得上式聯(lián)絡(luò)了對流傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系。這一熱量、質(zhì)量傳送間的類比式稱為劉易斯(Lewis)關(guān)系,對于空氣-水系統(tǒng)中，空氣和水面(或濕物料外表)間的對流傳熱和傳質(zhì)根本符合此關(guān)系。(8-50)第三節(jié)質(zhì)量、熱量和動量傳送的類比將式(8-48)、(8-49)兩式相除，得再將式(8-45)、(8-46)代入，經(jīng)整理可得摩擦系數(shù)與對流傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，即式(8-51)為動量、熱量傳送間的類比式，通稱為雷諾類比，是雷諾(Reynold)在1874年提出的。(8-51)第三節(jié)質(zhì)量、熱量和動量傳送的類比把式(8-50)代入式(8-51)可得動量、質(zhì)量傳送間的類比式，即結(jié)合式(8-51)可得動量、熱量、質(zhì)量三種傳送間的雷諾類比式：(8-52)(8-53)第三節(jié)質(zhì)量、熱量和動量傳送的類比──斯坦頓(Stanton)數(shù)，用符號St表示，──斯坦頓(Stanton)數(shù)，用符號St'表示，施伍德(Sherwood)數(shù)(相當(dāng)于傳熱中的努塞特數(shù)，式中d為管徑，D為分散系數(shù))施密特(Schmit)數(shù)(相當(dāng)于傳熱中的普朗特數(shù))第三節(jié)質(zhì)量、熱量和動量傳送的類比因此三傳的雷諾類比式也可寫成：實驗證明，當(dāng)Pr≈1，動量、熱量傳送類比式根本上與實踐相符。對于氣體Pr數(shù)接近1，而液體的Pr數(shù)普通與1相差較大，故動量、熱量傳送類比式能近似適用于氣體及無形體阻力時的情況，普通不適用于液體。對于動量、質(zhì)量傳送間的類比式，那么只需當(dāng)Sc≈1及只思索摩擦阻力時才根本適用。無論氣體或液體均很難滿足Sc≈1這個條件，故動量、質(zhì)量傳送間的類比式對傳質(zhì)的運用有很大局限性。第三節(jié)質(zhì)量、熱量和動量傳送的類比雷諾類比運用的局限性是由于它只思索渦流的質(zhì)點傳送。忽略了分子傳送。實踐上緊靠壁面有一薄層層流底層，其中的傳送主要靠分子傳送，其傳送的阻力相當(dāng)大，不能忽略?；び嬎阒羞\用最廣泛的是契爾頓-柯爾本(Chilton-Colburn)j-因子類比式，它的方式比較簡單，而且有較好的準(zhǔn)確性。這個類比式是根據(jù)層流和湍流形狀下氣體及液體的實驗數(shù)據(jù)得出的，其方式如下:第三節(jié)質(zhì)量、熱量和動量傳送的類比(8-56)──傳熱j因子，用jH表示──傳質(zhì)j因子，用jM表示第三節(jié)