第四章質量傳遞一個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)域的轉移物質傳遞現象——傳質過程質量傳遞過程需要解決兩個基本問題：過程的極限:過程的速率:相平衡關系研究主要內容！第五章質量傳遞

第一節(jié)

環(huán)境工程中的傳質過程第二節(jié)

質量傳遞的基本原理第三節(jié)

分子傳質第四節(jié)對流傳質本章主要內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定氣體和液體混合物中組分分離活性炭吸附水中有機物去除水中陰陽離子制作純水去除水中重金屬高分子薄膜為分離介質，組分選擇性地透過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程吸收萃取吸附膜分離離子交換——傳質過程：……分離中的傳質過程：第一節(jié)環(huán)境工程中的傳質過程反應中的傳質過程：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)境工程中的傳質過程質量傳遞的推動力溫度差壓力差電場或磁場的場強差濃度差第一節(jié)環(huán)境工程中的傳質過程環(huán)境工程中常遇到的傳質過程：兩相間的傳質氣體的吸收：萃?。何健⒛し蛛x、生物膜反應：在氣相與液相之間傳質在液－液兩相之間傳質在氣/液相和固相之間傳質單相中的傳質流體流過可溶性固體表面溶質在流體中的溶解氣固相催化反應單相中的傳質速率？第一節(jié)環(huán)境工程中的傳質過程一、傳質機理二、分子擴散三、渦流擴散本節(jié)的主要內容第二節(jié)質量傳遞的基本原理

藍色由最初的位置慢慢散開，即藍墨水的分子由高濃度處向低濃度處移動向一杯水中加入一滴藍墨水————質量傳遞靜止——藍色由最初的位置慢慢散開，經過較長一段時間后，杯中水的顏色趨于一致攪拌一下——？由分子的微觀運動引起——工程上為了加速傳質，通常使流體介質處于運動狀態(tài)－湍流狀態(tài)，渦流擴散的效果占主要地位——慢由流體微團的宏觀運動引起——分子擴散——快渦流擴散第二節(jié)質量傳遞的基本原理

一、傳質機理分子擴散過程只有在固體、靜止流體或層流流動的流體中才會單獨發(fā)生。由分子的不規(guī)則熱運動而導致的傳遞（一）費克定律在某一空間充滿A、B組分組成的混合物，無總體流動或處于靜止狀態(tài)

分子熱運動的結果將導致A分子由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域凈擴散，即發(fā)生由高濃度處向低濃度處的分子擴散分子擴散的速率？第二節(jié)質量傳遞的基本原理

二、分子擴散在一維穩(wěn)態(tài)情況下，單位時間通過垂直于z方向的單位面積擴散的組分A的量為單位時間在z方向上經單位面積擴散的A組分的量，即擴散通量，也稱為擴散速率，kmol/（m2·s）組分A的物質的量濃度，kmol/m3組分A在組分B中進行擴散的分子擴散系數，m2/s組分A在z方向上的濃度梯度，kmol/m3·m——由濃度梯度引起的擴散通量與濃度梯度成正比負號表示組分A向濃度減小的方向傳遞以摩爾濃度為基準費克定律第二節(jié)質量傳遞的基本原理

(5.2.1)（二）分子擴散系數擴散物質在單位濃度梯度下的擴散速率，表征物質分子擴散能力。擴散系數大，表示分子擴散快。分子擴散系數是物理常數，其數值受體系溫度、壓力和混合物濃度等因素的影響第二節(jié)質量傳遞的基本原理

(5.2.5)（2）溶質在液體中的擴散系數遠比在氣體中的小，在固體中的擴散系數更小。氣體、液體、固體擴散系數的數量級分別為10-5~10-4、10-9~10-10、10-9~10-14m2/s。（4）對于雙組分氣體物系，（3）低密度氣體、液體和固體的擴散系數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,是濃度的函數擴散系數與總壓力成反比，與絕對溫度的1.75次方成正比（二）分子擴散系數第二節(jié)質量傳遞的基本原理

定義渦流質量擴散系數渦流擴散系數不是物理常數，它取決于流體流動的特性，受湍動程度和擴散部位等復雜因素的影響工程中大部分流體流動為湍流狀態(tài)，同時存在分子擴散和渦流擴散，因此組分A總的質量擴散通量有效質量擴散系數在充分發(fā)展的湍流中，渦流擴散系數往往比分子擴散系數大得多，因而有組分A的平均物質的量濃度（三）渦流擴散第二節(jié)質量傳遞的基本原理

第二節(jié)質量傳遞的基本原理

(1)什么是分子擴散和渦流擴散？(2)簡述費克定律的物理意義和適用條件。(3)簡述溫度、壓力對氣體和液體分子擴散系數的影響。(4)對于雙組分氣體物系，當總壓和溫度提高1倍時，分子擴散系數將如何變化？思考題一、單向擴散

擴散通量、濃度分布二、等分子反向擴散擴散通量、濃度分布三、界面上有化學反應的穩(wěn)態(tài)傳質本節(jié)的主要內容第三節(jié)分子傳質在靜止介質中由于分子擴散所引起的質量傳遞問題靜止流體相界面組分A通過氣相主體向相界面擴散依靠分子擴散NA在相界面附近，組分A沿擴散的方向將建立一定的濃度分布第三節(jié)分子傳質單向擴散等分子反向擴散

水含有氨的廢氣第三節(jié)分子傳質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空氣分壓增大——反向擴散可視為空氣處于沒有流動的靜止狀態(tài)相界面氨的擴散量增加相界面上，氨溶解于水氣相總壓減小第三節(jié)分子傳質一、單向擴散氨傳質過程：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氨的擴散量增加流動氨空氣相界面上空氣的濃度增加空氣應從相界面向混合氣體主體作反方向擴散相界面處空氣的濃度（或分壓）恒定可視為空氣處于沒有流動的靜止狀態(tài)空氣氨溶解于水第三節(jié)分子傳質一、單向擴散總通量＝流動所造成的傳質通量＋疊加于流動之上的分子擴散通量總通量＝？第三節(jié)分子傳質一、單向擴散(一)擴散通量傳質時流體混合物內各組分的運動速度是不同的為了表達混合物總體流動的情況組分A的宏觀運動速度組分B的宏觀運動速度引入平均速度流體混合物的流動是以平均速度流動的，稱為總體流動

第三節(jié)分子傳質(5.3.1)相對于運動坐標系得到相對速度由通量的定義，可得第三節(jié)分子傳質(5.3.3b)(5.3.3c)(5.3.2b)(5.3.2a)mol*m-2*s-1=mol*m-3*m*s-1費克定律的普通表達形式而相對于平均速度的組分A的通量即為分子擴散通量，即第三節(jié)分子傳質(5.3.4)(5.3.2a)(5.3.3a)(5.3.3c)(5.3.5)單向擴散，由于=0組分B在單向擴散中沒有凈流動，所以單向擴散也稱為停滯介質中的擴散在穩(wěn)態(tài)情況下為定值在恒溫恒壓條件下，式中為常數，所以

氣相主體:相界面:z=0z=L第三節(jié)分子傳質(5.3.6)惰性組分在相界面和氣相主體間的對數平均濃度擴散推動力第三節(jié)分子傳質(5.3.7)(5.3.8)(5.3.9)(5.3.10)若靜止流體為理想氣體，則根據總壓強惰性組分在相界面和氣相主體間的對數平均分壓組分A在相界面的分壓組分A在相主體的分壓第三節(jié)分子傳質(5.3.11)(5.3.10)在恒溫恒壓下，均為常數(二)濃度分布對于穩(wěn)態(tài)擴散過程，為常數，即對于氣體組分A，濃度用摩爾分數表示第三節(jié)分子傳質(5.3.13)(5.3.6)上式經兩次積分，代入邊界條件氣相主體:相界面:組分A通過停滯組分B擴散時，濃度分布為對數型第三節(jié)分子傳質(5.3.15b)(5.3.15a)【例題5.3.1】用溫克爾曼方法測定氣體在空氣中的擴散系數，測定裝置如圖所示。在1.013×105Pa下，將此裝置放在328K的恒溫箱內，立管中盛水，最初水面離上端管口的距離為0.125m，迅速向上部橫管中通入干燥的空氣，使水蒸氣在管口的分壓接近于零。實驗測得經1.044×106s后，管中的水面離上端管口距離為0.15m。求水蒸氣在空氣中的擴散系數。解：水面與上端管口距離為z，水蒸氣擴散的傳質通量為單向擴散傳質通量：可用管中水面的下降速度表示第三節(jié)分子傳質=15.73kPa（328K下水的飽和蒸氣壓）＝0kPa328K下，水的密度為985.6kg/m3，故kmol/m3第三節(jié)分子傳質邊界條件：

t=0,z=0.125mt=1.044×106s,z=0.150mm2/s第三節(jié)分子傳質在一些雙組分混合體系的傳質過程中，當體系總濃度保持均勻不變時，組分A在分子擴散的同時必然伴有組分B向相反方向的分子擴散，且組分B擴散的量與組分A相等，這種傳質過程稱為等分子反向擴散。(一)擴散通量沒有流體的總體流動，因此特征二、等分子反向擴散第三節(jié)分子傳質(5.3.16)在穩(wěn)態(tài)情況下為定值在等溫等壓條件下，式中為常數，所以氣相主體:相界面:z=0z=L第三節(jié)分子傳質(5.3.17)(二)濃度分布上式經兩次積分，代入邊界條件相界面:對于穩(wěn)態(tài)擴散過程，為常數，即氣相主體：組分A和B的濃度分布為直線第三節(jié)分子傳質(5.3.18)(5.3.20)單向擴散漂移因子因總體流動而使組分A傳質通量增大的因子當組分A的濃度較低時，漂移因子接近于1，此時單向擴散時的傳質通量表達式與等分子反向擴散時一致

第三節(jié)分子傳質等分子反向擴散在物質表面進行的化學反應過程化學反應過程－反應速率A的擴散過程－擴散速率邊界條件：催化劑表面：z=0，yA=yA,i

氣相主體：z=L，yA=yA,0例如：催化反應三、界面上有化學反應的穩(wěn)態(tài)傳質第三節(jié)分子傳質(5.3.23)(5.3.22)在一定操作條件下，式中為常數，所以（1）若反應瞬時完成，可認為在催化劑表面不存在A組分，即=0（2）若化學反應進行得極為緩慢，且化學反應屬一級反應一級反應速率常數，m/s。擴散控制的傳質通量表達式受到反應速率的影響第三節(jié)分子傳質(5.3.24)(5.3.25a)(5.3.26)或更小，可推導出上式的近似解，即化學反應與擴散聯合控制的質量通量表達式對于界面上具有化學反應的擴散傳質過程，化學反應式不同，傳質通量的描述也不同。（3）若>>1，即擴散過程很快，則有：反應控制的傳質通量表達式第三節(jié)分子傳質(5.3.27)(5.3.28)(5.3.30)【例題5.3.2】為減少汽車尾氣中NO對大氣的污染，必須對尾氣進行凈化處理。含有NO及CO混合氣體的尾氣通過凈化器，尾氣中所含的NO與凈化器中的催化劑接觸，在凈化劑表面發(fā)生還原反應，這一反應過程可看作氣體NO通過靜止膜的一維穩(wěn)態(tài)擴散過程。已知：汽車尾氣排放溫度為540℃，壓力為1.18×105N/m2，含有0.002（摩爾分數）的NO，該溫度下反應速率常數為228.6m/h，擴散系數為0.362m2/h，試確定NO的還原速率達到4.19×10-3kmol/(m2·h)時，凈化反應器高度的最大值。氣相主體第三節(jié)分子傳質同時，在催化劑表面，有尾氣濃度kmol/m3

故

1.44mm實際應用中完全可以實現解：若NO在催化劑表面的反應過程可以看作是通過靜止膜的擴散，所以傳質通量為第三節(jié)分子傳質單向擴散等分子反向擴散漂移因子（一）擴散通量（二）濃度分布費克定律的普通表達形式第三節(jié)分子傳質第三節(jié)分子傳質(1)什么是總體流動？分析總體流動和分子擴散的關系。(2)在雙組分混合氣體的單向分子擴散中，組分A的宏觀運動速度和擴散速度的關系？(3)單向擴散中擴散組分總擴散通量的構成及表達式。(4)簡述漂移因子的涵義。(5)分析雙組分混合氣體中，當NB=0、NB=-NA及NB=-2NA時，總體流動對組分傳質速率的影響。思考題運動著的流體與相界面之間發(fā)生的傳質過程不互溶的兩種運動流體之間的界面流動的流體與固體壁面氣體的吸收：在氣相與液相之間傳質流體流過可溶性固體表面流體中某組分在固體表面反應萃取。。。。第四節(jié)對流傳質

二、對流傳質速率方程流動處于湍流狀態(tài)時，物質的傳遞包括了分子擴散和渦流擴散將過渡層內的渦流擴散折合為通過某一定厚度的層流膜層的分