化工原理PrincipleofChemicalEngineeringII

主講教師：賴慶柯

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。化學(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)實驗與化工之間架橋的工作，是直接為人類服務(wù)的創(chuàng)造價值的勞動?！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）簡單回顧3：以“三傳”為物理內(nèi)核的單元操作排名公司標(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

化工原理II教學(xué)組織及要求1．化工原理II講課學(xué)時安排

《化工原理》下冊，教學(xué)大綱共計50學(xué)時。第八章傳質(zhì)過程導(dǎo)論8學(xué)時第九章吸收12學(xué)時第十章蒸餾18學(xué)時第十三章

干燥12學(xué)時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)，獨立完成，及時答疑，平時成績10%。一般每周二上課前交齊,學(xué)習(xí)委員負(fù)責(zé)答疑：地點：系辦公室期中測試(閉卷)期末考試(閉卷)相關(guān)的參考資料參考教材1、《化工原理》（上、下），姚玉英等，天津大學(xué)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）；系網(wǎng)頁上的教學(xué)園地；其它。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：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：相組成的表示；擴(kuò)散原理。第一節(jié)概述

§8-1化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程化工原料、中間產(chǎn)品、粗產(chǎn)品等分類非均相混合物均相混合物特點有相界面無相界面單元操作過濾、沉降等吸收、精餾等分離依據(jù)不同相的物性差異？人造相界面（制成兩相物系）物質(zhì)在相間的物性差異相界面氣相液相SB+AS+A吸收AA脫吸相界面氣相B液相B+AS+A相界面汽相液相精餾ABA+BA+B相界面固相氣相B+AC+A干燥A相界面氣相水相A（水）B+AAA減濕增濕相界面液相液相B+AS+A萃取A相界面固相液相B+AS+A浸瀝（?。┕獭狠腿A（或A+S）相界面液相固相S+A結(jié)晶A溶解A相界面氣相或液相固相CB+A吸附A脫附A傳質(zhì)過程（分離操作）：物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移過程。相際傳質(zhì)的復(fù)雜性舉例:吸收與傳熱的區(qū)別①推動力不一樣傳熱是溫度差；傳質(zhì)是濃度差。②過程的最終狀態(tài)不一樣傳熱是Δt=0；相際間的傳質(zhì)不是濃度差=0，而是相平衡（物化）（如：NH3溶于H2O）。傳質(zhì)的推動力：濃度差溫度的單位簡單（K或℃）；濃度（或組成）的表示和單位制有多種?！?-2相組成的表示方法1、質(zhì)量分率和摩爾分率

質(zhì)量分率

摩爾分率（一般液相用x，氣相用y）

相互換算關(guān)系：2、質(zhì)量比和摩爾比（常見于雙組分物系）

質(zhì)量比

摩爾比換算關(guān)系：3、濃度

質(zhì)量濃度

摩爾濃度換算關(guān)系：氣體kg/m3kmol/m3

第二節(jié)擴(kuò)散原理

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

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

推動力

濃度差

物質(zhì)傳遞簡稱為擴(kuò)散終點：濃度差為〇擴(kuò)散快慢？擴(kuò)散通量：

單位面積上單位時間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量，單位為kmol/(m2?s);費克(Fick)定律：擴(kuò)散通量與濃度梯度成正比。對于組分A對于組分B

濃度梯度分壓梯度氣體JA物質(zhì)A在介質(zhì)B中的分子擴(kuò)散通量DAB分子擴(kuò)散系數(shù)“—”擴(kuò)散沿濃度降低的方向

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）費克定律同傅利葉定律和

牛頓粘性定律§8-4一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散一、等分子（摩爾）反方向擴(kuò)散（1）JA=-JB（等分子反向擴(kuò)散）（2）對A、B二元物系，系統(tǒng)各處的總摩爾濃度都相等；即p=pA+pB=Const.則

DAB=DBA

在這種雙組分混合物內(nèi)，產(chǎn)生物質(zhì)A的擴(kuò)散流JA的同時，必定伴有方向相反的物質(zhì)B的擴(kuò)散流JB。★D與物系有關(guān)，與T、P有關(guān)，數(shù)據(jù)實測。D氣相

>D液相

等分子反向擴(kuò)散發(fā)生在靜止的或在垂直于濃度梯度方向上作滯流運(yùn)動的流體中，是一種最單純的分子擴(kuò)散過程?！?/p>

對于雙組分混合物，在總壓處處相等的前提下(分子濃度處處相等):傳質(zhì)速率（或傳質(zhì)通量）NA：單位時間通過單位固定空間傳質(zhì)面積的A物質(zhì)量，單位kmol/(m2?s)；等分子反方向擴(kuò)散中（物系靜止）：定態(tài)過程，連通管內(nèi)NA、D、T···

均為Const。將上式中的p、z

對應(yīng)積分，整理得：同理，組分B有若為液相，則有二、一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散（單向擴(kuò)散）

4、總體流動與B的擴(kuò)散運(yùn)動方向相反溶質(zhì)A相界面溶劑S同時S不逆向通過（汽化）如吸收：通過B對于截面2：N，N(cA/C)，N(cB/c)；2、A、B做等分子反方向擴(kuò)散的傳遞運(yùn)動3、總體流動加快了A的傳遞速度1、總體流動。即JA=-JBNA=JA+N(cA/c)NB=JB+N(cB/c)=0B為停滯組分。

即有

在主體（z1=0，pA=pA1）至界面（z2=z，pA=pA2）間積分，得：由于B組分在界面與主體間的對數(shù)平均分壓與等摩爾相互擴(kuò)散相比多了一個因子p/pBm——漂流因數(shù)。漂流因數(shù)反映總體流動對傳質(zhì)速率的影響。p/pBm>1

傳質(zhì)速率較大。若pA

p/pBm

；反之pA

p/pBm≈0——表達(dá)某個組分在介質(zhì)中擴(kuò)散快慢的一種傳遞屬性，是物質(zhì)的特性常數(shù)之一。類似于λ，但較復(fù)雜§8-5擴(kuò)散系數(shù)D（m2/s）一、氣體中的D分子熱運(yùn)動速度

分子碰撞頻繁

擴(kuò)散速度

D

范圍0.1~1cm2/s計算：半經(jīng)驗公式，福勒（Fuller）p10式（8-21）和表8-2換算：二、液體中的D計算：經(jīng)驗公式，p11式(8-23)或表8-4分子密集

D液<D氣約10-5cm2/s§8-6湍流流體中的擴(kuò)散前面分子擴(kuò)散的特點：滯流流體中，為什么只有分子擴(kuò)散？湍流流體的特點：流體質(zhì)點無規(guī)則雜亂運(yùn)動渦流擴(kuò)散DE——渦流擴(kuò)散系數(shù)。非物性常數(shù)，與湍動程度有關(guān)，且與流體質(zhì)點所處位置有關(guān)，很難測定。D——擴(kuò)散系數(shù)。在溫度壓力不變時為Const.湍流流體中在進(jìn)行渦流擴(kuò)散的同時，也存在著分子擴(kuò)散。對流擴(kuò)散層流：D占主要地位；湍流：DE占主要地位。膜模型（停滯膜模型）δδe0cA2cA1cFGHEz虛擬相界面——有效膜層流底層（DE≈

0，分子擴(kuò)散）湍流主體（DE>>D，D≈0，渦流擴(kuò)散）過渡層δe——當(dāng)量膜厚膜模型對流傳質(zhì)膜模型（停滯膜模型）

把從氣相主體到界面的對流傳質(zhì)速率折合成通過厚度為δe的膜層（虛擬膜）的分子擴(kuò)散速率。液相式中，kG——氣相對流傳質(zhì)系數(shù)（以分壓差為推動力）kmol/m2·s·pakL——液相對流傳質(zhì)系數(shù)（以濃度差為推動力）kmol/m2·s·(kmol/m3)kG、kL簡稱為傳質(zhì)分系數(shù)或傳質(zhì)系數(shù)

顯然，若流體氣體中的湍流愈激烈Re

，則δ

，傳質(zhì)阻力也愈小，即1/k

。

傳質(zhì)速率方程式能否用于計算？

(cA1-cA2)可求，但k=?（同傳熱的，k取決于流體物性、流動狀況等因素）實驗測定經(jīng)驗公式（下一章）。

注意！傳質(zhì)速率方程式有多種形式（濃度的表示方法有多種

傳質(zhì)推動力和相應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)）。傳質(zhì)比傳熱更復(fù)雜。第三節(jié)質(zhì)量、熱量、動量傳遞之間的關(guān)系

8-7三種傳遞間的類比2112z1z2l壁面流動方向質(zhì)量傳遞方向熱量傳遞方向動量傳遞方向zzmc1c2cwcmc三種傳遞均起源于渦流的質(zhì)點交換存在內(nèi)在聯(lián)系k、α、λ的關(guān)系三傳類比常見類比式：雷諾類比：柯爾本類比：【補(bǔ)例】：在一直立的毛細(xì)玻璃管內(nèi)裝有乙醇，初始液面距離管口10mm，如圖所示。管內(nèi)乙醇保持為293K(乙醇飽和蒸汽壓為1.9998kPa)，大氣壓為101.3kPa。當(dāng)有一空氣始終平緩吹過管口時，經(jīng)100小時后，管內(nèi)乙醇液面下降至距管口21.98mm處。試求該溫度下，乙醇在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)。解：pA1=1.9998kPa

∵空氣吹過管口

∴pA2=0

本題為單向擴(kuò)散∴另由蒸發(fā)可知：對于乙醇查表可知ρ=804kg/m3，M=46kg/kmol?！嘁阎獄1=10mm，z2=21.98mm，θ=100h∴第四節(jié)傳質(zhì)設(shè)備簡介

用作傳質(zhì)設(shè)備的要求：①、接觸機(jī)會良好（即從分地接觸）。