1、第四章 質(zhì)量傳遞基礎(chǔ),4.1 傳質(zhì)基本概念 4.2 分子擴散傳質(zhì) 4.3 對流傳質(zhì) 4.4 傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng),4.1 傳質(zhì)基本概念,一、傳質(zhì)過程 二、吸收 三、平衡溶解度 四、亨利定律 五、相平衡與吸收過程的關(guān)系,4.1 傳質(zhì)基本概念,一、傳質(zhì)過程 傳質(zhì)過程是指物質(zhì)通過相界面從一相遷移至另一相的過程，以下圖示意：,4.1 傳質(zhì)基本概念,一、傳質(zhì)過程 研究傳質(zhì)過程就是研究物質(zhì)通過相界面的遷移過程的基本規(guī)律以及主要受這些基本規(guī)律支配的若干單元操作。,基本概念：,定義：混合體系中由于組分濃度的分布不均勻，導(dǎo)致該組分自發(fā)的由高濃度向低濃度方向傳遞，即質(zhì)量傳遞。 原因：濃度差 形式：分子擴散（傳導(dǎo)） 紊流

2、擴散（對流）,4.1 傳質(zhì)基本概念,擴散通量(擴散速度），為矢量，/m3,濃度梯度 ( mol/m3) (/m3) 質(zhì)量通量 i (/m2.s) 摩爾通量 Ci (mol/m2.s) 凈質(zhì)量通量 凈摩爾通量,4.1 傳質(zhì)基本概念,4.1 傳質(zhì)基本概念,二、吸收 吸收操作是分離氣體混合物的方法之一。 吸收操作的分離依據(jù)是混合物各組分在某種溶劑（吸收劑）中溶解度的差異，從而達到的目的。 例如：將含NH3的空氣通入水中，因NH3 、空氣在水中溶解度差異很大，NH3很容易溶解于水中，形成氨水溶液，而空氣幾乎不溶于水中。所以用水吸收混合氣體中的NH3能使NH3 、空氣加以分離，并回收NH3 。,4.1

3、傳質(zhì)基本概念,二、吸收 一般地，混合氣體中能溶解的組份稱為溶質(zhì)或吸收質(zhì)，用A表示；混合氣體中不能溶解的組份稱為惰性成分或載體，用B表示（空氣）；吸收操作中所用的溶劑稱為吸收劑或溶劑，用S表示（水）;吸收操作中所得的溶液稱為吸收液，用S+A表示；吸收操作中排除的氣體稱為吸收尾氣，用（A）+B表示。,4.1 傳質(zhì)基本概念,二、吸收 吸收的目的有三個： 1 分離混合氣體以獲得一定的組分。（例子：硫酸吸收焦爐氣中的NH3 ，洗油吸收焦爐氣中的苯、甲苯蒸汽。） 2 除去有害組分以凈化氣體。（例子：用水或鉀堿液吸收合成氨原料氣中的二氧化碳。） 3 制備某種氣體的溶液。（例子：用水吸收氯化氫、三氧化硫、二氧

4、化氮制得酸。） 實際過程往往同時兼有凈化和回收雙重目的。,4.1 傳質(zhì)基本概念,二、吸收 吸收操作必須解決三個問題： 1 選擇合適的溶劑使其能選擇性的溶解某個（或某些）被分離組分； 2 提供適當?shù)膫髻|(zhì)設(shè)備（吸收塔），以實現(xiàn)氣液兩相的接觸，使被分離組分得以自氣相轉(zhuǎn)移至液相。 3 溶劑的再生，既脫除溶解于其中的被分離組分以便循環(huán)使用。 總之，一個完整的吸收分離過程包括吸收和解吸兩個組成部分。,4.1 傳質(zhì)基本概念,二、吸收 吸收操作效果由溶劑的性能決定，選擇溶劑注意七點： 1 溶解度（大），或在一定的溫度和濃度下，溶質(zhì)的平衡分壓要低，這樣可提高吸收速率并減小吸收劑的耗用量，氣體中溶質(zhì)的極限殘余濃度

5、亦可降低； 2 選擇性（高）； 3 溶解度與溫度的關(guān)系（敏感），溫度低，溶解度要大，反之，要??；,4.1 傳質(zhì)基本概念,二、吸收 4 揮發(fā)度（?。?，操作溫度下吸收劑的蒸汽壓要低，因為離開吸收設(shè)備的氣體往往為吸收劑所飽和，吸收劑的揮發(fā)度愈大，則吸收和再生過程中吸收劑的揮發(fā)損失愈大。 5 粘性（?。?，粘度要低且在吸收過程中不易產(chǎn)生泡沫，塔內(nèi)氣液接觸良好和塔頂氣液分離易于實現(xiàn)，且輸液功耗小；,4.1 傳質(zhì)基本概念,二、吸收 6化學(xué)穩(wěn)定性（良好），以免發(fā)生變質(zhì)； 7價廉、易得、無毒、無害、不易燃燒。 實際上，很難找到一個理想的溶劑能夠滿足所有要求。因此應(yīng)對可供選用吸收劑作全面評價后做出經(jīng)濟合理的選擇。

6、 吸收操作的經(jīng)濟性是由總費用（即操作費用加設(shè)備費用）來衡量的；最經(jīng)濟的吸收操作應(yīng)是操作費用與設(shè)備費用之和即總費用最小。,4.1 傳質(zhì)基本概念,三、平衡溶解度Equilibrium Solubility P、T一定，使一定量的吸收劑與混合氣體接觸，溶質(zhì)便向液相轉(zhuǎn)移，這個傳質(zhì)過程直至液相中溶質(zhì)達到飽和，濃度不再增加為止，此時氣液兩相達到平衡，這個飽和濃度就叫做氣體溶質(zhì)在液體中的溶解度。 通常以 或 或摩爾分率 表示。,三、平衡溶解度Equilibrium Solubility 平衡狀態(tài)：一定壓力和溫度，一定量的吸收劑與混合氣體充分接觸，氣相中的溶質(zhì)向溶劑中轉(zhuǎn)移，長期充分接 觸后，液相溶質(zhì)組分的濃度

7、不再增加，此時，氣液兩相達到平衡。,4.1 傳質(zhì)基本概念,三、平衡溶解度Equilibrium Solubility 飽和濃度：平衡時溶質(zhì)在液相中的濃度。 平衡分壓：平衡時氣相中溶質(zhì)的分壓。 對于相同濃度不同溶質(zhì)的溶液，易溶氣體在溶液上方的氣相平衡分壓小，難溶氣體在溶液上方的氣相平衡分壓大。 加壓和降溫提高氣體溶解度，則加壓降溫有利于吸收操作，升溫減壓有利于解吸操作。,4.1 傳質(zhì)基本概念,單組分物理吸收，變量：p、T、 pA、 cA 三個組分：溶質(zhì)A、溶劑S、惰性氣體B 兩個相：氣相、液相 自由度數(shù)：F =C - +2 = 3-2+2 = 3,4.1 傳質(zhì)基本概念,60,50,40,30,4

8、.1 傳質(zhì)基本概念,4.1 傳質(zhì)基本概念,討論：,（2）溫度、y一定，總壓增加，在同一溶劑中，溶質(zhì)的溶解度x隨之增加，有利于吸收 。,（1）總壓、y一定，溫度下降，在同一溶劑中，溶質(zhì)的溶解度x隨之增加，有利于吸收 。,（3）相同的總壓及摩爾分率， cO2 cCO2 cSO2 cNH3,氧氣等為難溶氣體，氨氣等為易溶氣體,4.1 傳質(zhì)基本概念,四、亨利定律 1、亨利定律 總壓不高時，在一定溫度下，稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平衡分壓與溶質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比，其比例系數(shù)為亨利系數(shù)。,4.1 傳質(zhì)基本概念,亨利定律討論：,1）E的影響因素：溶質(zhì)、溶劑、T 物系一定，,2）E大的，溶解度小，難溶氣體

9、E小的，溶解度大，易溶氣體,3）E的來源：實驗測得；查手冊,4.1 傳質(zhì)基本概念,1）,四、亨利定律 2、亨利定律其它形式,H 與E 的關(guān)系：,4.1 傳質(zhì)基本概念,H 的討論：1）H 大，溶解度大，易溶氣體 2）P 對H 影響小，,2）,m 相平衡常數(shù)，無因次。,4.1 傳質(zhì)基本概念,2、亨利定律其它形式,m與E的關(guān)系 ：,m的討論：1.m大，溶解度小，難溶氣體 2.,4.1 傳質(zhì)基本概念,4.1 傳質(zhì)基本概念,2、亨利定律其它形式 上式是以惰性組分為基準的摩爾比來表示氣相、液相的組成，X、Y為摩爾比,3）,【例4-1】某系統(tǒng)溫度為10，總壓101.3kPa，試求此條件下在與空氣充分接觸后的

10、水中，每立方米水溶解了多少克氧氣？,=101.30.21=21.27kPa,解： 查得10時，氧氣在水中的亨利系數(shù)E為 3.31106kPa。,4.1 傳質(zhì)基本概念,3.5710-4kmol/m3,W=3.5710-4321000=11.42g/m3,4.1 傳質(zhì)基本概念,4.1 傳質(zhì)基本概念,【例4-2】在總壓101.3kPa及30下，氨在水中的溶解度為1.72g（NH3）/100g（H2O）。若氨水的氣液平衡關(guān)系符合亨利定律，相平衡常數(shù)為0.764，試求氣相組成Y. 解：液相組成為： 由亨利定律得到氣相組成,4.1 傳質(zhì)基本概念,【例4-3】含有10%（體積分數(shù)） 的某種混合氣體與水充分接

11、觸，系統(tǒng)溫度為系統(tǒng)溫度為10，總壓101.3kPa，試求達到平衡時液相中 的摩爾濃度。 解：查得30時， 在水中的亨利系數(shù)E為 1.48105kPa。 混合氣體按理想氣體處理，由分壓定律可知：,=101.30. 1=10.13kPa,3.7910-4kmol/m3,4.1 傳質(zhì)基本概念,水在30時的密度995.7kg/m3,1判斷過程進行的方向,y y*或x* x或,A由氣相向液相傳質(zhì)，吸收過程,平衡狀態(tài),A由液相向氣相傳質(zhì)，解吸過程,吸收過程：,4.1 傳質(zhì)基本概念五、相平衡與吸收過程的關(guān)系,2指明過程進行的極限,過程極限：相平衡。,4.1 傳質(zhì)基本概念五、相平衡與吸收過程的關(guān)系,1）逆流吸

12、收，塔高無限，,2）逆流吸收，塔高無限，,3確定過程的推動力,1)吸收過程推動力的表達式,y - y*或x* -x或,4.1 傳質(zhì)基本概念五、相平衡與吸收過程的關(guān)系,2）在xy圖上,4.1 傳質(zhì)基本概念五、相平衡與吸收過程的關(guān)系,一、分子擴散與費克定律 Molecular Diffusion and Ficks Law,吸收過程：,（1）A由氣相主體到相界面，氣相內(nèi)傳遞； （2）A在相界面上溶解，溶解過程； （3）A自相界面到液相主體，液相內(nèi)傳遞。,單相內(nèi)傳遞方式：分子擴散；對流擴散 。,4.2 分子擴散傳質(zhì),分子擴散： 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)則的熱運動使該組

13、分由濃度較高處傳遞至濃度較低處。,擴散通量： 單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積擴散的物質(zhì)量，J表示，kmol/(m2s)。,4.2 分子擴散傳質(zhì),一、分子擴散與費克定律 Molecular Diffusion and Ficks Law,分子擴散現(xiàn)象：,4.2 分子擴散傳質(zhì),一、分子擴散與費克定律,JA組分A擴散速率（擴散通量）， kmol/（m2s）；,組分A在擴散方向z上的濃度梯度（kmol/m3）/m；,DAB組分A在B組分中的擴散系數(shù)，m2/s。,負號：表示擴散方向與濃度梯度方向相反，擴散沿 著濃度降低的方向進行,菲克定律：溫度、總壓一定，組分A在擴散方向上任一點處的擴散通量與

14、該處A的濃度梯度成正比。,4.2 分子擴散傳質(zhì),理想氣體：,=,分子擴散兩種形式：等分子反向擴散，單向擴散。,4.2 分子擴散傳質(zhì),二、等摩爾逆向擴散 Equimolar Counter Diffusion,等分子反向擴散：任一截面處兩個組分的擴散速率 大小相等，方向相反。,4.2 分子擴散傳質(zhì),總壓一定,JA=JB,DAB=DBA=D,4.2 分子擴散傳質(zhì),二、等摩爾逆向擴散 Equimolar Counter Diffusion,二、等摩爾逆向擴散,等分子反向擴散傳質(zhì)速率方程,傳質(zhì)速率定義：任一固定的空間位置上， 單位時間 內(nèi)通過單位面積的物質(zhì)量，記作N, kmol/(m2 s) 。,氣相

15、：,NA=,液相：,4.2 分子擴散傳質(zhì),二、等摩爾逆向擴散,關(guān)于等分子反向擴散傳質(zhì)速率方程的討論,1）,2）組分的濃度與擴散距離z 成直線關(guān)系。,3）等分子反方向擴散發(fā)生在蒸餾過程中。,4.2 分子擴散傳質(zhì),書p221例4-2,三、組分A通過靜止組分B的擴散 Diffusion of A Through Stagnant B,4.2 分子擴散傳質(zhì),單向擴散傳質(zhì)速率方程,三、組分A通過靜止組分B的擴散,在氣相擴散,積分式,4.2 分子擴散傳質(zhì),三、組分A通過靜止組分B的擴散,積分式,4.2 分子擴散傳質(zhì),微分式,三、組分A通過靜止組分B的擴散 Diffusion of A Through St

16、agnant B,液相：,4.2 分子擴散傳質(zhì),積分式,液相：,討論,1）組分A的濃度與擴散距離z為指數(shù)關(guān)系,三、組分A通過靜止組分B的擴散,4.2 分子擴散傳質(zhì),漂流因數(shù)意義：其大小反映了整體流動對傳質(zhì)速率的影 響程度，其值為整體流動使傳質(zhì)速率 較單純分子擴散增大的倍數(shù)。,漂流因數(shù)的影響因素： 濃度高，漂流因數(shù)大，總體流動的影響大。 低濃度時，漂流因數(shù)近似等于1，總體流動的影響小。,三、組分A通過靜止組分B的擴散,4.2 分子擴散傳質(zhì),書p221例4-3,一、單相內(nèi)的對流傳質(zhì) Convective Mass Transfer in the Single Phase,渦流擴散：流體作湍流運動時

17、，若流體內(nèi)部 存在濃度梯度，流體質(zhì)點便會靠 質(zhì)點的無規(guī)則運動，相互碰撞和 混合，組分從高濃度向低濃度方 向傳遞，這種現(xiàn)象稱為渦流擴散。,4.3 對流傳質(zhì),（一）單相內(nèi)對流傳質(zhì)的有效膜模型,一、單相內(nèi)的對流傳質(zhì),4.3 對流傳質(zhì),1）靠近相界面處層流內(nèi)層：傳質(zhì)機理僅為分 子擴散，溶質(zhì)A的濃度梯度較大，pA隨Z的變化較陡。,2）湍流主體：渦流擴散遠遠大于分子擴散， 溶質(zhì)濃度均一化，pA隨Z的變化近似為水平線。,3）過渡區(qū)：分子擴散+渦流擴散，pA隨Z的變化逐漸平緩。,（一）單相內(nèi)對流傳質(zhì)的有效膜模型,（1）單相內(nèi)對流傳質(zhì)過程,4.3 對流傳質(zhì)一、單相內(nèi)的對流傳質(zhì),（一）單相內(nèi)對流傳質(zhì)的有效膜模型,

18、（2）有效膜模型,單相對流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力全部集中在一層虛擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴散 。,有效膜厚ZG由層流內(nèi)層濃度梯度線延長線與流體主體濃度線相交于一點G，則厚度ZG為G到相界面的垂直距離。,4.3 對流傳質(zhì)一、單相內(nèi)的對流傳質(zhì),（二）氣相傳質(zhì)速率方程式,以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)， kmol/（m2skPa）。,=傳質(zhì)系數(shù)吸收的推動力,4.3 對流傳質(zhì)一、單相內(nèi)的對流傳質(zhì),氣相對流傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：,以氣相摩爾分數(shù)差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）；,4.3 對流傳質(zhì)一、單相內(nèi)的對流傳質(zhì),各氣膜傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系：,類似可推出,對 y 值較小的低濃

19、度吸收：,得,4.3 對流傳質(zhì)一、單相內(nèi)的對流傳質(zhì),液相傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：,液膜傳質(zhì)系數(shù),（三）液相傳質(zhì)速率方程,4.3 對流傳質(zhì)一、單相內(nèi)的對流傳質(zhì),各液膜傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系：,液相濃度很低時：,（三）液相傳質(zhì)速率方程,4.3 對流傳質(zhì)一、單相內(nèi)的對流傳質(zhì),二、兩相間傳質(zhì)的雙膜理論Two-Film Theory for Inter-Phase Mass Transfer,（一）雙膜理論,相際間對流傳質(zhì)三大模型：雙膜模型 溶質(zhì)滲透模型 表面更新模型,4.3 對流傳質(zhì),由W.K.Lewis 和 W.G.Whitman 在上世紀二十年代提出，是最早出現(xiàn)的傳質(zhì)理論。,雙膜模型的基本論點（假

20、設(shè)）,（1）氣液兩相存在一個穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)存 在穩(wěn)定的氣膜和液膜。膜內(nèi)為層流，A以分子擴 散方式通過氣膜和液膜。,（2）相界面處兩相達平衡，無擴散阻力。,（3）有效膜以外主體中，充分湍動，溶質(zhì)主要以 渦流擴散的形式傳質(zhì)。,雙膜模型也稱為雙膜阻力模型,4.3 對流傳質(zhì)-二、兩相間傳質(zhì)的雙膜理論,（二）氣相與液相的傳質(zhì)速率方程式,1.氣相傳質(zhì)速率方程,2.液相傳質(zhì)速率方程,4.3 對流傳質(zhì)-二、兩相間傳質(zhì)的雙膜理論,穩(wěn)態(tài)傳質(zhì),=f（cAi）,、cAi,1一般情況,2平衡關(guān)系滿足亨利定律,、cAi,(三)氣液相兩相界面的溶質(zhì)組成,4.3 對流傳質(zhì)-二、兩相間傳質(zhì)的雙膜理論,3圖解,I（pAi

21、，cAi）,4.3 對流傳質(zhì)-二、兩相間傳質(zhì)的雙膜理論,采用總傳質(zhì)速率方程進行計算可避開難以確定的相界面組成 Xi 和 Yi。這與通過間壁對流傳熱問題中用總傳熱速率方程可避開固體壁面兩側(cè)溫度是相似的。 總傳質(zhì)阻力取決于氣、液兩相的傳質(zhì)阻力。但對一些吸收過程，氣、液兩相傳質(zhì)阻力在總傳質(zhì)阻力中所占的比例相差甚遠，可對問題進行簡化處理。,三、總傳質(zhì)速率方程Equation for Overall Mass Transfer Rate,（一）總傳質(zhì)速率方程,4.3 對流傳質(zhì),傳遞過程的阻力具有加和性。 若以雙膜理論為依據(jù)，則吸收過程的傳質(zhì)總阻力是氣相傳質(zhì)阻力與液相傳質(zhì)阻力之和(相界面無阻力)。 總傳質(zhì)

22、速率為總傳質(zhì)推動力(Y-Y*)與總的傳質(zhì)阻力(1/KY)之比。,4.3 對流傳質(zhì)-三、總傳質(zhì)速率方程,（一）總傳質(zhì)速率方程,對稀溶液，物系的相平衡關(guān)系服從亨利定律 y*=mx。,氣相：,液相：,比較可得：,相際：,4.3 對流傳質(zhì)-三、總傳質(zhì)速率方程,1.以 為推動力的總傳質(zhì)速率方程,氣相總傳質(zhì)系數(shù),相間傳質(zhì)總阻力,氣膜阻力,液膜阻力,如很小1， 溶解度大，則,氣膜控制,4.3 對流傳質(zhì)-三、總傳質(zhì)速率方程,2.以 為推動力的總傳質(zhì)速率方程,液相總傳質(zhì)系數(shù),相間傳質(zhì)總阻力,氣膜阻力,液膜阻力,如m 很大100，則難溶,液膜控制,4.3 對流傳質(zhì)-三、總傳質(zhì)速率方程,(二)氣膜控制與液膜控制,分

23、析氣、液兩相中傳質(zhì)阻力所占的比例，對于強化傳質(zhì)過程，提高傳質(zhì)速率有重要的指導(dǎo)意義。例如，以氣相阻力為主的吸收操作，增加氣體流速，可減薄界面處氣膜層的厚度，從而降低氣相傳質(zhì)阻力，有效地提高吸收速率；而增加液體流速吸速率則不會有明顯改變。,4.3 對流傳質(zhì)-三、總傳質(zhì)速率方程,4.3 對流傳質(zhì)-三、總傳質(zhì)速率方程,傳質(zhì)速率方程的各種表示形式,4.3 對流傳質(zhì)-三、總傳質(zhì)速率方程,【例4-4】含氨極少的空氣于101.33kPa、20被水吸收。已知氣膜傳質(zhì)系數(shù)、液膜傳質(zhì)系數(shù) 溶解度系數(shù) 。氣液平衡關(guān)系服從亨利定律。求氣相總傳質(zhì)系數(shù) 液相總傳質(zhì)系數(shù),4.3 對流傳質(zhì)-三、總傳質(zhì)速率方程,【例4-4】答案

24、,4.3 對流傳質(zhì)-三、總傳質(zhì)速率方程,【例4-5】總壓為101.3KN/m2，系統(tǒng)溫度為303K下，用水吸收混合氣體中的氨，操作平衡條件下的氣液平衡關(guān)系為 已知氣相傳質(zhì)分系數(shù) ，液相傳質(zhì)分系數(shù)為 ，并在塔的某一截面上測得氨的氣相濃度y為 0.05，液相濃度0.012 （均為摩爾分數(shù)）。試求該截面上的傳質(zhì)速率及氣液界面上的兩相的濃度。,4.3 對流傳質(zhì)-三、總傳質(zhì)速率方程,【例4-5】答案,4.4 傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng),緒： 對于多相反應(yīng)系統(tǒng)，反應(yīng)物和產(chǎn)物在相內(nèi)和相間的傳質(zhì)與傳熱會影響到反應(yīng)系統(tǒng)的性能。在有的情況下，傳質(zhì)與傳熱的影響甚至占主導(dǎo)地位。 本節(jié)點了解氣固催化反應(yīng)過程中的傳質(zhì)與傳熱問題，分析傳質(zhì)與傳熱對反應(yīng)過程的影響。,4.4 傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng),對工程中傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)同時存在的體系，如催化表面的化學(xué)反應(yīng)與擴散、硅酸鹽工業(yè)生產(chǎn)中：燃料的燃燒及水泥生料的分解等。 均勻反應(yīng)：整個區(qū)域內(nèi)均勻發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)； 非均勻反應(yīng)：在相內(nèi)特定區(qū)域或界面發(fā)生的反應(yīng)； 擴散控制過程：在傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)