ch4质量传递基础.ppt

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1、第四章 质量传递基础,4.1 传质基本概念4.2 分子扩散传质4.3 对流传质4.4 传质与化学反应,4.1 传质基本概念,一、传质过程二、吸收三、平衡溶解度四、亨利定律五、相平衡与吸收过程的关系,4.1 传质基本概念,一、传质过程传质过程是指物质通过相界面从一相迁移至另一相的过程，以下图示意：,4.1 传质基本概念,一、传质过程研究传质过程就是研究物质通过相界面的迁移过程的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作。,基本概念：,定义：混合体系中由于组分浓度的分布不均匀，导致该组分自发的由高浓度向低浓度方向传递，即质量传递。原因：浓度差形式：分子扩散（传导）紊流扩散（对流）,4.1 传

2、质基本概念,扩散通量(扩散速度），为矢量，/m3,浓度梯度(mol/m3)(/m3)质量通量 i(/m2.s)摩尔通量 Ci(mol/m2.s)净质量通量 净摩尔通量,4.1 传质基本概念,4.1 传质基本概念,二、吸收吸收操作是分离气体混合物的方法之一。吸收操作的分离依据是混合物各组分在某种溶剂（吸收剂）中溶解度的差异，从而达到的目的。例如：将含NH3的空气通入水中，因NH3、空气在水中溶解度差异很大，NH3很容易溶解于水中，形成氨水溶液，而空气几乎不溶于水中。所以用水吸收混合气体中的NH3能使NH3、空气加以分离，并回收NH3。,4.1 传质基本概念,二、吸收 一般地，混合气体中能溶解的组

3、份称为溶质或吸收质，用A表示；混合气体中不能溶解的组份称为惰性成分或载体，用B表示（空气）；吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂或溶剂，用S表示（水）;吸收操作中所得的溶液称为吸收液，用S+A表示；吸收操作中排除的气体称为吸收尾气，用（A）+B表示。,4.1 传质基本概念,二、吸收吸收的目的有三个：1 分离混合气体以获得一定的组分。（例子：硫酸吸收焦炉气中的NH3，洗油吸收焦炉气中的苯、甲苯蒸汽。）2 除去有害组分以净化气体。（例子：用水或钾碱液吸收合成氨原料气中的二氧化碳。）3 制备某种气体的溶液。（例子：用水吸收氯化氢、三氧化硫、二氧化氮制得酸。）实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。,4.1

4、 传质基本概念,二、吸收吸收操作必须解决三个问题：1 选择合适的溶剂使其能选择性的溶解某个（或某些）被分离组分；2 提供适当的传质设备（吸收塔），以实现气液两相的接触，使被分离组分得以自气相转移至液相。3 溶剂的再生，既脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。总之，一个完整的吸收分离过程包括吸收和解吸两个组成部分。,4.1 传质基本概念,二、吸收吸收操作效果由溶剂的性能决定，选择溶剂注意七点：1 溶解度（大），或在一定的温度和浓度下，溶质的平衡分压要低，这样可提高吸收速率并减小吸收剂的耗用量，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低；2 选择性（高）；3 溶解度与温度的关系（敏感），温度低，溶解度要大

5、，反之，要小；,4.1 传质基本概念,二、吸收4 挥发度（小），操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，因为离开吸收设备的气体往往为吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失愈大。5 粘性（小），粘度要低且在吸收过程中不易产生泡沫，塔内气液接触良好和塔顶气液分离易于实现，且输液功耗小；,4.1 传质基本概念,二、吸收6化学稳定性（良好），以免发生变质；7价廉、易得、无毒、无害、不易燃烧。实际上，很难找到一个理想的溶剂能够满足所有要求。因此应对可供选用吸收剂作全面评价后做出经济合理的选择。吸收操作的经济性是由总费用（即操作费用加设备费用）来衡量的；最经济的吸收操作应是操作费用与设

6、备费用之和即总费用最小。,4.1 传质基本概念,三、平衡溶解度Equilibrium SolubilityP、T一定，使一定量的吸收剂与混合气体接触，溶质便向液相转移，这个传质过程直至液相中溶质达到饱和，浓度不再增加为止，此时气液两相达到平衡，这个饱和浓度就叫做气体溶质在液体中的溶解度。通常以 或 或摩尔分率 表示。,三、平衡溶解度Equilibrium Solubility 平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，长期充分接 触后，液相溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡。,4.1 传质基本概念,三、平衡溶解度Equilibrium S

7、olubility饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。对于相同浓度不同溶质的溶液，易溶气体在溶液上方的气相平衡分压小，难溶气体在溶液上方的气相平衡分压大。加压和降温提高气体溶解度，则加压降温有利于吸收操作，升温减压有利于解吸操作。,4.1 传质基本概念,单组分物理吸收，变量：p、T、pA、cA 三个组分：溶质A、溶剂S、惰性气体B两个相：气相、液相自由度数：F=C-+2=3-2+2=3,4.1 传质基本概念,60,50,40,30,4.1 传质基本概念,4.1 传质基本概念,讨论：,（2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收

8、。,（1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。,（3）相同的总压及摩尔分率，cO2 cCO2 cSO2 cNH3,氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体,4.1 传质基本概念,四、亨利定律1、亨利定律总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。,4.1 传质基本概念,亨利定律讨论：,1）E的影响因素：溶质、溶剂、T 物系一定，,2）E大的，溶解度小，难溶气体 E小的，溶解度大，易溶气体,3）E的来源：实验测得；查手册,4.1 传质基本概念,1）,四、亨利定律2、亨利定律其它形式,H 与E 的关系

9、：,4.1 传质基本概念,H 的讨论：1）H 大，溶解度大，易溶气体 2）P 对H 影响小，,2）,m 相平衡常数，无因次。,4.1 传质基本概念,2、亨利定律其它形式,m与E的关系：,m的讨论：1.m大，溶解度小，难溶气体 2.,4.1 传质基本概念,4.1 传质基本概念,2、亨利定律其它形式 上式是以惰性组分为基准的摩尔比来表示气相、液相的组成，X、Y为摩尔比,3）,【例4-1】某系统温度为10，总压101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？,=101.30.21=21.27kPa,解：查得10时，氧气在水中的亨利系数E为 3.31106kPa。,

10、4.1 传质基本概念,3.5710-4kmol/m3,W=3.5710-4321000=11.42g/m3,4.1 传质基本概念,4.1 传质基本概念,【例4-2】在总压101.3kPa及30下，氨在水中的溶解度为1.72g（NH3）/100g（H2O）。若氨水的气液平衡关系符合亨利定律，相平衡常数为0.764，试求气相组成Y.解：液相组成为：由亨利定律得到气相组成,4.1 传质基本概念,【例4-3】含有10%（体积分数）的某种混合气体与水充分接触，系统温度为系统温度为10，总压101.3kPa，试求达到平衡时液相中 的摩尔浓度。解：查得30时，在水中的亨利系数E为 1.48105kPa。混合

11、气体按理想气体处理，由分压定律可知：,=101.30.1=10.13kPa,3.7910-4kmol/m3,4.1 传质基本概念,水在30时的密度995.7kg/m3,1判断过程进行的方向,y y*或x*x或,A由气相向液相传质，吸收过程,平衡状态,A由液相向气相传质，解吸过程,吸收过程：,4.1 传质基本概念五、相平衡与吸收过程的关系,2指明过程进行的极限,过程极限：相平衡。,4.1 传质基本概念五、相平衡与吸收过程的关系,1）逆流吸收，塔高无限，,2）逆流吸收，塔高无限，,3确定过程的推动力,1)吸收过程推动力的表达式,y-y*或x*-x或,4.1 传质基本概念五、相平衡与吸收过程的关系,

12、2）在xy图上,4.1 传质基本概念五、相平衡与吸收过程的关系,一、分子扩散与费克定律 Molecular Diffusion and Ficks Law,吸收过程：,（1）A由气相主体到相界面，气相内传递；（2）A在相界面上溶解，溶解过程；（3）A自相界面到液相主体，液相内传递。,单相内传递方式：分子扩散；对流扩散。,4.2 分子扩散传质,分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处。,扩散通量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，J表示，kmol/(m2s)。,4.2 分子扩散传质,一、分子扩散与费克定律

13、 Molecular Diffusion and Ficks Law,分子扩散现象：,4.2 分子扩散传质,一、分子扩散与费克定律,JA组分A扩散速率（扩散通量），kmol/（m2s）；,组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；,DAB组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。,负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿 着浓度降低的方向进行,菲克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。,4.2 分子扩散传质,理想气体：,=,分子扩散两种形式：等分子反向扩散，单向扩散。,4.2 分子扩散传质,二、等摩尔逆向扩散 Equimolar Cou

14、nter Diffusion,等分子反向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率 大小相等，方向相反。,4.2 分子扩散传质,总压一定,JA=JB,DAB=DBA=D,4.2 分子扩散传质,二、等摩尔逆向扩散 Equimolar Counter Diffusion,二、等摩尔逆向扩散,等分子反向扩散传质速率方程,传质速率定义：任一固定的空间位置上，单位时间 内通过单位面积的物质量，记作N,kmol/(m2 s)。,气相：,NA=,液相：,4.2 分子扩散传质,二、等摩尔逆向扩散,关于等分子反向扩散传质速率方程的讨论,1）,2）组分的浓度与扩散距离z 成直线关系。,3）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中

15、。,4.2 分子扩散传质,书p221例4-2,三、组分A通过静止组分B的扩散 Diffusion of A Through Stagnant B,4.2 分子扩散传质,单向扩散传质速率方程,三、组分A通过静止组分B的扩散,在气相扩散,积分式,4.2 分子扩散传质,三、组分A通过静止组分B的扩散,积分式,4.2 分子扩散传质,微分式,三、组分A通过静止组分B的扩散 Diffusion of A Through Stagnant B,液相：,4.2 分子扩散传质,积分式,液相：,讨论,1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系,三、组分A通过静止组分B的扩散,4.2 分子扩散传质,漂流因数意义：其大小

16、反映了整体流动对传质速率的影 响程度，其值为整体流动使传质速率 较单纯分子扩散增大的倍数。,漂流因数的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。,三、组分A通过静止组分B的扩散,4.2 分子扩散传质,书p221例4-3,一、单相内的对流传质 Convective Mass Transfer in the Single Phase,涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部 存在浓度梯度，流体质点便会靠 质点的无规则运动，相互碰撞和 混合，组分从高浓度向低浓度方 向传递，这种现象称为涡流扩散。,4.3 对流传质,（一）单相内对流传质的有效膜模型,

17、一、单相内的对流传质,4.3 对流传质,1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随Z的变化较陡。,2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，pA随Z的变化近似为水平线。,3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随Z的变化逐渐平缓。,（一）单相内对流传质的有效膜模型,（1）单相内对流传质过程,4.3 对流传质一、单相内的对流传质,（一）单相内对流传质的有效膜模型,（2）有效膜模型,单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散。,有效膜厚ZG由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点G，则厚度ZG为G到相界面的

18、垂直距离。,4.3 对流传质一、单相内的对流传质,（二）气相传质速率方程式,以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmol/（m2skPa）。,=传质系数吸收的推动力,4.3 对流传质一、单相内的对流传质,气相对流传质速率方程有以下几种形式：,以气相摩尔分数差表示推动力的气膜传质系数，kmol/（m2s）；,4.3 对流传质一、单相内的对流传质,各气膜传质系数之间的关系：,类似可推出,对 y 值较小的低浓度吸收：,得,4.3 对流传质一、单相内的对流传质,液相传质速率方程有以下几种形式：,液膜传质系数,（三）液相传质速率方程,4.3 对流传质一、单相内的对流传质,各液膜传质系数之间的关系：,液相浓

19、度很低时：,（三）液相传质速率方程,4.3 对流传质一、单相内的对流传质,二、两相间传质的双膜理论Two-Film Theory for Inter-Phase Mass Transfer,（一）双膜理论,相际间对流传质三大模型：双膜模型 溶质渗透模型 表面更新模型,4.3 对流传质,由 和 在上世纪二十年代提出，是最早出现的传质理论。,双膜模型的基本论点（假设）,（1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存 在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩 散方式通过气膜和液膜。,（2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力。,（3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以 涡流扩散的形式传质。,双膜模型

20、也称为双膜阻力模型,4.3 对流传质-二、两相间传质的双膜理论,（二）气相与液相的传质速率方程式,1.气相传质速率方程,2.液相传质速率方程,4.3 对流传质-二、两相间传质的双膜理论,稳态传质,=f（cAi）,、cAi,1一般情况,2平衡关系满足亨利定律,、cAi,(三)气液相两相界面的溶质组成,4.3 对流传质-二、两相间传质的双膜理论,3图解,I（pAi，cAi）,4.3 对流传质-二、两相间传质的双膜理论,采用总传质速率方程进行计算可避开难以确定的相界面组成 Xi 和 Yi。这与通过间壁对流传热问题中用总传热速率方程可避开固体壁面两侧温度是相似的。总传质阻力取决于气、液两相的传质阻力。

21、但对一些吸收过程，气、液两相传质阻力在总传质阻力中所占的比例相差甚远，可对问题进行简化处理。,三、总传质速率方程Equation for Overall Mass Transfer Rate,（一）总传质速率方程,4.3 对流传质,传递过程的阻力具有加和性。若以双膜理论为依据，则吸收过程的传质总阻力是气相传质阻力与液相传质阻力之和(相界面无阻力)。总传质速率为总传质推动力(Y-Y*)与总的传质阻力(1/KY)之比。,4.3 对流传质-三、总传质速率方程,（一）总传质速率方程,对稀溶液，物系的相平衡关系服从亨利定律 y*=mx。,气相：,液相：,比较可得：,相际：,4.3 对流传质-三、总传质速

22、率方程,1.以 为推动力的总传质速率方程,气相总传质系数,相间传质总阻力,气膜阻力,液膜阻力,如很小1，溶解度大，则,气膜控制,4.3 对流传质-三、总传质速率方程,2.以 为推动力的总传质速率方程,液相总传质系数,相间传质总阻力,气膜阻力,液膜阻力,如m 很大100，则难溶,液膜控制,4.3 对流传质-三、总传质速率方程,(二)气膜控制与液膜控制,分析气、液两相中传质阻力所占的比例，对于强化传质过程，提高传质速率有重要的指导意义。例如，以气相阻力为主的吸收操作，增加气体流速，可减薄界面处气膜层的厚度，从而降低气相传质阻力，有效地提高吸收速率；而增加液体流速吸速率则不会有明显改变。,4.3 对

23、流传质-三、总传质速率方程,4.3 对流传质-三、总传质速率方程,传质速率方程的各种表示形式,4.3 对流传质-三、总传质速率方程,【例4-4】含氨极少的空气于101.33kPa、20被水吸收。已知气膜传质系数、液膜传质系数 溶解度系数。气液平衡关系服从亨利定律。求气相总传质系数 液相总传质系数,4.3 对流传质-三、总传质速率方程,【例4-4】答案,4.3 对流传质-三、总传质速率方程,【例4-5】总压为101.3KN/m2，系统温度为303K下，用水吸收混合气体中的氨，操作平衡条件下的气液平衡关系为 已知气相传质分系数，液相传质分系数为，并在塔的某一截面上测得氨的气相浓度y为 0.05，液

24、相浓度0.012（均为摩尔分数）。试求该截面上的传质速率及气液界面上的两相的浓度。,4.3 对流传质-三、总传质速率方程,【例4-5】答案,4.4 传质与化学反应,绪：对于多相反应系统，反应物和产物在相内和相间的传质与传热会影响到反应系统的性能。在有的情况下，传质与传热的影响甚至占主导地位。本节点了解气固催化反应过程中的传质与传热问题，分析传质与传热对反应过程的影响。,4.4 传质与化学反应,对工程中传质与化学反应同时存在的体系，如催化表面的化学反应与扩散、硅酸盐工业生产中：燃料的燃烧及水泥生料的分解等。均匀反应：整个区域内均匀发生的化学反应；非均匀反应：在相内特定区域或界面发生的反应；扩散控

25、制过程：在传质与化学反应同时存在的情况下，当化学反应速率远高于扩散传质速率时的过程；化学反应控制过程：当化学反应速率远小于扩散速率时，化学反应决定了过程的速率。,多相催化反应过程步骤,反应在催化剂表面上进行，所以反应物首先要从流体主体扩散到催化剂表面，表面反应完成之后，生成的产物需要从催化剂表面扩散到到流体主体中去。所以不仅需要考虑反应动力学因素，还要考虑传递过程的影响。,4.4 传质与化学反应,多相催化反应过程步骤,4.4 传质与化学反应,固体催化剂的特殊结构，造成化学反应主要在催化剂的内表面进行。催化剂的表面积绝大多数是内表面积。,多相催化反应过程步骤,气固相催化反应的7个步骤、3个过程：

26、1、反应物由气流主体扩散到催化剂外表面；2、反应物由催化剂外表面扩散到内表面；3、反应物在催化剂表面活性中心上吸附；4、吸附在活性中心的反应物进行化学反应；5、产物在催化剂表面活性中心上脱附；6、产物由催化剂内表面扩散到外表面；7、产物由催化剂外表面扩散到气流主体。,多相催化反应过程步骤,1,7为外扩散过程2,6为内扩散过程3,4,5为化学动力学过程针对不同具体情况，三个过程进行的速率各不相同，其中进行最慢的称为控制步骤，控制步骤进行的速率决定了整个宏观反应的速率。,多相催化反应过程步骤,基本方程：,流体与催化剂外表面间的传质与传热,4.4 传质与化学反应,作 业,【4-1】在总压101.3kPa及20下，测得氨在水中的平衡数据为：气体在液体中的溶解度1g（NH3）/100g（H2O），上方平衡分压为0.8kPa。若氨水的气液平衡关系符合亨利定律，试求相平衡常数m，亨利系数E，溶度系数H。,作 业,【4-2】已知某低浓度气体溶质被吸收时，平衡关系服从亨利定律，气膜吸收系数 液膜吸收系数，溶解度系数为 试求气相吸收总系数，并分析该吸收过程的控制因素。,