环境工程原理-第四章-质量传递ppt课件.ppt

第四章 质量传递第一节 质量传递的基本概念第二节 质量传递的基本原理第三节质量传递的基本方式第四节环境工程中的传质过程本章主要内容简介简介n传质传质是指在两种或两种以上的组元构成的是指在两种或两种以上的组元构成的混合物系中，如果其中各处混合物系中，如果其中各处浓度不同浓度不同( (存在存在浓度差浓度差) )时，则必发生减少浓度不均匀性的时，则必发生减少浓度不均匀性的过程，各组元将由浓度大的地方向浓度小过程，各组元将由浓度大的地方向浓度小的地方迁移，即的地方迁移，即质量传递现象质量传递现象。一、浓度n浓度定义浓度定义：单位容积中物质的量称为浓度。：单位容积中物质的量称为浓度。n浓度表示方法浓度表示方法：n质量浓度质量浓度(m/V):(m/V):单位为单位为kg/m3或或g/cm3n摩尔浓度摩尔浓度(n/V):(n/V):单位为单位为kmol/m3或或mol/cm3n组分组分A A的质量浓度的质量浓度A A: :单位容积混合物中含单位容积混合物中含有组分有组分A A的质量的质量n若混合物由几种组分构成，则若混合物由几种组分构成，则混合物的质量混合物的质量浓度浓度为为: :VmAAnii1（一）质量浓度n组分组分A A的质量浓度与总质量浓度之比，称的质量浓度与总质量浓度之比，称为为质量分数质量分数： niiAAniiAAmm111 n组分组分A A的质量浓度与总质量浓度之比，称的质量浓度与总质量浓度之比，称为为质量分数质量分数： niiAAniiAAmm111 n组分组分A A的摩尔浓度的摩尔浓度c c：单位容积混合物中含有：单位容积混合物中含有组分组分A A的摩尔数的摩尔数。niiAAAAAccRTpMVnc1RTpVncpiVniRT（二）（物质的量）浓度摩尔分数：固体和液体：xA=cA/c气体： yA=cA/c yA=pA/p1111niiniiyx二、速度n(一) 以静止坐标为参考基准 n在双组分混合物流体中, 组分A 和B 相对于静止坐标系的速度分别以uA 和uB 表示。当uA uB 时, 混合物的平均速度可以有不同的定义。例如, 若组分A 和B的质量浓度分别为 和, 则混合物流体的质量平均速度u定义为n类似地, 若组分A 和B 的( 物质的量) 浓度分别为cA和cB , 则混合物流体的质量平均速度un 定义为)(1BBAAuuu)(1BBAAnucuccu(二) 以质量平均速度u为参考基准n以质量平均速度为参考基准时, 所能观察到的是诸组分的相对速度, 混合物总n体、A 组分和B 组分相对于质量平均速度的扩散速度分别为, u-u= 0 ， uA - u和uB - u。(三) 以摩尔平均速度um为参考基准n若以摩尔平均速度为参考基准, 所能观察到的同样是诸组分的相对速度, 混合n物总体、A 组分和B 组分相对于摩尔平均速度的扩散速度分别为, um - un = 0 ,nuA - um 和uB - un 。第二节第二节 质量传递的基本原理质量传递的基本原理 传质过程传质过程 相内传质过程相内传质过程 相际传质过程相际传质过程 相内传质过程相内传质过程：物质在一个物相内：物质在一个物相内部从浓度部从浓度(化学位化学位)高的地方向浓度高的地方向浓度(化学化学位位)高的地方转移的过程高的地方转移的过程 实例：煤气、氨气在空气中的扩散，实例：煤气、氨气在空气中的扩散，食盐在水中的溶解等等食盐在水中的溶解等等相际传质过程相际传质过程：物质由一个相向另一个相转移：物质由一个相向另一个相转移 的过程的过程 相际传质过程是分离均相混合物必须经相际传质过程是分离均相混合物必须经历的过程，其作为化工单元操作在工业生产中历的过程，其作为化工单元操作在工业生产中广泛应用，如蒸馏、吸收、萃取等等广泛应用，如蒸馏、吸收、萃取等等一、质量传递与动量传递、热量传递一、质量传递与动量传递、热量传递 传质过程与动量传递、热量传递过程比较传质过程与动量传递、热量传递过程比较有相似之处，但比后二者复杂。例如与传热过有相似之处，但比后二者复杂。例如与传热过程比较，主要差别为：程比较，主要差别为： (1)平衡差别平衡差别 传热过程的推动力为两物体传热过程的推动力为两物体(或流体或流体)的的温度差，平衡时两物体的温度相等；传质过程温度差，平衡时两物体的温度相等；传质过程的推动力为两相的浓度差，平衡时两相的浓度的推动力为两相的浓度差，平衡时两相的浓度不相等。不相等。 例如例如1atm,20CC 下用水吸收空气中的氨，下用水吸收空气中的氨，平衡时液相的浓度为平衡时液相的浓度为0.582 kmol/m3 ，气相，气相的浓度为的浓度为3.2810 - 4 kmol/m3 ，两者相差，两者相差5个数量级个数量级 (2)推动力差别推动力差别 传热推动力为温度差，单位为传热推动力为温度差，单位为CC，推动，推动力的数值和单位单一；而传质过程推动力浓度力的数值和单位单一；而传质过程推动力浓度有多种表示方法无有多种表示方法无( (例如可用气相分压、摩尔例如可用气相分压、摩尔浓度、摩尔分数等等表示浓度、摩尔分数等等表示) )，不同的表示方法，不同的表示方法推动力的数值和单位均不相同。推动力的数值和单位均不相同。蓝色由最初的位置慢慢散开，即蓝墨水的分子由高浓度处向低浓度处移动向一杯水中加入一滴蓝墨水质量传递静止蓝色由最初的位置慢慢散开，经过较长一段时间后，杯中水的颜色趋于一致搅拌一下？由分子的微观运动引起工程上为了加速传质，通常使流体介质处于运动状态湍流状态，涡流扩散的效果占主要地位 慢由流体微团的宏观运动引起分子扩散快涡流扩散二、传质机理二、传质机理行行传传质质的的方方式式靠靠流流体体质质点点的的脉脉动动来来进进中中，涡涡流流扩扩散散：在在湍湍流流流流动动的的方方式式靠靠分分子子运运动动来来进进行行传传质质流流流流动动的的流流体体中中，分分子子扩扩散散：静静止止的的或或层层传传质质方方式式传质方式传质方式 分子扩散：分子扩散：物质依靠分子运动从浓度高物质依靠分子运动从浓度高的地方转移到浓度低的地方，称为分子扩散的地方转移到浓度低的地方，称为分子扩散。分子扩散在静止或呈层流流动的流体中进行分子扩散在静止或呈层流流动的流体中进行。实例：空气中气味的传播，食盐在静止的水实例：空气中气味的传播，食盐在静止的水中的溶解等等。中的溶解等等。n分子扩散是在一相内部因浓度梯度的存在，由于分子的无规则的随机热运动而产生的物质传质现象。尽管分子运动向各方向是无规则的，但是在浓度高处的分子向浓度低方向扩散表现为数量大，效率高，反之，浓度低处的分子向浓度高方向扩散的数量少，频率低，两处比较，则浓度高处向浓度低处扩散的量大，从而表现出沿浓度降低方向上质量的传递。n当流体处于湍流状态时，湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡，造成组分扩散，称为涡流扩散。n虽然在湍流流动中分子扩散与涡流扩散同时发挥作用，但宏观流体微团的传递规模和速率远远大于单个分子，因此涡流扩散占主要地位，即物质在湍流流体中的传递主要是依靠流体微团的不规则运动。例如大气湍流中污染物的扩散方式，研究结果表明，涡流扩散系数远大于分子扩散系数，并随湍动程度的增加而增大。dzdCDNAABzA, 相相界界面面 气气相相 液液相相 传传质质方方向向 扩扩散散通通量量，kmol/m2 s表示扩散方向与浓度梯度方向相反表示扩散方向与浓度梯度方向相反A 在在 B 中中的的扩扩散散系系数数 m2/s 三、三、费克定律费克定律 费克定律的其它表达形式：费克定律的其它表达形式：dzdpRTDdzRTpdDdzdxCDNAABAABAABzA,(8-5)0 图图4.2.1 分子扩散示意图分子扩散示意图 mAAABddzxNDz c设混合物的物质的量浓度为 ,kmol/m3，组分A的摩尔分数为Axc当 为常数时AAcc x 以质量分数为基准以摩尔分数为基准混合物质量浓度，kg /m3组分A的质量分数当混合物的密度为常数时AmAx组分A的质量浓度，kg /m3以质量浓度为基准kg/（m2s） kg/（m2s） AAABddzxNc Dz AAABddzNDz AAABddzcNDz kmol/（m2s）（1）非理想气体及浓溶液, 是浓度的函数。ABD（2）溶质在液体中的扩散系数远比在气体中的小，在固体中的扩散系数更小。气体、液体、固体扩散系数的数量级分别为10-510-4、10-1010-9、10-1410-9m2/s。（4）对于双组分气体物系，1.750ABAB,00pTDDpT（3）低密度气体、液体和固体的扩散系数随温度的升高而增大，随压力的增加而降低。，扩散系数与总压力成反比，与热力学温度的1.75次方成正比（二）分子扩散系数 分子扩散分子扩散 （二）扩散系数：（二）扩散系数： 式中：式中：DAB,1物质在压力为物质在压力为p1、温度为、温度为T1时的扩散系数，时的扩散系数，m2/s； DAB,2物质在压力为物质在压力为p2、温度为、温度为T2时的扩散系数，时的扩散系数，m2/s。 n温度指数，一般情况下温度指数，一般情况下n=1.52。 组分在气体中的扩散系数：组分在气体中的扩散系数：nABABTTppDD12211 ,2,分子扩散分子扩散 组分在液体中的扩散系数：组分在液体中的扩散系数： 0 0. .6 6A A0 0. .5 5B B8 8A AB B V VT T MM1 10 07 7. .4 4D D 式中：式中：D DABAB - - 组分组分A A的扩散系数，的扩散系数， cmcm2 2 /s /s ； T - T - 绝对温度，绝对温度，K K ； - - 溶剂粘度，溶剂粘度，mPamPas s ； M MB B - - 溶剂溶剂B B的摩尔质量，的摩尔质量，kg/mol kg/mol ； V VA A - -组分组分A A在常沸点下的摩尔体积在常沸点下的摩尔体积，cmcm3 3/mol /mol 。 扩散组分为低摩尔质量的非电解质，在稀溶液中：扩散组分为低摩尔质量的非电解质，在稀溶液中：分子扩散分子扩散 组分在固体中的扩散系数：组分在固体中的扩散系数： 若固体内部存在某一组分的浓度梯度，也会发生扩散，例如氢气透过橡皮若固体内部存在某一组分的浓度梯度，也会发生扩散，例如氢气透过橡皮的扩散的扩散,锌与铜形成固体溶液时在铜中的扩散，以及粮食内水分的扩散等。物质锌与铜形成固体溶液时在铜中的扩散，以及粮食内水分的扩散等。物质在固体中的扩散系数随物质的浓度而异，且在不同方向上其数值可能有所不同，在固体中的扩散系数随物质的浓度而异，且在不同方向上其数值可能有所不同，目前还不能进行计算。各种物质在固体中的扩散系数差别可以很大，如氢在目前还不能进行计算。各种物质在固体中的扩散系数差别可以很大，如氢在25时在硫化橡胶中为时在硫化橡胶中为0.85109m2/s,氦在氦在20时在铁中为时在铁中为2.61013m2/s。四、涡流扩散四、涡流扩散n涡流扩散系数表示涡流扩散能力的大小， 值越大，表明流体质点在其浓度梯度方向上的脉动越剧烈，传质速率越高。dzdNADADn工程中大部分流体流动为湍流状态，同时存在分子扩散和涡流扩散，因此组分A总的质量扩散通量NAt为n式中：DABeff组分A在双组分混合物中的有效质量扩散系数。n在充分发展的湍流中，涡流扩散系数往往比分子扩散系数大得多，因而有DABeff 。dzdDdzdDNAABeffADABAt)(D第三节质量传递的基本方式质量传递的基本方式 n质量传递的基本方式为分子传质（扩散）与对流传质，在本质上都是依靠分子的随机运动而引起的转移运动。 1、分子传质n分子传质又称为分子分子传质又称为分子扩散，简称为扩散，扩散，简称为扩散，它是由分子的无规则它是由分子的无规则热运动而形成的物质热运动而形成的物质传递现象。传递现象。在静止的在静止的系统中，由于浓度梯系统中，由于浓度梯度而产生的质量传递度而产生的质量传递称为称为分子扩散分子扩散。n分子传质的机理就是上节描述的费克定律，而如上所述分子传质现象和导热现象都是物质内部微观粒子运动产生的传输现象，但是分子传质和导热既有相似又有明显区别。 在静止介质中由于分子扩散所引起的质量传递问题 静止流体相界面组分A通过气相主体向相界面扩散 依靠分子扩散AA,iccAA,0ccNA在相界面附近，组分A沿扩散的方向将建立一定的浓度分布 1 分子传质单向扩散等分子反向扩散等分子反向扩散 水含有氨的废气苯甲苯体系苯NB空气与氨的混合气体 （静止）氨空气氨的分压 p减小流体自气相主体向相界面流动 空气分压增大反向扩散 可视为空气处于没有流动的静止状态相界面氨的扩散量增加相界面上，氨溶解于水气相总压减小单向扩散 氨传质过程：氨溶解于水氨分压降低相界面处的气相总压降低流体主体与相界面之间形成总压梯度流体主体向相界面处流动氨的扩散量增加流动氨空气相界面上空气的浓度增加空气应从相界面向混合气体主体作反方向扩散相界面处空气的浓度（或分压）恒定可视为空气处于没有流动的静止状态空气氨溶解于水单向扩散 运动着的流体与相界面之间发生的传质过程 不互溶的两种运动流体之间的界面 流动的流体与固体壁面p 气体的吸收：在气相与液相之间传质p 流体流过可溶性固体表面p 流体中某组分在固体表面反应p 萃取： 在液相与液相之间传质2 对流传质 分子扩散流体各部分之间的宏观位移引起的扩散 质量传递将受到流体性质、流动状态以及流场几何特性等的影响。(一)对流传质过程的机理层流区湍流区A,0cA,ic质量传递固体壁面附近形成浓度分布？传质的机理A,0cA,ic一、对流传质过程的机理及传质边界层 但其扩散通量明显大于静止时的传质。这是因为流动加大了壁面处的浓度梯度，从而使壁面上的扩散通量增大。 层流边界层： 在垂直于流动的方向上只存在由浓度梯度引起的分子扩散。扩散通量依据费克第一定律(一)对流传质过程的机理湍流边界层：层流底层：物质依靠分子扩散传递，浓度梯度较大，传质速率可用费克第一定律描述，其浓度分布曲线很陡，近似为直线； 湍流核心区：有大量的旋涡存在，物质的传递主要依靠涡流扩散，由于强烈混合，浓度梯度几乎消失，组分在该区域内的浓度基本均匀，其分布曲线较为平坦，近似为一垂直直线层流底层湍流核心区过渡区过渡区：分子扩散和涡流扩散同时存在除了分子扩散外，更重要的是涡流扩散。湍流区0.99u0cA,icA,0(cA-cA,i)0.99(cA,0-cA,i)D0.05Ld Re ScD50Ld湍流流动时，传质进口段长度为传质进口段长度层流流动的传质进口段长度为流体流过圆管进行传质 cDL二、对流传质速率方程 流动处于湍流状态时，物质的传递包括了分子扩散和涡流扩散 将过渡层内的涡流扩散折合为通过某一定厚度的层流膜层的分子扩散 GA,0A,()icc有效膜层或虚拟膜层 Gl涡流扩散系数难以测定和计算 简化计算A,0cA,ic由流体主体到界面的扩散通过有效膜层的分子扩散整个有效膜层的传质推动力为浓度分布全部传质阻力集中在有效膜层组分A的对流传质速率，kmol/（m2s）流体主体中组分A的浓度，kmol/m3界面上组分A的浓度，kmol/m3对流传质系数，也称传质分系数，下标“c”表示组分浓度以物质的量浓度表示，m/s对流传质速率方程传质系数体现了传质能力的大小，与流体的物理性质、界面的几何形状以及流体流动状况等因素有关。 用分子扩散速率方程去描述对流扩散。由壁面至流体主体的对流传质速率为AA,A,0()ciNk cc组分浓度常用分压表示界面上组分A的分压，N/m2气相主体中组分A的分压，N/m2气相传质分系数，kmol/（m2sPa）液相传质分系数，m/ s气相与界面的传质液相与界面的传质)(0,A,AGAppkNiALA,A,0()iNkcc若组分用摩尔分数表示，对于气相中的传质，摩尔分数为y，则)(0,A,AAyykNiyAApyppkkyG)(0,A,AAxxkNixAAcxcLxkk c 用组分A的摩尔分数差表示推动力的气相传质分系数对于液相中的传质，若摩尔分数为x，则用组分A的摩尔分数差表示推动力的液相传质分系数两种典型情况其对流传质系数的表达形式不同单向扩散等分子反向扩散对流传质单相中在虚拟膜层内的分子扩散双组分系统中，A和B两组分作等分子反向扩散时，BANN对流传质系数用 表示，则0ck0AA,A,0()ciNkcc相应的分子扩散速率为ABA,A,0G()A iDNccl0ABGcDkl虚拟膜层的厚度1.等分子反向扩散时的传质系数2.单向扩散时的传质系数双组分系统中，组分A通过停滞组分B作单向扩散时，0BN对流传质系数用 表示。则ckAA,A,0()ciNk cc相应的分子扩散通量为故 组分B的对数平均摩尔分数ABAA,A,0GB,m()iD cNccl cABABB,m GB,m GccDDkclxl0B,mcckkx反应中的传质过程：石灰/石灰水洗涤烟气脱硫催化氧化法净化汽车尾气第四节 环境工程中的传质过程质量传递的推动力温度差压力差电场或磁场的场强差浓度差一个含有两种或两种以上组分的体系组分A的浓度分布不均匀组分A由浓度高的区域向浓度低的区域的转移物质传递现象传质过程质量传递过程需要解决两个基本问题：过程的极限:过程的速率:相平衡关系以浓度差为推动力的传质过程：质量传递研究内容！环境工程中常遇到的传质过程：两相间的传质 气体的吸收：萃取：吸附、膜分离、生物膜反应：在气相与液相之间传质在液液两相之间传质在气/液相和固相之间传质单相中的传质 流体流过可溶性固体表面溶质在流体中的溶解气固相催化反应 固固系系统统：如如干干燥燥操操作作气气操操作作固固系系统统：如如结结晶晶、浸浸取取液液作作液液系系统统：如如液液液液萃萃取取操操液液操操作作液液系系统统：如如蒸蒸馏馏、精精馏馏汽汽等等单单元元操操作作液液系系统统：如如吸吸收收、解解吸吸气气 相相界界面面 水水 pG 气气相相主主体体 pi 液液相相主主体体 传传质质方方向向 Ci CL 空空气气+氨氨气气 吸吸收收 气相气相 （乙醇（乙醇-水）水） 乙醇乙醇 水水液相液相（乙醇（乙醇-水）水） 蒸馏蒸馏 化工生产中的传质过程化工生产中的传质过程