化工原理(第四版)谭天恩-第八章-传质过程导论-dm.ppt

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1、目录目录第八章第八章 传质过程导论传质过程导论 第一节第一节 概述概述 一、化工生产中的传质过程 二、相平衡 三、相组成的表示方法 四、传质方式 第二节第二节 分子扩散分子扩散 一、费克定律 二费克定律的另一种常用形式 三双组分、一维稳态分子扩散举例1化工原理化工原理电子教案电子教案/目录目录目录目录第三节第三节 对流传质对流传质 一、对流传质机理分析 二、膜模型 三、传质模型简介 四、对流传质方程 五、对流传质系数经验式第八章第八章 小结小结2化工原理化工原理电子教案电子教案/目录目录化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第八章第八章 传质过程导论传质过程导论利用某种性质利用某种性质

2、分离过程在全厂的设备投资分离过程在全厂的设备投资费和操作费上占很大比重。费和操作费上占很大比重。对一典型的化工厂，分离设对一典型的化工厂，分离设备的投资占备的投资占60-7060-70，分离过，分离过程的能耗约占程的能耗约占3030。转下页转下页-在浓度差、温度差、压力在浓度差、温度差、压力差等推动力作用下，从一处向差等推动力作用下，从一处向另一处的转移过程。包括相内另一处的转移过程。包括相内传质和相际传质两类。传质和相际传质两类。转第转第5 5页页3化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章可被可被利用利用于分于分离的离的性质性质物理化学生物学力学性质密度、表面张力、尺寸、质量等密度、表

3、面张力、尺寸、质量等如重力沉降、过滤如重力沉降、过滤热力学性质熔点、沸点、临界点、转变点、蒸汽压、熔点、沸点、临界点、转变点、蒸汽压、溶解度、分配系数等。如吸收、精馏溶解度、分配系数等。如吸收、精馏电、磁性质电导率、介电常数、迁移率、电导率、介电常数、迁移率、电荷、淌度、磁化率等电荷、淌度、磁化率等输送性质扩散系数、分子飞行速度扩散系数、分子飞行速度反应速度性质反应速度常数反应速度常数热力学性质反应平衡常数、化学吸附平衡常数、反应平衡常数、化学吸附平衡常数、离解常数、电离电位离解常数、电离电位生物学亲和力、生物学吸附平衡、生物学反应速度常数生物学亲和力、生物学吸附平衡、生物学反应速度常数返回上

4、页返回上页4化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第一节第一节 概述概述一、化工生产中的常规分离方法一、化工生产中的常规分离方法5化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第一节第一节 概述概述二、相平衡二、相平衡-相际间传质的最终状态相际间传质的最终状态 与热平衡不同之处：与热平衡不同之处：达达到到相相平平衡衡时时，一一般般两两相相浓度不相等。浓度不相等。相平衡属动态平衡相平衡属动态平衡达达到到相相平平衡衡时时，传传质质过过程程仍在进行。仍在进行。两两相相浓浓度度不不变变了了，达达到到了了平衡，净传质量为零了。平衡，净传质量为零了。气相浓度气相浓度 液相浓度液相浓度 6化工原理化

5、工原理电子教案电子教案/第八章第八章第一节第一节 概述概述三、相组成的表示方法三、相组成的表示方法转下页转下页7化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章思考思考1：双组分均相物系（双组分均相物系（A、B）的摩尔分数之和等于多）的摩尔分数之和等于多少？质量分数之和呢？少？质量分数之和呢？思考思考2：xA与与wA的关系？的关系？思考思考3：双组分均相物系中，双组分均相物系中，x与与X的关系？的关系？w与的与的关系？关系？思考思考4：xA与与cA的关系？的关系？wA与与 A的关系？的关系？返回上页返回上页8化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章思考思考5：cA与与 A的关系？的关系？思

6、考思考6：对理想气体，对理想气体，c与与p的关系？的关系？y与与p？与与p？返回第返回第7 7页页9化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第一节第一节 概述概述四传质方式四传质方式传质的两种方式传质的两种方式分子扩散分子扩散对流传质（给质过程）对流传质（给质过程）-发生在发生在静止静止流体、流体、层流层流流动的流体中，流动的流体中，靠分子运动进行的。靠分子运动进行的。-发生在发生在湍流湍流流动的流体中，流动的流体中，靠流体微团的脉动进行的。靠流体微团的脉动进行的。返回目录返回目录10化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第二节第二节 分子扩散分子扩散靠分子或原子的无规则热运动靠

7、分子或原子的无规则热运动一、分子扩散机理：一、分子扩散机理：ABBAAAABBBBBBBB质量中心面质量中心面组分组分A的扩散量的扩散量JA,z组分组分B的扩散量的扩散量JB,zAJA,z-相对扩散通量，相对扩散通量，kmol/m2 s11化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第二节第二节 分子扩散分子扩散二菲克定律二菲克定律傅立叶定律：傅立叶定律：1855年年Fick用用与与傅傅立立叶叶定定律律类类比比的的方方法法而而不不是是用用实实验验方方法法提提出出的。的。对二元体系对二元体系DA,BDB,A=D-又称菲克第一定律，适用于又称菲克第一定律，适用于双组分体系。双组分体系。对对照：照

8、：牛牛顿顿粘性定律：粘性定律：12化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第二节第二节 分子扩散分子扩散菲克定律的其它表达形式：菲克定律的其它表达形式：13化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章一菲克定律一菲克定律说明：说明：（1）JA,z、JB,z是相对扩散通量是相对扩散通量（绝对扩散通量用（绝对扩散通量用NA,z表示）表示）组分组分A移走后，出现空位，其他移走后，出现空位，其他分子（可能是分子（可能是A也可能是也可能是B）将会）将会补位，若补位，若A、B分子量不等，那么分子量不等，那么质量中心会局部发生漂移。质量中心会局部发生漂移。JA,z、JB,z是为了使是为了使JA,zJ

9、B,z0而定义的，而定义的，即即JA,z、JB,z是相对于一个移动的扩是相对于一个移动的扩散面而定义的扩散通量。散面而定义的扩散通量。组分组分A的扩散量的扩散量JA,z组分组分B的扩散量的扩散量JB,zAAAAAAAABBBBBBBB质量中心面质量中心面（2）JA,zJB,z由由JA,zJB,z0可证得。可证得。14化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章一菲克定律一菲克定律（3）DA,B是物性。是物性。DA,B（气）气）10-5m2/sDA,B（液）液）10-9m2/sDA,B（固）固）1）代表总体流动的影响代表总体流动的影响或写成或写成23化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八

10、章思考：思考：为什么单向扩散比等摩尔相互扩散多一为什么单向扩散比等摩尔相互扩散多一个大于个大于1 1的漂流因数？的漂流因数？在等分子相互扩散中，组分在等分子相互扩散中，组分A移走后，出现的空位会移走后，出现的空位会由组分由组分B补位，故补位，故Nz0，即无总体流动。，即无总体流动。在单向扩散中，组分在单向扩散中，组分A移走后，出现的空位会由周围移走后，出现的空位会由周围混合物（混合物（AB）补位，故）补位，故Nz 0，即有总体流动。考虑，即有总体流动。考虑到这部分由总体流动引起的组分到这部分由总体流动引起的组分A的扩散通量的扩散通量，因而因而单向扩散的扩散通量要比等分子相互扩散的大。单向扩散的

11、扩散通量要比等分子相互扩散的大。思考：思考：混合物中混合物中A A组分的浓度愈高，漂流因数组分的浓度愈高，漂流因数则如何变化？为什么？则如何变化？为什么？24化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章2单向扩散单向扩散前面已推得：前面已推得：若将式中带有下标若将式中带有下标2的各项的下标去掉，可得：的各项的下标去掉，可得：-cB（或（或cA）随）随z呈对数函数变化呈对数函数变化返回目录返回目录作业：作业：25化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第三节第三节 对流传质对流传质回忆：回忆：如图，得到假想的气膜和液膜，如图，得到假想的气膜和液膜，并认为在气（液）膜中传质方式并认为在气（

12、液）膜中传质方式均为分子扩散。均为分子扩散。于是对流传质的阻力就都集中于是对流传质的阻力就都集中在假想的气膜和液膜中。在假想的气膜和液膜中。对流传质对流传质-发生在湍流流动的流体中，发生在湍流流动的流体中，靠流体微团的脉动进行的。靠流体微团的脉动进行的。相界面相界面传质传质层流底层层流底层气体气体液体液体cALcAGcAi气膜气膜液膜液膜湍流主体湍流主体湍流主体湍流主体边界层边界层边界层边界层u湍流主体因浓度均一无传质阻力；湍流主体因浓度均一无传质阻力；u层流底层传质方式为分子扩散，阻力最大；层流底层传质方式为分子扩散，阻力最大；u过渡区（湍流主体与层流底层之间）传质过渡区（湍流主体与层流底层

13、之间）传质方式为分子扩散和对流传质（脉动）。方式为分子扩散和对流传质（脉动）。一、对流传质机理分析：一、对流传质机理分析：二、膜模型：二、膜模型：26化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第三节第三节 对流传质对流传质三、传质模型简介三、传质模型简介（详见教材（详见教材P60第九章第五节）第九章第五节）-即膜模型即膜模型-即膜模型即膜模型27化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第三节第三节 对流传质对流传质1 1、双膜模型、双膜模型要点：要点：(1)相相界界面面两两侧侧流流体体的的对对流流传传质质阻阻力力全全部部集集中中在在界界面面两两侧侧的的两两个个停停滞滞膜膜内内，膜膜内

14、内传传质质方方式式为为分子扩散。分子扩散。(2)相相界界面面上上没没有有传传质质阻阻力力，即即可可认认为为所所需需的的传传质质推推动动力力为为零零，或或气气液液两两相相在在相相界界面面处处达达到到平衡。平衡。气膜气膜 液膜液膜回忆：回忆：膜模型膜模型28化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第三节第三节 对流传质对流传质对流传质方程：对流传质方程：若为单向扩散，在液相中有：若为单向扩散，在液相中有：对照对流传质方程，可知：对照对流传质方程，可知：可见，可见，kL DL29化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第三节第三节 对流传质对流传质双膜模型缺陷：双膜模型缺陷：界面阻力不界

15、面阻力不计计，这这是一个尚有争是一个尚有争议议的的问题问题。只适用与有固定相界面的情形；只适用与有固定相界面的情形；，与实际不符；，与实际不符；30化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第三节第三节 对流传质对流传质2、溶质渗透模型：希格比（、溶质渗透模型：希格比（Higbie）1935年提出年提出31化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第三节第三节 对流传质对流传质由由丹丹克克沃沃茨茨（Danckwerts）1951年年提提出出，是是溶溶质质渗渗透透模型的修正。模型的修正。3、表面更新模型、表面更新模型 总之，由于传质的复杂性，目前尚没有一个完总之，由于传质的复杂性，目前尚

16、没有一个完善的传质理论可用。善的传质理论可用。32化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第三节第三节 对流传质对流传质四、对流传质方程四、对流传质方程回忆回忆：牛顿冷却定律：牛顿冷却定律q=(t-tw)影响对流传质系数影响对流传质系数k 的因素：的因素：u流动状况流动状况u物性物性u操作温度和压力操作温度和压力u传质面几何特性等。传质面几何特性等。注意，与注意，与 类似，类似，不是物性不是物性-施密特数施密特数Sc=/D，与，与Pr相当相当-舍伍德数，舍伍德数，与与Nu相当相当33化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章第三节第三节 对流传质对流传质五、对流传质系数经验式五、对流

17、传质系数经验式获取获取k的途径：的途径：实验方法实验方法湿壁塔：湿壁塔：返回目录返回目录（详见教材（详见教材P60第九章第五节）第九章第五节）34化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章小结小结一重要概念一重要概念分分子子扩扩散散、对对流流传传质质、扩扩散散通通量量、绝绝对对扩扩散散通通量量、总总体体流流动动通通量量、漂漂流流因因数数、膜膜模模型型要要点点、对对流流传传质质机机理理、影影响响对对流传质的因素。流传质的因素。二公式二公式菲克定律：菲克定律：对流传质方程：对流传质方程：35化工原理化工原理电子教案电子教案/第八章第八章小结小结三三双组分、一维稳态分子扩散举例双组分、一维稳态分子扩散举例等分子相互扩散等分子相互扩散单向扩散单向扩散特点特点36