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1、环境工程学原理环境工程学原理主讲教师贺文智 第五章第五章 传质基础传质基础传质分离概述传质分离概述1质量传递的方式质量传递的方式2 均相混合物及其分离方法均相混合物及其分离方法 传质分离概述传质分离概述1均相混合物或均相物系均相混合物或均相物系 物系内部各处性质均匀,不存在相界面。 分离方法分离方法 对于均相物系，须造成一个两相物系，才能将其分离，并 且是根据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某个 组分或某些组分从一相向另一相转移以达到分离的目的。 物质在相间(内)的转移分离过程。 物质在介质中因化学势差的作用发生由化学势高的部位向化物质在介质中因化学势差的作用发生由化学势高的部位向化 学
2、势低的部位迁移的过程；质量传递可以在一相内进行，学势低的部位迁移的过程；质量传递可以在一相内进行， 也可能在相际进行。化学势的差异可由也可能在相际进行。化学势的差异可由浓度浓度、温度、压力和、温度、压力和 外加电场所引起外加电场所引起 质量传递质量传递 不仅是均相混合物分离的物理基础，而且也是反应过程中几不仅是均相混合物分离的物理基础，而且也是反应过程中几 种反应物互相接触以及反应产物分离的主要机理。种反应物互相接触以及反应产物分离的主要机理。 传质分离概述传质分离概述1 平衡分离过程平衡分离过程 平衡分离过程平衡分离过程 借助分离媒介借助分离媒介( (如热能、溶剂、吸附剂等如热能、溶剂、吸附
3、剂等) )使均相混合物系使均相混合物系统变为两相体系，再以混合物中各组分在处于平衡的两相中分配关系的差统变为两相体系，再以混合物中各组分在处于平衡的两相中分配关系的差异为依据而实现分离。平衡分离属于异为依据而实现分离。平衡分离属于相际传质过程相际传质过程。 传质分离概述传质分离概述1 平衡分离过程平衡分离过程 (1) 气液传质过程物质在气、液两相间的转移，包括气体的吸收(或脱吸)、气体的增湿(或减湿)、液体的蒸馏(或精溜)等单元操作过程。 (2) 液液传质过程物质在两个不互溶的液相间的转移，如液体的萃取等单元操作过程。 (3) 液固传质过程物质在液、固两相间的转移，主要包括结晶(或溶解)、液体
4、吸附(或脱附)、浸取等单元操作。 (4) 气固传质过程物质在气、固两相间的转移，包括气体吸附(或脱附)、固体干燥等。 传质分离概述传质分离概述1iiiKyxK Kii描述了汽描述了汽( (气气) )液两相平衡时液两相平衡时,i ,i组分在两相中的组成关系组分在两相中的组成关系; K; Kii值取决于值取决于物系特物系特 性及操作条件性及操作条件( (如温度和压力等如温度和压力等) )。yi、xiii组分在汽组分在汽( (气气) )相和液相中的组成。相和液相中的组成。分离因子分离因子ijii和和j j组分的分配系数之比组分的分配系数之比ijijKK在平衡分离过程中，在平衡分离过程中，ii组分在互
5、成平衡的两相中的组成关系常用组分在互成平衡的两相中的组成关系常用( (又称又称分配系数分配系数) )K Kii来表示，即来表示，即当当 ij偏离偏离1 1时，便可采用平时，便可采用平衡分离过程使均相混合物得衡分离过程使均相混合物得以分离以分离, , ij 越大越容易分离越大越容易分离. .(1) 相平衡 决定物质传递过程进行的极限，并为选择合适的分离方法提供依据;(2) 传递速率 决定在一定接触时间内传递物质的量，并为传质设备的设计提供依据. 2.1 2.1 分子传质分子传质( (扩散扩散) ) 质量传递的方式质量传递的方式22.1.1 2.1.1 分子扩散现象与费克定律分子扩散现象与费克定律
6、当流体内部某一组分存在浓度差时，则分子的当流体内部某一组分存在浓度差时，则分子的无规则热运动会使该组分从高浓度处向低浓度无规则热运动会使该组分从高浓度处向低浓度处转移，直至流体内部达到浓度均匀为止处转移，直至流体内部达到浓度均匀为止扩散通量扩散通量 单位时间内通过单位截面积扩散单位时间内通过单位截面积扩散 的物质量，的物质量，N NA,0A,0，mol/(mmol/(m2 2.s).s)分子扩散速率与物质性质、传质面积、浓度差分子扩散速率与物质性质、传质面积、浓度差和扩散距离等因素有关。和扩散距离等因素有关。分子传质是微观分子热运动的宏观结果分子传质是微观分子热运动的宏观结果,其在固体、液体和
7、气体中均能发生其在固体、液体和气体中均能发生与热量传递中的导热与热量传递中的导热和对流传热类似和对流传热类似, ,质量质量传递的方式有传递的方式有分子传分子传质质 ( (分子扩散分子扩散) )和和对流对流传质传质( (对流扩散对流扩散) )两类两类. . 2.1 2.1 分子传质分子传质( (扩散扩散) ) 质量传递的方式质量传递的方式22.1.1 2.1.1 分子扩散现象与费克定律分子扩散现象与费克定律在二元混合物的分子扩散中，某组分的扩散通量与其浓度梯度成正比A,0NAABdcDdl B,0NBBAdcDdl A+BA+BCA1CB1CA2CB2NA,0, NB,0 组分A,B的扩散通量
8、AdcdlBdcdl组分A,B在扩散方向上的浓度梯度 DAB(DBA) 组分A(B)在组分B(A)中的扩散系数,m2/sn 由A、B两组分组成的理想气体，宏观静态，系统各处温度、压力相同则气体中各处的物质总浓度为常数，即ABCcc总=-ABdcdcdldlA,0,0NNB ABBADD对于两组分的气体混合物，组分对于两组分的气体混合物，组分A A与组分与组分B B的相互扩散系数相等的相互扩散系数相等 2.1 2.1 分子传质分子传质( (扩散扩散) ) 质量传递的方式质量传递的方式22.1.1 2.1.1 分子扩散现象与费克定律分子扩散现象与费克定律单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质量
9、，称为传质通量.NM 流体整体流动经过截面的通量对于A组分，其传质通量NA为 液相(S+A) 气相(A+B)NANB=0NA,0NB,0NMyANMyB吸收过程的总体流动吸收过程的总体流动(A组分被吸收；B为不被吸收的惰性组分)对于B组分，其传质通量NB为 BB,0BN =NMN y 表示在伴有混合物总体流动的分子 传质过程中,组分A的实际传质通量.,0N =NAAMAN y 2.1 2.1 分子传质分子传质( (扩散扩散) ) 质量传递的方式质量传递的方式2 (1) Z=Z1 CA=CA1 (2) Z=Z2 CA=CA2用一段直径均匀的圆管将两个很大的容器连通,两容器内分别充有浓度不同的A、
10、B两种气体,其中 CA1CA2 、 CB1 CA2; CB1CB2系统总物质的量浓度C总恒定 (1) Z=Z1 CA=CA1 (2) Z=Z2 CA=CA2pVnRTAAAnpCVRT 质量传递的方式质量传递的方式2pB1=p总-pA1 ; pB2=p总-pA2故 pB2-pB1=pA1-pA2p 组分A通过停滞组分B扩散的传质通量较组分A、B进行等分子反方向扩散的传质通量相差p总/pBmp p总/pBm反映了总体流动对传质速率的影响，定义为“漂流因数漂流因数”p p总/pBm1，表明由于有总体流动而使物质A的传质速率较之单纯的分子扩散要大一些 2.1 2.1 分子传质分子传质( (扩散扩散)
11、 ) 质量传递的方式质量传递的方式2一般地，扩散系数与系统的温度、压力、浓度以及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关，只是温度及压力的函数，其与总压成反比，与绝对温度的1.75次方成正比。分子扩散系数简称扩散系数，是表示物质分子扩散速度大小的物质特性常数.液体中溶质的扩散系数不仅与物系的种类、温度有关，而且随溶质的浓度而变.气体中溶质的扩散系数一般在110-4 110-5 m2/s液体中溶质的扩散系数一般在110-9 110-10 m2/s 2.2 2.2 对流传质对流传质 质量传递的方式质量传递的方式2这种凭借流体质点的运动来传递物质的现象，称为涡流扩散。对
12、于涡流扩散，其扩散通量表达式为涡流扩散系数在湍流流体中，虽然有强烈的涡流扩散，但分子扩散是时刻存在的，涡流扩散的通量远大于分子扩散的通量，一般可忽略分子扩散的影响。表示了涡流扩散能力的大小，不是流体的物理性质，是流动状态的函数。湍流流体中，涡流扩散与分子扩散同时存在，总扩散通量 2.2 2.2 对流传质对流传质 质量传递的方式质量传递的方式2流动流体与两相界面之间的传质过程两相传质界面(1)固定界面：气固两相或液固两相间的界面(2)流动界面：气液两相或液液两相间的界面ppApA,iGQlOllG层流层层流层过渡层过渡层 湍流主体湍流主体n 层流内层中层流内层中 界面与流体之间的传质以分子扩散形
13、式进行的，浓度梯度大.n 缓冲层中 分子扩散与涡流扩散同时存在,且须同时考虑，浓度梯度变化缓慢.n 湍流中心 发生强烈的旋涡运动,传质主要为涡流扩散,分子扩散忽略,浓度梯度近似零. 2.2 2.2 对流传质对流传质 质量传递的方式质量传递的方式2 层流层浓度分布曲线与湍流层浓度分布曲线交点至两相传质界面间的流体层，厚度为lG.处理方法 将传质过程视为通过有效膜层的分子扩散过程。ppApA,iGQlOllG层流层层流层过渡层过渡层 湍流主体湍流主体气相液相气相液相气相液相kG气膜传质系数，mol/(m2.s.Pa).kL液膜传质系数，m/s 2.3 2.3 相际间的相际间的传质传质 质量传递的方
14、式质量传递的方式2pApA,icA,icAlGlL组分A从气相传递到液相的过程 组分A从气相主体扩散到相界面； 在相界面上组分A由气相转入液相； 组分A由相界面扩散到液相主体一般地，相界面上组分A从气相转入液相的过程很快，相界面的传质阻力可以忽略. 相际间传质阻力主要集中在气相和液相中. 在相互接触的气液两相间存在一个稳定的相界面,界面的两侧各有一个很薄的停滞膜，即气膜和液膜,气液两相间的传质为通过两停滞膜的分子扩散过程。 气膜、液膜以外的气、液两相湍流主体中,各处浓度均匀一致,无传质阻力存在. 在气液相界面处，气液两相处于平衡状态，亦无传质阻力存在。双膜模型双膜模型 ( (双阻力模型双阻力模型) )溶质渗透理论、表面更新理论、界面动力状态理论等分