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1、*1第八章第八章 传质过程导论传质过程导论一、一、工业生产中的传质工业生产中的传质过程过程 二、二、相组成的表示方法相组成的表示方法 第一节第一节 概概 述述*2本章知识点l 分子传质与对流传质l 传质速率l 扩散系数l 一维稳态分子扩散l 流体与界面间的对流传质l 化工生产中常见的传质过程l 相组成的表示方法*3一、化工生产中常见的传质过程一、化工生产中常见的传质过程（1 1）吸收）吸收（2 2）气体增湿）气体增湿（3 3）萃取）萃取（4 4）浸取）浸取（5 5）结晶）结晶（6 6）吸附）吸附（7 7）干燥）干燥（8 8）精馏）精馏特点：相间传质特点：相间传质*4二、相组成的表示法二、相组成
2、的表示法1、质量分数质量分数 w 和摩尔分数和摩尔分数x质量分数：混合物中某组分的质量占总质量的百分数。质量分数：混合物中某组分的质量占总质量的百分数。摩摩尔尔分分数数：混混合合物物中中某某组组分分的的物物质质的的量量占占总总物物质质的的量量的的百分数。百分数。二者之间的关系二者之间的关系*52 2、质量浓度和摩尔浓度、质量浓度和摩尔浓度质量浓度：单位体积中所含有的某物质的质量质量浓度：单位体积中所含有的某物质的质量摩尔浓度：单位体积中所含有的某物质的物质的量摩尔浓度：单位体积中所含有的某物质的物质的量二者之间的关系：二者之间的关系：*63 3、质量比和摩尔比、质量比和摩尔比质量比与质量分数之
3、间的关系质量比与质量分数之间的关系摩尔比与摩尔分数之间的关系摩尔比与摩尔分数之间的关系质量比与摩尔比之间的关系质量比与摩尔比之间的关系*74 4、气体混合物、气体混合物*8第八章第八章 传质过程导论传质过程导论一、一、分子扩散与费克扩分子扩散与费克扩散定律散定律 二、扩散系数二、扩散系数三、三、一维稳态分子扩散一维稳态分子扩散 第二节第二节 扩散原理扩散原理*9一、分子扩散与菲克扩散定律一、分子扩散与菲克扩散定律 1 分子扩散：分子扩散：在在浓浓差差推推动动力力的的作作用用下下，由由于于分分子子的的无无规规则热运动而造成的质量传递现象。则热运动而造成的质量传递现象。2菲克扩散定律菲克扩散定律
4、1）扩散通量）扩散通量：单单位位时时间间通通过过单单位位面面积积扩扩散散传传递递的的物物质质的的量量，单位：单位：kmol/(m2s)。分子扩散动画分子扩散动画*102）菲克扩散定律）菲克扩散定律 3）分子扩散系数间的关系）分子扩散系数间的关系对于双组分气体：对于双组分气体：*11根据菲克定律：根据菲克定律：由由A A、B B两种气体所构成的混合物中，两种气体所构成的混合物中，A A与与B B的扩散系数相等。的扩散系数相等。*12说明：说明：（1）JA 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表示）表示）（2）DAB是物性参数之一是物性参数之一 DAB（气）（气）10-
5、5m2/sDAB（液）（液）10-9m2/s DAB（固）（固）10-10m2/s*13二、分子扩散系数二、分子扩散系数 分分子子扩扩散散系系数数简简称称扩扩散散系系数数，它它是是物物质质的的特特性性常常数数之之一一。同同一一物物质质的的扩扩散散系系数数随随介介质质的的种种类类、温温度度、压压强强及及浓浓度度的的不不同同而而变变化化。物物质质在在不不同同条条件件下下的的扩扩散散系系数数一一般般需需要要通过实验测定。通过实验测定。1、物质在气体中的扩散系数、物质在气体中的扩散系数 气体气体A在气体在气体B中的扩散系数，可按中的扩散系数，可按Fuller公式估算公式估算*142、物质在液体中的扩散
6、系数、物质在液体中的扩散系数 物物质质在在液液体体中中的的散散系系数数与与组组分分的的性性质质、温温度度、粘粘度度以以及及浓度有关。浓度有关。对于很稀的非电解溶液，物质在液体中的扩散系数对于很稀的非电解溶液，物质在液体中的扩散系数 分分子子扩扩散散体体积积V是是1mol物物质质在在其其正正常常沸沸点点下下呈呈液液态态时时的的体体积积，它它表表征征的的是是分分子子本本身身所所占占据据空空间间的的大大小小，可可由由正正常常沸沸点点下下的的液体密度来计算。液体密度来计算。*15三、一维稳态分子扩散三、一维稳态分子扩散 1等摩尔反向扩散（等摩尔互扩散）等摩尔反向扩散（等摩尔互扩散）1）含义）含义 例如
7、理想物系精馏过程例如理想物系精馏过程*162）传递速率）传递速率 在在任任一一固固定定的的空空间间位位置置上上，单单位位时时间间通通过过单单位位面面积积的的A物质量，称为物质量，称为A的传递速率，以的传递速率，以NA表示。表示。分离变量并进行积分，积分限为：分离变量并进行积分，积分限为：由于等摩尔互扩散没有总体流动，所以有：由于等摩尔互扩散没有总体流动，所以有：*17传质速率为：传质速率为：2 2、一组分通过另一停滞组分的扩散、一组分通过另一停滞组分的扩散(单向扩散单向扩散)1 1）含义）含义 *18例如吸收例如吸收2 2）传递速率）传递速率物质物质A A随总体流动向右传递的通量为：随总体流动
8、向右传递的通量为：气相主体液相主体相界面 单向扩散示意图*19物质物质B随总体流动向右传递的通量为随总体流动向右传递的通量为 而而*20将将 和和代入代入 若扩散在气相中进行，则：若扩散在气相中进行，则：*21即即分离变量后积分分离变量后积分*22漂流因子漂流因子因因ppBm，所以漂流因子，所以漂流因子 它反映总体流动对对流传质的推动作用。它反映总体流动对对流传质的推动作用。*23第八章第八章 传质过程导论传质过程导论一、层流流动一、层流流动界面浓度分布界面浓度分布 二、二、湍流流动湍流流动界面浓度分布界面浓度分布 三、湍流流体中的扩散三、湍流流体中的扩散四、湍流流体与界面间的传四、湍流流体与
9、界面间的传质质 第三节第三节 流体与界面间传质流体与界面间传质*24一、层流流动时界面浓度分布一、层流流动时界面浓度分布 层流时溶质在垂直于流动方向上的传递方式为分子扩散，但流动改变了横截面上的浓度分布。以气液相界面传质为例，组分的浓度分布由静止气体的直线1变为曲线2。由于界面浓度梯度变大，强化了传质由于界面浓度梯度变大，强化了传质 二、湍流流动时界面浓度分布二、湍流流动时界面浓度分布 湍流中质点的脉动促进了物质的横向传递，流体主体的浓度分布平均化，如图中曲线3所示，界面处的浓度梯度变得更大。在主体与界面浓度差相等的情况下，传递速率得到进一步的提高。*25由由于于对对流流扩扩散散作作用用包包含
10、含分分子子扩扩散散和和湍湍流流扩扩散散两两部部分分，所以所以总的传质速率总的传质速率=分子扩散速率分子扩散速率+湍流扩散速率湍流扩散速率DE湍流扩散系数湍流扩散系数湍流主体：湍流主体：过渡层：过渡层：数量级基本相当；数量级基本相当；层流底层：层流底层：，分子扩散起主要作用，分子扩散起主要作用 三、湍流流体中的扩散三、湍流流体中的扩散对流传质对流传质*26四、湍流流体与界面间的传质四、湍流流体与界面间的传质 湍湍流流传传质质需需要要同同时时考考虑虑湍湍流流扩扩散散及及分分子子扩扩散散，但但由由于于湍湍流流扩扩散散系系数数DE不不能能通通过过理理论论计计算算得得到到。为为了了简简化化计计算算，通通
11、常常将将总总传传质质阻阻力力折折算算成成某某一一厚厚度度为为e的的层层流流膜膜的的阻阻力力，这这样样就就将将对对流流传传质质视视为为通通过过距距离离e的的分分子子扩扩散散，这这种种简简化化就就称称为为膜膜模型模型。根据膜模型，若为单相扩散，根据膜模型，若为单相扩散，则在气相中：则在气相中：在液相中：在液相中：*27气膜传质系数，气膜传质系数，液膜传质系数，液膜传质系数，*28第八章第八章 传质过程导论传质过程导论一、一、板式塔板式塔 二、填二、填料塔料塔第四节第四节 传质设备简介传质设备简介*29 板式塔是一种应用极为广泛的气液传质板式塔是一种应用极为广泛的气液传质设备，它通常由一个呈圆柱形的
12、壳体设备，它通常由一个呈圆柱形的壳体及其中按一定间距水平设置的若干塔及其中按一定间距水平设置的若干塔板所组成。板所组成。如图所示如图所示，板式塔正常工，板式塔正常工作时，液体在重力作用下自上而下通作时，液体在重力作用下自上而下通过各层塔板后由塔底排出；气体在压过各层塔板后由塔底排出；气体在压差推动下，经均布在塔板上的开孔由差推动下，经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出，下而上穿过各层塔板后由塔顶排出，在每块塔板上皆贮有一定的液体，气在每块塔板上皆贮有一定的液体，气体穿过板上液层时，两相接触进行传体穿过板上液层时，两相接触进行传质。质。板式塔板式塔*30为为有有效效地地实实现现气
13、气液液两两相相之之间间的的传传质质，板板式式塔塔应应具具有有以以下下两两方方面的功能：面的功能：在在每每块块塔塔板板上上气气液液两两相相必必须须保保持持充充分分接接触触，为为传传质质过过程提供足够大且不断更新的相际接触面积，减小传质阻力；程提供足够大且不断更新的相际接触面积，减小传质阻力；在在塔塔内内应应尽尽量量使使气气液液两两相相呈呈逆逆流流流流动动，以以提提供供最最大大的的传质推动力。传质推动力。当当气气液液两两相相进进、出出塔塔设设备备的的浓浓度度一一定定时时，两两相相逆逆流流接接触触时时的的平平均均传传质质推推动动力力最最大大。在在板板式式塔塔内内，各各块块塔塔板板之之间间正正是是按按
14、两相逆流的原则组合起来的。两相逆流的原则组合起来的。*31但但是是，在在每每块块塔塔板板上上是是不不可可能能实实现现逆逆流流流流动动的的。为为获获得得尽尽可可能能大大的的传传质质推推动动力力，在在塔塔板板设设计计中中只只能能采采用用错错流流流流动动的的方方式式，即液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层。即液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层。由由此此可可见见，除除保保证证气气液液两两相相在在塔塔板板上上充充分分接接触触之之外外，板板式式塔塔要要在在塔塔内内创创造造一一个个对对传传质质过过程程最最有有利利的的理理想想流流动动状状态态，即即在在总总体体上上两两相相呈呈逆逆流流流流动动，而而在在每每一
15、一块块塔塔板板上上两两相相呈呈均均匀匀的错流流动的错流流动。*32 填料塔是以塔内的填料作为气液两填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。相间接触构件的传质设备。填料塔的填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。压板，以防被上升气流吹动。液体从液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。沿填料表面流下。填料塔填料塔*33 气体从塔底送入，经气体分布装置分布后
16、，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液体流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置液体再布装置。填料塔的操作特性及其优缺点填料塔的操作特性及其优缺点？*34 液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高填料造价高；当液体流量较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率下降；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏过程不适用等。*3535