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1、第四章傳質(zhì)過程,在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，如果存在濃度梯度，某一組分(或某些組分)將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動，該移動過程稱為傳質(zhì)過程。,化工單元操作，是化學(xué)工程的主要研究領(lǐng)域，是在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中具有共同的物理變化特點的基本操作。 工業(yè)上常見的吸收、精餾等操作過程就是通過物質(zhì)的傳遞來實現(xiàn)混合物分離，是典型的單元操作過程。, 1 傳質(zhì)過程概述,1-1 傳質(zhì)分離操作在化工生產(chǎn)中的作用,焦化廠用水吸收焦?fàn)t氣中的氨,1-2 傳質(zhì)分離操作的種類, 2 傳質(zhì)過程機(jī)理,物質(zhì)傳遞的三個步驟： 擴(kuò)散物質(zhì)從一相的主體擴(kuò)散到兩相界面； 在界面上的擴(kuò)散物質(zhì)從一相進(jìn)入另一相； 進(jìn)入另一相的擴(kuò)散物質(zhì)從界面向該相
2、的主體擴(kuò)散。,相平衡,與熱平衡不同： 相平衡時一般兩相濃度不相等，傳質(zhì)過程仍在進(jìn)行，只不過通過相界面的某一組分的凈傳質(zhì)量為零。屬動態(tài)平衡。,2-1 單相中的傳質(zhì),單相傳質(zhì)是指：物質(zhì)從一相主體到相界面和從相界面到另一相主體的擴(kuò)散。 單相流體內(nèi)物質(zhì)的傳遞方式有分子擴(kuò)散和對流擴(kuò)散兩種。,分子擴(kuò)散 如果在流體內(nèi)部存在某一組分的濃度差時，由于物質(zhì)分子的無規(guī)則運動，該組分將從較高濃度處向較低濃度處轉(zhuǎn)移，直至流體內(nèi)部達(dá)到濃度均勻為止。,Fick定律： 流體內(nèi)任一點處組分A的擴(kuò)散通量與該組分在擴(kuò)散方向上的濃度梯度成正比。,1等物質(zhì)的量反向定常態(tài)擴(kuò)散,NA,0= - NB,0 說明：在雙組分混合物體系中,當(dāng)物質(zhì)
3、總濃度CM在系統(tǒng)內(nèi)保持不變時,其組分A在分子擴(kuò)散的同時必然拌有物質(zhì)的量相等而方向相反的組分B的分子擴(kuò)散。這種現(xiàn)象叫等物質(zhì)的量反向分子擴(kuò)散。,在沒有物質(zhì)流動的單純等物質(zhì)的量反向擴(kuò)散過程，A組分的傳質(zhì)通量（NA）等于分子的擴(kuò)散通量，即 NA=NA,0,2. 單方向的擴(kuò)散,只有氨被水吸收，沒有物質(zhì)從液體向氣相作相反的液相傳遞。這種現(xiàn)象稱為A組分的單方向擴(kuò)散。,物料系統(tǒng)內(nèi)的分子擴(kuò)散是由物質(zhì)濃度（或分壓）差引起的分子微觀運動；總體流動是因系統(tǒng)內(nèi)流體主體與相界面處存在總壓差引起的流體流動的宏觀運行，其起因還是分子擴(kuò)散?？傮w流動是一種分子擴(kuò)散的伴生現(xiàn)象。在總體流動的流體中組分A和組分B的量與各自在混合氣體中
4、的分壓成正比。,分子是組分A從氣相擴(kuò)散到界面的傳質(zhì)推動力； 分母是傳質(zhì)阻力。 說明：在靜止或?qū)恿髁鲃拥牧黧w內(nèi)，物質(zhì)通過單位面積的傳質(zhì)速度與溶質(zhì)的分壓成正比，與溫度，擴(kuò)散距離、以及惰性組分B的對數(shù)平均分壓成反比。,擴(kuò)散系數(shù),擴(kuò)散系數(shù)即分子擴(kuò)散系數(shù)（m2s-1），是擴(kuò)散物質(zhì)在單位面積（m2）、單位濃度梯度（molm-4）下的擴(kuò)散速率（mol m2s-1）。 物質(zhì)的擴(kuò)散速度不僅取決于它本身，還與介質(zhì)、溫度、壓力有關(guān)。物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)一般通過實驗來決定。,1.氣體A在氣體B中的擴(kuò)散系數(shù) 2.組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù),半經(jīng)驗公式,估算在20和1.01310-5Pa下CO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)。 解：設(shè)A組分為
5、CO2，B組分為空氣 VA = 26.910-6m3.Mol-1 VB =20.110-6m3.Mol-1 Mr，A=34 Mr，B=29 T=273+20=293K P=1.01310-5Pa,渦流擴(kuò)散 一般分子的擴(kuò)散速度很小，例如，一杯水中滴入一滴紅墨水，紅色的擴(kuò)散很慢，這是因為靜止水的物質(zhì)擴(kuò)散只靠分子擴(kuò)散。為了加速紅色擴(kuò)散，用玻璃棒攪拌，水中質(zhì)點的運動使紅色很快擴(kuò)散。這種依靠流體質(zhì)點的運動而引起的物質(zhì)的擴(kuò)散稱為渦流擴(kuò)散。,DE為渦流擴(kuò)散系數(shù)。它不是流體的物理量，而是流動狀態(tài)的函數(shù)，與流動系統(tǒng)的幾何形狀、尺寸、所處的位置、流速、以及流體的物理性質(zhì)等影響因素有關(guān)。,對流擴(kuò)散（傳質(zhì)擴(kuò)散）,湍流
6、流體中的傳質(zhì)過程，既有分子擴(kuò)散又有渦流擴(kuò)散。湍流擴(kuò)散主要依靠流體微團(tuán)的湍動與渦流運動傳遞物質(zhì)，這種傳質(zhì)規(guī)模及速率都遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散。湍流主體與相界面間的傳質(zhì)稱為對流擴(kuò)散，這種擴(kuò)散現(xiàn)象要比分子擴(kuò)散復(fù)雜得多。,在兩相界面?zhèn)髻|(zhì)過程中，兩相界面有二種情況： （1）固定界面 氣、液兩相或液、固兩相間的界面為固定的表面。 （2）流動界面 氣、液兩相和液、液兩相的界面為流動的界面。,層流層：沒有與界面垂直的運動，物質(zhì)的傳遞為分子的擴(kuò)散。 過渡層：垂直運動不強(qiáng)，同時有分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散。 湍流層：很強(qiáng)的分子垂直運動，以渦流為主。,在氣相中，用分壓表示組分的含量 在液相中，用摩爾濃度表示組分的含量,lG，lL雖為
7、虛構(gòu)膜層厚度，但也有其物理意義。流體的湍動越強(qiáng)烈，層流越薄，膜層厚度越小，傳質(zhì)阻力小，傳質(zhì)通量大。,kG，kL-為氣膜、液膜傳質(zhì)分?jǐn)?shù)， PA，PA，i-為擴(kuò)散組分A在氣相主體與界面上的分壓 CA，CA，i-為擴(kuò)散組分A在液相主體與界面上的濃度。,2-2 相際間傳質(zhì),實際的傳質(zhì)過程是發(fā)生在相際之間的，如氣體吸附，先從氣相擴(kuò)散到氣、液界面，再從相界面擴(kuò)散到液相主體。 由于在兩相界面附近的流體流動狀況及傳質(zhì)過程非常復(fù)雜，難以觀測和進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述。此時，采用數(shù)學(xué)模型法是有益的。 對考查對象進(jìn)行分析簡化，構(gòu)成傳質(zhì)過程的物理模型，再用已有的理論和數(shù)學(xué)知識作出描述，建立數(shù)學(xué)模型，然后將此結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)作比較，以驗證其準(zhǔn)確性與合理性。,雙膜理論,在氣、液兩相之間有穩(wěn)定界面，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的形式連續(xù)通過這兩個膜層，膜層厚度隨流體的流動狀態(tài)而變化。 界面上沒有傳質(zhì)阻力，且成平衡狀態(tài)， 在氣、液之體內(nèi)，由于流體充分湍動，溶質(zhì)的濃度分布基本均勻，濃度梯度為零。即濃度梯度全部集中在有效膜內(nèi)。,本章小結(jié),單相傳質(zhì)原理 1）靜止流體內(nèi)部的分子擴(kuò)散原理 2）流動流體內(nèi)部的對流擴(kuò)散（傳質(zhì)擴(kuò)散）原理 相間傳質(zhì)的模型理論與傳質(zhì)速率方程式,
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