化工原理第四版谭天恩传质过程导论课件.pptx

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1、化工原理化工原理电子教案电子教案/目录目录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化工原理化工原理电子教案电子教案/目录目录2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 小结小结化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章3/36第八章第八章 传质过程导论传质过程导论 质量传递质

2、量传递热量传递热量传递动量传递动量传递三传三传 非均相混合物非均相混合物均相混合物均相混合物分分离离 场场、电电场场、磁磁场场等等加加场场，如如浓浓度度场场、温温度度加加入入能能量量分分离离剂剂加加入入另另外外一一种种物物质质作作为为方方法法利用某种性质利用某种性质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、压在浓度差、温度差、压力差等推动力作用下，从一处力差等推动力作用下，

3、从一处向另一处的转移过程。包括相向另一处的转移过程。包括相内传质和相际传质两类。内传质和相际传质两类。转第转第5 5页页化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章4/36可可被被利利用用于于分分离离的的性性质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

4、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页返回上页化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章5/36第一节第一节 概述概述 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（乙醇液相（乙醇-水

5、）水） 蒸馏蒸馏 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 相相界界面面 苯苯 CG 液液相相主主体体 Ci 液液相相主主体体 传传质质方方向向 CL 煤煤焦焦油油（含含苯苯酚酚） 液液液液萃萃取取 空气空气 水水 湿物料湿物料 干燥干燥 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、解解吸吸气气化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章6/36第一节第一节 概述概述二、相平衡二、相平衡-相

6、际间传质的最终状态相际间传质的最终状态 相界面相界面 气相气相 液相液相 A 与热平衡不同之处：与热平衡不同之处：达到相平衡时，一般两相达到相平衡时，一般两相 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 达到相平衡时，传质过程达到相平衡时，传质过程仍在进行。仍在进行。两相浓度不变了，达到了两相浓度不变了，达到了平衡，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 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章7/36第一节第一节 概述概述对对气气体体，还还可可以以用用Ap表表示示浓浓度度三、相组成的表示方法三、相组成的表示方法转下页转下页化工原理化工

7、原理电子教案电子教案/ /第八章第八章8/361 BAxx1 BAww BBAAAAAMwMwMwx/ BBAAAAAMxMxMxwxxX 1XXx 1www 1www 1cxcAA AAw 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？ w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？ 返回上页返回上页化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章

8、第八章9/36思考思考5：cA与与 A的关系？的关系？ 思考思考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？ RTpVncAAA 通通用用气气体体常常数数KkmolJR /8314AAAMc RTPVnc PpnnyAAA RTMpVnMVmAAAAAA 返回第返回第7 7页页化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章10/36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

9、。 -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。 返回目录返回目录化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章11/36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 s化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章12/36第二节第二节 分子扩散分子扩散 二菲克定律二菲克定律ntq 傅

10、立叶定律：傅立叶定律： dydu 1855年年Fick用与傅立用与傅立叶定律类比的方法而叶定律类比的方法而不是用实验方法提出不是用实验方法提出的。的。dzdcDJAABzA ,表表示示扩扩散散方方向向与与浓浓度度梯梯度度方方向向相相反反 dzdcDJBBAzB ,扩扩散散通通量量，kmol/m2 sA 在在 B 中中的的扩扩散散系系数数 m2/s对二元体系对二元体系 DA,B DB,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。对照：对照：牛顿粘性定律：牛顿粘性定律：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章13/36第二节第二节 分子扩散分子扩散菲

11、克定律的其它表达形式：菲克定律的其它表达形式：dzdpRTDdzdxcDJAABAABzA ,dzdcDJAABzA ,化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章14/36一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,z JB,z0而定义的而

12、定义的，即，即JA,z、 JB,z是相对于一个移动的是相对于一个移动的扩散面而定义的扩散通量。扩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,z JB,z由由JA,z JB,z0可证得。可证得。化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章15/36一菲克定律一菲克定律（3）DA,B是物性。是物性。),(,xTPfDBA DA,B（气）（气） 10-5m2/sDA,B（液）（液） 10-9m2/s DA,B（固）（固） 1）代表总体流动的影响代表总体流动的影响对对照照：等等摩摩尔尔相

13、相互互扩扩散散 2112,AAzAcczzDN 或写成或写成 化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章24/36 NB=0 A NA 相界面相界面 单向扩散单向扩散 NB B NA A 相界面相界面 等摩尔相互扩散等摩尔相互扩散 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

14、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？，故，故，则，则 1212lnBBBBBBAcccccccm mBcc漂流因数漂流因数化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章25/362单向扩散单向扩散11lnln11,BBAAzAcczzcD

15、cccczzcDN 121121lnlnzzzzccccBBBB CB2 CB1CA1 CA2 z 相界面相界面前面已推得：前面已推得：1212lnln1212,BBAAzAcczzcDcccczzcDN 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：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章26/36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（液）膜中传质方式均为分子扩散

16、。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）传过渡区（湍流主体与层流底层之间）传质方式为分子扩散

17、和对流传质（脉动）。质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：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章27/36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） 表面更新模型表面更新模型溶质渗透模型溶质渗透模型双膜模型双膜模型-即膜模型即膜模型-即膜模型即膜模型化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章28/36第三节第三节 对流传质对流传质1 1、双膜模型、双膜模型 pG pi 传传质质方方向向 Ci 气气相相主主体体 液液相相主主体体 CL G

18、 L z 距距离离 双双膜膜模模型型 组组成成 要点：要点： (1) 相界面两侧流体的相界面两侧流体的对流传质阻力全部集中对流传质阻力全部集中在界面两侧的两个停滞在界面两侧的两个停滞膜内，膜内传质方式为膜内，膜内传质方式为分子扩散。分子扩散。 (2)相界面上没有传质相界面上没有传质阻力，即可认为所需的阻力，即可认为所需的传质推动力为零，或气传质推动力为零，或气液两相在相界面处达到液两相在相界面处达到平衡。平衡。气膜气膜 液膜液膜回忆：回忆：膜模型膜模型化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章29/36第三节第三节 对流传质对流传质 气气膜膜 液液膜膜 pG pi 传传质质方方向向 C

19、i 气气相相主主体体 液液相相主主体体 CL G L z 距距离离 双双膜膜模模型型组组成成 2121ppkcckNGLA对流传质方程：对流传质方程：)(21AABmLLAccccDN BmLLLccDk 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 DL化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章30/36第三节第三节 对流传质对流传质LLDk 双膜模型缺陷：双膜模型缺陷： 界面阻力不计，这是一个尚有争议的问题。界面阻力不计，这是一个尚有争议的问题。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

20、符；，与实际不符；化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章31/36第三节第三节 对流传质对流传质界面界面 CAi 23 4 CA0 10 距界面距离距界面距离经推导，得经推导，得LLDk ，与实验结果相吻合。与实验结果相吻合。特点：强调形成稳定浓度梯度的过特点：强调形成稳定浓度梯度的过 渡阶段渡阶段 缺陷：认为各批旋涡与气相接触的缺陷：认为各批旋涡与气相接触的 时间相同时间相同 2、溶质渗透模型：希格比（、溶质渗透模型：希格比（Higbie）1935年提出年提出相界面微团cAiC0AC化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章32/36第三节第三节 对流传质对流传质 由丹克

21、沃茨（由丹克沃茨（Danckwerts）1951年提出，是溶质渗透年提出，是溶质渗透模型的修正。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，目前尚没有一个完善的传质理论可用。善的传质理论可用。化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章33/36第三节第三节 对流传质对流传质传质系数传质系数 2121ppkcckNGLA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

22、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 ScfShRe, DScDklSh -舍伍德数，舍伍德数，与与Nu相当相当化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章34/36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：44. 08 . 0Re023. 0ScSh 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）化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章35/36小结小结dzdcDJAABzA , zBzAAzAzANNxJN, 2121ppkcckNGLA 一重要概念一重要概念 分子扩散、对流传质、扩散通量、绝对扩散通量、总体流分子扩散、对流传质、扩散通量、绝对扩散通量、总体流动通量、漂流因数、膜模型要点、对流传质机理、影响对动通量、漂流因数、膜模型要点、对流传质机理、影响对流传质的因素。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：化工原理化工原理电子教案电子教案/ /第八章第八章36/36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