第四章傳質(zhì)分離基礎(chǔ)

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爐氣中的氨

1-2傳質(zhì)分離操作的種類§

2傳質(zhì)過程機理物質(zhì)傳遞的三個步驟：擴散物質(zhì)從一相的主體擴散到兩相界面；在界面上的擴散物質(zhì)從一相進入另一相；進入另一相的擴散物質(zhì)從界面向該相的主體擴散。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散。

單相流體內(nèi)物質(zhì)的傳遞方式有分子擴散和對流擴散兩種。分子擴散如果在流體內(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)部達到濃度均勻為止。

Fick定律：流體內(nèi)任一點處組分A的擴散通量與該組分在擴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)擴散NA,0=-NB,0說明：在雙組分混合物體系中,當(dāng)物質(zhì)總濃度CM在系統(tǒng)內(nèi)保持不變時,其組分A在分子擴散的同時必然伴有物質(zhì)的量相等而方向相反的組分B的分子擴散。這種現(xiàn)象叫等物質(zhì)的量反向分子擴散。傳質(zhì)速率（或傳質(zhì)通量）NA：單位時間通過單位固定空間傳質(zhì)面積的物質(zhì)量，mol/(m2s)；AB等物質(zhì)的量反向擴散濃度分布

在沒有物質(zhì)流動的單純等物質(zhì)的量反向擴散過程，A組分的傳質(zhì)通量（NA）等于分子的擴散通量，即NA=NA,0AB1、對于理想氣體：兩點說明：2、DAB=DBA等物質(zhì)的量反向分子擴散現(xiàn)象多發(fā)生在兩個組分的摩爾氣化潛熱相近的蒸餾操作中。如苯和甲苯的混合物體系，因為它們彼此的摩爾氣化潛熱相近，所以對該混合物進行蒸餾操作時，若有1mol的難發(fā)揮組分（甲苯）從氣相向氣、液兩相界面擴散，則必然伴隨有近1mol的易揮發(fā)組分（苯）從相界面向氣相主體擴散。AB

在沒有物質(zhì)流動的單純等物質(zhì)的量反向擴散過程，A組分的傳質(zhì)通量（NA）等于分子的擴散通量，即NA=NA,0AB習(xí)題2.單方向的擴散

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組分的單方向擴散。

相界面氣相（A＋B）液相S主體流動三、傳質(zhì)的速度與通量物料系統(tǒng)內(nèi)的分子擴散是由物質(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，其起因還是分子擴散?？傮w流動是一種分子擴散的伴生現(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的分壓成正比。示例：用水吸收空氣中的氨單方向擴散相界面氣相（A＋B）液相S主體流動主體流動現(xiàn)象示例：用水吸收空氣

中的氨相界面氣相（A＋B）液相S主體流動

在多組分系統(tǒng)中，各組分在進行分子擴散的同時其微團常處于運動狀態(tài)—主體流動現(xiàn)象。三、傳質(zhì)的速度與通量2、總體流動NA，M：壓強差引起的宏觀運動組分A的傳質(zhì)通量為分子擴散通量和總體流動中組分A的傳質(zhì)通量之和。單方向傳質(zhì)過程中：1、分子擴散NA，0：物質(zhì)的濃度差相界面氣相（A＋B）液相S主體流動組分B的傳質(zhì)通量為零組分A的傳質(zhì)通量計算公式中：根據(jù)等物質(zhì)的量反向定常態(tài)擴散有：相界面氣相（A＋B）液相S主體流動積分:有相界面氣相（A＋B）液相S主體流動所以pB,m惰性組分B在相界面和氣相主體間的對數(shù)平均分壓得若用推動力與阻力之比來表示，則上式可改寫為：相界面氣相（A＋B）液相S主體流動其中：相界面氣相（A＋B）液相S主體流動討論漂流因數(shù)意義：漂流因子的影響因素：濃度高，漂流因數(shù)大，總體流動的影響大。低濃度，漂流因數(shù)近似等于1，總體流動的影響小。漂流因子體現(xiàn)了總體流動對傳質(zhì)速率的影響.

1）與等物質(zhì)的量反向擴散的傳質(zhì)通量計算式相比較，上面的式子多了

分子是組分A從氣相擴散到界面的傳質(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，擴散距離、以及惰性組分B的對數(shù)平均分壓成反比。相界面氣相（A＋B）液相S主體流動習(xí)題擴散系數(shù)

擴散系數(shù)即分子擴散系數(shù)（m2·s-1），是擴散物質(zhì)在單位面積（m2）、單位濃度梯度（mol·m-4）下的擴散速率（mol·m2·s-1）。物質(zhì)的擴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)的擴散系數(shù)一般通過實驗來決定。3、擴散系數(shù)如果沒有數(shù)據(jù)可查，可用有關(guān)的半經(jīng)驗公式。1.氣體A在氣體B中的擴散系數(shù)，可用FSG公式：依下式可以從已知的溫度和壓力時氣體物系的擴散系數(shù)來推算溫度為T和壓力為P時該物系的擴散系數(shù)：估算在20℃和1.013×10-5Pa下CO2在空氣中的擴散系數(shù)。解：設(shè)A組分為CO2，B組分為空氣

ΣVA=26.9×10-6m3.Mol-1ΣVB=20.1×10-6m3.Mol-1Mr，A=44Mr，B=29T=273+20=293KP=1.013×10-5Pa半經(jīng)驗公式

1.氣體A在氣體B中的擴散系數(shù)

2.組分在液相中的擴散系數(shù)

渦流擴散一般分子的擴散速度很小，例如，一杯水中滴入一滴紅墨水，紅色的擴散很慢，這是因為靜止水的物質(zhì)擴散只靠分子擴散。為了加速紅色擴散，用玻璃棒攪拌，水中質(zhì)點的運動使紅色很快擴散。這種依靠流體質(zhì)點的運動而引起的物質(zhì)的擴散稱為渦流擴散。

DE為渦流擴散系數(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)。

對流擴散（傳質(zhì)擴散）

湍流流體中的傳質(zhì)過程，既有分子擴散又有渦流擴散。湍流擴散主要依靠流體微團的湍動與渦流運動傳遞物質(zhì)，這種傳質(zhì)規(guī)模及速率都遠大于分子擴散。湍流主體與相界面間的傳質(zhì)稱為對流擴散，這種擴散現(xiàn)象要比分子擴散復(fù)雜得多。2.對流傳質(zhì)的機理

所謂對流傳質(zhì)的機理是指在傳質(zhì)過程中，流體以哪種方式進行傳質(zhì)。研究對流傳質(zhì)速率需首先弄清對流傳質(zhì)的機理。

層流內(nèi)層緩沖層湍流中心湍流流體流體與管壁間的濃度分布二、對流傳質(zhì)湍流主體層流內(nèi)層緩沖層傳質(zhì)機理：分子傳質(zhì)傳質(zhì)機理：渦流傳質(zhì)為主濃度分布：為一陡峭直線傳質(zhì)機理濃度分布：為一漸緩曲線濃度分布：為一平坦曲線分子傳質(zhì)渦流傳質(zhì)在與壁面垂直的方向上分為三層二、對流傳質(zhì)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。（2）有效膜模型

層流層：沒有與界面垂直的運動，物質(zhì)的傳遞為分子的擴散。

過渡層：垂直運動不強，同時有分子擴散與渦流擴散。

湍流層：很強的分子垂直運動，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雖為虛構(gòu)膜層厚度，但也有其物理意義。流體的湍動越強烈，層流越薄，膜層厚度越小，傳質(zhì)阻力小，傳質(zhì)通量大。習(xí)題kG，kL-為氣膜、液膜傳質(zhì)分數(shù)，PA，PA，i-為擴散組分A在氣相主體與界面上的分壓CA，CA，i-為擴散組分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，先從氣相擴散到氣、液界面，再從相界面擴散到液相主體。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，難以觀測和進行嚴格的數(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，以驗證其準確性與合理性。相際對流傳質(zhì)三大模型：雙膜模型、溶質(zhì)滲透模型、表面更新模型雙膜模