第八章 传质过程导论

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1、第八章传质过程导论第一节概述8-1物质传递过程(传质过程)传质过程•相内传质过程•相际传质过程相内传质过程：物质在一个物相内部从浓度(化学位)高的地方向浓度(化学位)高的地方转移的过程。实例：煤气、氨气在空气中的扩散，食盐在水中的溶解等等。相际传质过程：物质由一个相向另一个相转移的过程。相际传质过程是分离均相混合物必须经历的过程，其作为化工单元操作在工业生产中广泛应用，如蒸馏、吸收、萃取等等。几种典型的相际传质过程●吸收：物质由气相向液相转移，如图8-1所示 相界面气相液相A+BS+AA  图8-1吸收传质过程●蒸馏：不同物质在汽液两相间

2、的相互转移，如图8-2所示。相界面气相液相A+BS+AA  B图8-2蒸馏传质过程●萃取，包括液-液萃取和液-固萃取液-液萃取：物质从一个相向另一个相转移。例如用四氯化碳从水溶液中萃取碘。液-固萃取：物质从固相向液相转移。10●干燥：液体(通常为水)由固相向气相转移其它相际传质过程：如结晶、吸附、气体的增湿、减湿等等。传质过程与动量传递、热量传递过程比较有相似之处，但比后二者复杂。例如与传热过程比较，主要差别为：(1)平衡差别传热过程的推动力为两物体(或流体)的温度差，平衡时两物体的温度相等；传质过程的推动力为两相的浓度差，平衡时两相的浓

3、度不相等。例如1atm,20ºC下用水吸收空气中的氨，平衡时液相的浓度为0.582kmol/m3，气相的浓度为3.28×10-4kmol/m3，两者相差5个数量级。(2)推动力差别传热推动力为温度差，单位为ºC，推动力的数值和单位单一；而传质过程推动力浓度有多种表示方法无(例如可用气相分压、摩尔浓度、摩尔分数等等表示)，不同的表示方法推动力的数值和单位均不相同。8-2浓度及相组成的表示方法1.　质量分数和摩尔分数●质量分数：用w表示。以A、B二组分混合物为例，有wA=(8-1)　●质量分数：用x或y表示。以A、B二组分混合物为例，有　　x

4、A=(8-2)2.　质量比与摩尔比●质量比：混合物中一个组分的质量对另一个组分的质量之比，用表示。以A、B二组分混合物为例，有(8-3)●摩尔比：混合物中一个组分的摩尔数对另一个组分的摩尔数之比，用X表示。以A、B二组分混合物为例，有(8-4)使用质量比或摩尔比在某些计算如吸收、干燥计算中较为方便。3.　浓度　　包括质量浓度和摩尔浓度，后者较常用。第二节扩散原理8-3基本概念和费克定律10分子扩散：物质依靠分子运动从浓度高的地方转移到浓度低的地方，称为分子扩散。分子扩散在静止或呈层流流动的流体中进行。实例：空气中气味的传播，食盐在静止的水

5、中的溶解等等。描述分子扩散传质速率的关系式—费克定律(8-5)式中JA:A的分子扩散通量，kmol/m2.s；DAB:扩散系数，m2/s；：浓度梯度，kmol/m4。8-3基本概念和费克定律对于气相物系，常用组分分压表示组成，在常压下视气体为理想气体，则有cA=pA/(RT)，代入式(8-5)得(8-6)在涉及“通量”的参数的计算中，存在基准面的确定问题，式(8-5)和式(8-6)中的扩散通量是基于“分子对称面”的通量。所谓分子对称面，是从两侧扩散通过该截面的分子数相等的面。NN图8-3分子对称面在二个由连通管连接的全混合容器中进行二组分

6、等摩尔相互扩散实验，可以推导得到(1)在任何一个分子对称截面上，有JA+JB=0(8-7)这个结论可以推广到n组分物系，即(8-8)(2)对于二组分物系的相互扩散，有DAB=DBA=D=0(8-9)108-4一维稳定分子扩散将流体视为没有空隙的连续介质，当某一个分子进行扩散移动时，其原来所处的位置空了出来，这个空位由何处的其它分子来填充，产生了两类扩散问题，一类是此空位全由后面的分子来填充(前赴后继)，此类问题即为单向扩散问题；另一类是此空位全由相反方向的分子来填充(你来我往)，此类即为等摩尔相互扩散问题。单向扩散和等摩尔扩散是分子扩散的

7、两个极端，实际扩散一般介于这两者之间。一.等摩尔相互扩散由式(8-6)分离变量，在两个扩散截面进行积分得积分并整理得(8-10)传质通量的另一个参数是相对于固定点的传质通量，一般称其为传质速率，用N表示。对于等摩尔相互扩散，有NA=JA(8-11)同理，对于组分B有(8-12)如果对式(8-5)进行分离变量并积分可得NA=JA=(cA1-cA2)(8-13)NB=JB=(cB1-cB2)(8-14)二.　单向扩散对于任何一个n组分物系的扩散传质，存在下列普遍关系系Ni=Ji+xiNt(8-15)(8-16)对于如图8-4所示的二组分物系的

8、单向扩散，有108-4二组分物系的单向扩散(8-17)(8-18)由气液界面可知，NB=0，则由式(8-18)得且由JA+JB=0得JB=-JA，代入式(8-15)得分离变量并积分得得(8-1