第四章 4.1 传质过程机理
化学反应与化工过程中的传质机理
化学反应与化工过程中的传质机理化学反应是化工过程中最基本和最重要的过程之一，而其中的传质机理则是决定化学反应能否顺利进行和效率的关键因素之一。
本文将介绍化学反应和化工过程中的传质机理及其对实际生产的影响。
化学反应的基本概念化学反应是指在化学作用下，原子之间发生重新组合的过程，使得物质的性质发生变化的现象。
化学反应可分为无机反应和有机反应两大类。
其中无机反应主要指元素间的反应，如Mg+2HCl=MgCl2+H2；有机反应则主要指碳氢化合物之间的反应，如甲烷与氧气反应生成二氧化碳和水，即CH4+2O2=CO2+2H2O。
化学反应中的传质机理传质机理是指物质在化学反应或化工过程中，从一个相（通常为气态、液态或固态）传移到另一个相的运动过程，它决定了化学反应或化工过程能否正常进行并且影响着化工过程的效率。
在化学反应中，传质主要包括质量传递和动量传递。
质量传递是指物质在空气、水、油、固体等不同相之间传递质量的过程。
在化工反应中，质量传递通常指液体或气体在反应器中混合的速率，该速率决定了反应物与催化剂之间的接触程度，从而影响着化学反应的速度和选择性。
高效的质量传递可以极大地提高化学反应和化工过程的效率。
动量传递则是指在流体中由于流体分子运动而发生的不同物质分子之间的相互作用和传递动量的过程。
在化学反应中，流体的运动状态可以影响化学反应的速度和选择性。
例如，液体中的对流可在反应器中产生湍流，从而增加反应物之间的接触，提高化学反应效率。
传质机理在化工工业中的应用传质机理为化工过程中化学反应的发生提供了理论基础，为工程师和科学家们研究和设计高效化工反应提供了方向。
在化工工业化学反应和化工生产过程中，通过选择适当的材料、调整流体流动速度、改变反应器形状和配置等方式，可以有效地控制传质过程，从而提高反应速率和反应产率，大大提高生产效率和产品质量。
总之，化学反应和化工过程中的传质机理是化学工程领域的重要研究对象，也是支持化工产业良性发展的重要理论基础。
传质机理、吸收机理、传质方向的判断
吸收的机理—双膜理论
双膜理论的基本论点是： （1） 相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各 1 存在着一个很薄（等效厚度分别为δ1 和δ2 ）的流体膜层。 1 2 溶质以分子扩散方式通过此两膜层。 （2）相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相 2 平衡状态。 （3）在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质阻力 3 可忽略不计，传质阻力集中在两个膜层内。
传质过程方向主要由相平衡方程 ye=f(x)来判定
例如：设在101.3KPa、200C下稀氨水的相平 衡方程为ye=0.94x，（1）使含氨10%的混合 气和x=0.05的氨水接触；（2）使y=0.05的 含氨混合气与x=0.1的氨水接触。
解：已知m=0.94 已知m=0.94
1） y=0.1，x=0.05 ye=0.94x=0.94×0.05 =0.047 故ye<y; xe=y/m=0.106 故xe>x; 说明多余部分氨气从 气相转入液相 2）y=0.05，x=0.1 ye=0.94x=0.94×0.1 =0.094 故ye<y; xe=y/m =0.053 故xe<x； 说明多余部分氨气从液 相转入气相
传质机理、吸收机理、传质方向 的判断
传质机理
在含有两个或两个以上的混合组 分体系中，如果存在浓度梯度，某些 组分就有高浓度区向低浓度区移动， 该移动过程就称为传质过程。 传质分离有：吸收、蒸馏、干燥、 萃取、膜分离等。
传质机理
静止流体中 分子扩散----借分子热运动发生在 界面滞留流流体中 流体主体与界面的扩散方式有 涡流扩散--借流体的湍动和漩涡传递物质，发生 在湍浓度之差。 传质速率正比于界面浓度与流体主体浓度之差。 用式子表示为： 用式子表示为： N=k
化工原理传质知识点总结
化工原理传质知识点总结一、基本概念1.1 传质的意义传质是指物质在不同相之间的传递过程。
在化工工程中，传质是指溶质在溶剂中的扩散、对流、传热、反应等传输现象。
1.2 传质的分类传质可以根据溶质与溶剂之间的接触方式分为不同的分类：（1）扩散传质：溶质在溶剂中的自由扩散过程，不需要外力的帮助。
（2）对流传质：通过溶剂的对流运动，加快溶质的扩散速率。
（3）辐射传质：发射源释放的辐射物质在空气中传输的过程。
1.3 传质的单位在化工工程中，我们通常使用质量通量或摩尔通量来描述传质的速率。
质量通量用kg/(m^2·s)或g/(cm^2·min)表示，摩尔通量用mol/(m^2·s)或mol/(cm^2·min)表示。
1.4 传质的驱动力传质的驱动力可以通过浓度差、温度差、压力差等来实现。
在传质过程中，驱动力越大，传质速率越快。
1.5 传质的应用传质在化工工程中有着广泛的应用，例如在化学反应中，传质过程可以影响反应速率和产物浓度。
在洗涤、脱水、吸附等过程中，传质也起到重要的作用。
二、传质过程2.1 扩散传质扩散传质是指溶质在溶剂中的自由扩散过程，不需要外力的帮助。
扩散传质的速率与溶质浓度梯度成正比，与扩散距离成反比，与传质物质的性质、温度等因素有关。
2.2 对流传质对流传质是指通过溶剂的对流运动，加快溶质的扩散速率。
对流传质速率与对流速度和溶质浓度梯度成正比，与传质物质的性质、温度等因素有关。
2.3 质量传递系数质量传递系数是评价传质速率的重要参数，表示单位时间内溶质通过单位面积的传质速率。
它与溶质的性质、溶剂的性质、温度、压力等因素有关。
2.4 传质速率传质速率是指单位时间内溶质通过单位面积的传质量。
它由传质物质的性质、浓度梯度、温度、压力等因素决定。
三、传质原理3.1 扩散传质的原理扩散传质的原理是由于溶质在溶剂中的无规则热运动。
在热运动的影响下，溶质会沿着浓度梯度自行扩散，直到浓度均匀。
化学工程基础：第四章 传质过程
二、液相扩散系数
D f (介质种类, T , CA)
溶剂的缔合参数 溶剂的相对分子质量
D
1.859
10 18
(M )1/ 2T V 0.6
溶液温度 （非电解质稀溶液）
溶液的粘度 溶质的摩尔体积
D 1109 ~ 5109 m2 / s
例4-3 水蒸气在空气中扩散系数的实验测定
将如图所示的装置放在328k的恒温箱内，立管中盛
分子扩散速率与物质性质、浓度差和扩散距离等因素有关。恒温恒 压下，组分A相对于组分B作定常态分子扩散时，其扩散速率可用费 克定律描述
费克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一
点处的扩散速率与该处A的浓度梯度成正比 ，其表达
式为：
N A,0
DAB
dcA dz
NA,0——组分A扩散速率（扩散通量），kmol/（m2·s） ——组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m
扩散相当于通过有效膜的单方向分子扩散，所以
NA
D RTz G
p pBm
(
pA
pAi )
令
kG
D RTz G
p pBm
N A kG ( pA pAi )
kG为气膜传质系数, 单位为mol/m2.s.Pa
2．液膜传质速率方程
同理可得
NA
D zL
cM cBm
(cAi
cA)
令
kL
D zL
cM cBm
中，物质传递主要是分子扩散和涡流扩散两种传质作用
之和， 即NA来自DdcA dz
DE
dcA dz
式中 DE 涡流扩散系数 , m2 / s
DE越大，表明流体质点在其浓度梯度方向上的脉动越剧烈，传 质速率越高。与分子扩散系数不同，涡流扩散系数不是流体的物
化工原理 传质
化工原理传质
传质是指在化工过程中，物质通过某种媒介从一个位置传递到另一个位置的过程。
传质过程的关键在于物质的分子之间的相互作用和传递。
传质可以分为以下几种类型：质量传递、热传递和动量传递。
质量传递是指物质的质量通过扩散、对流或反应等机制在系统中的传递。
热传递是指热量通过传导、对流或辐射等方式在系统中的传递。
动量传递则是指动量通过流体的运动在系统中的传递。
在传质过程中，存在三种基本的物质传递机制：扩散、对流和反应。
扩散是指物质由高浓度向低浓度的传递，是靠分子之间的随机热运动实现的。
对流是指物质随着流体的运动而传递的过程，可以是气体或液体的流动。
反应是指物质在满足一定的条件下发生化学反应，从而引起传质的过程。
传质过程可以用一些常见的数学模型来描述，如离散点模型、连续模型和微分模型等。
离散点模型是指将传质系统划分为若干离散的点，通过计算不同点之间的物质传递速率来研究传质过程。
连续模型则是将传质系统看作是连续的媒介，利用方程组来描述传质过程。
微分模型是通过建立微分方程来描述传质过程的变化规律。
在化工过程中，传质是一个非常重要的环节。
对于很多反应来说，传质速率是限制反应速度的因素之一。
因此，研究传质过程对于提高化工过程的效率和产品质量具有重要意义。
固液传质过程
固液传质过程一、概述固液传质是指在固体和液体之间发生的物质传递现象。
在化学、生物、环境等领域中，固液传质都是非常重要的过程。
例如，土壤中的植物根系吸收水分和养分就是通过固液传质实现的。
本文将详细介绍固液传质过程。
二、传质机理1. 扩散扩散是指分子或离子由高浓度区域自发地向低浓度区域移动的过程。
在固液界面上，扩散通常是最主要的传质机制。
扩散速率与浓度梯度成正比，与距离平方成反比。
2. 对流对流是指由于流体流动而导致物质移动的过程。
对流可以加速物质传输，但需要外力驱动，如重力、电场等。
3. 平衡吸附平衡吸附是指分子或离子在固体表面上吸附并与表面结合形成一个稳定的状态。
这种吸附通常不会改变溶液中物质总量。
三、影响因素1. 温度温度越高，分子运动越剧烈，扩散速率也越快。
2. 溶液浓度溶液浓度越高，浓度梯度越大，扩散速率也越快。
3. 固体颗粒大小固体颗粒越小，表面积就越大，吸附和扩散的速率也就越快。
4. 溶质分子大小溶质分子大小对扩散速率有影响。
分子较大的物质扩散速率较慢。
四、传质模型1. Fick第一定律Fick第一定律描述了在稳态条件下的扩散过程。
它表明传质通量与浓度梯度成正比。
2. Fick第二定律Fick第二定律描述了非稳态条件下的扩散过程。
它表明浓度随时间变化的速率与浓度梯度的二次导数成正比。
3. 费克-普朗克方程费克-普朗克方程综合考虑了对流和扩散两种传质机制。
它描述了在非稳态条件下物质传输的总通量。
五、应用案例1. 土壤中植物根系吸收营养植物根系吸收水分和营养元素的过程是一个典型的固液传质过程。
土壤中的水分和营养元素通过扩散和吸附等机制进入植物根系。
2. 污染物在地下水中的迁移地下水中污染物的迁移也是一个固液传质过程。
污染物通过对流和扩散等机制从高浓度区域向低浓度区域移动。
3. 药物在人体内的吸收和代谢药物在人体内的吸收和代谢也是一个固液传质过程。
药物通过扩散等机制进入人体细胞内，然后被代谢酶代谢并排出体外。
4-1传质过程
N AM
pA J B pB
代入：
即：
pA NA J A JB pB
4 传质过程 （45） 24
23:31:35
单方向扩散速率方程
又由于在等物质的量反向分子扩散中，有：
J A J B
故：
pA pA NA J A JA J A (1 ) mol m-2 s 1 pB pB
由理想气体方程有： 代入Fick定律为：
PA cA RT
dPA dc A RT
DAB dPA JA RT dz
23:31:35
4 传质过程 （45）
16
等摩尔相互定常态扩散
两容器等温、等压，分 别装有不同浓度的A、B混 合气体。当通过连通管内任 一截面处的两个组分的扩散 速率大小均相等时，此扩散 称为等物质的量反向定常态 扩散。
重点：传质过程机理 难点：传质速率方程
4. 传质过程
化学与环境工程学院李强
4.1 传质过程概述
什么是传质过程？ 在一个多组分的物系中，若存在浓度梯度，则某一 组分将会由高浓度区向低浓度区转移，该过程称为传 质过程。 传质过程可以在一相中进行，也可以在两相间进行。 在两相间的传质过程称为传质分离过程。
23:31:35
4 传质过程 （45）
4
传质分离操作的种类
（5）结晶 对混合物（蒸汽、溶液或熔融物） 采用降温或浓缩的方法使其达到过饱和状态， 析出溶质，得到固体产品。 （6）吸附 利用多孔固体颗粒选择性地吸附 混合物（液体或气体）中的一个组分或几个 组分，从而使混合物得以分离。其逆过程为 脱附过程。 （7）膜分离 利用固体膜对混合物中各组分 的选择性渗透从而分离各个组分。
积扩散的物质量，称为扩散速率，以符号JA表示，单 位为mol/(m2· s)。
第4章 传质过程
半经验公式 1.气体A在气体B中的扩散系数 1.气体A在气体B
D= 1.013 × 10 −6 T 1.75 [(1 / M r , A ) + (1.M r , B )]1 / 2 p[(∑ V A )1 / 3 + (∑ V B )1 / 3 ] 2
2.组分在液相中的扩散系数
D = 1.859 × 10 −18 (ΦM r )1 / 2 T µV 0.6
dc A dc A N A = −D − DE dl dl
DE为涡流扩散系数 。 它不是流体的物理量， 为涡流扩散系数。 它不是流体的物理量， 而是流动状态的函数， 与流动系统的几何形状 、 而是流动状态的函数 ， 与流动系统的几何形状、 尺寸、 所处的位置 、 流速 、 尺寸 、 所处的位置、 流速、 以及流体的物理性质 等影响因素有关。 等影响因素有关。
度分布基本均匀， 浓度梯度为零 。 度分布基本均匀 ， 浓度梯度为零。 即浓度梯度全 部集中在有效膜内。 部集中在有效膜内。
本章小结
• 单相传质原理
1）静止流体内部的分子扩散原理 2）流动流体内部的对流扩散（传质扩散）原理
• 相间传质的模型理论与传质速率方程式
双膜理论
• 在气、液两相之间有稳定界面，溶质以分子扩散 在气、 液两相之间有稳定界面 ，
的形式连续通过这两个膜层， 的形式连续通过这两个膜层 ， 膜层厚度随流体的 流动状态而变化。 流动状态而变化。
• 界面上没有传质阻力，且成平衡状态， 界面上没有传质阻力，且成平衡状态， • 在气、液之体内，由于流体充分湍动，溶质的浓 在气、 液之体内 ， 由于流体充分湍动 ，
估算在20℃ 估算在20℃和1.013×10-5Pa下CO2在空气中的扩散系数。 013× Pa下 在空气中的扩散系数。 解：设A组分为CO 解：设A组分为CO2，B组分为空气 ΣVA = 26.9×10-6m3.Mol-1 26. ΣVB =20.1×10-6m3.Mol-1 20. Mr，A=34 Mr，B=29 T=273+20=293K T=273+20=293K P=1.013×10-5Pa P=1 013×
化工传递原理总结
化工传递原理总结引言化工传递原理是化工工程中一项重要的基础理论，研究物质在化工过程中的传递过程。
化工过程中，物质的传递常常包括传质、传热和传动三个方面。
本文将对传质、传热和传动的基本原理进行总结和分析。
一、传质的基本原理传质是指物质在一个相对浓度差异的系统中，在分子热运动的作用下，从高浓度区向低浓度区的传递过程。
传质过程主要受到浓度差、扩散系数、物质运动距离和物质界面的影响。
1. 扩散扩散是物质在浓度梯度作用下，由高浓度区向低浓度区传递的过程。
扩散速率可以用扩散通量表示，扩散通量与浓度差和物质扩散系数成正比。
扩散系数与温度、物质性质以及介质的孔隙度和湿度有关。
2. 对流对流是指物质通过流体介质的传递过程，在流体流动的作用下，物质被带动从高浓度区传递到低浓度区。
对流传质过程中，流体的流动方式可以是强迫对流或自然对流。
对流传质速率与流体流动速度、浓度差和传质界面的接触面积等因素有关。
3. 吸附吸附是物质在表面上被吸附或解吸附的过程。
吸附传质过程受到物质在表面上的吸附力和解吸力的影响。
吸附过程中的吸附速率可以通过吸附量与时间的变化关系来描述。
4. 渗透渗透是指溶液在半透膜上的传递过程。
在渗透过程中，溶剂通过半透膜从低浓度溶液传递到高浓度溶液。
渗透过程中主要受到溶质浓度差、温度和半透膜的透过性能的影响。
二、传热的基本原理传热是指热量从高温区向低温区传递的过程。
传热过程可以通过传导、对流和辐射三种方式进行。
1. 传导传导是指物质中热量通过分子间的相互碰撞和传递。
在传导过程中，热量的传递速率与传导系数、温度差和传热界面的形状和尺寸有关。
不同物质的传导系数不同，传导系数与物质的导热性能有关。
2. 对流对流传热是指流体介质中热量通过流体的流动传递。
对流传热可以分为自然对流和强迫对流两种。
对流传热过程中，热传导通过流体的流动增强，从而加快了传热速率。
3. 辐射辐射是指热量通过电磁波的辐射传递。
辐射传热是一种无需介质传递的传热方式，可以在真空中传递。
化工基础第四章传质过程课件
a
AV V
A
同理摩尔浓度：
C
n A
xn A
x
C
AV V
A
C n 混合物的总摩尔浓度。 V
对于气体混合物
np C A A
A V RT
c
m A
Mn AA
Mp AA
AV
V
RT
气体混合物的总摩尔浓度为：
Cn p V RT np
y A A An P
• 气体混合物的摩尔比可用分压比表达如下：
Y
n A
•p
4 相际传质过程
界面
气 组分 相 主 体
组分
液
相
主
体
相际传质示意图
二 相组成的表示方法
• 1 质量分率(工程制用重量分率)和摩尔分率 • 某组分的质量占总质量的分率或百分率. • 对含A、B、C、…..的均相混合物有
a
m A
,a
m B
,
a
m C
,........
A mB mC m
a a a ...... 1
终点： 浓度差为〇
扩散快慢？
➢扩散通量：
单位面积上单位时间内扩散传递的物 质量，单位为kmol/(m2•s); • 影响因素: • 物质性质 浓度差 扩散距离 等有关
➢ 费克(Fick)定律：扩散通量与浓度梯度成正比。
对于组分A
N
D
dcA
dc A
浓度梯度
A,0
AB dl dl
气体 N
D AB
注意！传质速率方程式有多种形式（浓度的表示方法有多 种 传质推动力和相应的传质系数）。传质比传热更复杂。
• 作业 • 1.2.3.4
传质过程的名词解释
传质过程的名词解释传质过程是指物质在不同相（例如固体、液体、气体）间传递的过程。
在这一过程中，物质会从高浓度区域向低浓度区域扩散，直至达到平衡状态。
传质过程是许多自然界和工业领域中都存在的重要现象，对了解物质传输的机制和控制有着重要的意义。
以下将对与传质过程相关的一些名词进行解释。
一、扩散扩散是指物质由高浓度区域向低浓度区域的无序运动。
自然界中，扩散是一种无需外力作用，由分子或离子间的碰撞和运动引起的过程。
扩散速率与浓度梯度成正比，分子或离子的自身性质也会影响扩散速率。
扩散在自然界中的许多现象中都起着重要作用，如气味传播、离子交换和植物根系吸收营养物质等。
二、半透膜半透膜是指能够选择性地使某些物质通过而阻止其他物质通过的薄膜。
半透膜能够依据物质的大小、电荷、溶解度等性质，使一侧的物质经过膜的筛选后得到纯化或浓缩。
生物学中的细胞膜、人工膜在水处理中的应用等，都是基于半透膜的传质原理设计的。
三、渗透渗透是指溶液在两个浓度不同的区域之间通过半透膜的传递过程。
溶液在渗透过程中，会由高浓度区域向低浓度区域的方向发生运动，直至浓度达到均衡。
渗透现象在植物中起着重要作用，如根系吸收水分和植物细胞的浸泡等。
四、质量传递质量传递是指物质在物理或化学系统中从一个位置向另一个位置传输的过程。
这个过程可以是纯扩散、对流扩散以及吸附等方式的组合。
质量传递广泛应用于环境工程、制药、化工等领域中，用于物质的分离、浓缩和纯化等操作。
五、浓度梯度浓度梯度是指在空间上浓度的变化率，通常以一单位长度内物质浓度的变化量衡量。
浓度梯度是驱动物质传输的主要力量之一，物质会由高浓度区域向低浓度区域移动，以消除浓度差异。
浓度梯度在生物体内起着重要作用，如人体的呼吸、肾脏的尿液生成等都依赖于浓度梯度的存在。
六、蒸发蒸发是指液体表面上由液态向气态的物质传递过程。
在蒸发过程中，液体分子的平均动能增加，部分分子能克服表面张力离开液体表面，进入气相。
蒸发现象在日常生活中随处可见，如水的蒸发、植物的蒸腾等，它们都是由于液体表面上的分子动能使其中分子脱离液体而进入气相。
生物反应工程第二版课后习题答案
生物反应工程第二版课后习题答案生物反应工程第二版课后习题答案生物反应工程是一门研究利用生物体进行工程化生产的学科，它涉及到生物体的生理学、微生物学、化学工程学等多个学科的知识。
生物反应工程的目标是通过合理设计和优化反应条件，提高生物体的生产能力和产物质量，从而实现高效、可持续的生产。
在学习生物反应工程的过程中，课后习题是检验学生对知识掌握程度的重要方式。
下面是《生物反应工程第二版》课后习题的答案，供大家参考。
第一章：生物反应工程概述1. 生物反应工程是一门研究利用生物体进行工程化生产的学科。
2. 生物反应工程的目标是通过合理设计和优化反应条件，提高生物体的生产能力和产物质量。
3. 生物反应工程涉及到生物体的生理学、微生物学、化学工程学等多个学科的知识。
第二章：微生物生长动力学1. 微生物生长动力学是研究微生物生长和代谢的数量关系的学科。
2. 在生物反应工程中，通常使用生长速率方程来描述微生物生长的动力学过程。
3. 常见的生长速率方程有Monod方程、麦克斯韦方程等。
第三章：反应器设计与操作1. 反应器是进行生物反应工程的核心设备，其设计与操作对反应过程的效果有重要影响。
2. 常见的反应器类型有批式反应器、连续流动反应器、气液循环反应器等。
3. 反应器的设计应考虑反应物的输送、温度、pH值等因素。
第四章：质量传递与传质过程1. 质量传递是指物质在反应器中的传输过程，包括物质的输送和扩散。
2. 传质过程对反应的速率和效果有重要影响，需要进行合理的设计和优化。
3. 常见的传质方式有对流传质、扩散传质等。
第五章：反应动力学与反应机理1. 反应动力学是研究反应速率与反应物浓度之间关系的学科。
2. 反应机理是指反应过程中发生的化学反应步骤和反应物之间的转化关系。
3. 反应动力学和反应机理的研究对于反应过程的优化和控制具有重要意义。
总结起来，生物反应工程是一门综合性学科，涉及到生物体的生理学、微生物学和化学工程学等多个学科的知识。
化工传质与分离过程
化工传质与分离过程化工传质与分离过程指的是在化工行业中，通过传质过程和分离过程实现物质的转移和分离操作。
传质过程是指物质在不同相（包括气相、液相和固相）之间的传递过程，分离过程则是将混合物中的不同组分进行分离的过程。
本文将对传质与分离过程的基本原理以及常用的传质与分离技术进行详细介绍。
一、传质过程传质过程主要包括质量传递和能量传递两个方面，其中质量传递是指物质在不同相之间的传递过程，能量传递是指通过传质过程实现能量的转移。
传质过程的基本原理为溶质在物理力场的作用下从高浓度处向低浓度处传递，经典的传质过程有扩散、对流和反应等。
1.扩散：扩散是指溶质由高浓度处向低浓度处自发传递的过程，其主要原理是在浓差梯度作用下，溶质由高浓度区域经过空间的携带和碰撞，向低浓度区域移动，直到达到平衡。
扩散过程可以分为分子扩散、界面扩散和体扩散等。
2.对流：对流是指溶质在流体介质中由于流场的存在而引起的传递过程。
对流传质主要分为强迫对流和自然对流两种类型。
强迫对流是通过外加的外力使得流体产生不均匀速度场，从而引起的传质；自然对流则是由于温度和密度的差异，引起流体的密度变化，进而形成流体的自然循环。
3.反应：反应传质是指传质过程中 beginspace 同时 Beginspace 进行化学反应的传质过程。
在反应传质过程中，溶质通过扩散或对流到达反应界面，参与反应之后再分散到溶液中。
传质过程的研究对于理解物质转移和分离过程的机理、改进传质分离过程的性能和优化操作条件具有重要的意义。
二、分离过程分离过程是指将混合物中的不同组分分离出来的操作过程，常用的分离技术有凝固、蒸馏、萃取、吸附和膜分离等。
以下将详细介绍其中的几种分离技术。
1.凝固：凝固是指物质由液体状态转变为固体状态的过程。
这种分离方法常用于分离固体颗粒和溶液之间的混合物，通过凝固可以将溶液中的固体颗粒分离出来。
2.蒸馏：蒸馏是一种利用物质的沸点差异进行分离的方法。
通过加热混合液体，使其中沸点较低的组分先从液体中蒸发出来，然后再冷凝成液体，从而实现分离不同沸点组分的目的。
化学反应过程中的传质和反应机理研究
化学反应过程中的传质和反应机理研究一、化学反应与传质的关系化学反应是物质之间的一种转化过程，通常需要参与反应的物质之间进行传质，而其中传质过程的速率直接关系着反应的速率和反应机理。
因此，了解化学反应中的传质过程，是研究反应机理的关键，也是进行化学过程控制与优化的重要手段。
在化学反应中，传质通常表现为物质的扩散、对流、质量传递等过程。
物质的扩散是指物质在介质中自由移动的过程，它主要受到物质之间的浓度差异和分子运动的随机性等因素的影响。
对流则是指由于流体流动而引起的物质传输过程，它常常是与流体的动力学性质相关的。
同时，在化学反应中，通过反应物在空间内的扩散和对流，建立了反应体系之间的传质通道，这些通道的特点会进一步影响反应的速率和精度。
二、反应机理的研究方法反应机理指的是反应物转化为产物的连续中间步骤或过渡态，反应机理通常是深入理解反应的动力学性质和建立反应模型的基础。
反应机理的研究方法普遍采用实验和理论计算相结合的方法。
其中，实验方法包括反应速率测定、反应体系的控制和监测反应中间体的形成与转化等，而理论计算方法主要采用量化计算和模拟计算的方式，以推导反应机理和预测反应速率等参数。
量化计算方法包括密度泛函理论(DFT)、分子动力学(MD)等，这些方法可以计算反应物和产物的自由能、速率常数等物理化学参数，以及用于反应动力学方程的反应物和产物的构象信息等，从而提取反应机理和分析反应动力学性质。
而模拟计算方法包括基于分子结构、过程反应等的反应器模型建立和校正等，通过对反应器的多物理学模拟，预测反应器中物质的输运和反应速率等信息，指导反应器设计和催化材料的优化。
三、传质与反应机理的关系在化学反应中，物质的传质通常会影响反应动力学的速率和选择性，这种影响通常会体现在以下几个方面：1、反应物分子的扩散过程，会影响反应体系中的反应物分布和浓度，在反应部位的浓度越高，反应速率也越快。
2、反应物和催化剂之间的传质过程，也会影响反应速率和催化剂的效率，如气相反应中，催化剂和反应物之间的传质十分重要。
化学工程中的传质和反应机理
化学工程中的传质和反应机理化学工程作为一门交叉性质的学科，是涉及到物理化学和工程学两方面的知识。
在化学工程的实践应用中，传质和反应机理是两个非常重要的概念。
本文将从这两个角度出发，探讨化学工程中的传质和反应机理。
传质传质是指不同物质之间的质量和能量的交换。
传质的过程涉及到热、质量、浓度等不同的物理量，并且与传质介质的性质和外部条件有着密切的关系。
传质在化学工程中的应用非常广泛，如在化学反应中，传质过程可以影响反应的速率和选择性；在各种分离和提纯过程中，传质过程则可以影响这些工艺过程的效率和质量。
在传质的实践应用中，常用的传质模型有对流传质和扩散传质两种。
对流传质是指在传质介质中，带有物质的液体或气体沿着一定的速度流动，从而实现质量交换的过程。
在传质的过程中，对流传质所占比例通常比较小。
而扩散传质是指分子或离子在传质介质中由高浓度向低浓度的运动，以达到浓度均衡的过程。
扩散传质是传质中比较重要的一个过程，它与表征传质介质的性质有很大的关系，如扩散系数、浓度梯度等。
在实际应用中，传质过程是由一些基本的传质方程来描述的。
如扩散传质可以用菲克第一定律和菲克第二定律来描述。
菲克第一定律描述了扩散通量与物质浓度梯度之间的关系，而菲克第二定律则描述了物质在传质介质中的分布，即物质浓度与传质时间和位置之间的关系。
反应机理在化学工程中，常用的反应机理有两种：一种是热力学反应机理，另一种是动力学反应机理。
热力学反应机理是指在不考虑反应速率的情况下，研究反应所涉及的热力学量的变化关系。
热力学反应机理对于化学反应的研究非常重要，它可以帮助人们确定反应的热力学性质，如反应热、反应平衡等。
但是，对于工程实践来说，更为重要的是动力学反应机理，它可以研究反应速率的大小、反应速率随时间的变化趋势、反应速率与反应物浓度之间的关系等。
动力学反应机理对于化学反应的工程设计和过程控制具有重要意义，因为它可以帮助工程师确定反应的最佳反应条件，以保证反应的高效和稳定。
1传质原理
习题
例题：空气一般采用两种组分来表示：
O 2，y O 2 0.21 N 2，y N 2 0.79
当空气温度保持为25°C（298K），压力为1atm时，试计 算氧和氮的质量分数以及空气的平均分子量。氧的分子量 可取为0.032kg/mol，氮的分子量为0.028kg/mol。
O 2 0.23 答案： N 2 0.77 M 0.0288kg / mol c
上述所定义的四种通量方程式： JA ， jA ， NA ， nA ，都是 同的。这些方程中的任意一个都足以描述分子扩散传质。 但对不同的情况，不同的方程使用起来会方便些。如： N-S方程描述的情况使用质量通量；化学反应使用摩尔 通量。
费克第一定律的各种等价式表
这就是相对于固定坐标系（静止坐标系）的Fick定律的摩尔 通量NA通用形式，是下述两个矢量之和：
1 ） cDABy A 2) y A N A N B c AV
第一项，由于浓度梯度引起的摩尔通量JA，这一项称为浓度 梯度项。
第二项，组分A在流体总体流动中被携带引起的摩尔通量， 这一项称为总体流动项。
费克第一定律
质量分数的描述
对于二元体系，相对于固定坐标系（静止坐标系）的质量 通量nA可由质量密度和质量分数来描述：
n A D ABA A n A n B
其中
n A A v A n B B v B
在等温等压条件下，可简化为：
n A D ABA A n A n B
N B cB VB
代入本页上式，我们就得到组分相对于Z轴（静止坐标系） 的通量关系式： dy N Az cD AB A y A N Az N Bz dz 写成矢量形式为
4-第八章 传质
蒸馏
传递过程与单元操作 第四章 质量传递基础
吸收
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§4.1 概述
均相混合物 分离 非均相混合物 加入另外一种物质作为分离剂 方法 加入能量 相界面 加场，如浓度场、温度场、电场、磁场等 C
G
苯
空气 水 湿物料
液相主体
Ci
液相主体 传质方向 CL
煤焦油（含苯酚）
干燥
传递过程与单元操作 第四章 质量传递基础
通用气体常数 R 8314J / kmol K
传递过程与单元操作 第四章 质量传递基础
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§4.1 概述
四．传质方式
分子扩散：静止的或层流流动的流体中， 靠分子运动来进行传质的方式 传质方式 对流传质：在湍流流动中， 靠流体质点的脉动来进行传质的方式
传递过程与单元操作
传递过程与单元操作 第四章 质量传递基础
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§4.1 概述
5．CA 与 A 的关系？
MA 6．对理想气体，C 与 p 的关系？y 与 p？ρ与 p？
nA pA CA V RT
CA
A
n P C V RT nA pA yA n P
A
m A M AnA p M A A V V RT
所谓单向扩散是指组分 A 通过停滞（或不扩散）组分 B 的分子扩散，
特点：N B , z 0
J A, z J B , z 常数
传质方程化简为： N A, z J A, z x A N A, z
NB=0 NA A
相界面
D AB DBA
N A, z (1 x A ) J A, z
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二、传质过程分类——两相
（4）吸附
当某些固体与液体或气体混合物接触时，气体或液体中 的某一或某些组分能以扩散的方式从气相或液相进入固相， 这个过程称为吸附。 吸附分离操作是根据气体或液体混合物中不同组分在固 体上被吸附的程度不同而进行分离的过程。 气体吸附：室内空气净化、工业废气处理（活性炭、硅 胶、氧化铝等）
二、传质过程分类——单相
单相传质主要有膜分离、热扩散、电泳等 膜分离：以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当
膜两侧存在某种推动力（如压差、浓度差、电位差）时，混
合物中的某一或某些组分可选择性地透过膜而与混合物中的 其他组分分离。 如：海水淡化、中草药的除菌、废水处理
热扩散：同位素2H和3H的分离
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四、气液传质设备——填料塔
（3）填料类型 乱堆填料
堆放方式 整砌填料
实体填料 环形填料（拉西环、鲍尔环、阶梯环）、 基材 鞍形填料（弧鞍、矩鞍）、波纹板 网体填料 鞍形网、θ网、波纹网
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四、气液传质设备——填料塔
（4）填料塔内的流体力学状况 在设计填料塔时，首先要考虑塔的 流体力学性能，包括填料层压降、液 泛气速、持液量等影响。 载液区 右图为不同喷淋密度下，单位高度 填料层的压降Δ p/H与空塔气速u的关 系图。（空塔气速是指按空塔截面积 计算得到的气体线速度。） 对一定的喷淋密度，当气速较低时， 气液两相几乎没有互相干扰，填料表 恒持液 面的持液量不随气速而变。 量区
例：分离乙醇水溶液、分离“三苯”
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二、传质过程分类——两相
（2）气体的吸收
对于气体混合物，可选择合适的液体溶剂（吸收
剂）在专用设备中使之与气体充分接触，气体中的
一个或几个组分由气相转入液相，实现对混合气体
的分离。 如：用洗油吸收焦炉气的苯而实现苯的分离 除去合成氨的原料气中的CO2
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漳州师范学院化学与环境工干燥是对湿物料（通常含水分）加热，使物料 中所含的湿分（如水）气化，并不断排出湿蒸气而 得到干燥固体的操作。 如：一级尿素含水量不能超过0.5%；聚氯乙烯含水 量不能超过0.3%。 （6）气体的增湿
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（2）对流扩散速率
du dy
dT q A dn
由于对涡流流动中扩散认识上的不充分，只能仿照费克 定律将涡流扩散速率表为：
d cA N A DE dz
式中DE——涡流扩散系数， m2· s-1
湍流主体以涡流扩散为主，DE＞＞DAB，滞流底层为分子扩 散，DAB＞＞DE，DE≈0；在过渡层，DAB和DE数量级相当。
对 流 扩 散
涡流扩散：因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使物质由高 浓度处转移到低浓度处的过程。
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单相中的传质
分子扩散 单相内物质传递的机理 费克定律和斯蒂芬定律 对（涡）流扩散 分子扩散：物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓 度处，如物质在静止或滞流流体中的扩散； 涡流扩散：因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使 物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。
降 液 区
溢流堰
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四、气液传质设备——板式塔
度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两
层膜内。
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四、气液传质设备
传质过程有共同的规律，也有通 用的传质设备。比如气体吸收和液体 精馏两种气液传质过程通常在塔设备 内进行。塔设备可提供气、液两相充 分接触的机会，从而使传质、传热能 迅速有效地进行。 根据塔内气液接触部件的结构型 式，分为填料塔与板式塔两类。评价 它们的性能指标包括：分离效率、生 产能力、压力降和操作弹性等。
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液泛区
泛点
载点
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气速增大至某值时，液体流动受到两相流体间摩擦力的阻
碍，填料层的持液量随气速的增加而增加，此现象称拦液现象。 将开始拦液的转折点称载点，载点对应的空塔气速称载点 气速。
超过载点气速后，两相湍动程度加剧，塔内持液量不断增
多，液体充满整个塔空间，导致压降急剧升高。气体由连续相变 为分散相，以鼓泡状通过液层,把液体带出塔顶，塔操作不稳定， 此现象称液泛。开始发生液泛的转折点为泛点，相应的空塔气速 称泛点气速，为填料塔正常操作气速的上限。
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机械分离：简单分离，不发生相间的物质传递 如：过滤（悬浮液分离）、沉降（沉降池内生活 污水的澄清分离）、离心分离（海盐提纯实验） 、旋风分离、电除尘
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4.1 传质过程机理
一、传质过程概述
二、传质过程分类
三、传质过程机理
四、传质设备
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一、传质过程概述
在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果
存在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将由高浓度
区向低浓度区移动，该移动过程称为传质过程。比如
四、气液传质设备——填料塔
（2）填料的主要特性 ① 比表面积
单位体积填料层的填料表面积，以σ 表示 ；单位:m2/m3。
② 空隙率 单位体积填料层的空隙体积，以ε表示；单位: m3/m3。 一般要求比表面积和空隙率要大，填料的润湿性能好，单
位体积填料的质量轻，造价低，并有足够的机械强度。
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二、传质过程分类——两相
（7）其它液固传质过程
结晶：海水制取食盐 固体浸取：用温水从甜菜中提取食糖；用溶剂从花生、大豆
中提取食油；天然产物提取
液体吸附：除去液体中的微量杂质和毒物，物料脱色、除臭 、回收溶剂；从混合二甲苯中分离出邻、间、对二甲苯
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二、传质过程分类——两相
传质过程可以在一相中进行，也可以在两相中
进行，两相间的传质是分离过程的基础，具体分类
如下： （1）液体的蒸馏
利用液体混合物中各组分挥发性的差异来进行分离的， 在操作时加热混合液使之部分汽化，同时产生的蒸汽部分冷 凝变成液体，通过蒸汽和液体的充分接触，使气、液两相进 行物质交换而达到分离混合物的目的。
乙醇水溶液的蒸馏分离
利用乙醇和水沸点的差异分离乙醇水溶液过程如下：
低浓度的乙醇水溶液 均相（液) → 加热蒸发 → 将蒸气冷凝 高浓度乙醇 非均相（气、液）
气相 乙醇 （乙醇 - 水） 水
液相（乙醇
- 水）
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吸收合成氨原料气中的CO2
合成氨的原料气为 混合气体，是N2， H2，CO，CO2的混合 物，要去除CO2，可 用水作吸收剂。
水为吸收剂
吸收液排出
用水吸收CO2
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四、气液传质设备——填料塔
1、填料塔 （1）塔结构 塔体、填料、支 承板、填料压板 （网）、液体分 布器、液体再分 布器等。 填料塔的操作是 一个气、液两相 在多孔床层中逆 向流动的复杂过 程。
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四、气液传质设备——板式塔
2、板式塔 （1）塔结构 塔体、塔盘（板）、进料管、 回流管等。 板式塔的操作是一个气、液两 相在塔板上充分接触，进行传质 和传热的过程。
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四、气液传质设备——板式塔
（2）塔板功能区（俯视图） 边缘固定区 开孔区
开孔区：提供主要汽液传质 安定区 区域 降液区：液体自上一层塔板 流至其下一层塔板的通道 受 安定区：此区域不开孔 液 区 边缘固定区：用于塔板固定
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四、气液传质设备——填料塔
实验表明，当空塔气速在载点和泛点之间时，气 体和液体的湍动加剧，气液接触良好，传质效果 提高，填料塔的适宜操作气速通常由泛点气速来 选定。 实际操作气速常取泛点气速的50％～85％。
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扩散到气、液两相界面（在气相中传质）；氨在界面处
溶解进入液相（在气、液两相中传质）；液相中的氨扩 散到水中（在液相中传质）。
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单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实现的，
常见的扩散方式有分子扩散和对（涡）流扩散两种。
分子扩散：物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓度处，如 物质在静止或滞流流体中的扩散；
第四章 传质过程机理与传质设备
漳州师范学院 化学与环境工程教研室 吴文炳
2014-4-8
冷 凝 器 精 馏 塔 吸 收 塔
压滤机
反 应 器
离心泵
原料预处理 化学反应
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分离操作在 化工生产中 占有重要比 例。 分为机械分 离和传质分 离两类。本 章主要介绍 传质分离过 程。
产物的分离提纯
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