第八章 传质过程导论

热力学性质 熔点、沸点、临界点、转变点、蒸汽压、 电、磁性质
输送性质
扩散系数、分子飞行速度
反应速度常数
反应速度性质 热力学性质
反应平衡常数、化学吸附平衡常数、 离解常数、电离电位
生物学 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
《化工原理》电子教案/第八章
第一节 概述
一、化工生产中的常规分离方法
X x 1 X x X 1 x
w
w 1 w
w w 1 w
思考4：xA与cA的关系？wA与A的关系？
c A x Ac
A wA
nA nA nA / nB XA xA n nA nB nA / nB nB / nB 1 X A
nA nx A cA x Ac V V
y2 0.02
y1
y1 0.2 y2 0.02 Y1 0.25 Y2 0.02 1 y1 1 0.2 1 y2 1 0.02
《化工原理》电子教案/第八章
（c）摩尔浓度
pA1 py1 101.3 0.2 20.26kPa
p A1 20.2610 3 c A1 8.18mol/ m RT 8.314 298
与热平衡不同之处： ▲达到相平衡时，一般两相 浓度不相等。
相界面 pG 气相主体 pi 液相主体 传质方向 Ci CL 空气+氨气 吸收 水
▲相平衡属动态平衡 ------达到 相平衡时，传质过程仍在进行， 只不过通过相界面的某一组分 的净传质量为零。
《化工原理》电子教案/第八章
第一节 概述
三、相组成的表示方法
测得 313K 下 CCl4 冷凝，混合气出冷凝器时的温度为
300K,求：（1）压缩前及冷凝前、后，CCl4的质量分
数、质量比和摩尔浓度；
（ 2 ） CCl4 蒸气冷凝的百分率。（四氯化碳的饱 和蒸汽压数据如下）
T/K 273 283 288 293 300 313 p0/kPa 4.49 7.41 9.48 11.97 16.4 28.0
目录
第八章 传质过程导论
第一节 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 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
目录
第三节 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
B A B A
组分A的扩散量JA,z A A B A B B B A B B A A
组分B的扩散量J 对气体体系由JA,z＝－ JB,z可证得。 B,z 质量中心面 对液体体系当 ＝常数时可证得。 《化工原理》电子教案/第八章
一．菲克定律
对于任一截面来说，气体A的扩散通量计算为：
J A, z
3
pA2 py2 101.3 0.02 2.026kPa
c A2 p A2 2.026 10 3 0.818mol/ m RT 8.314 298
3
《化工原理》电子教案/第八章
例 2 ： 空 气 中 含 有 四 氯 化 碳 （ CCl4 ） 蒸 气 ， 由
101.3kPa、293K压缩到1013kPa后通入冷却-冷凝器，
第八章 小结
第八章 传质过程导论
分离过程在全厂的设备投资 费和操作费上占很大比重。 对一典型的化工厂，分离设 备的投资占60-70％，分离过 程的能耗约占30％。
动量传递 三传热量传递 质量传递
均相混合物 分离 非均相混合物
-----在浓度差、温度差、压 力差等推动力作用下，从一处 向另一处的转移过程。包括相 内传质和相际传质两类。
一直不变，故质量比：
mA1 mA2 p2 M A 28 154 w 0.1509 mB1 mB 2 P2 p2 M B 1013 28 29
质量分数： w A 摩尔浓度：
w 0.1509 0.1311 1 w 1 0.1509
nA2 p A2 28 c A2 0.0107 kmol/ m3 V2 RT2 8.314 313
有CCl4冷凝液前
空气+CCl4 P2=1013kPa，T2=313K , p2=28kPa , V2 出冷凝器
空气+CCl4 P3=1013kPa，T3=300K, p3=16.4kPa，V3
《化工原理》电子教案/第八章
解：气体温度从 293K至 313K过程中无 CCl4 冷凝，
故CCl4的质量分数、质量比相同。又由于空气质量
摩源自文库分数 摩尔比
nA x A (或y A ) n nA X A (或Y A） nB nA ，kmol/m3 V
质量分数 质量比 质量浓度
wA
mA m m wA A mB
物质的量浓度 c A
mA ，kg/m3 A V
n 混合物总摩尔浓度 c V
对气体，还可以用 p A 表示浓度
《化工原理》电子教案/第八章
气体293K与313K时体积变化关系：
P1V1 P2 V2 T1 T2
101.3 V1 1013 V2 293 313
V1 9.36V 2
nA1 nA2 0.0107 3 c A1 0.00114kmol/m V1 9.36 V2 9.36
体，出塔气体中含 SO2体积百分比为 2% ，试
分别用摩尔分数、摩尔比和摩尔浓度表示进
、出塔气体中SO2的组成。
《化工原理》电子教案/第八章
解：混合气可视为理想气体， 以下标 1 表示进塔气体状态， 2 表示出塔气体状态。 （a）摩尔分数
y2
nA VA yA n V
y1 0.2
（b）摩尔比
组分B的扩散量JB,z
《化工原理》电子教案/第八章
一．菲克定律
表示扩散方向与浓度梯度方向相反
J A, z
dcA DAB dz
B A B A
2
A A B
A B B
组分A的扩散量JA,z B
A 在 B 中的扩散系数 m2/s
扩散通量，kmol/m s
J B, z
dcB DBA dz
B
组分A的扩散量JA,z A B A B A A B 质量中心面 B B A B A B B A A
组分B的扩散量JB,z
《化工原理》电子教案/第八章
一．菲克定律
说明： （3）DA,B是物性。
DA, B f ( P , T , x)
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DA,B（气） 10-5m2/s DA,B（液） 10-9m2/s DA,B（固） <10-10m2/s （4）对二元体系，扩散系数的下标 可去掉。即 对气体体系有：DA,B＝ DB,A 对液体体系有：DA,B DB,A
m 混合物总质量浓度 V
转下页
《化工原理》电子教案/第八章
思考1：双组分均相物系（A、B）的摩尔分数之和等于多 少？质量分数之和呢？
nA nB x A xB 1 n n
思考2：xA与wA的关系？
mA mB wA wB 1 m m
nA xA nA n B
四．传质方式
分子扩散 ---发生在静止流体、层流流动的流体中， 靠分子运动进行的。 对流传质（给质过程） ---发生在湍流流动的流体中， 靠流体微团的脉动进行的。
传质的两种方式
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第二节 分子扩散
一．菲克定律
1855 年 Fick 用与傅立叶 定律类比的方法而不是 用实验方法提出的。
J A, z J B, z
dcA DAB dz dcB DBA dz
du dy
----又称菲克第一定律，适用于 双组分体系。
A B A B A A B 质量中心面 B B A B A B 组分A的扩散量JA,z B A A
对照： 牛顿粘性定律：
t 傅立叶定律： q n
mA / M A mA / M A mB / M B
wA / M A wA / M A wB / M B
mA wA mA mB
nA M A nA M A nB M B
xA M A x A M A xB M B
《化工原理》电子教案/第八章
思考3：双组分均相物系中，x与X的关系？w与的 w 关系？
利用某种性质 转下页
加入另外一种物质作为 分离剂 方法加入能量 加场，如浓度场、温度 场、电场、磁场等
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可 被 利 用 于 分 离 的 性 质
物理
化学


力学性质
密度、表面张力、尺寸、质量等 如重力沉降、过滤 溶解度、分配系数等。如吸收、精馏 电导率、介电常数、迁移率、 电荷、淌度、磁化率等
A
A A B
2 B的扩散量J 组分 B,z B 在 A 中的扩散系数 m /s
质量中心面
菲克定律的其它表达形式：
J A, z cDAB
dxA d pA RT D dpA DAB AB dz dz RT dz
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一．菲克定律
说明： （1）JA,z、 JB,z是相对扩散通量 （绝对扩散通量用NA,z表示） 组分A移走后，出现空位，其他 分子（可能是A也可能是B）将会 补位，若A、B分子量不等，那么 质量中心会局部发生漂移。JA,z、 JB,z是为了使JA,z＋ JB,z＝0而定义的 ，即JA,z、 JB,z是相对于一个移动的 扩散面而定义的扩散通量。 （2）JA,z＝－ JB,z 由JA,z＋ JB,z＝0可证得。
乙醇
水
空气
水
液相（乙醇-水）
湿物料 干燥
蒸馏
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蔗糖制取：
用甘蔗提取蔗糖时，将甘蔗粉碎放到水中搅拌， 得到蔗糖溶液和蔗渣的混合物： 过滤
蔗糖溶液和蔗渣的混合物
吸附脱色 蔗糖溶液 蒸发、结晶 干燥
蔗糖溶液 蔗糖 蔗糖成品
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第一节 概述
二、相平衡 ---相际间传质的最终状态
《化工原理》电子教案/第八章
CCl4蒸气冷凝的百分率：
气体从313K→300K变化：
空气+CCl4 P2=1013kPa，T2=313K , p2=28kPa , V2 出冷凝器
P3=1013kPa，T3=300K, p3=16.4kPa，V3
《化工原理》电子教案/第八章
空气+CCl4
气体出冷凝器时质量比为：
相界面 pG 气相主体 pi 液相主体 水
相界面
苯
CG 液相主体 Ci 液相主体 传质方向 CL
传质方向 气 — 液系统：如吸收、解吸 等单元操作 Ci 操作 汽 — 液系统：如蒸馏、精馏 CL 煤焦油（含苯酚） 液 — 液系统：如液液萃取操 作 空气 +氨气 液 — 固系统：如结晶、浸取 操作 液液萃取 吸收 — 固系统：如干燥操作 气相 （乙醇 -水） 气
DAB dp A RT dz
《化工原理》电子教案/第八章
空气+CCl4
压缩
空气+CCl4
101.3kPa，293K
求：
（1）压缩前及冷凝前、后， CCl4 的质量分数、质量比和摩 尔浓度； （2）CCl4蒸气冷凝的百分率。
《化工原理》电子教案/第八章
1013kPa
冷凝器冷却
300K
初始状态 空气+CCl4 P1=101.3kPa，293K，V1
m A M A nA pA M A A V V RT
通用气体常数 R 8314J / kmol K
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《化工原理》电子教案/第八章
例 1 ：在一常压、 298K 的吸收塔内，用水吸 收混合气中的SO2。已知混合气体中含SO2的
体积百分比为 20% ，其余组分可看作惰性气
mA mwA A wA V V
《化工原理》电子教案/第八章
思考5：cA与A的关系？
nA mA A cA V M AV M A
思考6：对理想气体，c与 p的关系？y与p？与p？
nA pA cA V RT
nA pA yA n P
n P c V RT
mA3 p3 M A w3 mB 3 P 3 p3 M B 16.4 154 0.0874 1013 16.4 29
冷凝百分率：
w3 0.0874 1 1 0.421 42.1% w2 0.1509
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第一节 概述