中国石油大学化工原理传质过程概论
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N N A NB J A J B NM N N A NM
数值相等， 含义各不相同
34
一组分通过另一停 滞组分的扩散 ─单向扩散
⒉NA 的计算：
J B NM
N A J A NM
c cB c NM J B M J A M cM cB cB
x X 1 x X x 1 X
a a 1 a
Y y 1 y y Y 1 Y
15
㈢ 浓度
⒈质量浓度：
i mi / V
kg / m 3
m m A mB ... N 混合密度 ＝ i V V I 1
⒉摩尔浓度：
n n A nB ... n 总摩尔浓度 c ci V V i 1 c i ni / V mol / m 3
类比：间壁两侧流 体间的换热过程
物质由一相内部扩散至两相界面； 物质穿过相界面； 物质由相界面扩散至另一相的内部主体。
传质速率：
传质速率
浓度差 压力差
类比传热速率方程
传质推动力 传质系数 浓度差 传质阻力
倒数称 传质系数
11
8.1.2 相组成的表示方法
㈠ 质量分率和摩尔分率
NA PD P ln B 2 RT PB1 PA1 PA 2 PD PA1 PA2 P P RT PB 2 PB1 B1 B2 P ln B 2 PB1 P P PA1 PA2 Bm
N AL N BL
②实际生产中少有等分子反向扩散，但对于二组分摩 尔汽化潜热相等的精馏过程，可视为此类型。
例8-2：
28
复习 思考题
1.举例说出几种典型的传质过程 2.什么是质量比和摩尔比 3.传质设备的主要类型 4.分子扩散 单一相内、存在浓度差时，由分子的无规则运动 造成的组分由浓度较高处传至浓度较低处的现象。 5.扩散通量 单位时间、单位面积上通过扩散传递的物质 量，kmol/(m2·s) 6.传质速率 任一固定空间位置上，单位时间通过单位面积 的A的物质量 7.费克定律
PA Y PB
m A n A M A PA M A a mB nB M B PB M B
P411例8-1：
18
8.1.3 传质设备简介
筒体
功能：给传质的两相或多相提供 充分接触的场所，并使接触后的 各相及时分开、互不夹带。
㈠ 填料塔
连续接触式 传质设备
液体 分布器
填料压板 填料 液体再 分布器 填料支承板
Y1
Y2
0.0903 1 0.0903
0.0034 1 0.0034
0.0993
0.0034
30
㈡ 一组分通过另一停滞组分的扩散 ─单向扩散
⒈总体流动概念：
稳态吸收过程： A－溶质 B－惰性组分 1：cA1，cB1=cM-cA1 2：cA2，cB2=cM-cA2 －→cA1＞ cA2 ，cB1＜ cB2 总压P 恒定：
DP PA 2 dPA RT PA1 P PA
NA PD P PA2 PD P ln ln B 2 RT z 2 z1 P PA1 RT PB1
令δ=z2-z1 ,则：
由于： PA1 PB1 PA2 PB 2 P 常数 PA1 PA2 PB 2 P B1
cA N A J A NM cM
1
气体层
T、P δ
F
界面 2
cB NB J B NM 0 cM
JA NM
NM
N
M
cB J A J B N M cM
1
cA cM
cB cM
NA
JB
2
NB
33
结论：
总体流动不同于分子扩散流。扩散流是分子微观运动的 宏观结果，它所传递的是纯组分A或纯组分B。总体流动 系宏观运动，它同时夹带组分A与B流向界面。 B无净传质，称为惰性组分； 净物流：
i 1 i 1
14
㈡ 质量比和摩尔比
⒈质量比：
双组分物系 （A＋B）
mA + mB = m
mA a mB
液相： X ( nA nB nB )l )g 气相： Y (n A
⒉摩尔比： nA + nB = n
mA mA / m a ⒊换算：a m B mB / m 1 a
8
㈣ 液─固接触传质过程
固─液萃取： 浸取、浸沥
结晶：
9
过程判断？
乙醇＋水
加热 气相（乙醇＋水）
液相（水＋乙醇）
气相再经过冷凝，可以 提高醇浓度
中药＋水
液相（药汤） 固相（药渣）
再经液固分离即可将中药的有 效成分提取出来。
有毒混合气体＋活性炭
气相（氧＋氮） 固相（活性炭＋毒气）
10
传质过程的进行：
cA c c c cM JA JA M A JA JA A JA cM cB cM cB cM c A
J A D
dc A DcM dc A NA dz cM c A dz
气体：
P cA A RT
P cM RT
为一对 数曲线
稳定扩散：NA、T、P 恒定→dPA/dz 恒定
PA~ z为一直线
26
令扩散距离z2 –z1 =δ 积分：z=z1 ：PA =PA1
D PA1 PA 2 NA RT z1 z 2
z=z2 ：PA =PA2
D NA PA1 PA 2 RT
N A NB
同理：
PA～z
P D dPA N A PP RT dz A
35
积分：z=z1，PA=PA1
P D dPA N A PP RT dz A
z=z2，PA=PA2
N A dz
z1 z2
结论：只要混合物中存在浓度梯度，必然产生分子扩散
23
8.2.2 双组分混合物中的 一维稳定分子扩散
㈠ 等分子反向扩散
通过某截面的两方向相反的物质扩散通量相等
J A J B
24
J A DAB
cA PA RT
dc A dz
JA
DAB dPA RT dz D dP J B BA B RT dz
等摩尔反向扩散
J A J B
P PA PB 定值
dPA dPB
二元精馏过程
DAB DBA D
25
定义：传质速率NA ：
任一固定空间位置上，单位时间通过单位面积的A的物质量 等分子反向扩散：
N A J A D dc A D dPA dz RT dz
因存在总体流动，单向扩散时A的传质速率较单纯 分子扩散要大。 漂流因子反映总体流动对传质速率的影响
37
说明：
②A浓度很低时，PBm≈P， P/PBm ≈1，可视为单纯分子扩 散； cM D N AL c A1 c A2 ③液体： L cSm
气体层
T、P
1 F
δ
界面 2
JA
J A J B
1
JB
2
31
NM
总体流动：
界面附近的A分子被吸收 后留下的空位由气体自动流动 来填补，从而引起气体总体的 一种宏观流动现象。
1
气体层
T、P δ
F
界面 2
JA NM JB
1
NM
N
cA cM
cB cM
M
2
32
稳态过程：CB2 恒定：
总体流动所携带组分 B的量 c ＝N M B J B cM
⒈质量分率：
mA aA m mB aB m mC aC ...... m
m m A mB mC ......
a
i 1
n
i
1
12
⒉摩尔分率：
液相：
xi
nl , i nl
x
i 1
n
i
1
两组分物系： x A x
xB 1 x
气相：
yi
ng , i ng
第八章
传质过程概论
8.1 概
述
8.1.1 传质过程及其分类
传质：物质从一相传递到另一相的过程称为相间 质量传递。 具有分离效果，称为分离过程。
如：用水吸收含氨的混合空气； A中的漏斗增大了氨气与水的 接触面积，防止倒吸！而B装 置中的玻璃管会发生倒吸
A
B
2
催化裂化过程：分离C1、C2、C3、C4，用粗汽油吸收C3、C4; 然后由稳定塔将汽油馏分与C3、C4分离.
D NB PB1 PB 2 RT
净物质通量： N N A N B 0
27
注：
①液相：总浓度cM=cA+cB，则：
D N AL J AL c A1 c A 2 L L
D N BL J BL cB1 cB 2 L L
19
㈡ 板式塔
逐级接触式 传质设备
20
8.2
扩散与单向传质
物质由一相内部扩散至两相界面 物质穿过相界面 物质由界面扩散至另一相主体
传质过程分析：
传递机理：
分子扩散：与热传导类似 对流传质：与对流传热类似
21
8.2.1 分子扩散与费克定律
分子扩散：
单一相内、存在浓度差时，由分子的无规则运动造 成的组分由浓度较高处传至浓度较低处的现象。
溶剂的对数平均浓度
④单组分吸收、脱吸过程中的气相传质可视为单向扩散。
例8-3：
38
练习题
2. 在直径为0.012 m、长度为0.35 m的圆管中，CO气体通过 N2进行稳态分子扩散。管内N2的温度为373 K，总压为101.3 kPa，管两端CO的分压分别为70.0 kPa和7.0 kPa，试计算CO 的传质速率。 CO在N2 中的扩散系数 DAB 0.318 10 4 m 2 s
ni xi n ci xi c V V
⒊换算：
ni mi / M i i ci V V Mi
16
以下符号所代表的含义?
a X Y x y m n
17
㈣ 气体混合物组成的求算
分压为PA ：
ni pi ci V RT
总压为P ：
PA yA P
PD PA1 PA 2 D RT PBm RT
对数平均 分压
36
说明：
①P/PBm─漂流因子，无因次，总有P/PBm＞1 等分子反向扩散： 单向扩散：
NA
NA
D PA1 PA 2 RT
D RT P P PA1 PA 2 Bm
5
增湿或减湿：
不饱和气相与温度 比它高的热水接触─ 增湿； 含水蒸气的饱和湿 气体与温度比它低的 冷水接触─减湿。
6
（二）气─固接触传质过程
干燥： 气体吸附：
7
㈢ 液─液接触传质过程
液─液萃取：
利用液体混合物中各 组分在某种溶剂中的溶 解度差异而将各组分分 离开来； 溶剂要不互溶或部分 互溶，有选择性。
解吸气 粗汽油 压缩 富气 吸 收 塔
贫 气
干气
气 态 烃
解 吸 塔
再 吸 收 塔
稳 定 塔
液态烃
水
凝缩油
贫吸收油
富吸收油
稳定汽油
传质过程分类
（一） 气（汽）─液接触传质过程 （二）气─固接触传质过程 （三） 液─液接触传质过程 （四） 液─固接触传质过程
4
㈠ 气（汽）─液接触传质过程
气体吸收： 精馏：
y
i 1
n
i
1
13
⒊换算：
摩尔质量ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱMA、MB、MC ……
aA x
n A a A m n ai m a A n ai xA / / A n M A i 1 M i M A i 1 M i
xA aA
mA xA n M A xA M A aA n n m xi n M i xi M i
29
练习题
1.在吸收塔中用水吸收混于空气中的氨。已知入塔混合气中氨 含量为5.5%（质量分数，下同），吸收后出塔气体中氨含量为 0.2%，试计算进、出塔气体中氨的摩尔比。
y1 y2 0.055 / 17 0.055 / 17 0.945 / 29 0.002 / 17 0.002 / 17 0.998 / 29 0.0903 0.0034
扩散通量J ：
单位时间、单位面积上通过扩散传递的物质量， kmol/(m2·s)
22
费克定律（Fick’s Law）：
双组分物系、稳态传质：
J A DAB
A在B中的 扩散系 数，m2/s
dc A dz
浓度梯度
n A PA 气体： c A V RT
DAB dPA JA RT dz
数值相等， 含义各不相同
34
一组分通过另一停 滞组分的扩散 ─单向扩散
⒉NA 的计算：
J B NM
N A J A NM
c cB c NM J B M J A M cM cB cB
x X 1 x X x 1 X
a a 1 a
Y y 1 y y Y 1 Y
15
㈢ 浓度
⒈质量浓度：
i mi / V
kg / m 3
m m A mB ... N 混合密度 ＝ i V V I 1
⒉摩尔浓度：
n n A nB ... n 总摩尔浓度 c ci V V i 1 c i ni / V mol / m 3
类比：间壁两侧流 体间的换热过程
物质由一相内部扩散至两相界面； 物质穿过相界面； 物质由相界面扩散至另一相的内部主体。
传质速率：
传质速率
浓度差 压力差
类比传热速率方程
传质推动力 传质系数 浓度差 传质阻力
倒数称 传质系数
11
8.1.2 相组成的表示方法
㈠ 质量分率和摩尔分率
NA PD P ln B 2 RT PB1 PA1 PA 2 PD PA1 PA2 P P RT PB 2 PB1 B1 B2 P ln B 2 PB1 P P PA1 PA2 Bm
N AL N BL
②实际生产中少有等分子反向扩散，但对于二组分摩 尔汽化潜热相等的精馏过程，可视为此类型。
例8-2：
28
复习 思考题
1.举例说出几种典型的传质过程 2.什么是质量比和摩尔比 3.传质设备的主要类型 4.分子扩散 单一相内、存在浓度差时，由分子的无规则运动 造成的组分由浓度较高处传至浓度较低处的现象。 5.扩散通量 单位时间、单位面积上通过扩散传递的物质 量，kmol/(m2·s) 6.传质速率 任一固定空间位置上，单位时间通过单位面积 的A的物质量 7.费克定律
PA Y PB
m A n A M A PA M A a mB nB M B PB M B
P411例8-1：
18
8.1.3 传质设备简介
筒体
功能：给传质的两相或多相提供 充分接触的场所，并使接触后的 各相及时分开、互不夹带。
㈠ 填料塔
连续接触式 传质设备
液体 分布器
填料压板 填料 液体再 分布器 填料支承板
Y1
Y2
0.0903 1 0.0903
0.0034 1 0.0034
0.0993
0.0034
30
㈡ 一组分通过另一停滞组分的扩散 ─单向扩散
⒈总体流动概念：
稳态吸收过程： A－溶质 B－惰性组分 1：cA1，cB1=cM-cA1 2：cA2，cB2=cM-cA2 －→cA1＞ cA2 ，cB1＜ cB2 总压P 恒定：
DP PA 2 dPA RT PA1 P PA
NA PD P PA2 PD P ln ln B 2 RT z 2 z1 P PA1 RT PB1
令δ=z2-z1 ,则：
由于： PA1 PB1 PA2 PB 2 P 常数 PA1 PA2 PB 2 P B1
cA N A J A NM cM
1
气体层
T、P δ
F
界面 2
cB NB J B NM 0 cM
JA NM
NM
N
M
cB J A J B N M cM
1
cA cM
cB cM
NA
JB
2
NB
33
结论：
总体流动不同于分子扩散流。扩散流是分子微观运动的 宏观结果，它所传递的是纯组分A或纯组分B。总体流动 系宏观运动，它同时夹带组分A与B流向界面。 B无净传质，称为惰性组分； 净物流：
i 1 i 1
14
㈡ 质量比和摩尔比
⒈质量比：
双组分物系 （A＋B）
mA + mB = m
mA a mB
液相： X ( nA nB nB )l )g 气相： Y (n A
⒉摩尔比： nA + nB = n
mA mA / m a ⒊换算：a m B mB / m 1 a
8
㈣ 液─固接触传质过程
固─液萃取： 浸取、浸沥
结晶：
9
过程判断？
乙醇＋水
加热 气相（乙醇＋水）
液相（水＋乙醇）
气相再经过冷凝，可以 提高醇浓度
中药＋水
液相（药汤） 固相（药渣）
再经液固分离即可将中药的有 效成分提取出来。
有毒混合气体＋活性炭
气相（氧＋氮） 固相（活性炭＋毒气）
10
传质过程的进行：
cA c c c cM JA JA M A JA JA A JA cM cB cM cB cM c A
J A D
dc A DcM dc A NA dz cM c A dz
气体：
P cA A RT
P cM RT
为一对 数曲线
稳定扩散：NA、T、P 恒定→dPA/dz 恒定
PA~ z为一直线
26
令扩散距离z2 –z1 =δ 积分：z=z1 ：PA =PA1
D PA1 PA 2 NA RT z1 z 2
z=z2 ：PA =PA2
D NA PA1 PA 2 RT
N A NB
同理：
PA～z
P D dPA N A PP RT dz A
35
积分：z=z1，PA=PA1
P D dPA N A PP RT dz A
z=z2，PA=PA2
N A dz
z1 z2
结论：只要混合物中存在浓度梯度，必然产生分子扩散
23
8.2.2 双组分混合物中的 一维稳定分子扩散
㈠ 等分子反向扩散
通过某截面的两方向相反的物质扩散通量相等
J A J B
24
J A DAB
cA PA RT
dc A dz
JA
DAB dPA RT dz D dP J B BA B RT dz
等摩尔反向扩散
J A J B
P PA PB 定值
dPA dPB
二元精馏过程
DAB DBA D
25
定义：传质速率NA ：
任一固定空间位置上，单位时间通过单位面积的A的物质量 等分子反向扩散：
N A J A D dc A D dPA dz RT dz
因存在总体流动，单向扩散时A的传质速率较单纯 分子扩散要大。 漂流因子反映总体流动对传质速率的影响
37
说明：
②A浓度很低时，PBm≈P， P/PBm ≈1，可视为单纯分子扩 散； cM D N AL c A1 c A2 ③液体： L cSm
气体层
T、P
1 F
δ
界面 2
JA
J A J B
1
JB
2
31
NM
总体流动：
界面附近的A分子被吸收 后留下的空位由气体自动流动 来填补，从而引起气体总体的 一种宏观流动现象。
1
气体层
T、P δ
F
界面 2
JA NM JB
1
NM
N
cA cM
cB cM
M
2
32
稳态过程：CB2 恒定：
总体流动所携带组分 B的量 c ＝N M B J B cM
⒈质量分率：
mA aA m mB aB m mC aC ...... m
m m A mB mC ......
a
i 1
n
i
1
12
⒉摩尔分率：
液相：
xi
nl , i nl
x
i 1
n
i
1
两组分物系： x A x
xB 1 x
气相：
yi
ng , i ng
第八章
传质过程概论
8.1 概
述
8.1.1 传质过程及其分类
传质：物质从一相传递到另一相的过程称为相间 质量传递。 具有分离效果，称为分离过程。
如：用水吸收含氨的混合空气； A中的漏斗增大了氨气与水的 接触面积，防止倒吸！而B装 置中的玻璃管会发生倒吸
A
B
2
催化裂化过程：分离C1、C2、C3、C4，用粗汽油吸收C3、C4; 然后由稳定塔将汽油馏分与C3、C4分离.
D NB PB1 PB 2 RT
净物质通量： N N A N B 0
27
注：
①液相：总浓度cM=cA+cB，则：
D N AL J AL c A1 c A 2 L L
D N BL J BL cB1 cB 2 L L
19
㈡ 板式塔
逐级接触式 传质设备
20
8.2
扩散与单向传质
物质由一相内部扩散至两相界面 物质穿过相界面 物质由界面扩散至另一相主体
传质过程分析：
传递机理：
分子扩散：与热传导类似 对流传质：与对流传热类似
21
8.2.1 分子扩散与费克定律
分子扩散：
单一相内、存在浓度差时，由分子的无规则运动造 成的组分由浓度较高处传至浓度较低处的现象。
溶剂的对数平均浓度
④单组分吸收、脱吸过程中的气相传质可视为单向扩散。
例8-3：
38
练习题
2. 在直径为0.012 m、长度为0.35 m的圆管中，CO气体通过 N2进行稳态分子扩散。管内N2的温度为373 K，总压为101.3 kPa，管两端CO的分压分别为70.0 kPa和7.0 kPa，试计算CO 的传质速率。 CO在N2 中的扩散系数 DAB 0.318 10 4 m 2 s
ni xi n ci xi c V V
⒊换算：
ni mi / M i i ci V V Mi
16
以下符号所代表的含义?
a X Y x y m n
17
㈣ 气体混合物组成的求算
分压为PA ：
ni pi ci V RT
总压为P ：
PA yA P
PD PA1 PA 2 D RT PBm RT
对数平均 分压
36
说明：
①P/PBm─漂流因子，无因次，总有P/PBm＞1 等分子反向扩散： 单向扩散：
NA
NA
D PA1 PA 2 RT
D RT P P PA1 PA 2 Bm
5
增湿或减湿：
不饱和气相与温度 比它高的热水接触─ 增湿； 含水蒸气的饱和湿 气体与温度比它低的 冷水接触─减湿。
6
（二）气─固接触传质过程
干燥： 气体吸附：
7
㈢ 液─液接触传质过程
液─液萃取：
利用液体混合物中各 组分在某种溶剂中的溶 解度差异而将各组分分 离开来； 溶剂要不互溶或部分 互溶，有选择性。
解吸气 粗汽油 压缩 富气 吸 收 塔
贫 气
干气
气 态 烃
解 吸 塔
再 吸 收 塔
稳 定 塔
液态烃
水
凝缩油
贫吸收油
富吸收油
稳定汽油
传质过程分类
（一） 气（汽）─液接触传质过程 （二）气─固接触传质过程 （三） 液─液接触传质过程 （四） 液─固接触传质过程
4
㈠ 气（汽）─液接触传质过程
气体吸收： 精馏：
y
i 1
n
i
1
13
⒊换算：
摩尔质量ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱMA、MB、MC ……
aA x
n A a A m n ai m a A n ai xA / / A n M A i 1 M i M A i 1 M i
xA aA
mA xA n M A xA M A aA n n m xi n M i xi M i
29
练习题
1.在吸收塔中用水吸收混于空气中的氨。已知入塔混合气中氨 含量为5.5%（质量分数，下同），吸收后出塔气体中氨含量为 0.2%，试计算进、出塔气体中氨的摩尔比。
y1 y2 0.055 / 17 0.055 / 17 0.945 / 29 0.002 / 17 0.002 / 17 0.998 / 29 0.0903 0.0034
扩散通量J ：
单位时间、单位面积上通过扩散传递的物质量， kmol/(m2·s)
22
费克定律（Fick’s Law）：
双组分物系、稳态传质：
J A DAB
A在B中的 扩散系 数，m2/s
dc A dz
浓度梯度
n A PA 气体： c A V RT
DAB dPA JA RT dz