6.2传质与扩散原理详解
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。
传质概述与分子扩散课件
环境科学中的应用
大气污染控制
通过传质和分子扩散的原理，可以研 究和改良大气污染物的扩散和传输机 制，以减少污染物的浓度和影响范围 。
水处理技术
气候变化研究
气候变化研究中涉及的大气成分的传 输和扩散，也涉及到传质和分子扩散 的原理。
在污水处理和净水技术中，传质和分 子扩散被用于促进污染物的传递和分 离，以提高水质。
过程。
传质过程
01
02
03
04
传质过程可以分为分子扩散、 对流扩散和紊流扩散等类型。
分子扩散是指分子在静止或缓 慢流动的介质中，由于浓度差 异而引起的物质传递现象。
对流扩散是指物质随流体运动 而产生的扩散现象，如烟尘在
大气中的扩散。
紊流扩散是指紊流流体中物质 传递现象，其传递速率远高于
分子扩散和对流扩散。
04 传质与分子扩散的应用
工业生产中的应用
01
02
03
化学反应过程
传质和分子扩散在化学反 应过程中起着关键作用， 如反应物和产物的传递、 反应速率的控制等。
分离技术
在工业生产中，传质和分 子扩散是实现物质分离的 重要手段，如蒸馏、吸取 、萃取等。
热力学平衡
传质和分子扩散在热力学 平衡的建立和维持中起到 重要作用，如相平衡、化 学平衡等。
生物医学中的应用
药物传递
传质和分子扩散原理在药 物传递中起到关键作用， 如药物在体内的吸取、散 布、代谢和排泄过程。
生理过程
生物体内的物质传递和扩 散是维持生命活动的重要 过程，如营养物质的吸取 、代谢产物的排泄等。
医学诊断
在医学诊断中，通过检测 生物体内的物质传递和扩 散行为，可以用于诊断疾 病和研究药物效果。
(化工原理)第6章：质量传递过程基础
D z
c0 cBm
cA1 cA2
对于理想气体
cBm
cB2 cB1
ln
cB2 cB1
cB1 c0 cA1 cB2 c0 cA2
NA
D RTz
p pBm
pA1 pA2
p pBm
pBm
pB2 pB1
ln
pB2 pB1
pB1 p pA1 pB2 p pA2
c cBm
称为漂流因子 反应总体流动对传质通量的影响
NA ky y yi
NA kx xi x
NA kG pA pAi
NA kL cAi cA
传质系数 k=f (D,η,ρ,u,d )
经验关联式很多，但普遍偏差较大 主要通过实验获得
JA
DAB
dcA dz
yi Ki xi
NA
D z
c0 cBm
cA1 cA2
NA
D RTz
主体中高度湍流传质阻力为零，即无浓度
O
距离 z
相际传质双膜模型
梯度。 ④ 相界面上气液处于平衡状态，无传质阻
力存在。
（2）总传质速率方程
① 气膜和液膜传质速率方程 对气相：
NA kG pA pAi
化学工程中的传质过程
化学工程中的传质过程传质是化学工程中的重要过程之一，它涉及物质在不同相之间传递的过程。
在化学工程中，传质过程是实现各种反应以及分离纯化的关键步骤之一。
本文将介绍传质的基本原理、传质过程的分类以及传质操作在化学工程中的应用。
一、传质的基本原理传质是指物质在空间中由高浓度区域向低浓度区域的传递。
在化学工程中，传质可以通过扩散、对流和反应来实现。
扩散是指物质由浓度较高的区域向浓度较低的区域通过分子运动的方式传递。
对流是指物质在流体中由于流体的运动而传递，可以通过外加压力差或者液体搅拌等方式实现。
反应传质是指在化学反应过程中，反应物和产物通过扩散和对流的方式进行传递。
二、传质过程的分类根据传质方法的不同，传质过程可以分为气体传质、液体传质和固体传质三种。
1. 气体传质气体传质是指气体在不同相之间的传递过程。
在化学工程中，气体传质通常通过气体的扩散来实现。
扩散系数是气体传质研究中的重要参数，它与物质本身的性质、传质介质的性质以及温度等因素有关。
气体传质在化学工程中的应用广泛，例如在气体吸附、蒸馏和气体分离等领域都有重要的应用。
2. 液体传质液体传质是指液体在不同相之间的传递过程。
在化学工程中，液体传质通常通过扩散和对流的方式来实现。
液体传质过程中的重要参数是质量传递系数，它与溶质的性质、传质介质的性质以及温度等因素有关。
液体传质在化学工程中的应用广泛，例如在溶剂萃取、萃取精馏和浸出等工艺中都有重要的应用。
3. 固体传质固体传质是指固体在不同相之间的传递过程。
在化学工程中，固体传质通常通过扩散和渗透的方式来实现。
固体传质过程中的重要参数是固体的扩散系数和扩散路径的长度。
固体传质在化学工程中的应用广泛，例如在膜分离、吸附和离子交换等工艺中都有重要的应用。
三、传质操作在化学工程中的应用传质操作在化学工程中广泛应用于反应器设计、分离纯化以及废水处理等领域。
下面将以蒸馏过程为例介绍传质操作在化学工程中的应用。
蒸馏是一种常用的分离纯化方法，它通过液体的汽化和凝结来实现混合物组分之间的分离。
物理化学中的扩散与传质现象
物理化学中的扩散与传质现象扩散与传质是物理化学中重要的概念，涉及物质在空间中的分布和传播。
它们在各个领域中都有广泛应用，从环境科学到生物医学，都与扩散与传质密切相关。
本文将为您介绍扩散与传质的基本概念、原理和应用。
一、扩散的概念与原理扩散指的是物质从高浓度区域向低浓度区域的无序传播过程。
它是由于分子或粒子的热运动而引起的，这种分子或粒子的运动使得物质在空间中分布均匀。
扩散是一种自发过程，不需要外力干预。
扩散的原理可以通过扩散方程来描述，即弗里德曼第二扩散定律。
该定律表示扩散通量与浓度梯度之间的关系。
具体而言，如果两个区域之间存在浓度差异，那么物质将会从浓度较高的区域向浓度较低的区域扩散。
这个扩散过程遵循浓度梯度的负梯度方向。
二、扩散的因素与速率扩散的速率受到多种因素的影响。
其中最重要的因素是温度和浓度梯度。
温度的升高会增加分子的热运动，进而加快扩散的速率。
浓度梯度的增大也会促进扩散的进行。
此外，物质的粒径和性质、介质的孔隙度以及溶剂的性质等也会影响扩散速率。
比如，粒径较小的颗粒具有更高的表面积，从而扩散速率更快。
另外，溶剂的粘度和溶解性等特性也会对扩散产生影响。
三、传质的概念与机制传质是指物质在不同相之间的传递过程。
这里的相可以是气体-气体、气体-液体、液体-液体和固体-液体等等。
传质现象在自然界和工业领域中都有重要的应用。
例如，生物体内的氧气和二氧化碳通过传质过程在肺部和组织间传递。
传质的机制可以通过弗里德曼第一传质定律来描述，该定律表明传质通量与浓度差异之间的关系。
与扩散不同，传质需要一个外界力场来推动物质的传递。
这个外界力场可以是浓度差、电场或压力差等。
四、传质的应用传质现象在各个领域中都有广泛的应用。
在环境科学中，传质是大气与水体中污染物转移的关键。
通过研究大气中的传质过程，可以预测污染物在不同区域的分布和浓度。
在生物医学中，传质现象是药物传递的基础。
通过了解药物在体内的传质机制，可以提高药效和减少不良反应。
对流扩散与相间传质讲解
2019/6/8
对流扩散与相间传质
2/27
JA
( D
DE
)
dcA dz
对流传质通量
在湍流主体中
DE D 在层流内层中
NA
DE RT
dpA dz
NA
D RT
dpA dz
D 较小
dpA dz
较大，DE
0
在缓冲层内
NA
D DE RT
dpA dz
溶
质p
A
在 气
pi
相
中
的
分
压
2019/6/8
气相主体
气膜 液膜
液
膜
边
液相主体
界
气
膜
边
界
相界面 传质方向
图32 2 双膜模型
对流扩散与相间传质
溶
质
A 在
液
相
ci
中 的
c
摩 尔
浓
度
6/27
双膜模型的理论要点是：
①在气-液两相接触面附近，分别存在着呈滞流流动的稳定气膜和液膜。 溶质连续稳定地通过两膜，膜的厚度随流体流动状态而变化； ②气-液两相在相界面上呈平衡状态，即相界面上不存在传质阻力。如以低浓度 气体溶解为例，则平衡关系服从Henry定律，即有 ci Hpi 或 c Hp ，其中H 为溶解度系数，单位随 c 和 p 的单位而定； ③膜层以外的气、液相主体，由于流体的充分湍动，分压或浓度均匀化，无分压 或浓度梯度。
溶质由气相主体 湍流扩散气膜边界 p 分子扩散相界面气侧 pi 无阻力溶解 相界面液侧 ci 分子扩散液膜边界 c 湍流扩散液相主体
6.2传质与扩散原理详解
界面处P↓，使得主体与界面产生微小的压 差ΔP，促使混合气体向界面流动，产生主 体流动。
JA
主体流动N
N
cA cM cB cM
N
NA
JB 微小ΔP足以造成必要的主体流动，各处总 压仍可认为相等，即JA＝－JB依然成立。
cB NB JB N 0 cM J A J B N cB cM
c M c Ai D c M c A c Ai ln c M c A c Bm
NA
D p p A p Ai RT p Bm
c Bi c B c ln Bi cB
c
p RT
p Bm
p Bi p B p ln Bi pB DBA
dc B dz
DAB DBA ,
dcA dc ＝－ B dz dz
J A J B
pA DAB dpA 对气体：cA J A RT RT dz
2、等分子反向扩散
稳定传质时，在静止（或层流）的气体中，若各处总压相等。
δ
p=pA+pB=pAi+pBi=常数
园管内流体强制湍流时的传热关联式
Nu 0.023Re0.80 Pr0.3~0.4
对流传质 对流传热 Nu=αd/λ Re=duρ/μ Pr=cpμ/ λ
Sherwood Number Reynolds Number Schmidt Number
Sh=kd/D Re=du ρ/μ Sc=μ/ρD
第三节 传质机理与吸收速率
气液相界面
气相
y
物质在相间传递包括三个步骤：
• 由气相主体传递到相界面 • 相界面上的溶解 • 自相界面向液相主体传递
物理化学中的扩散与传质现象
物理化学中的扩散与传质现象扩散是物理化学中一个重要的概念，它描述的是物质在空间中的传播过程。
扩散现象广泛存在于自然界和工业生产中，对于理解和解释化学反应、物质反应速率、传质等过程有着重要的意义。
本文将介绍扩散的基本概念和传质现象及其应用。
一、扩散现象的基本概念扩散是指由高浓度区域向低浓度区域的物质传播过程，其驱动力是浓度差异的存在。
扩散现象的发生与物质的分子运动密切相关，分子在空间中的无规则热运动使得物质以分子的形式从高浓度区域向低浓度区域扩散。
扩散的速率与浓度差异、温度、扩散物质的特性等因素有关。
二、扩散过程的描述为了准确描述扩散过程，我们常常使用菲克第一定律和菲克第二定律来描述物质的转移过程。
1.菲克第一定律菲克第一定律是一种描述扩散过程中物质转移速率的数学关系。
该定律表明，物质转移的速率正比于浓度梯度的变化率，并与物质的扩散系数成正比。
数学公式为：J = -D * (dc/dx)其中，J表示物质转移的速率，D表示扩散系数，dc/dx表示浓度随空间坐标的变化率。
2.菲克第二定律菲克第二定律是菲克第一定律的推广，用于描述扩散过程中物质浓度随时间和空间的变化。
数学公式为：∂c/∂t = D * (∂²c/∂x²)其中，∂c/∂t表示浓度随时间的变化率，∂²c/∂x²表示浓度随空间坐标的二阶导数。
通过菲克定律的描述，我们可以计算出扩散过程中物质的转移速率和浓度分布，从而进一步认识和理解扩散过程。
三、传质现象及其应用在物理化学中，传质是指不同组分之间的物质转移过程。
传质现象广泛应用于实际生活和工业领域。
1.气体的扩散气体的扩散是指气体分子在容器中的自由运动，随着时间的推移，气体分子将均匀地分布在整个容器空间中。
气体扩散现象在大气环境中具有重要的科学意义，也应用于气体的分离和纯化等工业过程。
2.液体的扩散液体的扩散现象在溶液中具有重要的应用价值。
溶解过程中，溶质分子经由液体的扩散过程，从高浓度区域向低浓度区域扩散，最终达到均匀分布。
扩散传质的定律
扩散传质的定律一、引言扩散传质是指物质在空气、水或其他介质中由高浓度向低浓度扩散的过程。
在自然界和工业生产中，扩散传质是一种普遍存在的现象。
了解扩散传质的定律对于环境保护、化工生产等方面具有重要意义。
二、浓度梯度与扩散速率扩散传质的速率与浓度梯度有关。
浓度梯度越大，扩散速率越快。
这是因为在浓度梯度较大的区域，物质分子之间的相互作用力较小，从而更容易发生扩散。
三、扩散速率与温度温度对扩散速率也有影响。
一般来说，温度升高会导致扩散速率加快。
这是因为温度升高会增加分子的平均动能，使分子运动更加剧烈，从而促进扩散传质的发生。
四、扩散速率与物质的性质不同物质的扩散速率也有所不同。
分子量较小的物质一般扩散速率较快，而分子量较大的物质扩散速率较慢。
此外，物质的溶解度、极性等性质也会对扩散速率产生影响。
五、扩散传质的应用扩散传质在很多领域都有广泛应用。
例如，在环境科学中，通过研究扩散传质的规律可以预测和评估污染物在大气、水体中的传播和迁移。
在化工生产中，扩散传质常被用于分离和纯化物质，如蒸馏、萃取等过程中。
六、扩散传质的限制条件在实际应用中，扩散传质也存在一些限制条件。
首先，扩散传质的速率一般较慢，特别是在较长距离传质时。
其次，扩散传质过程中可能会受到环境因素的影响，如风速、湿度等。
另外，扩散传质还受到传质介质的性质限制，如溶解度、渗透性等。
七、扩散传质的改进措施为了提高扩散传质的效率，人们常常采取一些改进措施。
例如，在化工生产中，可以通过增大传质界面积、提高温度、增加搅拌强度等方式来加快扩散传质的速率。
在环境治理中，可以利用生物膜、吸附材料等来增加污染物与介质间的接触面积，从而加快扩散传质的过程。
八、结论扩散传质的定律是研究物质传输过程中的重要基础。
通过研究扩散传质的规律，可以更好地理解和控制物质在自然界和工业生产中的传播和迁移。
进一步的研究和应用将有助于解决环境保护和工业生产中的相关问题，推动社会的可持续发展。
传质系数与扩散系数的关系
传质系数与扩散系数的关系
传质系数与扩散系数之间存在密切的关系，由费克定律表示。
费克定律指出，传质系数与扩散系数成正比。
这意味着物质通过扩散传递的速率（传质系数）与物质通过分子运动在流体中分散的速率（扩散系数）之间存在直接的联系。
这种关系在理解和优化吸收单元操作中具有重要意义，特别是在涉及气体在液体中的溶解度以及传质与扩散之间的关系时。
传质系数主要关注物质通过扩散传递的速率，而扩散系数则关注物质在流体中的分散速率，两者的关系为研究和优化传质过程提供了理论基础。
需要注意的是，双膜理论也涉及到传质系数与扩散系数的关系，但双膜理论的关联式与实验所得结果存在一定的差异。
因此，在实际应用中，需综合考虑多种因素以及具体的操作条件来准确理解和应用传质系数与扩散系数的关联。
如需了解更多关于传质系数与扩散系数的关系，建议查阅化学工程领域相关的教材或者咨询该领域专家获取帮助。
物质的传质与扩散
物质的传质与扩散物质的传质和扩散是物理学和化学中的重要概念，它们涉及到物质的运动和分布。
本文将探讨物质的传质和扩散的定义、机制以及实际应用。
一、物质的传质和扩散的定义传质是指物质在不同相之间以某种方式传递的过程。
常见的传质方式包括扩散、对流和传导。
而扩散是指物质由高浓度处向低浓度处传播的过程，不需要任何外力的作用。
二、物质的传质机制物质的传质和扩散是由粒子（分子、离子或原子）的热运动引起的。
在传质过程中，粒子通过碰撞和相互作用来传递能量和动量。
在扩散中，高浓度处的粒子热运动使其从高浓度区域向低浓度区域浓度较低的地方扩散，直到达到浓度均匀的状态。
三、物质的扩散过程物质的扩散过程可以通过弗里德里希斯方程来描述，即Fick定律。
Fick定律表明，在没有外部力影响的情况下，物质扩散的速率与浓度梯度成正比。
而浓度梯度是指单位距离内浓度的变化量。
物质的扩散速率可以通过扩散系数来表示，扩散系数取决于物质的性质、环境条件和温度等因素。
一般来说，温度升高会增加物质的扩散速率。
四、物质的扩散应用物质的扩散在自然界和工业生产中都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用：1. 自然界中的扩散：空气中的氧气通过扩散进入到水中，供水中的植物进行光合作用。
同时，二氧化碳通过扩散从植物体内进入到空气中。
2. 工业生产中的扩散：在化学反应过程中，扩散常常用于控制反应速率。
例如，化学工厂中的反应釜中的物质必须通过扩散从碰撞激发点传递到反应中心，以保证反应的进行。
3. 医学领域中的扩散：在药物治疗中，药物必须通过人体组织的扩散来达到目标部位。
了解物质的扩散机制可以帮助医生有效控制药物的释放速度和治疗效果。
五、小结物质的传质和扩散是物理学和化学中的重要概念，涉及到物质的运动和分布。
通过热运动，物质可在不同相之间传递。
扩散作为物质传质的一种方式，不需要外部作用力，高浓度处的物质会自发地向低浓度处扩散。
Fick定律描述了物质扩散速率与浓度梯度的关系，扩散系数则依赖于物质的性质和环境条件。
第二节 传质机理与吸收速率
A
K X (x x)
*
注意：
吸收系数的单位：kmol/(m2.s.单位推动力)
吸收系数与吸收推动力的正确搭配 阻力的表达形式与推动力的表达形式的对应
吸收速率方程的适用条件
各种吸收系数间的关系 气膜控制与液膜控制的条件
一、 吸收塔的物料衡算与操作线方程
（一）物料衡算 任务：计算给定吸收任务下所需的吸收剂用量 L 或吸收 剂出口浓度 X1。 组分分析：混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不 断被吸收，故气体的总量沿塔高而变，液体也因其中不 断溶入可溶组分，其量也沿塔高而变。但是，通过塔的 惰性气体量和溶剂量是不变的。
扩散通量 ：
dc A J (D D E ) dz
2）流动界面 气液两相和液液两相间的界面
NA
D AB P ( p pi ) Z G RT PB m
NA
D C (c i c ) z L c sm
六、吸收速率方程式
吸收速率： 位面积，单位时间内吸收的溶质A的摩尔数， 单
分离变量后积分
N
DP p B 2 dp B p B1 RT pB
DP pB2 NA ln zRT p B1
p A1 p B 1 p A 2 p B 2
p A1 p A 2 p B 2 p B 1
p B 2 p A1 p A 2 DP NA ln ( ) zRT p B1 p B 2 p B1
Y
L/V A (L/V)’ A’ (L/V)min
Y1
C
Y- Y*
Y2
o
B
Y*=f(X) X
X2
X1
X1’
X1,max
最小液气比(L/V)min
传质概述与分子扩散
传质概述与分子扩散传质是指物质在不同相之间的传递过程，其中包括固体、液体和气体等不同状态的物质。
传质概述了物质传递的基本机制和规律，其中分子扩散是传质过程中最为重要的一种方式。
一、传质概述传质是物质从高浓度区域向低浓度区域的自发移动过程，其驱动力来自于浓度差异、压力差或温度差等。
在自然界中，物质传递是常见的现象，如溶质在溶液中的扩散、气体的弥散和液体的渗透等。
传质过程主要由扩散、对流和物理吸附等几种基本机制组成。
扩散是指物质在无外力作用下由高浓度区向低浓度区的自发传递。
对流是指物质在流体介质中的传递过程，通常伴随着流体的运动。
物理吸附是指物质在固体表面的吸附过程，其传质速度与浓度差异成正比。
二、分子扩散分子扩散是一种重要的传质方式，它涉及到物质在溶液、气体或固体中的分子间的运动。
分子扩散是一种热力学过程，其速度受到浓度差异、温度、分子大小和介质性质等因素的影响。
1. Fick定律Fick定律是描述扩散过程的基本规律，根据Fick定律，单位时间内的扩散通量和浓度梯度成正比。
Fick定律可以用以下公式表示：J = -D(dC/dx)其中，J表示扩散通量，D表示扩散系数，dC/dx表示浓度梯度。
2. 扩散速率扩散速率是指单位时间内通过单位面积的物质传递量。
扩散速率与浓度差异成正比，与温度和分子大小成反比。
分子扩散速率可以通过Fick定律和斯托克斯-爱因斯坦公式计算。
3. 扩散过程与介质性质扩散过程中介质的性质对传质速率起着重要的影响。
分子扩散在固体介质中的速率较慢，而在液体和气体中较快。
介质的孔隙度、孔径和分子间作用力等也会影响扩散速率。
4. 应用分子扩散在许多领域有着广泛的应用。
例如，化学工程中的膜分离技术、食品加工中的蒸馏和浸泡等都与分子扩散密切相关。
此外，医药领域中的药物传递和环境科学中的污染物扩散等问题也需要对分子扩散进行深入研究。
结语传质概述与分子扩散是解释物质在不同相之间传递的重要概念。
分子扩散作为传质过程中的一种基本方式，其机制和规律对于我们理解和应用传质现象具有重要意义。
传质概述与分子扩散解读
nA nt nA
;
传质概述与分子扩散
XA
xA 1 xA
6/22
知识预备二——传质的速度与通量
1. 传质的速度
uA、uB 为组分A、B通过静止平面的绝对速 度；二元混合物通过此静止平面的速度为 u 或 um（u 以质量为基准，um 以摩尔为基准） 为主体流动速度；二者的差值为相对于主体 流动速度的位移速度，称为分子扩散速度。
“传质原理”的教学，按由浅入深作如下安排：
①单相传质原理
静止流体内部的分子扩散原理 流动流体内部的对流扩散(或对流传质)原理 ②相间传质的模型理论与传质速率方程式 值得指出是，在传质原理的学习中，如能与传热原理的有关内容进行对照比较， 将是有趣且有益的。
2020/2/29
传质概述与分子扩散
4/22
二、分子扩散
质量传递篇——传质原理 第二十五讲 传质概述 分子扩散
一、传质概述
（一）传质单元操作与传质过程 （二）传质原理的教学思路
二、分子扩散
（一）分子扩散与Fick定律 （二）分子扩散速率的数学描述
1. 准备知识 2. 通用扩散速率方程 3. 两种典型的分子扩散
4. 液相中的定态分子扩散 （三）分子扩散系数
由此可见，①传质过程进行的方向、极限及推动力（与相平衡即热力学内容有关） 以及②传质过程进行的速率（与过程机理模型有关）便成了传质过程要研究的主 要课题。在此基础上，可进而讨论各传质单元操作设备的计算及过程的操作分析 问题。
2020/2/29
传质概述与分子扩散
3/22
（二）传质原理的教学思路
目前，虽然分子扩散和热力学理论已比较完善，但上述工业传质过程 中大多数都包括一个或两个湍流流体，相界面极不稳定，行为复杂， 而现有湍流理论作为推出实用的相界面传质理论的基础很不够，即缺乏对湍流规 律的了解，是相间传质理论发展的主要障碍。这使得传质速率的关联必然以经验 为主。因此，本教科书关于传质原理内容的讨论，只简单介绍几种传质现象、模 型以及传质速率的基本概念。更深入、更广泛的传质理论课题，可参阅“传递过 程”或“传质学”的有关内容。
传输原理课件-7 传质方程及扩散传质
守 多组分系统中，流体作多维流动
Z
恒 非稳态和有化学反应的条件下传质
定 以双组分（A、B）混合物系统为例
OPz IPy
律 流体的质量平均速度为v，
三个分量： vx， vy， vZ，
传
流动方向上存在A的 浓度梯度引起的
输
过
流体宏观运动时的主
程
体流动引起的
：
组分A的生成（或消耗）
IPx
dz
OPx
dx dy
方式。 ➢ 扩散与材料生产和使用中的物理过程有密切关系，例如：凝
固、偏析、均匀化退火、冷变形后的回复和再结晶、固态相 变、化学热处理、烧结、氧化、蠕变等等。
7. 传质方程及扩散传质
扩散：由构成物质的微粒(离子、原子、分子)的
热运动而产生的物质迁移现象称为扩散。扩散的
宏观表现是物质的定向输送。
扩散的分类
微元体的质量 微元体的质量 生成消耗的质量 体的质量增量
IP - OP + R
=S
y方向： 组分A沿y方向在微元体净质量流量: IPy - OPy
[ ( Av y jAy ) dy]dxdz
y
z方向： 组分A沿z方向在微元体净质量流量: IPz - OPz
[ ( Avz jAz ) dz]dxdy
组分A沿x方向输出微元体总的质量流量：OPx
[( Avx
jAx )
(Avx
x
jAx )
dx]dydz
组分A沿x方向在微元体净质量流量：IPx - OPx Y
[ ( Avx jAx ) dx]dydz
x
IPx
dz
OPx
dxdy
OPy IPz
X
吸收过程中的传质速率等于扩散速率的条件
吸收过程中的传质速率等于扩散速率的条件吸收过程是指溶质从高浓度区域移动到低浓度区域的过程。
在吸收过程中，如果溶质的传质速率等于扩散速率，即从高浓度区域向低浓度区域的传递速率与溶质通过扩散的速率相等，那么溶质在吸收过程中能够保持稳定的浓度梯度，不会因为过快或者过慢的传质速率导致浓度梯度的扩散或者收缩，使得吸收过程能够持续进行。
传质速率是指传质过程中单位时间内通过的溶质质量与传质面积之比。
在吸收过程中，如果传质速率等于扩散速率，即吸收速率与扩散速率相等，那么吸收过程就能够保持均衡状态，不会出现浓度梯度的变化。
扩散速率是指溶质在浓度梯度驱动下的传递速率。
扩散是指由于浓度的差异使得溶质分子或粒子从高浓度区域向低浓度区域传递的现象。
扩散速率与浓度梯度、传质物质的分子量、温度、介质的性质等因素有关。
传质速率等于扩散速率的条件是在吸收过程中维持稳定的浓度梯度。
如果传质速率小于扩散速率，即吸收速率小于扩散速率，那么溶质就会在吸收过程中发生积累，浓度梯度会逐渐扩散，从而减小溶质的传递速率，甚至停止吸收过程。
如果传质速率大于扩散速率，即吸收速率大于扩散速率，那么溶质就会在吸收过程中逐渐消耗，浓度梯度会逐渐收缩，从而加大溶质的传递速率，最终达到吸收过程的终止。
实际上，吸收过程中传质速率往往是通过吸收表面与外界介质之间的传质阻力来调节的。
传质阻力主要包括边界层阻力和纳流道阻力。
边界层阻力是指在吸收表面上形成的一个由溶质分子或粒子组成的边界层，这个边界层的存在使得溶质分子或粒子需要克服一定的阻力才能够通过吸收表面。
纳流道阻力是指在吸收表面附近存在的纳米尺度的管道，这些管道对溶质分子或粒子的传递起到了限制作用。
由于传质速率等于扩散速率的条件是在吸收过程中维持稳定的浓度梯度，而传质阻力会导致传质速率的减小，所以为了满足传质速率等于扩散速率的条件，需要通过减小传质阻力来提高传质速率，从而达到吸收过程的维持。
对于液体中的吸收过程，可以通过增加搅拌速率、使用表面活性剂、调节温度等方法来减小边界层阻力和纳流道阻力，从而提高传质速率。
扩散传质的物理原理应用
扩散传质的物理原理应用一、扩散传质的基本概念扩散传质是指物质在混合体系中由高浓度区向低浓度区传播的过程。
其基本原理是分子之间的热运动使得高浓度区的分子自发地向低浓度区扩散。
扩散传质在许多领域中都有重要的应用，如材料科学、化学工程、生物医学等。
二、扩散的物理原理扩散的物理原理可以用布朗运动模型来解释。
布朗运动是指在液体或气体中，微观粒子由于受到周围分子的碰撞而发生的无规则运动。
在布朗运动中，微观粒子的位置在长时间的平均下，呈现出无规则的变动。
扩散传质中，扩散的速率与温度、浓度梯度和物质的分子大小有关。
三、扩散传质的应用1. 材料科学中的扩散在材料科学中，扩散传质是一种重要的质量传递方式。
通过控制材料中的扩散过程，可以改变材料的物理、化学性质，从而实现材料的功能改造。
例如，在金属材料中，通过控制金属原子之间的扩散可以改变材料的硬度、导电性等性质。
2. 化学工程中的扩散在化学工程中，扩散传质是许多反应过程中的重要步骤。
通过扩散传质的控制可以调节反应的速率、选择性等。
例如，在化学反应中，扩散传质可以影响反应物的扩散到反应物表面的速率，从而影响反应的进行。
3. 生物医学中的扩散在生物医学中，扩散传质的应用非常广泛。
扩散在生物体内起着重要的作用，包括氧气的吸收、二氧化碳的排出、药物的传输等。
通过扩散传质的研究，可以更好地理解生物体内物质传输的机理，从而指导医学领域的治疗和药物设计。
4. 环境保护中的扩散在环境保护领域，扩散传质有着重要的应用。
例如，在大气污染控制中，通过分析和模拟空气中污染物的扩散过程，可以确定对污染源的控制策略。
此外，在水体中的污染物的扩散过程中，也需要考虑扩散传质的影响。
四、总结扩散传质是一种重要的质量传递方式，其基本原理是分子之间的热运动导致物质自发地从高浓度区向低浓度区扩散。
扩散传质在众多领域中有着广泛的应用，包括材料科学、化学工程、生物医学和环境保护等。
通过研究和控制扩散传质的过程，可以改变材料的性质、调节化学反应的速率、指导医学治疗和环境保护措施的制定。
传质机理与扩散速率
pB1
Dp N A RTzpBm ( pA1 pA2 )
NA
Dc zcSm
(cA1
cA2 )
漂流因数（>1） 代表总体流动的影响
第19页，共23页。
D C
N A,z z2 z1 CBm C A1 C A2 漂流因数（>1）
代表总体流动的影响
对照：等摩尔相互扩散
D
N A,z
z2 z1
p pBm
c
、cSm
——漂流因数，无因次
漂流因数的影响因素：
浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。
低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。
2）单向扩散体现在吸收过程中。
第21页，共23页。
若为单向扩散，则
气膜 液膜 pG
组成
Dp N A RTzpBm ( pA1 pA2 )
若为单向扩散，在液相中有：
双膜模型 溶质渗透模型 表面更新模型
第2页，共23页。
二、传质理论简介
双膜理论模型
气膜 液膜
要点：
(1) 相界面两侧流体的对流传质阻力 全部集中在界面两侧的两个停滞膜内， 膜内传质方式为分子扩散。
(2)相界面上没有传质阻力，即可认
为所需的传质推动力为零，或气液两 相在相界面处达到平衡。
(3)气膜和液膜外湍流流动,无浓度 梯度, 即无扩散阻力
第15页，共23页。
§2.2.1 分子扩散与费克定律
2．单向扩散
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 J 常数
A
B
DAB DBA
NB=0
NA A
总体流动：因溶质Ａ扩散到界面溶解于溶剂 中，造 成界面与主体的微小压差， 使得混合物向界面处的流 动
化工原理下传质机理
c dc A ( ) cB dz
c dcA N A ( ) cB dz
dcA dcB
c dcB NA ( ) cB dz
pB dpB P c , cB , dcB RT RT RT
P 1 dpB N A D( ) pB RT dz
DP pB 2 z=0,pB =pB1;z=z,pB =pB2 ,积分得N A ln RTz pB1
D 则传质速率为： N A ( p A1 p A 2 ) RTz
c c0
cA1
cB2 cA2 cB1
JA
JB O z1 z2
z
等分子反向扩散
二、一组分通过另一停滞组分的扩散
设A、B组分的气体混合物与液体接触，在相界面
处，只有组分A可溶于液相，而组分B不溶于液相。
A溶于液相，留下空缺，混合气体向液相表面递补， A、B分子递补运动成为“总体流动” N为总体流动的通量，c为A和B总浓度，则， N· (cA/c)代表A在总体流动中所占份额， N· (cB/c)代表
传质机理： 分子传质 浓度分布： 为一陡峭直线 传质机理 分子传质 涡流传质
层流 内层
在与壁 面垂直 的方向 上分为 三层
缓冲 层
湍流 主体
浓度分布： 为一渐缓曲线 传质机理： 涡流传质为主 浓度分布： 为一平坦曲线
26
2.2.6 吸收过程的机理
一、双膜模型☆ 二、溶质渗透理论 三、表面更新理论
双膜模型
3
2.2.1分子扩散与菲克定律 分子扩散——简称扩散
借助分子微观运动，使组分从浓度高处向浓 度低处传递。——推动力为浓度差
分子微观运动：由于分子的无规则的随机 热运动而产生的物质传质现象。 扩散过程的快慢——扩散通量（kmol/m2.s)