第八章 传质导论

分子传质又称为分子扩散，简称为扩散 分子传质在气相、液相和固相中均能发生
分子扩散现象：
1.充入温度及压力相同，而浓度 不同的A、B两种气体 2. 当隔板抽出后，由于气体分子 的无规则热运动，左室中的 A 、 B分子会窜 入右室，同时，右室 中的A、B分子亦会窜入左室 3. 其净结果必然是物质 A 自左向 右传递，而物质B自右向左传 递，即两种物质各自沿其浓度降 低的方向传递。
JB D ( p B1 p B 2 ) RTz
JA
DAB dp A RT dz
分离变量，在两个扩散截面进行积分：
即：
J A dz
z1
z2
D dp A p A1 RT
PA 2
D ( p A1 p A 2 ) RTz D ( p B1 p B 2 ) NB JB RTz NA JA
则菲克定律可表示为：
A 在 B 中的分子扩散系数 m /s
J A DAB

JA
DAB dp A RT dz
物质 A 扩散通量，kmol/m s
2
费克定律适用条件：
扩散通量JA:单位时间内单位面积上的扩散传递的物质 量(kmol/m2·s)
费克定律只适用于由分子的无规则热运动引起的扩散过 程。实际上，在扩散进行的同时，经常伴随有流体的总体 流动。
A A 摩尔浓度： c A V RT
n
p
质量浓度： C A
mA M An A M A p A V V RT
m w m C A A A wA V V nA x An cA x AC V V
A A 由道尔顿分压定律,摩尔分率： y A n p ,
n
根据不同 组分在各 相中物性 的差异， 使某组分 从一相向 另一相转 移：相际 传质过程
均相物系分离
示例：空气和氨分离 空气
1 ）传质定义：物质以扩散的方式在一相内或从一 相转移到另一相地相界面的转移过程，称为物质的 转移过程，简称传质。 水 2）传质过程分为：相内、相际传质
相内传质过程：物质在一个物相内部从浓度高的 地方向浓度低的地方转移的过程。
5
3.分子对称面：


对于两组分扩散系统
截面两侧扩散，通过该截面的分子数相等的面。 可以为静止的，也可以是移动的。
J JA JB 0
J A JB
c总 c A c B
微分得
T P pA1 pB1 1
JA JB
T P pA2 2 pB2
dc A dcB 0 dz dz
p
气体混合物,摩尔比：Y
混合物的总浓度
nA p A y A y nB p B y B 1 y
3
四．传质方式
第二节 传质设备简介
一、传质设备的分类
分子扩散
气液传质设备
1) 按所处理物系相态分类
传质的两种方式
---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。
填 料 塔
液相 气相
分散相 连续相
筛孔塔板示意图
填料塔结构示意图
4
与板式塔相比，填料塔具有以下特点：
第二节：扩散原理
一、 分子扩散和菲克定律 1、分子扩散 由于分子的无规则热运动而形成的物质传递 现象—分子传质。
生产能力大 分离效率高 压力降小，持液量小 操作弹性大 造价较高 易堵塞 侧线进料和出料较难
复习:
蒸发的原理、流程及特点 单效蒸发计算（水分蒸发量W；加热蒸汽消耗量D； 传热面积A） 产生传热温度差损失的原因(溶液的沸点升高 ；液体 静压头的影响；二次蒸气流动阻力) 多效蒸发流程及其特点（并流；逆流；错流；平流） 提高生蒸汽热能利用程度的措施（ 采用多效；额外 蒸汽的引出；采用热泵蒸发流程；冷凝水的自蒸发） 限制效数的原因（经济限制；温差限制）
可靠
液相 汽相
连续相 分散相
二) 填料塔 1. 2. 3. 4. 筛孔 鼓泡层 泡沫层 降液管 填料塔为连续接触式的气 液传质设备，它主要由圆柱形 壳体、液体分布器、填料支承 板、塔填料、填料压板及液体 再分布装置等部件构成。
1.塔壳体； 2.液体分布器； 3.填料压板； 4.填料； 5.液体再分布器； 6.填料支承板。
c A 2 c A1 D (c A1 c A 2 ) z 2 z1 z
由： JA= －JB 得： NA= －NB
例8-2 氨（A）与氮（B）在图8-3所示的接管中相互 扩 散 ， 管 长 100mm ， 总 压 P=101.3kPa ， 温 度 T=298K ，扩散系数 D=0.248×10-4m2.s-1 。氨在两容 器中的分压分别为 PA1=10.13kPa ， PA2=5.07kPa ，求 扩散通量JA和JB。
液液传质设备 气固传质设备 液固传质设备
2) 按两相的接触方式分类
逐级接触式设备 连续接触式设备 无外加能量式设备 有外加能量式设备
3) 按促使两相混合与接触动力分类
二、传质设备的性能要求
对传质设备的基本要求:
三、典型传质设备
一) 板式塔 板式塔为逐级接触式的气液 传质设备，它主要由圆柱形壳 体、塔板、溢流堰、降液管及 受液盘等部件构成。
J A DAB
dc A dz
一）等摩尔相互扩散 传质速率（物质通量）：任一固定的空间位置上， 单位时间内通过单位面积的物质量，记作 NA,kmol/(m2·s)。 1.等摩尔相互扩散的传质速率： NA=JA ； 由式
积分并整理得：
JA
同理：
D p A2 p A1 D ( p A1 p A 2 ) RT z2 z1 RTz
nA / n x A x X x nB / n x B 1 x 1 X
三) 浓度
---单位体积的物质的质量或物质的量(摩尔数) 。

对于气体混合物： 当总压p<1MPa,可按照理想气体处理，其:
Baidu NhomakorabeamA ，kg / m 3 1.质量浓度： C A V
2.摩尔浓度： c A

nA ，kmol / m 3 V 对于均相物系： C A C B CC ... Ci
吸 收 塔
空气＋氨 氨水
实例：煤气、氨气在空气中的扩散，食盐在水中的 溶解等等。
1
相际传质过程：物质由一个相向另一个相转移的
第一节 概 述
一、工业生产中的传质过程 （1）气液传质过程 气液传质过程是指 物质在气、液两相间的 转移，它主要包括气体 的吸收（或脱吸）、气 体的增湿（或减湿）等 单元操作过程。 吸收 （脱吸）
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：氨的溶解、蒸馏、吸收、萃取等等。
增湿 （减湿）
（2）汽液传质过程 汽液传质过程是指物 质在汽、液两相间的转 移，该汽相是由液相经过 汽化而得，它主要包括蒸 馏（或精馏）单元操作过 程。 蒸馏（精馏）
（3）液液传质过程 液液传质过程是指物 质在两个不互溶的液相 间的转移，它主要包括 液体的萃取等单元操作 过程 。

Fick(费克)定律的描述:
物质A在介质B中扩散时，空间任一点处物质A的扩散通量 JA与该位置上A物质的浓度梯度成正比。
对于理想气体：
cA
表示扩散方向与浓度梯度方向相反
pA RT
dc A dz
dcA dz
=
1 dpA RT dz
J A DAB
dc A dz
2
相界面 pG pi ci 传质方向
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。
xi=ni / n总
Σxi=1
习惯：1)气相的摩尔分率用y表示
液相的摩尔分率用x表示 2)二元物系：通常省略下标
3. w与x的相互换算:
二) 质量比和摩尔比 ----常针对二元物系 1.质量比：
w
X
mA mB
nA nB
2.摩尔比：
萃取
（4）液固传质过程 液 固 传 质过 程 是 指 物 质在 液 、 固 两 相间 的 转 移，它主要包括结晶（或溶解）、液体吸附（或脱 附）、浸取等单元操作过程。
（5）气固传质过程 气固传质过程是指物 质在气、固两相间的转 移，它主要包括气体吸 附（或脱附）、固体干 燥等单元操作过程。 吸附 （脱附）
dc A dz
dc A dc B dz dz
J B DBA dcB dz
J A DAB
故此得
DAB DBA D
复习： 1. 分离过程在化工生产中的重要性。 2. 分离过程（非均相混合物和均相混合物的分离） 3. 相际传质过程（是分离均相混合物的常用方法） 4. 相组成的表示方法（质量分数；摩尔分数；质量 比；摩尔比；质量浓度；摩尔浓度） 5. 相际传质方式（分子扩散；对流传质） 6. 传质设备（板式塔；填料塔） 7. 分子扩散及菲克定律
板 式 塔 1. 2. 3. 4. 5. 壳体 塔板 溢流堰 受液盘 降液管 板式塔的结构
单位体积中，两相的接触面积应尽可能大 两相分布均匀，避免或抑制沟流、短路及返混等
现象发生
流体的通量大，单位设备体积的处理量大 流动阻力小，运转时动力消耗低 操作弹性大，对物料的适应性强 结构简单，造价低廉，操作调节方便，运行安全
第八章 传质导论
一、分离过程在化工中的应用
反应过程 原料 反应产物 分离过程 目的产物 副产物
示例：三氯甲烷的制备。 分离过程 原料 副产物 示例：炼油过程。 目的产物
二、相际传质过程与分离
非均相物系分离： ---可通过机械方法分离，易实现分离。 分离过程 例 气－固分离：沉降 液－固分离：过滤 均相物系分离： ----不能通过简单的机械方法分离，需通 过某种物理（或化学）过程实现分离， 难实现分离。 实现均相物系的分离 相际传质过程 均相物系的分离方法 均相物系 某种过程 两相物系
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 3.28×10-4 kmol/m3 ，两者相差5 个数量级。

wi=mi / m总
Σwi=1
相平衡属动态平衡------达
2.摩尔分数：混合物中组分i的物质的量占总物质 的量的百分率。
2.费克定律
双组分气体（A+B）扩散现象:
气 体 分 子 A,B 处 于 不 停 地
杂乱、无规运动中，A与B及 其自身相互碰撞，改变速度 大小和运动方向。

组分A的某个分子可能在碰撞中由(1)处到达(2)处。(2)处的A 分子可能到达(1)处。 1）若各处A的浓度相等,则1-2与2-1的扩散量相等，净传质=0 2）若A的浓度(1)>(2),则1-2的A要多于2-1的A，净传质量>0
干燥 结晶（溶解） 吸附（脱附） 浸取
2
二、相平衡 ---相际间传质的最终状态 与热平衡不同之处：

三、相组成的表示方法 一）质量分数和摩尔分数
相界面 水
达到相平衡时，一般两相 浓度不相等。
pG 气相主体 pi 液相主体 传质方向 Ci CL 空气 + 氨气 吸收
1. 质量分数：混合物中组分i的质量占总质量的 百分率。
6
对于液相中的扩散： 由式
J A DAB
dc A dz
z2
分离变量，在两个扩散截
cA2
即：
NA JA
面进行积分：
J A dz
z1
c A1
Ddc A
D (c A1 c A 2 ) z D N B J B (cB1 cB 2 ) z
积分并整理得：
J A D
m m mi wi m总 , n总 i m总 i Mi Mi Mi Mi wi m总 wi ni Mi Mi xi mi mi n总 m 总 M Mi i ni
3.与质量分数和摩尔分数的相互关系：
w
X
m A / m wA w w w mB / m wB 1 w 1 w
二、 一维稳定分子扩散 两类扩散问题： 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： 1)等摩尔相互扩散（双向扩散）---空位全由相反 方向的分子来填充 (你来我往)，此类即等摩尔相 互扩散问题。 2)单向扩散——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； 单向扩散和等摩尔扩散是分子扩散的两个极端， 实际扩散一般介于这两者之间。