传质过程

长沙学院教案（课时备课）

授课日期2007年10月10日第15次课 2 学时

第四章传质过程

§1传质分离过程概述

传质过程

在含有两个或两个以上组分的混合体系中，由于存在浓度差，某一或某些组分由高浓度区向低浓度区的传递过程，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，两相间的传质是分离过程的基础。

1-1分离操作在化工生产中的作用

1．作用：分离设备费用和分离操作费用占总生产费的比例很大。

2．分类：

①机械分离：过滤、沉降

②传质分离：

两相间：利用混合物中各组分在两相中的溶解度或挥发性等物理性质的差异，使某一或某些组分在相间转移（如吸收、精馏、萃取）。

一相中：热扩散、膜分离。

1-2化工生产中常见的传质操作

1．蒸馏：分离液体混合物，利用各组分挥发性的差异

2．吸收与解吸：分离气体混合物，利用气体溶解度的差异

3．液-液萃取：分离液体混合物，利用各组分溶解度的差异

4．吸附：分离气体或液体混合物，利用各组分在固体上吸附程度的差异5．干燥：固、气分离

6．膜分离：分离气体或液体混合物

7．热扩散：由于温度梯度而引起的物质扩散。

§2 传 质 过 程 机 理

传质过程：

①扩散物质从一相主体向界面传递

②扩散物质在界面上从一相进入另一相

③扩散物质从界面向另一相传递

2-1单相中的传质

一．分子扩散与菲克定律

1.分子扩散

在一相内有浓度差异存在时，由于分子的热运动，而造成的物质传递现象。 分子扩散速率（通量）A,0N ：单位时间内通过单位截面积而扩散的物质量。

2.费克（Fick ）定律（只适用于双组分混合物） =-A A,0AB dc N D dl

（因A dc dl 为负值，加“-”使A,0N 为正） A,0N ——组分A 的分子扩散速率，)/(2s m kmol ⋅；

A dc dl

——组分A 在扩散方向的浓度梯度，4/m kmol ； AB D ——组分A 在组分B 中的分子扩散系数，s m /2。

AB D 的值由试验测定，可通过手册查取，见教材P183表5-2，5-3。

对理想气体混合物，由于RT p c A A

=，故有=-AB A A,0D dp N RT dl

。

二、等物质的量反向定常态扩散

（等摩尔反向扩散）

1、概念：

如右图，两容器内，

A,1A,2c c >，B,1B,2c

装有搅拌器，使容器内浓度处处相等，由于有浓差存在，故A 向右，B 向左扩散，容器大而连通管细，故认为1、2处A 、B 分压不变，故其中分子扩散是稳定的。

因为容器内总压相等，故A 分子向右和B 分子向左的扩散速度相等，为等物质的量反向扩散。

又 A A,0AB dc N D dl =-，B B,0BA dc N D dl

=- 而 A,0B,0N N =-

在压力不太高时，A A A n p c V RT ==，B B B n p c V RT

== M A B c c c =+=常量

∴ B M A A dc d(c c )dc =-=-

∴ AB BA D D D ==（对A 、B 两组分性质相似的液相也成立）

∴ A A,0B,0dc N N D dl

=-=- 如精馏操作属等物质的量反向扩散。

2、传质速率A N

①概念

在一固定的空间位置上，单位时间内通过单位面积传递的A 物质量。 ②表达式：在单纯的定常态等物质的量反向扩散中：

A A A,0dc N N D dl

==- 定态扩散，A N 为定值，如

图，l 0=时，A A,1c c =，l l =时，

A A,2c c =，在1、2两截面间积分得：,,()A A 1A 2D N c c l

=- 当扩散的为理想气体时，,,()A A 1A 2D N p p RTl =

- 定常态传质过程，一定操作条件下，A N 、D 、R 、T 为定值，所以浓度分布为直线。

[例4-1]见教材P114。

三、单方向扩散（一组分通过另一停滞组分的扩散）

令A 、B 两组分混合气体与液相接触，

设相界面上只允许A 通过，操作条件下液相

不气化，此即为A 组分的单方向扩散过程

如图，单组分吸收过程即属此类。

在相界面上，由于A 的溶解，使得

A,i A p p <，所以组分A 从气相主体向相界面

扩散，同时，界面上气体总压略低于气相主体中的气体总压，将有A 、B 混合气体从气相主体向界面移动（称为整体流动或总体流动）。

对B 组分来说，B 在界面不溶解，而且

还随总体流动从气相主体向界面移动，使

得B B,i p

主体扩散。在定常态扩散时，组分B 从相

界面向气相主体扩散的量与总体流动中从

气相主体向界面扩散的量相等，即B N 0=，

表观上没有B 的传递。

对A 组分来说，其扩散方向与气体总

体流动的方向相同。

由于 A,M

A B,M B

N p N p = ∴ A A,M B,M B

p N N p = A A A,0A,M A,0B,M

B p N N N N N p =+=+ 而 B,M B,0A,0N N N =-=（∵A B p p p +==常量，或A B c c c +==常量） ∴ ,()()()A A A A A A 0B B A p p dp dp D D p N N 11+p RT p dl RT p p dl

=+=-=-- 定态吸收、一定操作条件下，A N 、D 、R 、T 为定值，将上式分离变量积分得：,ln A i A A

p p Dp N RTl p p -=- 又 ,,A B A i B i p p p p p =+=+