环境工程原理第五章

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为了表达混合物总体流动的情况
引入平均速率
uM
cAu A cBuB uM c
(5.3.1)
流体混合物的流动是以平均速率流动的,称为总体流动
第三节 分子传质
相对于运动坐标系 得到相对速率
uM
u A, D u B, D
(5.3.2a) (5.3.2b)
u A, D u A uM u B, D u B u M
活性炭 吸附水中 有机物
第一节 环境工程中的传质过程
气体或液体混合物中组分分离
活性炭吸附 水中有机物
第一节 环境工程中的传质过程
去除水、气体和固体中污染物的过程 ——传质过程: 分离中的传质过程: 吸收
气体混合 物中组分 分离 吹脱去除 挥发性组 分 汽提
萃取
液体混合 物中组分 分离 染料废水 处理 样品石油 烃分离测 定
气体混合 物中组分 分离 吹脱去除 挥发性组 分
萃取
液体混合 物中组分 分离 染料废水 处理
吸附
气体或液 体混合物 中组分分 离
离子交换
去除水中 阴阳离子
膜分离
……
高分子薄膜为 分离介质,组分 选择性地透过膜
制作纯水
去除水中 重金属
制作纯水
海水淡化
活性炭吸 截留某些组分 样品石油 附水中有 汽提 烃分离测 机物 以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质,当膜的两侧存在某 定
DAB p0 T DAB ,0 p T0
1.75
扩散系数与总压力成反比,与绝对温度的1.75次方成正比
第二节 质量传递的基本原理
三、涡流扩散
定义涡流质量扩散系数 D
N A
dcA D dz
组分A的平均物质的量浓度
涡流扩散系数不是物理常数,它取决于流体流动的特 性,受湍动程度和扩散部位等复杂因素的影响
第一节 环境工程中的传质过程
以浓度差为推动力的传质过程: 一个含有两种或两种以上组分的体系 组分A的浓度分布不均匀 组分A由浓度高的区域向浓度低的区域的转移 物质传递现象 质量传递过程 ——传质过程 需要解决两个基本问题: 过程的极限: 相平衡关系 过程的速率: 质量传递研究内容!
第一节 环境工程中的传质过程
高1倍时,分子扩散系数将如何变化?
(5)分析湍流流动中组分的传质机理。
第三节 分子传质 本节的主要内容
一、单向扩散
扩散通量、浓度分布
二、等分子反向扩散
扩散通量、浓度分布
三、界面上有化学反应的稳态传质
扩散通量
第三节 分子传质
要点: (1)组分传递的宏观速率、相对速率、混合物的平均 速率,总体流动,费克定律的普通形式 (2)单向扩散和等分子反向扩散时的扩散通量和浓度
第二节 质量传递的基本原理

(二)分子扩散系数 (1)非理想气体及浓溶液,
DAB 是浓度的函数
(2)溶质在液体中的扩散系数远比在气体中的小,在固体中 的扩散系数更小。气体、液体、固体扩散系数的数量级 分别为10-5~10-4、10-9~10-10、10-9~10-14 m2/s。 (3)低密度气体、液体和固体的扩散系数随温度的升高 而增大,随压力的增加而降低。 (4)对于双组分气体物系,
种推动力(如压力差、浓度差、电位差)时,混合物中的某一或 某些组分可选择性地透过膜,从而与混合物中的其它组分分离
第一节 环境工程中的传质过程
膜分离
电渗析
第一节 环境工程中的传质过程
反应中的传质过程: 生物膜法净化污水 催化氧化法净化汽车尾气
第一节 环境工程中的传质过程
气相、液相、固相之间的传质过程对于污染物分离过 程具有重要影响 质量传递的推动力 浓度差 温度差 压力差 电场或磁场的场强差 ——主要内容
关于气液相平衡关系
cA p H
A
H——溶解度系数, kmol/(m3· Pa) E——亨利系数, N/m2
m——相平衡常数, 无因次
p ExA
A
y mxA
c H E
A
E m p
c A 很小时 c

Ms
H

EM s
H

m Ms p
第二节 质量传递的基本原理
本节的主要内容
u A, D u A uM
cAu A cBuB uM c
(5.3.2a) (5.3.1)
两种情况
苯-甲苯体系
(摩尔潜热相同)
NB
单向扩散

含有氨的废气
等分子反向扩散

第三节 分子传质
一、单向扩散
空气与氨的混合气体 (静止) 空气 氨
相界面上,氨溶解于水 氨的分压 p减小
主体和相界面间氨浓度差
氨分子扩散到相界面
相界面 气相总压减小,形成总压梯度 流体自气相主体向相界面流动 空气分压增大——反向扩散 可视为空气处于没有流动的静止状态
吸附
气体或液 体混合物 中组分分 离
离子交换
去除水中 阴阳离子
膜分离
……
制作纯水
活性炭吸 附水中有 机物 去除水中 重金属
依靠阴、阳离子 交换树脂中的可 交换离子与水中 带同种电荷的阴、 阳离子进行交换, 从而使离子从水 中除去
第一节 环境工程中的传质过程
去除水、气体和固体中污染物的过程 ——传质过程: 分离中的传质过程: 吸收
分布,漂移因子
(3)界面上有化学反应的稳态传质时的扩散通量表达
第三节 分子传质
在静止介质中由于分子扩散所引起的质量传递问题 NA 静止流体 cA cA,0 相界面
cA cA,i
组分A通过气相主体向相界面扩散 依靠分子扩散 在相界面附近,组分A沿扩散的方向将建立一定的浓度分布
第三节 分子传质
氨的扩散量增加
第三节 分子传质
(一)扩散通量 总通量=? 组分在双组分混合气体中的分子扩散 扩散系数在低压下与浓度无关
总通量=流动所造成的传质通量+叠加于流动之上的分子扩散通量 流动指垂直于相界面 方向上的流体流动!
第三节 分子传质
传质时流体混合物内各组分的运动速率是不同的
u A 组分A的宏观运动速率 uB 组分B的宏观运动速率
第二节 质量传递的基本原理
以摩尔分数为基准 设混合物的物质的量浓度为 c (kmol/m3),组分A的摩尔分数为 x A cA c xA 当 c 为常数时 N c D dx A Az AB (5.2.2) dz kmol/(m2· s) 组分A的质量 以质量浓度为基准 3 浓度, kg /m d A N Az DAB dz kg/(m2· s) 以质量分数为基准
扩散速率,表明组分因分子扩散引起的运动速率 由通量的定义,可得
N A cAuA
(5.3.3a)
N B cBuB
N M cuM N A N B
(5.3.3b)
(5.3.3c)
第三节 分子传质
而相对于平均速率的组分A的通量即为分子扩散通量,即
N A,D cAuA,D
(5.3.4)
12.5
15.0
17.5
20.0
35.00
油浓度(mg/l)
30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0.0 2.0 4.0 气水比 6.0 8.0 10.0
气水比5:1 油去除率50%~60%
第一节 环境工程中的传质过程
去除水、气体和固体中污染物的过程 ——传质过程: 分离中的传质过程: 吸收
N Az DAB dc A dz
A xmA
混合物质量浓 度,kg /m3
当ρ为常数时
N Az DAB dxmA dz
组分A的质 量分数
(5.2.3)
kg/(m2· s)
第二节 质量传递的基本原理
(二)分子扩散系数
DAB
N Az dcA dz
(5.2.5)
扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率,表征物质分子扩散 能力。扩散系数大,表示分子扩散快。 分子扩散系数是物理常数,其数值受体系温度、压力和混合 物浓度等因素的影响
第一节 环境工程中的传质过程
吹脱去除液体中挥发性组分 试验系统图 吹脱
第一节 环境工程中的传质过程
吹脱去除液体中挥发性组分
14.00
油浓度(mg/l)
12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 0.0 2.5
不同气水比时油浓度变化曲线
5.0
7.5
10.0 气水比
萃取
吸附
离子交换
膜分离
……
根据气体混合物中各组分在同一溶剂中的 溶解度不同,使气体与液体充分接触,其 中易溶的组分溶于溶剂进入液体,而与非 溶解的气体组分分离
第一节 环境工程中的传质过程
气体混合物中组分分离 废气中SO2的去除 废气中氨的去除
第一节 环境工程中的传质过程
吹脱去除液体中挥发性组分 某石油化工区地下水色-质联机检测谱图 石油类污染物:5~40mg/L 稠环芳烃类: 15.73 % 苯系物类 : 62.66% 烷烃类 : 7.83% 酯、醛、酮 :13.78%
气体混合 物中组分 分离 吹脱去除 挥发性组 分 汽提
萃取
液体混合 物中组分 分离 染料废水 处理 测定样品 中石油烃 的预处理
吸附
离子交换
膜分离
……
利用液体混合物中各组分在不同溶 剂中溶解度的差异分离液体混合物
第一节 环境工程中的传质过程
液体混合物中组分分离 染料废水处理
第一节 环境工程中的传质过程
cA2 cA1
第二节 质量传递的基本原理
费克定律 ——由浓度梯度引起的扩散通量与浓度梯度成正比
一维稳态情况下,双组分混合物:
以物质的量浓度为基准 N Az DAB
dc A dz
组分A的物质的 量浓度,kmol/m3
(5.2.1)
单位时间在z方向上经单位 组分A在z方向上的浓 面积扩散的A组分的量,即 度梯度,kmol/m3· m 扩散通量,也称为扩散速 率,kmol/(m2· s) 组分A在组分B中 进行扩散的分子 扩散系数,m2/s 负号表示组分A向浓度减小的方向传递
第五章 质量传递
第五章 质量传递
本章主要内容
第一节 环境工程中的传质过程
第二节 质量传递的基本原理 第三节 分子传质 第四节 对流传质
第一节 环境工程中的传质过程
去除水、气体和固体中污染物的过程 ——传质过程: 分离中的传质过程: 吸收
气体混合 物中组分 分离 吹脱去除 液体中挥 发性组分 汽提
第二节 质量传递的基本原理
二、分子扩散
由分子的不规则热运动而导致的传递
分子扩散过程只有在固体、静止流体或层流 流动的流体中才会单独发生。 分子扩散的速率? (一)费克定律 在某一空间充满A、B组分组成的混合物, 处于静止状态,或无总体流动(流体混合 物流动的平均速率为零) 分子热运动的结果将导致A分子由浓度高的 区域向浓度低的区域净扩散,即发生由高浓 度处向低浓度处的分子扩散
一、传质机理 二、分子扩散 三、涡流扩散
要点: (1)传质机理,分子扩散、涡流扩散的概念 (2)费克定律、分子扩散系数及其影响因素
第二节 质量传递的基本原理
一、传质机理
向一杯水中加入一滴蓝墨水—— 蓝色由最初的位置慢慢散开,即蓝墨水的分子由高浓度处 ——质量传递 向低浓度处移动 静止——蓝色由最初的位置慢慢散开,经过较长一段 时间后,杯中水的颜色趋于一致 搅拌一下——? 由分子的微观运动引起—— 分子扩散 ——慢 由流体微团的掺混引起—— 涡流扩散 ——快 气体约为0.1m/min,液体约为5×10-4m/min,固体仅为10-7m/min 工程上为了加速传质,通常使流体介质处于湍流状态, 涡流扩散的效果占主要地位
工程中大部分流体流动为湍流状态,同时存在分子扩 散和涡流扩散,因此组分A总的质量扩散通量 dcA dcA N At ( DAB D ) DABeff dz dz 有效质量扩散系数
在充分发展的湍流中,涡流扩散系数往往比分子扩散 系数大得多,因而有 D
ABeff D
第二节 质量传递的基本原理
去除水、气体和固体中污染物的过程 ——传质过程: 分离中的传质过程: 吸收
气体混合 物中组分 分离 吹脱去除 挥发性组 分 汽提
萃取
液体混合 物中组分 分离 染料废水 处理 样品石油 烃分离测 定
吸附
气体或 液体混合 物中组分 分离
离子交换
膜分离
……
当某种固体与气体或液体混合 物接触时,气体或液体中的某 一或某些组分能以扩散的方式 从气相或液相进入固相
分子扩散
传质的机理
费克定律 受流动影响
涡流扩散
实际传质过程中的速率? 静止介质中的扩散 流动流体中的扩散 分子传质 对流传质
源自文库
第二节 质量传递的基本原理
思考题
(1)什么是分子扩散和涡流扩散?
(2)简述费克定律的物理意义和适用条件。 (3)简述温度、压力对气体和液体分子扩散 系数的影响。 (4)对于双组分气体物系,当总压和温度提
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