环境工程原理第五章
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环境工程原理第五章2
A 1 d pA = dz RT dz
DAB dp A JA = − RT dz
分子扩散两种形式：等摩尔逆向扩散，单向扩散。
二、 等摩尔逆向扩散 等摩尔逆向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大 小相等， 方向相反。
PA1> PA2 ；PB1 < PB2 T P A pA1 pB1 1 B JA JB P PA1 PB2 T P pA2 2 pB2 1、2 截面上，PA1、PA2、 PB1、PB2保持不变，称为 稳定状态下的分子扩散 D AB d p A JA = − RT dz JA=－JB D BA d p B JB = − RT dz 又总压一定 p = p A + p B = 常数
在气相扩散
pA cA = RT
c =
p RT
dp A Dp NA = − RT ( p − p A ) dz
∫
z
0
N A dz = ∫
pA2
p A1
Dp p − pA2 NA = ln RTZ p − pA1
Dp dpA − RT ( p - pA )
p = p A1 + pB1 = p A 2 + pB 2
（二）气相传质速率方程
Dp NA = （pAG − pA ） i RTδG pBm
（5-20）
N A = kG ( pAG − pA i )
Dp kG = RTδ G pBm
（5-21）
k G ——以分压差表示推动力的气相传质分系数， kmol/（m2·s·kPa）。 （气膜传质系数）
p AG − p Ai 气膜传质的推动力 = N A =传质系数×吸收的推动力= 1 / kG 气膜传质阻力
第三节 吸收过程的速率
DAB dp A JA = − RT dz
分子扩散两种形式：等摩尔逆向扩散，单向扩散。
二、 等摩尔逆向扩散 等摩尔逆向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大 小相等， 方向相反。
PA1> PA2 ；PB1 < PB2 T P A pA1 pB1 1 B JA JB P PA1 PB2 T P pA2 2 pB2 1、2 截面上，PA1、PA2、 PB1、PB2保持不变，称为 稳定状态下的分子扩散 D AB d p A JA = − RT dz JA=－JB D BA d p B JB = − RT dz 又总压一定 p = p A + p B = 常数
在气相扩散
pA cA = RT
c =
p RT
dp A Dp NA = − RT ( p − p A ) dz
∫
z
0
N A dz = ∫
pA2
p A1
Dp p − pA2 NA = ln RTZ p − pA1
Dp dpA − RT ( p - pA )
p = p A1 + pB1 = p A 2 + pB 2
（二）气相传质速率方程
Dp NA = （pAG − pA ） i RTδG pBm
（5-20）
N A = kG ( pAG − pA i )
Dp kG = RTδ G pBm
（5-21）
k G ——以分压差表示推动力的气相传质分系数， kmol/（m2·s·kPa）。 （气膜传质系数）
p AG − p Ai 气膜传质的推动力 = N A =传质系数×吸收的推动力= 1 / kG 气膜传质阻力
第三节 吸收过程的速率
环境工程原理第五章
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
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
cA2 ? cA1
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
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%
第一节 环境工程中的传质过程
?试吹验脱系去统除图液体中挥发性组分 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
15.00
10.00
5.00
0.00
0.0
2.0
4.0
6.0
气水比
8.0
10.0
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
萃取
?液体混合 物中组分 分离
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
环境工程原理复习资料
第四章、质量传递1、传热过程主要有两种：强化传热、削弱传热2、热传递主要有三种方式：热传导、对流传热、辐射传热3、热传导：通过分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程4、对流传热：流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程（流体与固体壁面之间的热传递过程）5、自然对流传热：流体内部温度的不均匀分布形成密度差，在浮力的作用下流体发生对流而产生的传热过程。
6、强制对流传热：由于水泵、风机或其他外力引起流体流动而产生的传热过程。
7、辐射传热的过程：物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一个物体时，又被物体全部或者部分吸收而变成热能。
（不需要任何介质作媒体，可以在真空中传播）8、导热系数：反映温度变化在物体中传播的能力。
9、气体的导热系数随温度的升高而增高，在气体中氢气的导热系数最高。
10、液体的导热系数随温度的升高而减小（水和甘油除外）11、晶体的导热系数随温度的升高而减小（非晶体相反）12、多孔性固体的导热系数与孔隙率、孔隙微观尺寸以及其中所含流体的性质有关，干燥的多孔性固体导热性很差，通常作为隔热材料，但材料受潮后，由于水比空气的导热系数大得多，其隔热性能将大幅度下降，因此，露天保温管道必须注意防潮。
14、对流传热与热传导的区别：对流传热存在流体质点的相对位移，而质点的位移将是对流传热速率加快。
15、影响对流传热的因素：物理特征、几何特征、流动特征16、湍流边界层内，存在层流底层、缓冲层和湍流中心三个区域，流体处于不同的流动状态。
17、传热边界层：壁面附近因传热而使流体温度发生变化的区域（存在温度梯度的区域）18、传热过程的阻力主要取决于传热边界层的厚度19、普兰德数：分子动量传递能力和分子热量传递能力的比值20、对流传热系数大小取决于流体物性、壁面情况、流动原因、流动状况、流体是否相变等21、对流传热微分方程式可以看出，温度梯度越大，对流传热系数越大22、求解湍流传热的对流传热系数有两个途径：量纲分析法并结合实验、应用动量传递与热量传递的类似性建立对流传热系数与范宁摩擦因子之间的定量关系23、自然对流：在固体壁面与静止流体之间，由于流体内部存在温差而造成密度差，是流体在升浮力作用下流动。
环境工程原理第05章质量传递.
第五章 质量传递
质量传递：是指物质在浓度差、温度差、压力差、电 场或磁场场强差等推动力作用下，从一处向另一处的 转移，简称传质,包括相内传质和相际传质两类。 质量传递的推动力 浓度差 温度差 压力差 场强差 分子扩散和涡流扩散
热扩散
压力扩散 强制扩散
第五章 质量传递
质量传递与动量传递、热量传递有相似之处，但比后 二者复杂。如与传热过程比较，主要差别为： (1) 推动力差别
A
A
相界面 气相或液相 B+A A 固相 C 吸附
吸收
解吸 吹脱、汽提
A 脱附
相界面 液相 液相 B+A S+A
A
相界面 固相 液相 B+A S+A
A
萃取
浸沥（取） 固—液萃取
2、反应中的传质过程： 用水吸收混合气体中的氨 石灰/石灰水洗涤烟气脱硫 催化氧化法净化汽车尾气 3、传质过程需要解决两个基本问题： 过程的极限: 相平衡关系——传质方向 过程的速率: 传质机理——传质速率
表示组分A向浓度减小的方向传递 A物质的量浓度，kmol/m3
N Az DAB
dC A dz
A在z方向浓度梯度，kmol/m3· m
扩散通量
通过垂直于扩散 方向的单位截面积扩散的物质量，kmol/(m2· s)。
第二节 质量传递的基本原理
传热推动力为温度差，单位为º C；
传质过程推动力为浓度差，浓度有多种表示方法
(如气相分压、摩尔浓度、摩尔分数等)，不同表示方
法的推动力和单位均不同。 (2) 过程最终状态的差别 传热是Δt = 0；相际间传质浓度差≠0，而是相平 衡（如：NH3 溶于H2O）。
第五章 质量传递
本章主要内容
质量传递：是指物质在浓度差、温度差、压力差、电 场或磁场场强差等推动力作用下，从一处向另一处的 转移，简称传质,包括相内传质和相际传质两类。 质量传递的推动力 浓度差 温度差 压力差 场强差 分子扩散和涡流扩散
热扩散
压力扩散 强制扩散
第五章 质量传递
质量传递与动量传递、热量传递有相似之处，但比后 二者复杂。如与传热过程比较，主要差别为： (1) 推动力差别
A
A
相界面 气相或液相 B+A A 固相 C 吸附
吸收
解吸 吹脱、汽提
A 脱附
相界面 液相 液相 B+A S+A
A
相界面 固相 液相 B+A S+A
A
萃取
浸沥（取） 固—液萃取
2、反应中的传质过程： 用水吸收混合气体中的氨 石灰/石灰水洗涤烟气脱硫 催化氧化法净化汽车尾气 3、传质过程需要解决两个基本问题： 过程的极限: 相平衡关系——传质方向 过程的速率: 传质机理——传质速率
表示组分A向浓度减小的方向传递 A物质的量浓度，kmol/m3
N Az DAB
dC A dz
A在z方向浓度梯度，kmol/m3· m
扩散通量
通过垂直于扩散 方向的单位截面积扩散的物质量，kmol/(m2· s)。
第二节 质量传递的基本原理
传热推动力为温度差，单位为º C；
传质过程推动力为浓度差，浓度有多种表示方法
(如气相分压、摩尔浓度、摩尔分数等)，不同表示方
法的推动力和单位均不同。 (2) 过程最终状态的差别 传热是Δt = 0；相际间传质浓度差≠0，而是相平 衡（如：NH3 溶于H2O）。
第五章 质量传递
本章主要内容
环境工程概论5-清洁生产与循环经济
日本：1991年制定了《再生资源利用促进法》，1993年
制定了《环境基本法》，1994年制定了《环境基本计 划》，2000年制订《推进形成循环型社会基本法》并 制定了一系列法律法规，形成了较为完整的法律体系。 2002年制定了《汽车循环利用法》，2003年制定了 《推进循环型社会形成基本计划》。
泰国、印度、新加坡、印度尼西亚等国都积极采 取措施推进清洁生产。
落后生产能力：20项 落后生产工艺装备：36项 落后产品：58项
共114项
13. 关于实施清洁生产示范试点的通知（ 1999年）
选择北京、上海等10个试点城市和石化、冶金等5个试点行业开 展清洁生产示范和试点。
14.《国家重点行业清洁生产技术导向目录》 （第一批，国经贸资源[2000]137号）
（草案）》。
1994年12月国家环保总局在联合国工发组织和环境
规划署的支持和资助下成立了国家清洁生产中心与 行业和地方清洁生产中心。 1999年国家经贸委冶金、化工、石化、轻工、纺织5 个行业，北京、上海、天津、重庆、兰州、沈阳、 济南、太原、昆明、阜阳10个城市作为清洁生产试 点。
全国已建立了两百多个行业或地方的清洁生产中心，
5.联合国环境署（UNEP）
自1990年起每两年召开一次清洁生产国际高级研讨会， 在1998年的第五次会议上推出了《国际清洁生产宣 言》，目前，已有几百个国家、地区或地方政府、公 司及工商业组织在《国际清洁生产宣言》上签名。
（四）我国清洁生产发展 中国清洁生产的总体进展
1992年我国首次推出了《中国清洁生产行动计划
择关头。我们可以继续实施现行的政策，保持 着国家之间的经济差距；在全世界各地增加贫 困、饥饿、疾病和文盲；继续使我们赖以维持 生命的地球的生态系统恶化。
环境工程原理课后答案(2-9章)
（1）若水槽中水位不变，试计算水的流量；
（2）若高位水槽供水中断，随水的出流高位槽液面下降，试计算液面下降1m所需的时间。
图3-3习题3.5图示
解：（1）以地面为基准，在截面1-1′和2-2′之间列伯努利方程，有
u12/2＋p1/ρ＋gz1＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋Σhf
由题意得
p1＝p2，且u1＝0
流量：2.5L/s= m3/h
表面张力：70dyn/cm= N/m
5 kgf/m= 14.709975kg
密度：13.6g/cm3=13.6×103kg/ m3
压力：35kg/cm2=3.43245×106Pa
4.7atm=4.762275×105Pa
670mmHg=8.93244×104Pa
功率：10马力＝7.4569kW
比热容：2Btu/(lb·℉)= 8.3736×103J/（kg·K）
3kcal/（kg·℃）=1.25604×104J/（kg·K）
流量：2.5L/s=9m3/h
表面张力：70dyn/cm=0.07N/m
5 kgf/m=49.03325N/m
2.4密度有时可以表示成温度的线性函数，如
解：设溪水中示踪剂的最低浓度为ρ
则根据质量衡算方程，有
0.05ρ＝（3＋0.05）×1.0
解之得
ρ＝61 mg/L
加入示踪剂的质量流量为
61×0.05g/s＝3.05g/s
2.9假设某一城市上方的空气为一长宽均为100 km、高为1.0 km的空箱模型。干净的空气以4m/s的流速从一边流入。假设某种空气污染物以10.0 kg/s的总排放速率进入空箱，其降解反应速率常数为0.20h－1。假设完全混合，
2.6某一段河流上游流量为36000m3/d，河水中污染物的浓度为3.0mg/L。有一支流流量为10000 m3/d，其中污染物浓度为30mg/L。假设完全混合。
（2）若高位水槽供水中断，随水的出流高位槽液面下降，试计算液面下降1m所需的时间。
图3-3习题3.5图示
解：（1）以地面为基准，在截面1-1′和2-2′之间列伯努利方程，有
u12/2＋p1/ρ＋gz1＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋Σhf
由题意得
p1＝p2，且u1＝0
流量：2.5L/s= m3/h
表面张力：70dyn/cm= N/m
5 kgf/m= 14.709975kg
密度：13.6g/cm3=13.6×103kg/ m3
压力：35kg/cm2=3.43245×106Pa
4.7atm=4.762275×105Pa
670mmHg=8.93244×104Pa
功率：10马力＝7.4569kW
比热容：2Btu/(lb·℉)= 8.3736×103J/（kg·K）
3kcal/（kg·℃）=1.25604×104J/（kg·K）
流量：2.5L/s=9m3/h
表面张力：70dyn/cm=0.07N/m
5 kgf/m=49.03325N/m
2.4密度有时可以表示成温度的线性函数，如
解：设溪水中示踪剂的最低浓度为ρ
则根据质量衡算方程，有
0.05ρ＝（3＋0.05）×1.0
解之得
ρ＝61 mg/L
加入示踪剂的质量流量为
61×0.05g/s＝3.05g/s
2.9假设某一城市上方的空气为一长宽均为100 km、高为1.0 km的空箱模型。干净的空气以4m/s的流速从一边流入。假设某种空气污染物以10.0 kg/s的总排放速率进入空箱，其降解反应速率常数为0.20h－1。假设完全混合，
2.6某一段河流上游流量为36000m3/d，河水中污染物的浓度为3.0mg/L。有一支流流量为10000 m3/d，其中污染物浓度为30mg/L。假设完全混合。
环境工程原理 第五章 沉降
（1）层流区：ReP2 CD=24/ReP
1 P 2 ut gd P 18
斯托克斯（Stokes）公式
第二节 重力沉降
（2）过渡区：2<ReP<103
18.5 CD 0.6 ReP
ut 0.27
0.6 ( P ) gd P ReP
艾仑(Allen)公式 CD = 0.44
第三节 离心沉降
（二）旋流分离器
• 旋流分离器用于分离悬浮液，在结构和操作原理上与旋风 分离器类似。 • 旋流分离器的特点： ①形状细长，直径小，圆锥部分长，有利于颗粒分离。 ②中心经常有一个处于负压的气柱，有利于提高分离效 果。
• 在水处理中，旋流分离器又称为水力旋流器，可用于高浊 水泥沙的分离、暴雨径流泥沙分离、矿厂废水矿渣的分离等。
utc
4( P )d P r 2 3 CD
4( P )d P g 重力沉降 ut 3 CD
• 沉降方向不是向下，而是向外，即背离旋转中心。 • 由于离心力随旋转半径而变化，致使离心沉降速度也随粒 径所处的位置而变。 • 离心沉降速率在数值上远大于重力沉降速率。
第三节 离心沉降
π 2 u 2 FD CD dP 4 2
CD与Re有关
第三节 离心沉降
F Fc Fb FD
2 1 3 π u 2 πd P ( P )r 2 CD d P 6 4 2 du m dt 颗粒在此位置上的离心沉降速度：
如果这三项力能达到平衡 du/dt=0
2 CD与ReP的关系曲线转换成 CD ReP 与ReP的关系曲线。
第二节 重力沉降
CDReP－1（不包含颗粒直径的摩擦数群） 由颗粒直径计算沉降速度 由颗粒直径和其他参 数，计算摩擦数群。
1 P 2 ut gd P 18
斯托克斯（Stokes）公式
第二节 重力沉降
（2）过渡区：2<ReP<103
18.5 CD 0.6 ReP
ut 0.27
0.6 ( P ) gd P ReP
艾仑(Allen)公式 CD = 0.44
第三节 离心沉降
（二）旋流分离器
• 旋流分离器用于分离悬浮液，在结构和操作原理上与旋风 分离器类似。 • 旋流分离器的特点： ①形状细长，直径小，圆锥部分长，有利于颗粒分离。 ②中心经常有一个处于负压的气柱，有利于提高分离效 果。
• 在水处理中，旋流分离器又称为水力旋流器，可用于高浊 水泥沙的分离、暴雨径流泥沙分离、矿厂废水矿渣的分离等。
utc
4( P )d P r 2 3 CD
4( P )d P g 重力沉降 ut 3 CD
• 沉降方向不是向下，而是向外，即背离旋转中心。 • 由于离心力随旋转半径而变化，致使离心沉降速度也随粒 径所处的位置而变。 • 离心沉降速率在数值上远大于重力沉降速率。
第三节 离心沉降
π 2 u 2 FD CD dP 4 2
CD与Re有关
第三节 离心沉降
F Fc Fb FD
2 1 3 π u 2 πd P ( P )r 2 CD d P 6 4 2 du m dt 颗粒在此位置上的离心沉降速度：
如果这三项力能达到平衡 du/dt=0
2 CD与ReP的关系曲线转换成 CD ReP 与ReP的关系曲线。
第二节 重力沉降
CDReP－1（不包含颗粒直径的摩擦数群） 由颗粒直径计算沉降速度 由颗粒直径和其他参 数，计算摩擦数群。
环境工程原理总结
双膜理论——描述气液两相间的传质过程
第二节 物理吸收
（二）双膜理论 双膜相理界论面模型示意图
pA
气相主体
pAi
溶质A
cAi
在膜层以外，气液两 相流体都充分湍动，
不存在浓度梯度，组 成均一，没有传质阻
G
L
力。
相互接触的气液两相流体 间存在着稳定的相界面， 界面两侧分别有一层虚拟 的气膜和液膜。
在相界面处，气液两 相在瞬间即可达到平 衡，界面上没有传质 阻力。
对流传质速率方程 N A kc (cA,i cA,0 )
(5.4.4)
组分A的对流传质速 率，kmol/（m2·s）
界面上组分A的浓 流体主体中组分A的
度，kmol/m3
浓度，kmol/m3
对流传质系数，也称传质分系数， 下标“c”表示组分浓度以物质的 量浓度表示，m/s
传质系数体现了传质能力的大小，与流体的物理性质、界面的 几何形状以及流体流动状况等因素有关。
由上式可以计算出口处尾气中的溶质组成Y2。
低浓度气体吸收，流经全塔的混合气体流率和液体流率变 化不大，因此可以混合气体/液体流率代替惰性气体/液体 溶剂流率, 并用摩尔分数y、x代替摩尔比Y、X。
第四节 吸收设备的主要工艺计算
（二）操作线方程式与操作线
稳态逆流操作中，在吸收塔的任一个横截面，都可以跟塔底 截面或塔顶截面作溶质的物料衡算：
当溶质在气、液相中的浓度以摩尔比来表示时，则总传 质速率方程为：
NA
KY (YA
YA*)（8.2.27）
NA
K
X
(
X
* A
X A)
（8.2.28）
第二节 物理吸收
（四）传质阻力分析
第二节 物理吸收
（二）双膜理论 双膜相理界论面模型示意图
pA
气相主体
pAi
溶质A
cAi
在膜层以外，气液两 相流体都充分湍动，
不存在浓度梯度，组 成均一，没有传质阻
G
L
力。
相互接触的气液两相流体 间存在着稳定的相界面， 界面两侧分别有一层虚拟 的气膜和液膜。
在相界面处，气液两 相在瞬间即可达到平 衡，界面上没有传质 阻力。
对流传质速率方程 N A kc (cA,i cA,0 )
(5.4.4)
组分A的对流传质速 率，kmol/（m2·s）
界面上组分A的浓 流体主体中组分A的
度，kmol/m3
浓度，kmol/m3
对流传质系数，也称传质分系数， 下标“c”表示组分浓度以物质的 量浓度表示，m/s
传质系数体现了传质能力的大小，与流体的物理性质、界面的 几何形状以及流体流动状况等因素有关。
由上式可以计算出口处尾气中的溶质组成Y2。
低浓度气体吸收，流经全塔的混合气体流率和液体流率变 化不大，因此可以混合气体/液体流率代替惰性气体/液体 溶剂流率, 并用摩尔分数y、x代替摩尔比Y、X。
第四节 吸收设备的主要工艺计算
（二）操作线方程式与操作线
稳态逆流操作中，在吸收塔的任一个横截面，都可以跟塔底 截面或塔顶截面作溶质的物料衡算：
当溶质在气、液相中的浓度以摩尔比来表示时，则总传 质速率方程为：
NA
KY (YA
YA*)（8.2.27）
NA
K
X
(
X
* A
X A)
（8.2.28）
第二节 物理吸收
（四）传质阻力分析
环境工程原理-环境工程原理课后思考题解答5吸附
第五章 吸 附1、固体表面吸附力有哪些，常用的吸附剂有哪些，主要特性是什么，各有什么应用？ 答：吸附剂与吸附质间的吸附力有分子引力和化学键引力。
分子引力，吸附力较弱，所以也称范德华吸附。
化学键引力比分子引力大得多。
吸附过程分可逆和不可逆。
常见的吸附剂有活性炭吸附剂、硅胶吸附剂、活性氧化铝、沸石分子筛、有机树脂吸附剂等。
2、吸附平衡是如何定义的，平衡吸附量如何计算？答：吸附平衡是指在一定温度和压力下，吸附剂与吸附质有足够接触时间，吸附量与解吸量相等，载体中吸附质的浓度不再发生变化时，吸附即达到了动态平衡。
3、吸附等温线的物理意义是什么，温度、吸附质分压对吸附是如何影响的？答：气相吸附过程中，操作温度、压力等均有影响，所以吸附平衡关系可以用不同的方法表示，通常用于等温条件下单位质量吸附剂的吸附容量与气相中吸附质分压的关系来表示，即q*＝f(p)，表示吸附容量与气相中吸附质分压的关系曲线称为吸附等温线。
一般，同一平衡分压下，平衡吸附量随着温度升高而降低。
一定温度下，平衡吸附量随气体压力的升高而增加，所以吸附-解吸循环操作方式通常是低温吸附，高温解吸；高压吸附，低压解吸。
4、Langmuir 方程的基本假设是什么，方程的形式和适用范围，方程式中的常数如何求解？ 答：假设：① 吸附剂表面是单分子层吸附；② 被吸附的分子之间没有相互作用力；③ 吸附剂表面是均匀的。
也可写为mm kq q p q p 1*+= 对于一定的吸附剂，其吸附容量是一定的，即q m 一定。
若以p/q*为纵坐标，p 为横坐标作*m 1k q p q kp =+图，可得一直线，该直线斜率为1/q m 。
5、BET 方程的物理意义是什么？答：BET 吸附模型是在Langmuir 方程模型的基础上建立起来的，BET 方程是等温多分子层的吸附模型，其假设条件为：① 吸附剂表面为多分子层吸附，吸附分子在吸附剂上按层次排列；② 被吸附分子间没有相互作用力，每层的吸附服从朗格缪尔吸附模型；③ 第一层的吸附释放的热量为物理吸附热，第二层以上吸附释放的热量为液化热； ④ 总吸附量为各层吸附量的总和。
环境工程原理第五章3
Y1 Y2 L G min X 1,max X 2
（5-56）
（2）解析法：若平衡关系符合亨利定律，则采用下列 解析式计算最小液气比：
Y1 Y2 L G min Y1 X 2 m
（5-57）
【例5-7】某矿石焙烧炉排出含SO2的混合气体，除SO2外其余组 分可看作惰性气体。冷却后送入填料吸收塔中，用含SO20.0003 （摩尔比）的水洗涤以除去其中的SO2。吸收塔的操作温度为 20℃，压力为101.3kPa。混合气的流量为1000m3/h，其中含SO2 体积百分数为9%，要求SO2的回收率为90%。若吸收剂用量为 理论最小用量的1.3倍，试计算： （1）吸收剂用量及塔底吸收 液的组成X1；（2）当用清水溶液作吸收剂时，保持二氧化硫回 收率不变，吸收剂用量比原情况增加还是减少？塔底吸收液组 成变为多少？已知101.3kPa，20℃条件下SO2在水中的平衡数据 如下表所示。
线性化——操作线方程：
G：惰气流量kmol/s L：吸收剂流量kmol/s
L L Y X Y2 X 2 （5-52） （ ） G G
操作关系：塔内任一截面上气相组成Y与液相组成X之间的关系。 逆流吸收操作线方程：（5-52）称为逆流吸收操作线方程式。
图5-16 逆流吸收操作线
（1）当稳态连续吸收时，若L、G一定，Y1、X2恒定， 则该吸收操作线在X～Y直角坐标图上为一直线，通过 塔顶A（X2，Y2）及塔底B（X1， Y1），其斜率 为L/G， 称为吸收操作的液气比。
L G
L =（1.1～2.0） G min
吸收剂用量的确定： L=（1.1～2.0） min L
最小液气比的计算：
（1）图解法：读取交点D的 X*
（5-56）
（2）解析法：若平衡关系符合亨利定律，则采用下列 解析式计算最小液气比：
Y1 Y2 L G min Y1 X 2 m
（5-57）
【例5-7】某矿石焙烧炉排出含SO2的混合气体，除SO2外其余组 分可看作惰性气体。冷却后送入填料吸收塔中，用含SO20.0003 （摩尔比）的水洗涤以除去其中的SO2。吸收塔的操作温度为 20℃，压力为101.3kPa。混合气的流量为1000m3/h，其中含SO2 体积百分数为9%，要求SO2的回收率为90%。若吸收剂用量为 理论最小用量的1.3倍，试计算： （1）吸收剂用量及塔底吸收 液的组成X1；（2）当用清水溶液作吸收剂时，保持二氧化硫回 收率不变，吸收剂用量比原情况增加还是减少？塔底吸收液组 成变为多少？已知101.3kPa，20℃条件下SO2在水中的平衡数据 如下表所示。
线性化——操作线方程：
G：惰气流量kmol/s L：吸收剂流量kmol/s
L L Y X Y2 X 2 （5-52） （ ） G G
操作关系：塔内任一截面上气相组成Y与液相组成X之间的关系。 逆流吸收操作线方程：（5-52）称为逆流吸收操作线方程式。
图5-16 逆流吸收操作线
（1）当稳态连续吸收时，若L、G一定，Y1、X2恒定， 则该吸收操作线在X～Y直角坐标图上为一直线，通过 塔顶A（X2，Y2）及塔底B（X1， Y1），其斜率 为L/G， 称为吸收操作的液气比。
L G
L =（1.1～2.0） G min
吸收剂用量的确定： L=（1.1～2.0） min L
最小液气比的计算：
（1）图解法：读取交点D的 X*
环境工程原理第五章1
（2）液体蒸馏 对于液体混合物加热，使混合 物内部造成两相，利用不同组分挥发性的差 异，使得液体混合物得以分离。 （3）固体干燥 对含一定湿分的固体提供一定的 热量，使溶剂汽化，利用湿分压差，使湿分 从固体表面或内部转移到气相，从而将含湿 分的固体物料得以净化。 （4）其他如：液-液萃取；结晶；吸附与脱附；膜 分离。 需解决：选择合适的溶剂（吸收剂） 合适的设备 溶剂的再生
2）逆流吸收，塔高无限，
L ↓⇒ xb ,max
yb =x = m
* b
吸收剂用量很小，吸收液组成x 吸收剂用量很小，吸收液组成 b不会无限增 为塔底气体入口组成的平衡液相组成。 大，为塔底气体入口组成的平衡液相组成。
G，yb
L，xb
（三）确定过程的推动力 1)吸收过程推动力的表达式 yy* 或 x* -x
* pA − pA
* cA − cA 或
2）在x～y图上 y A · P
y*
x
x*
例2、20℃， P = 0. 1MPa，含CO2 0.1的空气与含 CO2 0.00002 的水接触，问CO2的传质方向及推动力；若水为含CO2 0.0002， 又如何。 解：查表5-1，E = 144MPa
m= E 144 = = 1440 P 0.1
*
m与E的关系 ：
* pA = py *
y * p = Ex
E m= （5-8） p m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体 2） T ↑⇒ m ↑
p ↑⇒ m ↓
Y * = mX 3）
Y=
（5-9 ）
Y*：溶质在气相的摩尔比； X：溶质在液相的摩尔比
气相中溶质的摩尔数 nA y = = 气相中惰性气体的摩尔数 n − nA 1 − y
环境工程原理第五章 质量传递
二、分子扩散
1、分子扩散定律——费克定律 实验表明： 在单相物系内，当某物质在介质中发生分子扩散时， 其分子扩散速率与扩散面积成正比，与浓度梯度成 正比，物质的传递方向为沿浓度降低的方向，这称 为费克（Fick）定律。
数学表达式为:
/ 式中： N A -----扩散组分的分子扩散速率kmol/s或kmol/h
以清水吸收废气中的氨为例：
推动力 传质速率＝ 阻力
如图
这一传质过程可分为三个基本步骤：
第一步：溶质由气相主体（该处浓度为 pG）传 递到两相界面（该处气相浓度为 pi ）， 属气相内传递。
第二步：溶质在界面处由气相溶于液相（该处浓度
为
ci ），属相际间传递。
第三步：溶质由界面传递到液相主体（该处液相浓度 为 c L）属液相内传递。
对组分A而言：
J A J B （等分子逆流扩散）
组分A的扩散方向与气体整体移动方向相同 :
N A N AM J A
所以，在气相中，表现为组分A从气相主体向界 面扩散 。
推导其传质速率方程：
N AM pA 在气相的整体移动中 N BM pB pA 则： N AM N BM pB pA N A N AM J A N BM J A pB N BM J B 且 J A J B
p Bm
n p 根据气体混合物的浓度c与压力p的关系: c V RT pT cT pA 将总浓度 , c pB RT ，分浓度 cA B RT 代入上式整理得： RT
D c NA (cA1 cA 2 ) Z cBm
其中
cBm
cB 2 cB1 ------组分B在界面与气相 cB 2 主体之间浓度的对数平均值。 ln cB1
环境工程原理习题及答案第5章 质量传递
第五章质量传递
1. 在分子传质中，漂流因子表示式为，它反映总体流动对
的影响。
2. 总体流动是由于系统内
而引起的流体宏观运动，总体流动对传质速率有作用（“增大”、“减小”）。
3.分子扩散的条件是（）。
A. 固体
B. 静止流体
C. 层流流体
D. 湍流流体
4.静止流体中的质量传递有扩散和扩散，其中有总体流动的是扩散。
5. 下列物理量中，哪些不是物质或系统的物理常数（）
A. 导热系数
B. 分子扩散系数
C. 对流传热系数
D. 涡流扩散系数
E. 黑度
6. 一定流量的含有A组分的液体沿平壁面湍流流动，其对流传质系数k=100m2/s，如浓度和物性都不变，流速增加，则k值（）。
A. 增大
B. 减小
C. 不变
D. 不能确定
7.费克定律的表达式为，其中扩散通量与成正比，负号表示物质向浓度的方向扩散。
8. 关于分子扩散，叙述正确的是（）
A、单向扩散有总体流动
B、等分子方向扩散有总体流动
1。
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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
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
两种情况
苯－甲苯体系
(摩尔潜热相同)
NB
单向扩散
苯
含有氨的废气
等分子反向扩散
水
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
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
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)
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
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
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
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
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%
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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……
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
u A, D u A uM