北京化工大学 化工原理 第八章导论

★ 三传的类比
考察圆型直管 内的湍流流动
z
z2 2 z1 1
0
2
l
传
1
质 方 主流方向 向
壁面
z
zm cw
cm c
对体积 V 投影面积 A 的流体微团在θ时段内
M A N kc cw V c cw A H q t tw Vc p t tw A Mo 8um2 Vum A
相际传质 采用当量膜(双膜理论)法
气相
NA
液相
D RTδG
p
pBm
pA1
pA2 kG ( p
pi )
D c
N A δL csm cA1 cA2 kL (ci c) 返回
第三节 三传之间的联系与类比
★ 三传的描述
质 量 （Ma）
JA
DAB
dc A dy
费 克 定律 （Fick' s Law )
第八章 传质过程导论
第一节 概述 第二节 扩散与传质 第三节 三传之间的联系与类比 第四节 传质设备简介
第一节 概述
8-1 化工过程中的传质过程 (Mass transfer process)
涉及传质的单元操作：
吸收 萃取 结晶 吸附 精馏 干燥 蒸发 ……
8-2 组成(浓度)表示法
1、质量 (重量) 分率 w
kg m
m3 s m
kg m s m
m3
N m2
m kg s 2
m2
m kg
s m2 s
kg
动 量 du ( ) d ( u ) d ( u )
（MFra Baidu bibliotek）
dy
dy
dy
m s m2
kg
s
m3
牛 顿 粘 性 定 律 （Newton' s Vis cos oty Law )
dy
kg m3
J kg K m
K
J
m3 m
N m2
m kg
s2 m2
kg m s
m2 s
kg
动量
( Mo )
du dy
(
) d( u )
dy
d( u )
dy
ms kg
m2 s
m3
牛顿 粘性 定律( Newton' s Vis cos oty Law )
d
( u
dy
)
3、浓度 单位体积中的物质量
质量浓度 CA（kg/m3)
CA
mA V
Cm V
摩尔浓度 cA （kmol/m3)
cA
nA V
c n V
★ 不同浓度表示的换算
C A C B C i
i
V – 体积 m3
CA
mA V
wAm V
wA
cA
nA V
xAn V
xAc
★ 气体浓度的表示
c n p V RT
金属丝网波纹填料
金属孔板波纹填料
脉冲填料
返回
d
( u
dy
)
kg m3
m s
m
kg m s m
m3
热 量 q dt ( ) d ( ct ) d ( ct )
（H）
A
dy
c dy
dy
傅 立 叶 定 律 （Fouriei' s Law )
q A
J m2 s
J
mK s
kg m3
J kg
K
m2
s
d (
ct
扩散系数 DAB/(m2/s)
2.60 1.35 1.51 1.56 0.88 1.28 1.00 0.87 0.77 0.84
0.45
8-6 对流扩散
1、流动强化传质
例
湿壁塔内 传质情况
③ ② ①
气相浓度分布 ①静止 ②层流 ③湍流
ci
2、对流扩散描述
J
A
D
De
dc A dz
D 分子扩散系数 De 涡流扩散系数
★ 不同分率表示的换算
nA
mA MA
wAm MA
nB
n w Am wB m m
MA MB
i
wi / M i
xA
nA n
wAm / m ( wi
MA / Mi
)
wA / MA ( wi / Mi )
i
i
wA
xAnM A xi nMi
xAMA xi Mi
i
i
Mi – i 组分摩尔 质量 Kg/kmol
扩散物质
O2 CO2 N2O NH3 Cl2 Br2 H2 N2 HCl H2S H2SO4
扩散系数 DAB/(m2/s)
1.80 1.50 1.51 1.76 1.22 1.20 5.13 1.64 2.64 1.41 1.73
扩散物质
HNO3 NaCl NaOH C2H2 CH3COOH CH3OH C2H5OH C3H7OH C4H9OH C6H5OH C12H22O11(蔗糖)
对双组分
w w 1 w
w w 1 w
x 1 x
x 1
气体
w pAmA pBmB
pA pB
返回
第二节 扩散与传质
8-3 基本概念与费克定律
传质机理
分子微观运动 导致分子扩散
流体宏观流动 导致对流扩散
费克定律（Fick’s Law）
JA
DAB
dc A dz
气体中
JA
D AB RT
dpA dz
JA 扩散通量 kmol/(m2.s) DAB A在B中的扩散系数 m2/s dcA/dz z方向的浓度梯度 kmol/m４ “－” 因扩散方向与浓度梯度方向相反
统计规律揭示的实验现象
8-4 一维稳态分子扩散
1、等分子反向扩散 (Equimolar Counter Diffusion)
1 pA1 pB1
jH
StPr2 3
Nu Re Pr1 3
jM jH 8
返回
第四节 传质设备简介
出气
★ 板式塔
塔板 塔外壳 进料 诣流堰
回流 浆液管 受液盘
进气
出料
★ 筛板
液 气
筛板
气 液
★ 填料塔
出气
液体分布器
进液
塔外壳 液体再分布器
填料 填料压板
填料
进气 出液
★ 几种典型的规整填料
木栅格填料
格里奇格栅填料
梯度的作用下
质量
浓度
动 热
量 量
由
高 速 区 高 温 区
向
低速区 低温区
转移
质量 高浓区 低浓区
★ 通用描述
Mom entum
Mom entum
Heat
Heat
Mass
Mass
m2
s
m3
m2 s
m
物理量
m2s
m2 s
物理量
m
m3
现象方程 [通量] = －[扩散系数] [浓度梯度]
扩散物质 H2O
扩散系数 DAB/(m2/s)
0.220
N2
0.132
C6H6
0.077
O2
0.178
C7H8
0.076
CO2
0.138
CH3OH
0.132
HCl
0.130
C2H5OH
0.102
SO2
0.103
CS2
0.089
SO3
0.095
C2H5OC2H5
0.078
NH3
0.170
一些物质在水中的扩散系数（20℃，稀溶液）
NA
JA NM
cA c
J
A
(
N
A
N
B
)
cA c
JA
N
A
cA c
对气体传递
NA
D RT
dpA dz
NA
pA P
N
A
1
pA P
D RT
dpA dz
p pA pB
dpA dpB
pA 1 pB
p
p
N A
pB p
D RT
dpB dz
Dp
NA
dz
0
RT
dp p B 2
B
p p B1
J A
km ol m2 s
DAB
m2 s
d
(cA dy
)
km ol m
m3
q A
J m2
s
J
热量
(H )
q A
dt dy
(
c
)d(
ct dy
)
d(
ct dy
)
m K s kg J m 3 kg K
m2
s
傅立叶定律（Fouriei' s Law )
d( ct )
cA
nA V
pA RT
CA
mA V
M AnA V
MA pA RT
yA
nA n
pA p
p – 总压 kPa pA – A 组分分压 kPa T – 绝对温度 K R – 通用气体常数
4、比浓度 (常用于以惰性组份为基)
比质量分率 比摩尔分率
w
w mA
mB
nA
nB
★ 换算
w mA m wA mB m wB
有
D c
N A csm c A1 c A2
称 p pBm c csm 为漂移因子
物理意义 流动使扩散增大的倍数 稀溶液接近 1
8-5 扩散系数（Diffusivity）
D
JA
dcA dz
m 2 /s
单位浓度梯度下的扩散量
表明由于分子运动而引起的物质传递能力的大小
1
气
体
D
1.00 107 T
p
得到
pB2 pB
D
pB1
JA
( RT
p A1
pA2
)
pA1
pA
pA2
1
δ
2
2、单向扩散 (Diffusion of A though Stagnant B)
JA 主体流动 NM
JB
δ
N NM JA JB JA JB N NM N N NA NB NB 0 N NA
N — 总体扩散通量kmol/(m2.s） J — 分子扩散通量kmol/(m2.s）
1.75
1 MA
1
1 MB 1 2
2
p vA 2
vB 2
1.75
D2
D1
p1 p2
T2 T1
液 体
1
D 7.4 108
aM s 2 T
v 0.6
a 缔合参数 v 分子体积
一些物质在空气中的扩散系数（0℃、101.3kPa）
扩散物质 H2
扩散系数 DAB/(m2/s)
0.611
1
2
JA
pA2 pB2
JB
δ 2 z
浓度均匀
c
常数
c
cA
cB
dc A dz
dcB dz
J A J B DAB DBA D
图示气体扩散 c pA pB z 0 pA pA1
RT RT
z pA pA2
J A
D RT
dpA dz
D
JA
dz
0
RT
dp pA2
p
A
A1
k1
c p
c pum 8
k
um 8
定义准数
舍伍德数 Sh kd
雷诺数 Re du
施密特数
D Sc D
普兰特数 Pr c p
Nu
斯坦顿数 St
ucp Re Pr
努塞尔特数 Nu d
（传质）斯坦顿数 St k Sh
u Re Sc
有
jM
StSc2 3
Sh Re Se1 3
dy
)
kg m3
J kg K m
K
J m3 m
J A
km ol m2 s
质量
（Ma）
JA
D AB
dc A dy
DAB
m2 s
费 克 定 律 （Fick' s Law )
d
( cA dy
)
km ol m
m3
实质 梯度（差异）引起转移（运动）
动量
热量
传递
在
速度 温度
对混合物系
m m A mB
wA
mA m
wB
mB m
1 w A wB
双组分 w 1 w
m – 质量 kg
2、摩尔分率 x (y)
n – 千摩尔数 kmol
对混合物系
n nA nB
xA
nA n
xB
nB n
1 x A xB
双组分 x 1 x
(气体相习惯采用 y 表示)
B
NA
Dp ln RT
pB2 pB1
定义
p Bm
pB2 ln( pB2
pB1 pB1 )
p pB2
有
N A
Dp
RT
pB2 pB1
pB2 pB1
ln pB2 pB1
pB1 pA1
pB pA
D
RT
p
pBm p A1 p A2
1
δ
pA2 2
对液相 定义
c sm
cs2 cs1 ln( c s 2 c s1 )