第五章质量传递

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反渗透:利用半渗透膜,当对高浓度一侧施加高于渗透压的压力 时,水分子通过渗透膜,从而使水得到净化。
电渗透(析):在电流作用下,阳、阴离子分别通过阳、阴离子交 换膜而在局部富集,使水得到净化,从而脱盐。
纳滤
超滤 书上P368 微滤
(+)


CD
极水 极室
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环工原理
§5.2 质量传递的基本原理
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环工原理
RA+M+ = RM+A+ R-NHOH+HCl = R-NHCl+H2O
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环工原理
膜分离是以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质,当膜的两 侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差)时,混合物中 的某一组分或某些组分可选择性地透过膜,从而与混合物中的其 他组分分离。已经广泛应用于给水和污水处理中,如高纯水的制 备、MBR
费克定律的普通表达形式:
NA

DAB
dcA dz

cA c
(NA

NB)
对于单向扩散(停滞介质中的扩散):
NA


c
c cA
DAB
dcA dz
在稳态情况下,NA为定值
NA


c
c cA
DAB
dcA dz
NA


DABc Lc B ,m
(cA,i

cA,0 )
NA


DAB p RTLp B,m
z
根据化学反应的计量式,可 得出组分A的扩散通量NA与 组分B的扩散通量NB之间的 关系为
NB= - 2 NA
L NB
L NA
0
催化剂表面
图 界面处有化学反应的传质过程
NB= - 2 NA
NA

DAB
dcA dz

cA c
(NA

NB)
NA

DABc
dyA dz

yA(NA

NB)
NA

DABc 1 yA
第五章 质量传递
动 量 传 递 三 传热 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 场的场强差等推动力作用下,从一处向另一处的转 移,包括相内传质和相际传质两类。
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温度差
压力差
场强差
浓度差
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热扩散 压力扩散 强制扩散 分子扩散和涡流扩散
NH3、空气

理解:我们这一节讲的是静止流体中的扩散,但 上面讲到空气似乎是流动的??
空气是处于没有流动的静止状态的。
L
气相主体 pA,0 pB,0 p
A的传递 B的传递
A扩散 0
B扩散 pA,i
液相
pA pB 总压p 界面 pB,i
以上分析表明: 在单向扩散中
扩散组分的总通量=流动所造成的传质通量+叠加
相邻层间流体互不掺混,在垂直方向上只存在由浓度 梯度引起的分子扩散,界面与流体间的扩散通量符合 费克第一定律。
湍流流动
相邻层间流体在垂直方向上强烈混合,除了由浓度梯 度引起的分子扩散外,更重要的是涡流扩散。 湍流边界层包括层流底层、过渡区及湍流核心区
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费克第一定律
主要是涡流扩散
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但是,在某些传质过程中,分子扩散往往伴随着流体的流动, 从而促使组分的扩散通量增大。 在气液两相界面上,由于氨溶解于水而使得氨的含量减少,氨 分压降低,导致相界面处的气相总压降低,使气相主体与相界 面之间形成总压梯度。在此总压梯度的推动下,混合气体自气 相主体向相界面处流动,使流体的所有组分一起向相界面处流 动,从而使氨的扩散量增加。
O
cA,cA沿Z方向分布不均匀,上部浓 度高于下部浓度,即cA2>cA1,如图
y
所示。
ⅠcA1
分子热运动的结果将导致A分 子浓度高的区域向浓度低的区域净 扩散流动,即发生由高浓度区域向 低浓度区域的分子扩散。
表示扩散方向与浓度梯度方向相反
N Az

DAB
dCA dz
A 在 B 中的扩散系数 m2/s
若反应是瞬时完成的,可认为催化剂表面不存在组分A,即yA,i=0
NA


DABc L
ln(1
yA,0 )
若在催化剂表面化学反应进行得极为缓慢,化学反应速率远小于
扩散速率,且化学反应属一级反应,则在催化剂表面,组分A的传
质通量与摩尔分数的关系为yA,i=NA/(k1c)
NA


DABc L
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ln
1 1
反应控制
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§5.4 对流传质
对流传质是运动着的流体与相界面(固体壁面或流 体界面)之间发生的传质过程,也称为对流扩散。
单相中的对 如:①流体流过可溶性固体表面,溶质在 流传质 流体中的溶解过程 ②在催化剂表面进行的气-固相催化反应
两相间的对 两相流体接触,组分先由一相的主体向相界 流传质 面传递,然后通过相界面向另一相中传递, 如:气体的吸收;液-液两相萃取等。
利用空气作解吸剂,称为吹脱(如高浓度NH3-N 废水的处理);利用蒸汽作解吸剂,称为汽提(如油 库、航空港等地方受石油烃污染的地下水处理)。
萃取是利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶解度的差异 分离液体混合物的方法。(高浓度含酚废水处理时可通过 萃取一方面回收酚,另一方面降低处理的难度;从染料废 水中提取有用染料;从洗毛废水中提取羊毛脂)
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一、对流传质过程的机理及传质边界层
对流传质中分子扩散和涡流扩散一般同时存在。
(一)对流传质过程的机理
u0,cA,0
u=0.99u0
δc cA cA,i
cA-cA,i=0.99(cA,o-cA,i) δ
流体流过平壁面的对流传质
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层流流动
分子扩散系数是很重要的物理常数,其数值受体系温度、 压力和混合物浓度等因素的影响。
低密度气体、液体、固体的扩散系数随温度的升高而增大, 随压力的增加而减少。
三、涡流扩散
组分A的平均浓度梯度
N A
D
dA
dz
εD为涡流质量扩散系数,单位为m2/s
N At
(DAB


D
)
dA
dz
DABeff
一、传质机理
传质方式
分子扩散: 静止或层流流动的流体中,
靠分子微观运动来进行传质
涡流扩散: 在湍流状态下,靠流体质点(流体
微团)强烈掺混来进行传质
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二、分子扩散
z
(一)费克定律
ⅡcA2
某一空间中充满组分A、B组成
的混合物、无总体流动或处于静止
x
状态。若组分A的物质的量浓度为
pA pB 总压p 界面 pB,i
二、等分子反向扩散
在一些双组分混合体系的传质过程中,当体 系总浓度保持均匀不变时,组分A在分子扩散的同 时伴有组分B向相反方向的分子扩散,且组分B扩 散时的量与组分A相等,这种传质过程称为等分子 反向扩散。
pA1
p1 pB1
2 pA2 p pB2
pA1>pA2
pB1<pB2 系统内任一点总压不 变
(一)扩散通量
没有流体的总体流动 等分子反向扩散
NA+NB=0
NA

DAB
dcA dz

cA c
(NA

NB )(P188式5.3.5)
NA

DAB
dcA dz
在和之zz间==积0L,分,ccAA==ccAA,,i0
NA

DAB L
(cA,i
cA,0 )
等分子反向扩散
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Sc
DAB
Sc——分子动量传递能力和分子扩散能力的比值。
于流动之上的由浓度梯度引起的分子扩散通量
其中,分子扩散是由物质浓度(或分压)差而引 起的分子微观运动;而流动是因为系统主体与相 界面之间存在压差而引起的流体的宏观运动,其 起因还是分子扩散,流动是一种分子扩散的伴生 现象。
(一)扩散通量
由组分A、B组成的双组分混合气体,假设A为溶质, 组分B为惰性组分,组分A向流体界面扩散并溶解于液 体,则组分A从气相到相界面的传质通量为分子扩散 通量与流动中组分A的传质通量之和。
在环境工程中,去除水、气和固体中的污染物 常用到传质过程,如常见的吸收、吸附、萃取、膜 分离过程。在化学反应和生物反应中,也常伴随着 传质过程。
酸碱中和反应
厌氧生物膜
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好氧生物膜
§5.1 环境工程中的传质过程
1.吸收与吹脱(汽提) 2.萃取 3.吸附 4.离子交换 5.膜分离
y A,0 NA
k1c
NA


DABc L
ln
1 1
y A,0 NA
k1c
超越方程
N A 0.4或更小 k1c
NA


DABc L
ln(1 yA,0 ) 1 DAB
k1L
DAB《1 k1c
NA


DABc L
ln(1
yA,0 )
扩散控制
DAB 》1 k1c
N A k1c ln(1 yA,0 )
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根据气体混合物中各组分在同一溶剂中的溶解度 不同,使气体与溶剂充分接触,其中易溶的组分溶于 溶剂进入液相,而与非溶解的气体组分分离。
用水吸收混合气体中的氨
石灰/石灰石法烟气脱硫
化学工程中将被吸收的气体组分从吸收剂中脱出 的过程称为解吸。
环境工程中,解吸常用于从水中去除挥发性的污 染物。
dA
dz
DABeff为组分A在双组分混合物中的有效质量扩散系数。
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DABeff≈εD
§5.3 分子传质
发生在静止流体、层流流动的流体以及某 些固体的传质过程中。
当静止流体与相界面接触时,若流体中组 分A的浓度与相界面处不同,则物质将通过流 体主体向相界面扩散。在这一过程中,组分A 沿扩散方向将具有一定的浓度分布。对于稳态 过程,浓度分布不随时间变化,组分的扩散速 率也为定值。
吸附: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,称为吸附。
活性炭脱硫 活性炭、陶粒柱净水
离子交换是依靠阴、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。
制取软化水,纯水,去除水中某种特定物 质(如去除电镀废水中的重金属)。
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三、界面上有化学反应的稳态传质 既有分子扩散,又伴随着化学反应。这两种 过程的相对速率极大地影响着过程的性质。
化学反应速率》扩散速率 扩散控制过程
化学反应速率《扩散速率 反应控制过程
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在物质表面进行的化学反应过程。(以 催化剂反应为例)
A(g) C(s) 可逆 2B(g)
( pA,i

pA,0 )
(二)浓度分布
相界面
1 yA

1 (
y A,0
)
z L
气相
1 yA,i 1 yA,i
液相 传质方向
yB

(
yB
,0
)
z L
yB,i
yB,i
L
气相主体 pA,0 pB,0 p
可见,组分A通过停 A的传递
滞组分B扩散时,浓 度分布曲线为对数 型。
A扩散 0
B的传递
B扩散 液相 pA,i
dyA dz
将上式在催化剂表面和气相主体之间积分,边界条件为
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z=0, yA=yA,i z=L, yA=yA,0
NA
L
dz
0
yA,0 y A,i
DABc 1 yA
dyA
在一定操作条件下,DAB和c为常数,因此
NA


DABc L
ln
1 1
y A,0 y A,i
(二)传质边界层
具有浓度梯度的流体层称为传质边界层,可以认为
质量传递的全部阻力都集中在边界层内。与流动边
界层相似,对于平板壁面,将传质边界层的名义厚
度δc定义为 cA-cA,i=0.99(cA,o-cA,i)
传质边界层厚度δc与流动边界层厚度δ一般不相等, 他们的关系取决于施密特数Sc,即
Sc1/3 c
N Az

DAB
dxmA dz
ρ为混合物的物质的量浓度(kg/m3) xmA为组分A的质量分数
N Az
DAB
d A
dz
ρA为组分A的质量浓度(kg/m3)
(二)分子扩散系数
DAB


N Az dcA
dz
分子扩散系数是扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率, 表征物质的分子扩散能力,扩散系数大,则表示分子扩散快。
扩散通量,kmol/m2s
(仅适用于双组分混合物)
费克定律的物理意义:
在一维稳态情况下,由浓度梯度引起的组分A在Z方向上的质 量通量=-(分子扩散系数)×(Z方向上组分A的质量浓度 梯度)
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费克定律的其它表达形式:
N Az

cDAB
dxA dz
c为混合物的物质的量浓度(kmol/m3) xA为组分A的摩尔分数
静止流体中的质量传递分为单向扩散和等 分子反向扩散。
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一、单向扩散
静止流体与相界面接触时的物质传递完全依靠 分子扩散,其扩散规律完全可以用费克定律描述。
NH3、空气 水
只有气体组分氨从气相向液相 传递,而没有物质从液相向气 相作相反方向的传递,这种现 象可视为单向扩散。
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