环境工程原理第05章质量传递.
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动量传递（扩散） 热量传递（扩散） 质量传递（扩散） 牛顿粘性定律 傅利叶导热定律 费克扩散定律 du t dc A N Az DAB dQ dA dy dz n 扩散并不单独占有任何空间 扩散占据一定空间 通量 = -（扩散系数）×（梯度）
第二节 质量传递的基本原理
费克定律的其它表达形式：
以摩尔分数为基准： N Az
dxA c DAB dz
c为混合物物质的量浓度(kmol/m3)，xA为组分A的摩尔分数
dxmA 以质量分数为基准： N Az DAB dz
ρ为混合物的质量浓度(kg/m3)，xmA为组分A的质量分数
以质量浓度为基准： N Az
第二节 质量传递的基本原理
2、两种扩散方式的区别：
扩散方式 作用物 作用方式 作用对象 扩散快慢 分子扩散 流体分子 热运动 静止、层流 慢 涡流扩散 流体质点 湍动和旋涡 湍流 快
工程上为了加速传质，通常使流体处于湍流状态， 涡流扩散占主导要地位。
第二节 质量传递的基本原理
二、分子扩散 1、费克定律 由组分 A 和 B 组成的混合物，在恒温、总压条件下， 若组分A只沿z方向扩散，则任一点处组分A的扩散通 量与该处A的浓度梯度成正比。
思考题
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DABeff ≈εD
第二节 质量传递的基本原理
三传的类似性 质量传递、热量传递和动量传递都牵涉到流体质点 的交换(涡流传递)和分子交换(分子传递)，三种传递之 间必然存在一定的内在联系。在湍流流动中，上述三种 传递同时发生时，湍流流体质点和分子之间的交换不同 程度地同时影响着三种传递，使三种传递的机理和计算 方法具有相似性。
第二节 质量传递的基本原理
3、涡流扩散
涡流扩散通量表示方法借助于费克定律，定义扩散系数 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，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影响，很难测定。 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
d A DAB dz
ρA为组分A的质量浓度（kg/m3）
第二节 质量传递的基本原理
2、分子扩散系数
定义式：
DAB
NAz dcA dz
物理意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某 组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数
之一；扩散系数大，分子扩散快。
影响因素：系统的温度、压力和物系的组成。 数据来源：一般由实验确定、半经验公式计算。
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
1、水、气体和固体中污染物的分离过程
分类 特点
非均相混合物 有相界面
均相混合物 无相界面
吸收、萃取、吸附、离 单元操作 过滤、沉降等 子交换、膜分离等 人造相界面物质在相间 分离依据 不同相物性差异 的物性差异
相界面 相界面 气相 液相 S 气相 B 液相 B+A B+A S+A S+A
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
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
第一节 环境工程中的传质过程
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
A在B中的扩散系数，m2Байду номын сангаасs
扩散通量(扩散速率)：单位时间内通过垂直于扩散 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
第二节 质量传递的基本原理
主要内容
一、传质机理 二、分子扩散 三、涡流扩散
能力要求：掌握费克定律、分子扩散系数、涡流 扩散与涡流扩散系数的概念。
第二节 质量传递的基本原理
一、传质机理 扩散：物质在单一相内的传递过程 1、流体中物质扩散的基本方式： 分子扩散：在静止或层流流体内部，若某一组分存 在浓度差，则因分子的无规则热运动使该组分由浓 度高处传递至浓度低处，这种现象称为分子扩散。 涡流扩散：流体湍流流动时，由于质点的无规则运 动，相互碰撞和混合，在存在浓度梯度的情况下， 组分会从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为 涡流扩散。
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
第二节 质量传递的基本原理
（1）气体分子扩散系数（ 10-5 ~ 10-4 m2/s） 对于双组分气体混合物，组分的扩散系数：
DAB
p0 T DAB,0 p T0
1.75
扩散系数与总压力成反比，与热力学温度的1.75次方成正比
（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。液体、固体扩散系数的 数量级分别为10-10~10-9、10-14~10-9m2/s。
第二节 质量传递的基本原理
费克定律的其它表达形式：
以摩尔分数为基准： N Az
dxA c DAB dz
c为混合物物质的量浓度(kmol/m3)，xA为组分A的摩尔分数
dxmA 以质量分数为基准： N Az DAB dz
ρ为混合物的质量浓度(kg/m3)，xmA为组分A的质量分数
以质量浓度为基准： N Az
第二节 质量传递的基本原理
2、两种扩散方式的区别：
扩散方式 作用物 作用方式 作用对象 扩散快慢 分子扩散 流体分子 热运动 静止、层流 慢 涡流扩散 流体质点 湍动和旋涡 湍流 快
工程上为了加速传质，通常使流体处于湍流状态， 涡流扩散占主导要地位。
第二节 质量传递的基本原理
二、分子扩散 1、费克定律 由组分 A 和 B 组成的混合物，在恒温、总压条件下， 若组分A只沿z方向扩散，则任一点处组分A的扩散通 量与该处A的浓度梯度成正比。
思考题
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DABeff ≈εD
第二节 质量传递的基本原理
三传的类似性 质量传递、热量传递和动量传递都牵涉到流体质点 的交换(涡流传递)和分子交换(分子传递)，三种传递之 间必然存在一定的内在联系。在湍流流动中，上述三种 传递同时发生时，湍流流体质点和分子之间的交换不同 程度地同时影响着三种传递，使三种传递的机理和计算 方法具有相似性。
第二节 质量传递的基本原理
3、涡流扩散
涡流扩散通量表示方法借助于费克定律，定义扩散系数 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，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影响，很难测定。 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
d A DAB dz
ρA为组分A的质量浓度（kg/m3）
第二节 质量传递的基本原理
2、分子扩散系数
定义式：
DAB
NAz dcA dz
物理意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某 组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数
之一；扩散系数大，分子扩散快。
影响因素：系统的温度、压力和物系的组成。 数据来源：一般由实验确定、半经验公式计算。
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
1、水、气体和固体中污染物的分离过程
分类 特点
非均相混合物 有相界面
均相混合物 无相界面
吸收、萃取、吸附、离 单元操作 过滤、沉降等 子交换、膜分离等 人造相界面物质在相间 分离依据 不同相物性差异 的物性差异
相界面 相界面 气相 液相 S 气相 B 液相 B+A B+A S+A S+A
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
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
第一节 环境工程中的传质过程
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
A在B中的扩散系数，m2Байду номын сангаасs
扩散通量(扩散速率)：单位时间内通过垂直于扩散 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
第二节 质量传递的基本原理
主要内容
一、传质机理 二、分子扩散 三、涡流扩散
能力要求：掌握费克定律、分子扩散系数、涡流 扩散与涡流扩散系数的概念。
第二节 质量传递的基本原理
一、传质机理 扩散：物质在单一相内的传递过程 1、流体中物质扩散的基本方式： 分子扩散：在静止或层流流体内部，若某一组分存 在浓度差，则因分子的无规则热运动使该组分由浓 度高处传递至浓度低处，这种现象称为分子扩散。 涡流扩散：流体湍流流动时，由于质点的无规则运 动，相互碰撞和混合，在存在浓度梯度的情况下， 组分会从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为 涡流扩散。
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
第二节 质量传递的基本原理
（1）气体分子扩散系数（ 10-5 ~ 10-4 m2/s） 对于双组分气体混合物，组分的扩散系数：
DAB
p0 T DAB,0 p T0
1.75
扩散系数与总压力成反比，与热力学温度的1.75次方成正比
（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。液体、固体扩散系数的 数量级分别为10-10~10-9、10-14~10-9m2/s。