第八章 传质过程导论

第八章传质过程导论

第一节概述

8-1 物质传递过程(传质过程)

传质过程

• 相内传质过程

• 相际传质过程

相内传质过程：物质在一个物相内部从浓度(化学位)高的地方向浓度(化学位)高的地方转移的过程。

实例：煤气、氨气在空气中的扩散，食盐在水中的溶解等等。

相际传质过程：物质由一个相向另一个相转移的过程。

相际传质过程是分离均相混合物必须经历的过程，其作为化工单元操作在工业生产中广泛应用，如蒸馏、吸收、萃取等等。

几种典型的相际传质过程

●吸收：物质由气相向液相转移，如图8-1所示

A

图8-1 吸收传质过程

●蒸馏：不同物质在汽液两相间的相互转移，如图8-2所示。

相界面

B

图8-2 蒸馏传质过程

●萃取，包括液-液萃取和液-固萃取

液-液萃取：物质从一个相向另一个相转移。例如用四氯化碳从水溶液中萃取碘。

液-固萃取：物质从固相向液相转移。

●干燥：液体(通常为水)由固相向气相转移

其它相际传质过程：如结晶、吸附、气体的增湿、减湿等等。

传质过程与动量传递、热量传递过程比较有相似之处，但比后二者复杂。例如与传热过程比较，主要差别为： (1)平衡差别

传热过程的推动力为两物体(或流体)的温度差，平衡时两物体的温度相等；传质过程的推动力为两相的浓度差，平衡时两相的浓度不相等。 例如1atm,20ºC 下用水吸收空气中的氨，平衡时液相的浓度为0.582 kmol/m3 ，气相的浓度为3.28×10 - 4 kmol/m3 ，两者相差5个数量级。 (2)推动力差别

传热推动力为温度差，单位为ºC ，推动力的数值和单位单一；而传质过程推动力浓度有多种表示方法无(例如可用气相分压、摩尔浓度、摩尔分数等等表示)，不同的表示方法推动力的数值和单位均不相同。

8-2浓度及相组成的表示方法

1. 质量分数和摩尔分数

● 质量分数：用w 表示。以A 、B 二组分混合物为例，有

w A = (8-1)

● 质量分数：用x 或y 表示。以A 、B 二组分混合物为例，有

x A = (8-2)

2. 质量比与摩尔比 ● 质量比：混合物中一个组分的质量对另一个组分的质量之比，用w 表示。以A 、B 二组分混合物为例，有

(8-3)

● 摩尔比：混合物中一个组分的摩尔数对另一个组分的摩尔数之比，用X 表示。以A 、B 二组分混合物为例，有

(8-4) 使用质量比或摩尔比在某些计算如吸收、干燥计算中较为方便。

3. 浓度

包括质量浓度和摩尔浓度，后者较常用。

第二节 扩散原理

8-3基本概念和费克定律

分子扩散：物质依靠分子运动从浓度高的地方转移到浓度低的地方，称为分子扩散。分子扩

B

A A

A m m m m m +=B

A A A n n n

n n +=B A

AB m m w =B A

AB n n X =

散在静止或呈层流流动的流体中进行。

实例：空气中气味的传播，食盐在静止的水中的溶解等等。

描述分子扩散传质速率的关系式— 费克定律

(8-5)

式中 J A :A 的分子扩散通量，kmol/m 2.s ；D AB :扩散系数，m 2/s ； ：浓度梯度，kmol/m 4。

8-3基本概念和费克定律

对于气相物系，常用组分分压表示组成，在常压下视气体为理想气体，则有c A =p A /(RT)，代入式(8-5)得

(8-6)

在涉及“通量”的参数的计算中，存在基准面的确定问题，式(8-5)和式(8-6)中的扩散通量是基于“分子对称面”的通量。所谓分子对称 面， 是从两侧扩散通过该截面的分子数相等的面。

N

N

图

在二个由连通管连接的全混合容器中进行二组分等摩尔相互扩散实验，可以推导得到 (1) 在任何一个分子对称截面上，有

J A +J B =0 (8-7)

这个结论可以推广到n 组分物系，即

(8-8) (2)对于二组分物系的相互扩散，有

D AB =D BA =D=0 (8-9)

dz

dc

D J A AB A -=dz

dc

A dz

dp RT D J A AB A -=0

J n

1

i i =∑=

8-4一维稳定分子扩散

将流体视为没有空隙的连续介质，当某一个分子进行扩散移动时，其原来所处的位置空了出来，这个空位由何处的其它分子来填充，产生了两类扩散问题，一类是此空位全由后面的分子来填充(前赴后继)，此类问题即为单向扩散问题；另一类是此空位全由相反方向的分子来填充(你来我往)，此类即为等摩 尔相互扩散问题。单向扩散和等摩 尔扩散是分子扩散的两个极端，实际扩散一般介于这两者之间。

一. 等摩尔相互扩散

由式(8-6)分离变量，在两个扩散截面进行积分得

积分并整理得

(8-10)

传质通量的另一个参数是相对于固定点的传质通量，一般称其为传质速率，用N 表示。对于等摩尔相互扩散，有

N A =J A (8-11)

同理，对于组分B 有

(8-12)

如果对式(8-5)进行分离变量并积分可得

N A =J A = (c A1-c A2) (8-13)

N B =J B = (c B1-c B2) (8-14)

二. 单向扩散

对于任何一个n 组分物系的扩散传质，存在下列普遍关系系

N i =J i +x i N t (8-15)

(8-16)

对于如图8-4所示的二组分物系的单向扩散，有

8-4二组分物系的单向扩散

A z z p p A dp

RT D

dz J 212

A 1A ⎰⎰-=)p p (RTz

D

z z p p RT D J 2A 1A 121A 2A A -=---=)

p p (RTz D N J 2B 1B B B -==z

D

z

D

∑==n 1j j

t N

N