工学化学工程基础五传质基础控制PPT课件.ppt

第五章传质基础 应用化学专业 化学工程基础 王华军华中科技大学化学与化工学院2010 4 提纲 5 1传质基础传质分离操作与化工生产传质分离操作的分类5 2传质过程机理单相中的传质两相间的传质 5 1传质基础 1 质量传递 传质 是自然界和工程技术领域普遍存在的现象 如 海水的蒸发制盐 酒精的提纯 2 三传一反 是化学工程学科的理论基础 3 当物系中的某个组分存在浓度梯度时 该组分就会由高浓度区向低浓度区迁移 这个过程就是质量传递 物系特点 1 两个或两个以上组分 2 具有浓度梯度 3 可以单相也可以多相 相 是指体系中的一个均匀空间部分 其性质和其余部分有区别 每个相都是开系 它能和相邻的相进行物质交换 物质从一相迁移到另一相的过程称为该物质的相迁移过程 传质过程 从宏观上看 事物相迁移停止时 称为相平衡 故相平衡指的是在相间 二个或二个以上的相 的平衡 这时各相的性质和组成将不随时间而变化 在相平衡的条件下 各相间的有些性质如密度和粘度等相差悬殊 有些性质却完全相同 如压力和温度等 5 1传质基础 相的概念 5 1 1传质分离与化工生产 1 传质是均相混合物分离的物理基础 也是化学反应中几种反应物互相接触与产物分离的基本依据 比如 反应工程学科 2 传质分离过程在化工生产中占有十分重要的地位 化工生产 三步曲 反应器 分离器 分离器 原料 产品 5 1 2传质分离操作分类 根据物理化学原理 传质可以分为平衡分离与速率分离两种 5 1 2 1平衡分离过程 1 平衡分离过程系借助分离媒介 热能 溶剂 吸附剂 使均相混和物系变为两相体系 再以混合物中各组分在处于平衡的两相中分配关系的差异实现分离 平衡分离过程分类如下 气液传质过程 如吸收 气体的增湿或减湿 汽液传质过程 如液体的蒸馏和精馏 液液传质过程 如萃取 液固传质过程 如结晶 浸取 吸附 离子交换 色层分离 气固传质过程 如固体干燥 吸附等 5 1 2传质分离操作分类 5 1 2传质分离操作分类 2 平衡分离中几个重要概念 分配系数平衡时 i组分在两相中的组成的比值式中 yi xi分别表示i组分在气 或汽 相和液相中的组成 注意 Ki的大小取决于物系特征和操作条件 温度 压力等 5 1 2传质分离操作分类 分离因子i j两个组分的分配系数之比称为分离因子 ij 即通常 ij 1 对均相混合物而言 ij越大 越容易分离 分离因子在蒸馏中被称为相对挥发度 在萃取中称为选择性系数 3 相间传质过程以达到相平衡为极限 但两相的平衡需要经过相当长的时间才能建立 在实际操作中 相际接触的时间一般是有限的 但一相迁移到另一相物质的量决定于传质过程的速率 传质过程的两个主要问题是相平衡和传质速率 相平衡 传质的极限 时间长 传质速率 传质的快慢 传质的量 5 1 2传质分离操作分类 5 1 2 2速率分离过程在某种推动力 如浓度差 压力差 温度差 电位差等 下 有时在选择性透过膜的配合下 利用各组分扩散速度的差异而实现混合物分离的操作 如 a 膜分离过程 超滤 反渗透 渗析等 b 场分离 如电泳 热扩散 离心分离等 特点 所处理的物料和产品通常属于同一相态 仅有组成的差别 5 1 2传质分离操作分类 5 2传质过程机理 5 2 1单相中的传质5 2 1 1分子扩散 1 如果在流体内部存在某一组分的浓度差 由于物质分子的无规则运动 该组分将从较高浓度处向较低浓度处转移 直至流体内部达到浓度均匀为止 这种物质传递现象称为分子扩散 2 分子扩散是物质分子微观运动的结果 在静止流体内的传质 或是做层流流动的流体中与其流向垂直方向上的传质属于分子扩散 5 2传质过程机理 分子扩散示意图 5 2 1 2费克 Fick 定律 1 扩散通量分子扩散速率 扩散通量 单位时间内通过单位截面积扩散的物质量NA0 单位 mol m2s 分子扩散速率与物质性质 传质面积 浓度差和扩散距离等因素有关 2 费克 Fick 定律在恒温恒压条件下 流体内组分A相对于组分B作定常态分子扩散时 分子扩散速率可用费克定律描述 即流体内任一点处组分A的扩散通量与该组分在扩散方向上的浓度梯度成正比 5 2 1单相中的传质 式中 NA 0为组分A的扩散通量 mol m2s l为沿扩散方向上的距离 m dcA dl为组分A在扩散方向上的浓度梯度 即组分A的浓度在扩散方向上的变化率 mol m4 式中 负号 表示扩散方向与浓度梯度方向相反 即分子扩散沿浓度降低的方向进行 DAB 组分A在组分B中的扩散系数 m2 s 是物质分子扩散的属性 5 2 1单相中的传质 5 2 1单相中的传质 3 流体内动量 热量和质量传递的一致性 牛顿黏性定律 速度梯度傅里叶定律 温度梯度费克定律 浓度梯度三个定律在形式上具有相似性 流体内的动量 热量和质量传递速率均与相应量的梯度成正比 动量传递应存在速度梯度 热量传递应存在温度梯度 质量传递应存在浓度梯度 5 2 1单相中的传质 4 对组分B 扩散通量为 5 对于气体物质的量浓度可以用分压表示故有 PA A的分压 Pa T K R 气体常数 8 314J molK 6 对于静止的A B两组份的混合气体设其中存在浓度差 则A B两组份将产生分子扩散 就混合气体中某一截面而言 两组份扩散通量为 它们的扩散方向正好相反 若气体为理想气体 其中各处温度 压力相同 则气体中各处的总浓度cT均相等 即cT cA cB 常数 有 5 2 1单相中的传质 由于气体处于静止状态 没有整体流动 有即 5 2 1单相中的传质 5 2 1单相中的传质 可得 可见 1 对于两组份气体混合物 组分A在介质B中扩散系数等于组分B在介质A中的扩散系数 2 对于液体混合物 由于总浓度一般不是常数 所以扩散系数不存在上述关系 5 2 1单相中的传质 5 2 1 3传质通量 1 定义 单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质量称为传质通量 2 在讨论相间传质通量时 常以设备中某个截面为基准来分析通过此截面的传质通量 此时有 传质通量 分子扩散通量 流体整体流动提供的通量 5 2 1单相中的传质 5 2 1 3传质通量 3 传质通量的计算 以设备中的任一界面为基准 此截面上组分A与B的浓度与浓度梯度分别为cA cB和dcA dl与dcB dl 则组分A的传质通量为 式中 NA为组分A的传质通量 kmol m2s NM为流体整体流动经过截面的通量 kmol m2s 同理 组分B通过截面的传质通量也可以表示为 显然 通过截面的组分A和B的总通量为 5 2 1单相中的传质 5 2 1单相中的传质 补充 一维稳态分子扩散1 等摩尔相互扩散2 单向扩散 5 2 1单相中的传质 5 2 1 4扩散系数 1 扩散系数是物质很重要的传递性质 表示物质分子扩散速率的大小 扩散系数大 表示分子扩散快 2 单位 m2 s 3 获得方法 文献 经验公式 实验 4 气体扩散系数 1 10 3 1 10 4m2 s 5 2 1单相中的传质 5 物质在气体中的扩散系数 扩散系数与物质本身性质 介质性质 浓度 温度 压力及气体组分的性质等因素有关 物质在气体中的扩散系数 主要取决温度 当压力不太高时 与气体的浓度基本无关 测定二元气体扩散系数的方法 蒸发管法 双容积法 液滴蒸发法 一个计算公式 对于气体物质 扩散系数与总压成反比 与绝对温度的1 75次方成正比 上式表明 可以从已知T0 p0时的气体物系的扩散系数D0推算出T p时该物系的扩散系数 5 2 1单相中的传质 5 2 1单相中的传质 6 物质在液体中的扩散系数 液体中的分子扩散速率 气体中分子扩散速率原因 液体分子间距离较近 分子的运动不如在气体中自由 扩散物质A的分子运动时很容易与邻近液体B的分子碰撞 使本身的扩散速率减慢 气体的扩散通量比液体大10 100倍 影响因素 物系种类 温度 黏度 溶质的浓度 经验公式计算的准确性不如气体 2020 1 7 29 例5 1如图所示为采用蒸发管法测定气体中扩散系数的装置 用来测定水蒸气在空气中的扩散系数 将此装置放在328K的恒温箱内 立管中盛水 最初水面离上端管口的距离为0 125mm 迅速向上部横管中通入干燥的空气 空气流速大到足以保证被测气体在管口的分压大致为零 压力为101 325kPa 实验中测得经290h后 管中水面离上端管口距离增加到0 150mm 求水蒸气在空气中的扩散系数 解 立管中水面下降是水分子扩散使水蒸发并依靠分子扩散通过立管上部传递到流动的空气中所引起的 该扩散过程可视为单方向扩散 5 2 1单相中的传质 当水面与上端管口距离为l时 水蒸气扩散的传质通量为 式中 pA 1为328K下水与空气界面上的水蒸气分压 为15 73kPa pA 2为立管出口处水蒸气分压 等于0 则空气的对数平均分压为 水在空气中分子扩散的传质通量可用管中水面下降的速度表示 5 2 1单相中的传质 式中 cA为水的物质量的浓度 mol m3 此例为水蒸气的单向扩散 因水面下降很慢 所以实际上可认为是单向稳态扩散 当水面距离上端管口的距离为L时 水蒸气的传质通量为积分上式可得得 D 2 87 10 5m2 s 5 2 1单相中的传质 5 2 1 5对流扩散 1 涡流扩散依靠流体质点的运动而引起的物质的扩散 特点 a 存在着杂乱的质点涡流运动 既有主体方向上的整体流动也有其他方向上的脉动运动 b 质点脉动引起的物质扩散要比分子扩散大得多 c 涡流或脉动的复杂性 尚不能从理论上进行分析计算 2 湍流流动流体中的传质 分子扩散 分子运动 涡流扩散 流体质点的运动 5 2 1单相中的传质 上式第二项表示涡流扩散的传质通量 称为涡流扩散系数 涡流扩散系数表示涡流扩散能力的大小 不是流体的物理性质 而是流动状态的函数 与流动系统的几何形状 尺寸 所处位置 流速以及流体的物理性质有关 5 2 1单相中的传质 传质通量 3 对流传质湍流流体与两相界面之间的传质称为对流传质 4 两相界面之间的传质 固定界面气固两相或液固两相的界面为固体的表面 流动界面气液界面 液液界面a 流体与固定界面之间的传质层流层 分子扩散 仅有 过渡层 分子扩散和涡流扩散 同时 湍流层 分子扩散和涡流扩散 主要 5 2 1单相中的传质 湍流主体 层流层 过渡层 5 2 1单相中的传质 湍流主体 层流层 5 2 1单相中的传质 在定常态下 NA为定值 愈大 浓度梯度愈小 所以区域内浓度分布均匀 分布曲线为一直线 该层中 由于D比较小 浓度梯度较大 则此区域内浓度分布为斜率较大的直线 b 有效膜层通常把上图所示传质过程看成是通过膜厚为lG的分子扩散过程 这个膜厚lG称为有效膜层或虚拟膜层 这样 可以认为由气相主体到界面的扩散相当于通过厚度为lG的有效膜层的分子扩散 整个扩散过程的推动力为 pA 1 pA 2 即把全部的传质阻力看成集中在有效膜层lG中 于是 可用分子扩散速率方程描述对流扩散速率方程 c 两种重要的对流传质通量的计算 5 2 1单相中的传质 对于等物质量的反向扩散 气相 液相 对于单向扩散 气相 液相 pB m为组分B在相界面和气相主体间的对数平均分压 Pa cB m为组分B在相界面和液相主体间浓度的对数平均值 mol m3 5 2 1单相中的传质 注 lG lL虽为虚拟膜层厚度 但有明确的物理意义 与层流层厚度对应 流体的湍流运动愈剧烈 滞流层愈薄 虚拟膜层也愈薄 传质阻力小 传质通量大 5 传质分系数为方便应用 引入传质分系数 气相及液相与界面间的传质通量可分别表示为 5 2 1单相中的传质 上式中 kG 气膜传质分系数 mol m2sPa kL 液膜传质分系数 m s pA pA I扩散组分在气相主体及界面上的分压 Pa cA cA I扩散组分在液相主体及界面上的浓度 kmol m2 传质分系数体现了传质通量的大小 其倒数即为传质阻力的大小 传质系数与流体的物理性质及流体流动状况等因素有关 可由实验确定或经验公式计算 5 2 1单相中的传质 2 2两相间的传质2 2 1相际传质的基本过程以吸收为例 气 液相传质过程如下 溶质先从气相主体扩散到气液相界面 再从相界面扩散到液相主体 2 2 2相际传质的机理 双膜理论 溶质渗透理论 表面更新理论 5 2 2两单间的传质 1 双膜理论简介 双膜模型又称为停滞膜模型 由怀特曼 whiteman 于1923年提出 是传质理论中最早提出的模型 理论要点a 在不互溶的两相流体之间进行传质时 两相中的湍流运动在界面附近即行消失 整个传质阻力均集中在界面两侧的两层虚拟的停滞膜中 通过膜的传质方式为分子扩散 界面上处于相平衡状态 5 2 2两单间的传质 b 假定两层流体膜的厚度很薄 因而任一时刻溶质在两膜内的实际存在量 与扩散穿过膜的量相比微不足道 于是可以认为在双膜内无溶质累积 穿过两膜溶质的扩散为稳态扩散 c 依上述假定 最后导出的传质系数与扩散系数的一次方成正比 5 2 2两单间的传质 评价双膜模型一方面为传质理论奠定了初步基础 另一方面 该模型对传质机理的解释过于简单化 因此对于许多传质设备 特别是不存在固定相界面的传质设备 双膜模型并不能反映出传质机理的真实情况 例如对填料塔这样具有较高效率的传质设备而言 kc并不与DAB的一次方成正比 5 2 2两单间的传质 2 溶质渗透理论简介 溶质渗透模型为希格比 Higbie 于1935年提出 是用来说明溶质由界面向液相中传递机理的一个模型 理论要点a 希格比认为在高传质强度设备中 液膜内进行稳态扩散是不可能的 他认为在鼓泡塔 填料塔这样的工业传质设备中 气 液两相接触时间很短 从0 01s至1s左右 溶质在液相中的扩散不可能达到稳定状态 而是处于不稳态的 渗透 状态 故应按不稳态扩散模型来处理这类问题 5 2 2两单间的传质 b 传质模型如左图 漩涡b运动至界面 界面侧 cA cAs 漩涡b停留时间极短 另一侧 y yb cA cA0 在气液接触的时间内 溶质A通过不稳态扩散方式不断向液体漩涡中渗透 时间越长 渗透越深 设液体漩涡在界面处暴露 c时间后 被置换 5 2 2两单间的传质 希格比假定所有漩涡暴露的时间 c均相同 传质系数关系式 传质系数kc与分子扩散系数DAB的平方根成正比 而不是与DAB的一次方成正比 这一点已为在填料塔和湿壁塔中的实验数据所证实 又由上式可以推知 kc与有效接触时间 c的平方根成反比 这一点也与实际情况相符 但溶质渗透理论中的有效暴露时间 c不易求算 5 2 2两单间的传质 3 表面更新理论简介1951年 丹克维尔茨 Danckwer