《化工原理》8传质过程导论1.ppt

化工原理1 PrinciplesofChemicalEngineering 教师 王延华 第八章传质过程导论 目的 1 了解传质的重要性 2 掌握相组成的多种表示方法 3 掌握扩散原理 4 了解传质设备 重点 扩散原理 分子扩散 稳定 不稳定扩散 等摩尔相互扩散 单向扩散 涡流扩散 对流扩散 的理解 掌握相互间之差别 难点 相组成的表示 扩散原理 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 低的地方转移的过程 如煤气 氨气在空气中的扩散 食盐在水中的溶解等 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 传质过程 工业生产中的传质过程 8 1概述 8 1 1传质过程 吸收 物质由气相向液相转移 如图所示 8 1 1传质过程 精馏 不同物质在汽液两相间的相互转移 8 1 1传质过程 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 固 液萃取 物质从固相向液相转移 8 1 1传质过程 干燥 液体 通常为水 由固相向气相转移 8 1 1传质过程 其它相际传质过程 如结晶 吸附 气体的增湿 减湿等 传质过程 分离操作 物质在相间的转移过程 相际传质的复杂性举例 吸收与传热的区别 推动力不一样传热是温度差 传质是浓度差 过程的最终状态不一样传热是 t 0 相际间的传质不是浓度差 0 而是相平衡 物化 如 NH3溶于H2O 传质的推动力 浓度差温度的单位简单 K或 浓度 或组成 的表示和单位制有多种 如可用气相分压 摩尔浓度 摩尔分数等表示 不同的表示方法推动力的数值和单位均不相同 8 1 1传质过程 8 1 2相组成的表示方法 1 质量分数和摩尔分数 质量分数 摩尔分数 一般液相用x 气相用y 相互换算关系 2 质量比和摩尔比 常见于双组分物系 质量比 摩尔比换算关系 质量浓度 摩尔浓度换算关系 气体 kg m3 kmol m3 3 浓度 第二节扩散原理 8 2 1基本概念和菲克 Fick 定律 流体中物质扩散的基本方式 分子扩散 扩散 物质在单一相内的传递过程 推动力 浓度差 物质传递 简称为扩散 终点 浓度差为 扩散快慢 菲克定律 费克定律的其它表达形式 扩散通量 单位面积上单位时间内扩散传递的物质量 单位为kmol m2 s 菲克 Fick 定律 对于组分A 浓度梯度 JA物质A在介质B中的分子扩散通量DAB分子扩散系数 扩散沿浓度降低的方向 8 2 1基本概念和菲克 Fick 定律 注意 虽然扩散是物质分子热运动的结果 但物质A的扩散速度并不等于在扩散温度下单个分子的热运动速度 说明 在涉及 通量 的参数的计算中 存在基准面的确定问题 上面几个公式中的扩散通量是基于分子摩尔平均速率的扩散能量 也可以理解为通过 分子对称面 的扩散通量 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 对于组分B 根据定义 有JA JB 0这个结论可以推广到n组分物系 即对于二组分物系的相互扩散 有DAB DBA D 8 2 2一维稳定分子扩散 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 8 2 2一维稳定分子扩散 一 等摩尔相互扩散 1 JA JB 等分子反向扩散 2 对A B二元物系 系统各处的总摩尔浓度都相等 即p pA pB Const 则 DAB DBA在这种双组分混合物内 产生物质A的扩散流JA的同时 必定伴有方向相反的物质B的扩散流JB D与物系有关 与T P有关 数据实测 D气相 D液相 等摩尔相互扩散发生在静止的或在垂直于浓度梯度方向上作滞流运动的流体中 是一种最单纯的分子扩散过程 对于双组分混合物 在总压处处相等的前提下 分子浓度处处相等 传质速率 或物质通量 NA 单位时间通过单位固定截面的A物质量 单位kmol m2 s 等摩尔相互扩散中 物系静止 定态过程 连通管内NA D T 均为Const 将上式中的p z对应积分 整理得 同理 组分B有若为液相 则有 例1 氨气 A 与氮气 B 在一等径管两端相互扩散 管子各处的温度均为298K 总压均为1 013 105Pa 在端点1处 氨气的摩尔分数yA1 0 15 在端点2处 yA2 0 06 点1 2间的距离为1m 已知此时扩散系数DAB 2 3 10 5m2 s 试求A组分的传质通量 解 由于管中各处温度 压力均匀 因此若有1molA从点1扩散到点2 则必有1molB从点2扩散到点1 否则就不能维持总压恒定 即该题属于等摩尔相互扩散 A的传质通量 二 一组分通过另一停滞组分的扩散 单向扩散 4 总体流动与B的扩散运动方向相反 溶质A 相界面 溶剂S 同时S不逆向通过 汽化 如吸收 对于截面2 N N cA C N cB c 2 A B做等分子反方向扩散的传递运动 3 总体流动加快了A的传递速度 1 总体流动 即JA JB NA JA N cA c NB JB N cB c 0B为停滞组分 即有 二组分物系单向扩散 在主体 z1 0 pA pA1 至界面 z2 z pA pA2 间积分 得 由于 B组分在界面与主体间的对数平均分压 与等摩尔相互扩散相比多了一个因子p pBm 漂流因数 漂流因数反映总体流动对传质速率的影响 p pBm 1 传质速率较大 若pA p pBm 反之pA p pBm 1 例8 3在温度250C 总压100kPa下 用水吸收空气中的氨 气相主体含氨20 由于水中氨的浓度很低 其平衡分压可取为零 若氨在气相中的扩散阻力相当于2mm厚的停滞气层 扩散系数D 0 232cm2 s 求吸收的传质速率NA 又若气相主体中含氨为2 0 均为摩尔分数 试重新求解 解 1 单向扩散 已知 z 0 002m D 0 232 10 4m2 s T 298K P 100kPa pA1 20kPa pA2 0 R 8 314kJ kmol K 带入下式 得 2 若气相主体含氨2 则 z 0 002m D 0 232 10 4m2 s T 298K P 100kPa pA1 2kPa pA2 0 R 8 314kJ kmol K 带入下式 得 练习 在温度250C 总压101325Pa下 用水吸收空气中的氨 A 气相主体含氨10 摩尔分数 下同 由于水中氨的浓度很低 其平衡分压可取为零 若氨在气相中的扩散阻力相当于2mm厚的停滞气层 扩散系数D 2 28 10 5m2 s 求吸收的传质通量NA 表达某个组分在介质中扩散快慢的一种传递属性 是物质的特性常数之一 类似于 但较复杂 扩散系数 D m2 s 一 气体中的D 分子热运动速度 分子碰撞频繁 扩散速度 D 范围0 1 1cm2 s 计算 福勒 Fuller 公式 二 液体中的D 计算 经验公式 p11式 8 23 或表8 4 分子密集 D液 D气 约10 5cm2 s 例 在一直立的毛细玻璃管内装有乙醇 初始液面距离管口10mm 如图所示 管内乙醇保持为293K 乙醇饱和蒸汽压为1 9998kPa 大气压为101 3kPa 当有一空气始终平缓吹过管口时 经100小时后 管内乙醇液面下降至距管口21 98mm处 已知传质速率NA为7 7 10 7kmol m2 s 试求该温度下 乙醇在空气中的扩散系数 解 pA1 1 9998kPa 空气吹过管口 pA2 0本题为单向扩散 气体的扩散系数随温度的升高而增大 随压力的升高而下降 漂流因数可表示为P pBm 它反映总体流动对传质的影响 双组分气体A B在进行稳定分子扩散 JA及NA分别表示在传质方向上某截面溶质A的分子扩散通量与传质通量 当整个系统为单向扩散时 B为停滞组分 传质通量 总通量 等于扩散通量的条件是 等摩尔相互扩散双组分气体混合物中 组分A的扩散系数是 A A 系