第-四-章-传-质-过-程.doc

.长沙学院教案（课时备课） 授课日期2007年10月10日 第 15次课 2 学时教学课型理论课课目、课题第四章 传质过程教学目的和要求1、 掌握传质机理和传质过程的一般规律，熟悉分子扩散、对流扩散等概念；2、 熟悉传质过程基本理论双膜理论的基本论点；3、 了解分子扩散系数影响因素及估算方法。重点难点重点：单相传质过程及单相传质速率方程；分子扩散、对流扩散，双膜理论。难点：总体流动对传质的影响及单相传质速率。教学内容教学方法 教学手段师生互动时间分配板书设计教学内容：第一节传质分离过程概述0.5学时一、分离操作在化工生产中的作用 二、化工生产中常见的传质操作第二节传 质 过 程 机 理1.5学时一、 单相中的传质1、分子扩散与菲克定律2、等物质的量反向定常态扩散3、单方向扩散 二、相际间传质教学方法、手段：多媒体教学，师生互动。课堂上采用研究和讨论式互动教学。作业布置作业：P126:T1，T2。主要参考资料1、化工原理学习指南问题与习题解析，姚玉英，陈常贵，柴诚敬编著天津大学出版社，2003年。2、化工原理（第三版）王志魁编，化学工业出版社，2005年。3、化工原理柴诚敬主编，高等教育出版社，2005年。课后自我总结分析这部分内容比较抽象，可通过具体实例介绍传质过程的机理、基本理论。第 四 章 传 质 过 程1传质分离过程概述传质过程 在含有两个或两个以上组分的混合体系中，由于存在浓度差，某一或某些组分由高浓度区向低浓度区的传递过程，称为传质过程。 传质过程可以在一相中进行，也可以在两相间进行，两相间的传质是分离过程的基础。1-1分离操作在化工生产中的作用1作用：分离设备费用和分离操作费用占总生产费的比例很大。2分类：机械分离：过滤、沉降传质分离：两相间：利用混合物中各组分在两相中的溶解度或挥发性等物理性质的差异，使某一或某些组分在相间转移（如吸收、精馏、萃取）。一相中：热扩散、膜分离。1-2化工生产中常见的传质操作1 蒸馏：分离液体混合物，利用各组分挥发性的差异2 吸收与解吸：分离气体混合物，利用气体溶解度的差异3 液-液萃取：分离液体混合物，利用各组分溶解度的差异4 吸附：分离气体或液体混合物，利用各组分在固体上吸附程度的差异5 干燥：固、气分离6 膜分离：分离气体或液体混合物7 热扩散：由于温度梯度而引起的物质扩散。2 传 质 过 程 机 理传质过程：扩散物质从一相主体向界面传递扩散物质在界面上从一相进入另一相扩散物质从界面向另一相传递2-1单相中的传质一分子扩散与菲克定律1.分子扩散在一相内有浓度差异存在时，由于分子的热运动，而造成的物质传递现象。分子扩散速率（通量）：单位时间内通过单位截面积而扩散的物质量。2.费克（Fick）定律（只适用于双组分混合物） （因为负值，加“-”使为正）组分A的分子扩散速率，；组分A在扩散方向的浓度梯度，；组分A在组分B中的分子扩散系数，。的值由试验测定，可通过手册查取，见教材P183表5-2，5-3。 对理想气体混合物，由于，故有。二、等物质的量反向定常态扩散（等摩尔反向扩散）1、概念：如右图，两容器内，但相同，两容器内装有搅拌器，使容器内浓度处处相等，由于有浓差存在，故A向右，B向左扩散，容器大而连通管细，故认为1、2处A、B分压不变，故其中分子扩散是稳定的。因为容器内总压相等，故A分子向右和B分子向左的扩散速度相等，为等物质的量反向扩散。 又 ， 而 在压力不太高时， （对A、B两组分性质相似的液相也成立） 如精馏操作属等物质的量反向扩散。2、传质速率概念在一固定的空间位置上，单位时间内通过单位面积传递的A物质量。表达式：在单纯的定常态等物质的量反向扩散中：定态扩散，为定值，如图，时，时，在1、2两截面间积分得：当扩散的为理想气体时，定常态传质过程，一定操作条件下，、为定值，所以浓度分布为直线。例4-1见教材P114。三、单方向扩散（一组分通过另一停滞组分的扩散）令A、B两组分混合气体与液相接触，设相界面上只允许A通过，操作条件下液相不气化，此即为A组分的单方向扩散过程如图，单组分吸收过程即属此类。在相界面上，由于A的溶解，使得，所以组分A从气相主体向相界面扩散，同时，界面上气体总压略低于气相主体中的气体总压，将有A、B混合气体从气相主体向界面移动（称为整体流动或总体流动）。对B组分来说，B在界面不溶解，而且还随总体流动从气相主体向界面移动，使得，所以组分B会从相界面向气相主体扩散。在定常态扩散时，组分B从相界面向气相主体扩散的量与总体流动中从气相主体向界面扩散的量相等，即，表观上没有B的传递。对A组分来说，其扩散方向与气体总体流动的方向相同。由于 而 （，或） 定态吸收、一定操作条件下，、为定值，将上式分离变量积分得：又 其中，与等摩尔反向扩散比较，多了一项，称为漂流因子。 ，所以同条件下，单方向扩散的比等物质的量反向定常态扩散的大。原因：出现了与扩散方向一致的总体流动。例4-2见教材P118。液相中的扩散速度远小于气体，一般为单方向扩散过程。四扩散系数1影响因素随介质种类、温度、压强及浓度和不同而变化，气相中，的影响可忽略，液相中，的影响可忽略。（）2、值的确定由实验测定，或查手册（P120，表4-1，4-2）由某些经验、半经验公式估算对气体体系：例4-3见教材P121，例4-4见教材P122。五对流扩散1涡流扩散湍流流体中，凭借流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象，称涡流扩散。2对流扩散湍流流体与两相界面之间的分子扩散与涡流扩散两种传质作用的总称。如右图所示湿壁塔内，吸收剂自上而下流动，混合气体自下而上流过液体表面，两者逆流流动；在湍流主体中，物质传递主要靠涡流扩散，分子扩散占的比例很小；在层流底层内，只有分子扩散；过渡层内，既有分子扩散，又有涡流扩散。有效滞流膜层模型：认为由气相主体到界面的对流扩散过程相当于一个通过有效滞流膜层的分子扩散过程。故可按分子扩散过程写出对流扩散的速率方程：故在气相侧：液相侧：对流传质通量，；、有效膜厚度，；、主体浓度；、 界面浓度；（）扩散过程的推动力。令 ， 则有，气膜传质分系数，液膜传质分系数，2-2相际间传质一、双膜理论的基本论点1相互接触的气、液两相界存在稳定的相界面，界面两侧各有有效滞流膜层，溶质以分子扩散的方式通过此两膜层。2在相界面上，气、液两相互成平衡3在膜层以外的气液两相主体内，由于流体充分湍动不存在浓度差。即全部浓度变化都集中在两滞流膜内，故传质阻力也