化工原理讲稿中国石油大学第八章传质过程概论

第八章传质过程概论,（IntroductiontoMassTransfer）,中国石油大学（华东）,2007年3月,第八章传质过程概论,主要内容：,第一节概述第二节扩散与单相传质第三节质量、热量和动量传递类比,第一节概述(Introduction),一、传质过程及其分类,1.什么是传质？当不平衡的两相进行接触时，就会有一个或多个组分从一个相传入另一个相中，物质从一相传递到另一相中的过程称为相间质量传递，简称传质。,2.传质过程的应用主要用于均相物系的分离，根据分离的物系不同，有不同的单元操作，如常见的蒸馏，吸收，萃取等等，是石油和化学工业最常用的工业过程。例如乙烯及汽、煤、柴油的制备；、的吸收等。,第一节概述(Introduction),(1)气(汽)液接触传质过程,精馏：利用液体混合物中各组分饱和蒸汽压或沸点或挥发性的差异而将各组分分离开来;吸收：利用气体混合物中的各组分在某种溶剂中的溶解度不同而将各组分分离开来;增（减）湿：不饱和气相与温度比它高的热水接触为增湿；含水蒸气的饱和湿气体与温度比它低的冷水接触为减湿。,分类,(2)气固接触传质过程,干燥：含水分（或可挥发性液体）的固体与比较干燥的气体接触。,气体吸附：物质从气相进入固相表面。,(3)液液接触传质过程,液液萃取：利用液体混合物中各组分在某种溶剂中的溶解度差异而将各组分分离开来。,第一节概述(Introduction),(4)液固接触传质过程,固液萃取：浸取、浸沥。应用溶剂将固体原料中的可溶组分提取出来。,液相吸附：如活性炭脱去蔗糖粗溶液中的有色物质。,结晶：溶质的过饱和溶液与溶质固体相接触。,第一节概述(Introduction),传质过程的进行：,物质由一相内部扩散至两相界面；物质穿过相界面；物质由相界面扩散至另一相的内部主体,或传质速率传质系数浓度差,和传热速率一样，传质速率也可表示成,第一节概述(Introduction),二、相组成的表示方法,（一）质量分率和摩尔分率,1.质量分率,质量分率为混合物中某组分的质量占总质量的分率或百分率。,第一节概述(Introduction),2.摩尔分率,指混合物中某组分的摩尔数占总摩尔数的分率或百分率。,3.质量分率与摩尔分率的换算,第一节概述(Introduction),（二）质量比和摩尔比,若双组分物系由A、B两组分组成，则,1.质量比,质量比和质量分率的换算关系如下,第一节概述(Introduction),本书中用X表示液相组成，Y表示气相组成。,摩尔比和摩尔分率的换算关系如下,2.摩尔比,第一节概述(Introduction),（三）摩尔浓度和质量浓度,1.摩尔浓度,指单位体积内的物质的量，对A组分,对于气体混合物(在总压不太高时)，若其中组分A的分压为PA，则可由理想气体定律计算其摩尔浓度,第一节概述(Introduction),2.质量浓度,指单位体积内的物质的质量，对A组分,对气体混合物(在总压不太高时)中A组分的质量浓度为,.浓度与其他组成方法的换算,根据组成方法的定义换算（略）,第一节概述(Introduction),三、传质设备简介,（一）填料塔,第一节概述(Introduction),（二）板式塔,第一节概述(Introduction),第二节扩散与单相传质,一、分子扩散与费克定律,定义：单一相内、在有浓度差异存在的条件下，分子的无规则运动造成的物质传递现象。,1.分子扩散(moleculardiffusion),3.费克定律(Fickslaw),2.扩散通量,扩散通量：是指在单位时间内单位面积上扩散传递的物质的量，其单位为kmol/(m2S),以J表示。,在恒温恒压下，A在混合物中沿Z方向作稳定分子扩散时，其扩散通量与扩散系数及在扩散方向的浓度梯度成正比。,第二节扩散与单相传质,Z,扩散面,DABA的扩散系数，m2/s,二、双组分混合物中的一维稳定分子扩散,1.等分子反向扩散,第二节扩散与单相传质,对任一截面FF来说，根据费克定律，A的扩散通量为:,同理，B的扩散通量为,对于气体，在总压不太高的条件下，组分在气相中的摩尔浓度可用分压来表示。即,第二节扩散与单相传质,这两个通量方向相反，大小相等，若以A的传递方向(Z)为正方向，则可写出下式:,由于总压是常数，所以,因此,因此,第二节扩散与单相传质,传质速率的定义：在任一固定的空间位置上，A在单位时间内通过单位面积的物质的量，称为A的传质速率，用NA表示。,将上式改写为,扩散初终截面处的积分限为,第二节扩散与单相传质,在等分子反向扩散中：,积分后得到,令,同理，组分B的传质速率为,第二节扩散与单相传质,等分子反向扩散，通过接管中任一截面的净物质通量N为零。,第二节扩散与单相传质,对于液相中的等分子反向扩散，若总浓度为常数，同理可积分而得到组分A的传质速率：,摩尔汽化潜热接近相等的二元混合物进行精馏操作时，在汽、液两相的接触过程中，易挥发的A组分由液相进入汽相的速率与难挥发的B组分从汽相进入液相的速率大体相同。因此，无论在汽相中，或者在液相中进行的传质过程都可视为等分子反向扩散,第二节扩散与单相传质,例题8-2：,如图所示，氨气(A)与氮气(B)在长0.1m的直径均匀的联接管中相互扩散。总压p=101.3kPa,温度T=298K，点1处pA1=10.13kPa、点2处PA2=5.07kPa，扩散系数D=2.30 x10-5m2/S。试求稳态下的扩散通量JA、JB及传质速率NA、NB。,第二节扩散与单相传质,2.一组分通过另一停滞组分的扩散(单向扩散),可溶组分(溶质)A；惰性组分B；平面22为气液界面；厚度为的滞流气层。,三种流动:,扩散流JA；扩散流JB；总体流NM；,第二节扩散与单相传质,JA,JB,1,2,2,1,A+B,A,同理,第二节扩散与单相传质,对于气体，在总压不太高的条件下,所以,第二节扩散与单相传质,在稳定状况下，NA常数，D、P、T也均为常数。对上式进行积分:,则,令,第二节扩散与单相传质,因为截面11,22上的总压相等，即,故,则,第二节扩散与单相传质,令,扩散初、终截面处组分B分压的对数平均值，kpa；漂流因子，无因次。,第二节扩散与单相传质,对液相，同理可得：,扩散初、终截面处溶剂浓度的对数平均值，mol/m3；漂流因子，无因次。,第二节扩散与单相传质,漂流因子大于1；单向扩散速率大于分子扩散速率；A的浓度很低时，单向扩散速率近似等于分子扩散速率。,讨论：,第二节扩散与单相传质,三、扩散系数,物质的扩散系数是物质的一种传递属性；同一种物质在不同的混合物中其扩散系数不同；扩散系数受温度、压力及混合物中组分的浓度的影响。气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；液体中的扩散，浓度的影响不可忽略，压力的影响不显著。,实验测定；资料及手册中查得；经验或半经验的公式进行估算。,来源：,第二节扩散与单相传质,1.组分在气体中的扩散系数,第二节扩散与单相传质,福勒（Fuller)半经验公式估算,误差一般不超过10%；可用于常温及高温，但不适用于低温；组成的变化对其影响也很小；一般为10-5-10-4m2/s；与压力成反比，与温度的1.75次方成正比。,第二节扩散与单相传质,2.组分在液体中的扩散系数,第二节扩散与单相传质,Wilke-Chomg公式估算,组分在液体中的扩散系数比在气体中的小得多；与温度成正比，与粘度成反比；一般为10-9m2/s。,适用于低分子量的非电解质在很稀溶液中的扩散系数的计算。,第二节扩散与单相传质,1.涡流扩散(EddyDiffusion)流体质点在浓度梯度方向上的脉动所造成的物质向浓度降低方向的传递称为涡流扩散。,涡流扩散通量可借用费克定律的形式来表达，即,涡流扩散系数不是物性常数;涡流扩散系数与流体的湍动程度有关;涡流扩散系数随位置(离稳定界面的距离)等条件而变。,涡流扩散系数，m2s,四、涡流扩散与对流传质,第二节扩散与单相传质,湍流流体中在进行涡流扩散的同时、也存在分子扩散，总扩散通量应为两者之和，即,流动的流体与壁面(或相界面)之间的物质传递称为对流传质。当流体是湍流流动时，对流传质是涡流扩散与分子扩散共同作用的结果。对流传质是相间物质传递的基础。,2.对流传质(ConvectionMassTransfer),第二节扩散与单相传质,对流传质过程分析：,层流底层分子扩散过渡区分子扩散和涡流扩散湍流主体分子扩散和涡流扩散,将壁面与流体主体间的对流传质作为通过厚度为L的层流膜层内的分子扩散来计算。这种处理对流传质的简化物理图像，称为膜模型。,膜模型：,第二节扩散与单相传质,若进行的是单向扩散：,液相,气相,实际上对流传质速率依靠实验来测定，并仿照对流传热，将对流传质速率写成传质系数与推动力的乘积形式，即,界面与液相间的传质,界面与气相间的传质,第二节扩散与单相传质,传质系数,对于等分子反向扩散，则有,说明：,对流传质系数和对流传热系数类似，取决于物系的性质、流动状况等因素，一般不能通过左侧公式计算，需通过实验测定，或通过经验公式计算。,第二节扩散与单相传质,第三节质量、热量和动量传递的类比,当湍流流体沿壁面流动时，流体与壁面间存在动量、热量及质量传递，相互间存在着一定的内在联系，常用传质系数、对流传热系数和摩擦系数之间的关系表示，称为三传类比。,三传类比,湍流流体沿壁面流动时：,而动量传递的结果为壁面受到剪应力，即,传质速率,传热速率,(8-44),(8-45),(8-46),第三节质量、热量和动量传递的类比,(1)流体与壁面间的物质传递只考虑涡流的质点传递，忽略分子传递；(2)代表平均浓度的流层(离壁面距离为Zm)，与代表平均温度Tm,平均速度Um的流层相重合。若该流层至面积为dF的壁面间，在时间t内交换的流体体积为dV，则由此而导致三种传递的速率可分别表达如下：,简化假设：,(8-47),(8-48),(8-49),第三节质量、热量和动量传递的类比,将式(8-48)、(8-47)两式相除，得,再将式(8-44)、(8-45)代入，经整理得,上式联系了对流传热系数和传质系数之间的关系。这一热量、质量传递间的类比式称为刘易斯(Lewis)关系,对于空气-水系统中，空气和水面(或湿物料表面)间的对流传热和传质基本符合此关系。,(8-50),第三节质量、热量和动量传递的类比,将式(8-48)、(8-49)两式相除，得,再将式(8-45)、(8-46)代入，经整理可得摩擦系数与对流传热系数之间的关系，即,式(8-51)为动量、热量传递间的类比式，通称为雷诺类比，是雷诺(Reynold)在1874年提出的。,(8-51),第三节质量、热量和动量传递的类比,把式(8-50)代入式(8-51)可得动量、质量传递间的类比式，即,结合式(8-51)可得动量、热量、质量三种传递间的雷诺类比式：,(8-52),(8-53),第三节质量、热量和动量传递的类比,斯坦顿(Stanton)数，用符号St表示，,斯坦顿(Stanton)数，用符号St表示，,施伍德(Sherwood)数(相当于传热中的努塞特数，式中d为管径，D为扩散系数),施密特(Schmit)数(相当于传热中的普朗特数),第三节质量、热量和动量传递的类比,因此三传的雷诺类比式也可写成：,试验证明，当Pr1，动量、热量传递类比式基本上与实际相符。对于气体Pr数接近1，而液体的Pr数一般与1相差较大，故动量、热量传递类比式能近似适用于气体及无形体阻力时的情况，一般不适用于液体。对于动量、质量传递间的类比式，则只有当Sc1及只考虑摩擦阻力时才基本适用。无论气体或液体均很难满足Sc1这个条件，故动量、质量传递间的类比式对传质的应用有很大局限性。,第三节质量、热量和动量传递的类比,雷诺类比应用的局限性是由于它只考虑涡流的质点传递。忽略了分子传递。实际上紧靠壁面有一薄层层流底层，其中的传递主要靠分子传递，其传递的阻力相当大，不能忽略。化工计算中应用最广泛的是契尔顿-柯尔本(Chilton-Colburn)j-因子类比式，它的形式比较简单，而且有较好的准确性。这个类比式是根据层流和湍流状态下气体及液体的实验数据得出的，其形式如下:,第三节质量、热量和动量传递的类比,(8-56),传热j因子，用jH表示,传质j因子，用jM表示,第三节质量、热量和动量传递的类比,有