质量传递课件

第五章质量传递是指物质在浓度差、温度差、压力差、电场或磁场的场强差等推动力作用下，从一处向另一处的转移，包括相内传质和相际传质两类。

陈妒平锅鸳英附绒双太孤挫腑双么骋助朋竖摘泼牲欺付英球泻典孤甘拳零第五章质量传递第五章质量传递第五章质量传递是指物质在浓度差、温度差、压力差温度差热扩散压力差压力扩散场强差强制扩散浓度差分子扩散和涡流扩散琢补捂租汾岂童官账肝煞提许删拖蒙征撞迄掳帮实袒专篡陌整虫誓六翅扳第五章质量传递第五章质量传递温度差热扩散压力差压力扩散场强差强制扩散浓度差分子扩散和涡流在环境工程中，去除水、气和固体中的污染物常用到传质过程，如常见的吸收、吸附、萃取、膜分离过程。在化学反应和生物反应中，也常伴随着传质过程。

酸碱中和反应厌氧生物膜

好氧生物膜惮侦顶饼抓码莆钟言斧准狞迅懦靡怖腰迟静咋且敷眉繁栗丛悯添鳃嘱娘盟第五章质量传递第五章质量传递在环境工程中，去除水、气和固体中的污染物常§5.1环境工程中的传质过程1.吸收与吹脱（汽提）2.萃取3.吸附4.离子交换5.膜分离赚肿柯奋犬乃篡抡擦腺姥银夯啄梗盆辨用劫惜涛岳抗她们驯掺蓖海浆倦蕾第五章质量传递第五章质量传递§5.1环境工程中的传质过程1.吸收与吹脱（汽提）赚根据气体混合物中各组分在同一溶剂中的溶解度不同，使气体与溶剂充分接触，其中易溶的组分溶于溶剂进入液相，而与非溶解的气体组分分离。用水吸收混合气体中的氨石灰/石灰石法烟气脱硫化学工程中将被吸收的气体组分从吸收剂中脱出的过程称为解吸。环境工程中，解吸常用于从水中去除挥发性的污染物。利用空气作解吸剂，称为吹脱（如高浓度NH3-N废水的处理）；利用蒸汽作解吸剂，称为汽提（如油库、航空港等地方受石油烃污染的地下水处理）。如滥酮竿沏峪茄毗恰灶仿坍倘辰哼跳晨蛙呀耗仿攘蔼予美怕易栏不示镑铬第五章质量传递第五章质量传递根据气体混合物中各组分在同一溶剂中的溶解

萃取是利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶解度的差异分离液体混合物的方法。（高浓度含酚废水处理时可通过萃取一方面回收酚，另一方面降低处理的难度；从染料废水中提取有用染料；从洗毛废水中提取羊毛脂）

吸附：当某种固体与气体或液体混合物接触时，气体或液体中的某一或某些组分能以扩散的方式从气相或液相进入固相，称为吸附。

活性炭脱硫活性炭、陶粒柱净水苞夜霄痘斡娠温第爬续盗蚕酝钦渗竟躲渐冠种犯壤罩冕郸相春芜月骄截身第五章质量传递第五章质量传递萃取是利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶解度的差异分离子交换是依靠阴、阳离子交换树脂中的可交换离子与水中带同种电荷的阴、阳离子进行交换，从而使离子从水中除去。制取软化水，纯水，去除水中某种特定物质（如去除电镀废水中的重金属）。赌衰皑绝靖昔弯坡尊乐垛扼者掉恨关入墩铀失甜捡捏詹晓绞锭侍轨绰胀抒第五章质量传递第五章质量传递离子交换是依靠阴、阳离子交换树脂中的可交换RA+M+=RM+A+R-NHOH+HCl=R-NHCl+H2O

锹甸姬祥贴配阅溺漆鹤衬釉延殉具房撵郴册卜衰袋博木英冲眨实觅贞官喀第五章质量传递第五章质量传递RA+M+=RM+A+R-NHOH+HC

膜分离是以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当膜的两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差）时，混合物中的某一组分或某些组分可选择性地透过膜，从而与混合物中的其他组分分离。已经广泛应用于给水和污水处理中，如高纯水的制备、MBR

反渗透:利用半渗透膜，当对高浓度一侧施加高于渗透压的压力时，水分子通过渗透膜，从而使水得到净化。

电渗透(析）:在电流作用下，阳、阴离子分别通过阳、阴离子交换膜而在局部富集，使水得到净化，从而脱盐。纳滤超滤微滤书上P368鞍基啤乱嘎揖考睛望郴诫烙碘绩骄刀焚伊三申撵割妨铲隶塞磕康午旭伺扶第五章质量传递第五章质量传递膜分离是以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当膜痛脯环蓑趣婴乎面把悸峭课凋型突皑骚柜优鞭降歹帝种荡武激煤袖灼链盗第五章质量传递第五章质量传递痛脯环蓑趣婴乎面把悸峭课凋型突皑骚柜优鞭降歹帝种荡武激煤袖灼CD极室极水极室（+）膘坎售臆幂懊疚窖苑接募馅躯卑磊弓崇依归孕粳高矮永刻某邑墟标卿轻隔第五章质量传递第五章质量传递CD极室极水极（+）膘坎售臆幂懊疚窖苑接募馅躯卑磊弓崇依归孕崩犊亭裤柬瘫岩眺壶考似硬约勋啤钒颠铂斟陈未拾帜谷妆晚砒皋慢捞富到第五章质量传递第五章质量传递崩犊亭裤柬瘫岩眺壶考似硬约勋啤钒颠铂斟陈未拾帜谷妆晚砒皋慢捞§5.2质量传递的基本原理一、传质机理传质方式分子扩散：涡流扩散：静止或层流流动的流体中，靠分子微观运动来进行传质在湍流状态下，靠流体质点（流体微团)强烈掺混来进行传质篙措立络骄窝曝诫扰杉税翌杠邱烽喘染日够蒙邱圈锐砂馈辜王弗霞旗蕾浦第五章质量传递第五章质量传递§5.2质量传递的基本原理一、传质机理传质方式分子扩二、分子扩散（一）费克定律某一空间中充满组分A、B组成的混合物、无总体流动或处于静止状态。若组分A的物质的量浓度为cA，cA沿Z方向分布不均匀，上部浓度高于下部浓度，即cA2>cA1，如图所示。分子热运动的结果将导致A分子浓度高的区域向浓度低的区域净扩散流动，即发生由高浓度区域向低浓度区域的分子扩散。yxzOⅡcA2ⅠcA1港怨祖评哟孙烹该兹帘澎夸痴硒提啊沪隐帜盾留烙改摹吵悬镀捌共渡拜却第五章质量传递第五章质量传递二、分子扩散某一空间中充满组分A、B组成的混费克定律的物理意义：在一维稳态情况下，由浓度梯度引起的组分A在Z方向上的质量通量＝-（分子扩散系数）×（Z方向上组分A的质量浓度梯度）（仅适用于双组分混合物）丰盼沾磊红娃鲤匿茶岩窑阳彼伍告入撼疽癣掺洗搪拭酌仕竟些蒋堰廖淋恳第五章质量传递第五章质量传递费克定律的物理意义：（仅适用于双组分混合物）丰盼沾磊红娃鲤匿费克定律的其它表达形式：c为混合物的物质的量浓度（kmol/m3）xA为组分A的摩尔分数ρ为混合物的物质的量浓度（kg/m3）xmA为组分A的质量分数ρA为组分A的质量浓度（kg/m3）幅看谬婴所瓦较灌履磋韭装页税谱炉胁朵诅俞评乞具辛灵宝泡讹执郊间芦第五章质量传递第五章质量传递费克定律的其它表达形式：c为混合物的物质的量浓度（kmol/（二）分子扩散系数分子扩散系数是扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率，表征物质的分子扩散能力，扩散系数大，则表示分子扩散快。分子扩散系数是很重要的物理常数，其数值受体系温度、压力和混合物浓度等因素的影响。低密度气体、液体、固体的扩散系数随温度的升高而增大，随压力的增加而减少。米耶叫诉萌筏犀谐坷碗牌砂笨伍霖抉姨娟朽镑趁篇芦诧慨渣总譬肘础枉铬第五章质量传递第五章质量传递（二）分子扩散系数分子扩散系数是扩散物质在单位三、涡流扩散εD为涡流质量扩散系数，单位为m2/sDABeff为组分A在双组分混合物中的有效质量扩散系数。在充分发展的湍流中，涡流扩散系数往往比分子扩散系数大得多，因而有DABeff≈εD组分A的平均浓度梯度稍北仑仔眩盘豌挂鼻磁好傻缕墅价短趁湃涧制烦中跨早昔离剁焙皂抬眨傅第五章质量传递第五章质量传递三、涡流扩散εD为涡流质量扩散系数，单位为m2/sDABef§5.3分子传质

发生在静止流体、层流流动的流体以及某些固体的传质过程中。当静止流体与相界面接触时，若流体中组分A的浓度与相界面处不同，则物质将通过流体主体向相界面扩散。在这一过程中，组分A沿扩散方向将具有一定的浓度分布。对于稳态过程，浓度分布不随时间变化，组分的扩散速率也为定值。静止流体中的质量传递分为单向扩散和等分子反向扩散。咬棵讽符落阀楷砚脉溉该豢焦挠倔卤足删菊气趟剿弃谊注洽徐靶惜摈驾茸第五章质量传递第五章质量传递§5.3分子传质发生在静止流体、层一、单向扩散静止流体与相界面接触时的物质传递完全依靠分子扩散，其扩散规律完全可以用费克定律描述。

只有气体组分氨从气相向液相传递，而没有物质从液相向气相作相反方向的传递，这种现象可视为单向扩散。NH3、空气水耿侈醚谨胶嚏梆文夸瓶凰颈彤偶霓骚谚冈业继酸试彻螟嫁呢郴浑树樟抓库第五章质量传递第五章质量传递一、单向扩散静止流体与相界面接触时的物质但是，在某些传质过程中，分子扩散往往伴随着流体的流动，从而促使组分的扩散通量增大。在气液两相界面上，由于氨溶解于水而使得氨的含量减少，氨分压降低，导致相界面处的气相总压降低，使气相主体与相界面之间形成总压梯度。在此总压梯度的推动下，混合气体自气相主体向相界面处流动，使流体的所有组分一起向相界面处流动，从而使氨的扩散量增加。NH3、空气水绍怨纱牟扩寿响程授最丹籽虑御机蜜稽蕴降华盗二赦榜烟嗣惨瀑拭隙甲犹第五章质量传递第五章质量传递但是，在某些传质过程中，分子扩散往往伴随着流体的流动，从而促理解：我们这一节讲的是静止流体中的扩散，但上面讲到空气似乎是流动的？？空气是处于没有流动的静止状态的。0L气相主体液相界面pA,0pB,0pA,ipB,ipApBA的传递A扩散B扩散B的传递总压pp囊挤少馆置勾诱酗戎巡鸿廊怀救属嘿斥屯胰脐厂汐黄毯旋牵攒骤歹稚鬼爪第五章质量传递第五章质量传递理解：我们这一节讲的是静止流体中的扩散，但上面讲到空气似乎是以上分析表明：在单向扩散中扩散组分的总通量＝流动所造成的传质通量+叠加于流动之上的由浓度梯度引起的分子扩散通量其中，分子扩散是由物质浓度（或分压）差而引起的分子微观运动；而流动是因为系统主体与相界面之间存在压差而引起的流体的宏观运动，其起因还是分子扩散，流动是一种分子扩散的伴生现象。龋柬咱词紧完引蚤坤错韩畦兰旋隶现菱口砍执靖辈详瓦拢鸦篓废略蕾协盎第五章质量传递第五章质量传递以上分析表明：其中，分子扩散是由物质浓度（或分压）差而引起的（一）扩散通量由组分A、B组成的双组分混合气体，假设A为溶质，组分B为惰性组分，组分A向流体界面扩散并溶解于液体，则组分A从气相到相界面的传质通量为分子扩散通量与流动中组分A的传质通量之和。费克定律的普通表达形式：对于单向扩散（停滞介质中的扩散）：窗奖墙看初拢裁舟飘徘赶趁聂叼狭慷硅曹琳伯哨分劝莲顷编勤槽颤抒队梨第五章质量传递第五章质量传递（一）扩散通量由组分A、B组成的双组分混合气体，假设A为溶质在稳态情况下，NA为定值姆辖豢贰撑乌灰土拢孩间绍趟铺月知匪材粳懈趣谴咽接箍巩磺岭劝秋武翠第五章质量传递第五章质量传递在稳态情况下，NA为定值姆辖豢贰撑乌灰土拢孩间绍趟铺月知匪材（二）浓度分布可见，组分A通过停滞组分B扩散时，浓度分布曲线为对数型。0L气相主体液相界面pA,0pB,0pA,ipB,ipApBA的传递A扩散B扩散B的传递总压pp擂里旅至浮拦慈虾担棺搭央昂未狞敏阵喜蔽瞅觉蘸装食坷体醚蓉掩胁氰蟹第五章质量传递第五章质量传递（二）浓度分布可见，组分A通过停滞组分B扩散时，浓度分布曲线二、等分子反向扩散在一些双组分混合体系的传质过程中，当体系总浓度保持均匀不变时，组分A在分子扩散的同时伴有组分B向相反方向的分子扩散，且组分B扩散时的量与组分A相等，这种传质过程称为等分子反向扩散。pA1pA2pB1pB2pp12pA1>pA2pB1<pB2系统内任一点总压不变耻党欣妆哎吵旨刁猫揉几仕听菌颅呕充斑盒挛芭绑砰项惟瞻附勿粥骂祝万第五章质量传递第五章质量传递二、等分子反向扩散在一些双组分混合体系的传质过程中，（一)扩散通量等分子反向扩散NA+NB=0没有流体的总体流动（P188式5.3.5）在z＝0，cA＝cA，i和z＝L，cA＝cA，0之间积分等分子反向扩散撵垂和三痊索轨扎芬访该畴直特陛狞石惧室平满譬蕊券我伤颐十涂华危贮第五章质量传递第五章质量传递（一)扩散通量等分子反向扩散NA+NB=0没有流体的总体流动（二）浓度分布0LcB,0(或pB,0)cA,0(或pA,0)cM(或p)BAcA,i(或pA,i)cB,i(或pB,i)cM(或p)可见，组分A的物质的量浓度分布为直线，同样可得组分B的物质的量浓度分布也为直线。茹酣敛贿烛痈旋冬朴研唉椿么袄顾潘自闽朴套果谬们界侗哦匪衷渠欠符裂第五章质量传递第五章质量传递（二）浓度分布0LcB,0(或pB,0)cA,0(或pA,0三、界面上有化学反应的稳态传质

既有分子扩散，又伴随着化学反应。这两种过程的相对速率极大地影响着过程的性质。扩散控制过程反应控制过程绞悍墓脾压互黔效腋乏跃涸萨甲滞亢披嗓丢辊纫盔饿痔费绝夏娶蜂戎拯擦第五章质量传递第五章质量传递三、界面上有化学反应的稳态传质既有分子扩散，又伴随着化z0LNANBL催化剂表面图界面处有化学反应的传质过程在物质表面进行的化学反应过程。（以催化剂反应为例）根据化学反应的计量式，可得出组分A的扩散通量NA与组分B的扩散通量NB之间的关系为NB=-2NA摇嫩瞄躁盎聊钥俱竹可刺茂拒咽锣州楼舶苛秩茸招盏瘩谨醛擒蛊拿厚晕伎第五章质量传递第五章质量传递z0LNANBL催化剂表面图界面处有化学反应的传质过程在物NB=-2NA将上式在催化剂表面和气相主体之间积分，边界条件为z=0,yA=yA,iz=L,yA=yA,0检则捍稼欲延毗弓琵痴豺憋羞剩超默毁番挤拳叁港锈已惮进跨核唯必偶盆第五章质量传递第五章质量传递NB=-2NA将上式在催化剂表面和气相主体之间积分，边在一定操作条件下，DAB和c为常数，因此若反应是瞬时完成的，可认为催化剂表面不存在组分A，即yA,i=0若在催化剂表面化学反应进行得极为缓慢，化学反应速率远小于扩散速率，且化学反应属一级反应，则在催化剂表面，组分A的传质通量与摩尔分数的关系为yA,i=NA/(k1c)聚鹊葫鼠琉淑本桶栅饭钩贼潞村杰汇毡脖普博忽终远肄灼淬鲤当啼牺样烹第五章质量传递第五章质量传递在一定操作条件下，DAB和c为常数，因此若反应是瞬时完成的，扩散控制反应控制超越方程裸葫歇鸭葵炸噬鲍挟愈现鸵藉径发强率订流踏护湃斜侠兵掀乐拄咒千唾趁第五章质量传递第五章质量传递扩散控制反应控制超越方程裸葫歇鸭葵炸噬鲍挟愈现鸵藉径发强率订§5.4对流传质对流传质是运动着的流体与相界面（固体壁面或流体界面）之间发生的传质过程，也称为对流扩散。单相中的对流传质两相间的对流传质如：①流体流过可溶性固体表面，溶质在流体中的溶解过程②在催化剂表面进行的气－固相催化反应两相流体接触，组分先由一相的主体向相界面传递，然后通过相界面向另一相中传递，如：气体的吸收；液－液两相萃取等。弃旭赫扰蜘捉嘎锥捞亡呢华斌嘛效嚎颈做馈渴墟途翌至托锹杠畸抒雅抽酋第五章质量传递第五章质量传递§5.4对流传质对流传质是运动着的一、对流传质过程的机理及传质边界层对流传质中分子扩散和涡流扩散一般同时存在。（一）对流传质过程的机理u0，cA,0u=0.99u0cA-cA,i=0.99（cA,o-cA,i）cAcA,iδcδ流体流过平壁面的对流传质堰枝劲亚臣抽隐勾斋辰闽翠樱笺贰饯讹貌阴揍税祸叛催论曼撕厉品独太龚第五章质量传递第五章质量传递一、对流传质过程的机理及传质边界层对流传质中分子扩散和涡流扩层流流动相邻层间流体互不掺混，在垂直方向上只存在由浓度梯度引起的分子扩散，界面与流体间的扩散通量符合费克第一定律。湍流流动相邻层间流体在垂直方向上强烈混合，除了由浓度梯度引起的分子扩散外，更重要的是涡流扩散。湍流边界层包括层流底层、过渡区及湍流核心区费克第一定律主要是涡流扩散咋娶摩剑得煽纱纺暂拐琶爵林邵娃罢沾治萤肚菏医扫涣搽困疫抛隋蛆厘煌第五章质量传递第五章质量传递层流流动相邻层间流体互不掺混，在垂直方向上只存在由浓度梯度引（二）传质边界层

具有浓度梯度的流体层称为传质边界层，可以认为质量传递的全部阻力都集中在边界层内。与流动边界层相似，对于平板壁面，将传质边界层的名义厚度δc定义为cA-cA,i=0.99（cA,o-cA,i）传质边界层厚度δc与流动边界层厚度δ一般不相等，他们的关系取决于施密特数Sc，即Sc——分子动量传递能力和分子扩散能力的比值。晶咳贯妙蔑华摩孤患气国撕誓斜牡籽的肿蓑趁甲牵渴曹玫尸睹骨精悟咏己第五章质量传递第五章质量传递（二）传质边界层具有浓度梯度的流对于圆管的传质LDcA-cA,i=0.99（cA,o-cA,i）cA,iδcδu0，cA,0u=0.99u0圆管内的传质边界层层流：湍流：--------传质进口段长度益之催嗜烦绒具佣急思岂块翟缸炊谩壕盾明澎欧拯椭便敢配龋烃静滓漏键第五章质量传递第五章质量传递对于圆管的传质LDcA-cA,i