刘云宏 传质原理.ppt

1、第 七 章,传 质 原 理,主讲：刘云宏,第一节 传质基础,一、食品工业中的传质过程(扩散）,1气体吸收和脱吸 向清凉饮料冲气（CO2）、通气发酵、挥发性香精的 回收、油脂的氢化、糖汁的饱充、天然油料的脱臭等。 2空气调节 即空气的增湿与减湿。 3吸附 动、植物油的脱色、自来水的净化等。,4结晶 蔗糖制造、葡萄糖制造、蜂蜜中糖分的析出、冰淇 淋中乳糖的析出等。 5固液萃取 从油料种子中提取油脂、从甘蔗、甜菜中提糖等。 6干燥 果蔬的干制、奶粉的制造、面包和饼干的焙烤、淀 粉的制造、以及酒糟、酵母、麦芽、砂糖的干燥等。 7蒸馏 易挥发组分由液相转入气相，难挥发组分由气相转入液相。 相际传质过程的

2、推动力是浓度差或浓度梯度！,二、 混合物组成的表示方法,1、 质量浓度与物质的量浓度,单位体积混合物中某组分的质量称为该组分的质量浓度。 单位体积混合物中某组分的量称为该组分的物质的量浓度。,2、 质量分数与摩尔分数,质量分数A：混合物中某组分质量mA与混合物总质量m之比,摩尔分数xA：某组分物质的量nA与混合物总物质的量n之比,气液两相体系，常以x表示液相中摩尔分数，y表示气相中摩尔分数,3、 质量比与摩尔比（以惰性组分为基准）,质量比与质量分数 的关系为：,摩尔比与摩尔分数 的关系为：,在某些单元操作中，惰性组分的质量（或物质的量）不变。,质量比WA：混合物中某组分质量mA与惰性组分质量m

3、 -mA之比,摩尔比XA：混合物中某组分物质的量nA与惰性组分物质的量n -nA之比,气液两相体系，常以X表示液相中摩尔比，Y表示气相中摩尔比,4、 气体的总压与组分的分压（针对气体混合物）,总压p、组分分压pA与组分的摩尔比的关系为：,总压p、组分分压pA与组分的摩尔分数的关系为：,根据道尔顿分压定律,在蒸馏塔中将含乙醇5%（体积分数，下同）的乙醇-水溶液蒸馏，得到含乙醇95%的产品。试分别用质量分数、摩尔分数、质量比和摩尔比表示进料和产品的浓度。纯乙醇的密度可取为800kg/m3，水的密度取1000kg/m3。,例题：7-1-1,换算的要点：取一定量的混合物作为基准，然后根据组成定义再作换

4、算。,解： （1）质量分数,（2）摩尔分数,?,（3）质量比,（4）摩尔比,相平衡,与热平衡不同之处： 1 达到相平衡时，一般两相浓度不相等。,2 达到相平衡时，传质过程仍在进行，只不过通过相界面的某一组分的净传质量为零，因此属动态平衡。,三、 相平衡及其计算,混合物与另一相接触时，其中组分就会在两相间传递，最后达到平衡，组分组成不再发生变化。,平衡时组分在两相中的组成关系称为组分在两相间的平衡关系,NH3在空气与水两相间的平衡关系,表示两相间平衡关系 的曲线称为平衡线。 在相图上，传递的 推动力为体系实际状态 与平衡状态间的差距， 可以用表示两相组成的状 态点与平衡线的水平距离 表示，也可以

5、用此点与平 衡线的垂直距离表示。,苯-甲苯的气液平衡关系,四、 传质速度与传质通量,（一）传质速度,（u以质量为基准，um以摩尔为基准）,绝对速度=主体流动速度+扩散速度,uA或uB，组分A、B的实际移动速度，为绝对速度,u或um，混合物的移动速度，为主体流动速度或平均速度,uA-u、uB-u或uA-um、uB-um， 相对于主体流动速度的移动速度 称为扩散速度,由于,（二）传质通量 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，它又等于传质速度与浓度的乘积。 1以绝对速度表示的传质通量 设混合物总质量浓度为，组分A、B的质量浓度分别为A、B 以绝对速度表达的质量通量 nA=rAu

6、A nB=rBuB 总质量通量： n=nA+nB=rAuA+rBuB=r u 因此： u=(rAuA+rBuB)/r 同理， 以绝对速度表示的摩尔通量 NA=cAuA NB=cBuB 总摩尔通量： N=NA+NB=cAuA+cBuB=cum 因此： um=(cAuA+cBuB)/c,2以扩散速度表示的传质通量 扩散速度与浓度的乘积称为以扩散速度表示的 传质通量： jA=rA(uA-u) jB=rB(uB-u) JA=cA(uA-um) JB=cB(uB-um) 对于两组分系统，有： j=jA+jB J=JA+JB 式中：j以扩散速度表示的混合物总质量通量，kg/(m2.s) J以扩散速度表示的

7、混合物总摩尔通量，kmol/(m2.s),3以主体流动速度表示的传质通量 主体流动速度与浓度的乘积称为以主体流动速度 表示的传质通量： rAu=rA(rAuA+rBuB)/r=wA(nA+nB) rBu=wB(nA+nB) cAum=cA(cAuA+cBuB)/c=xA(NA+NB) cBum=xB(NA+NB),第二节 传质原理,一、质量传递的方式,与热量传递中导热和对流类似， 质量传递分为分子传质和对流传质,（一）分子传质 分子传质又称为分子扩散，简称为扩散，它是 由分子的无规则热运动而形成的物质传递现象。分 子扩散只有在固体、静止或层流流动的流体内才会 单独发生。 (导热中介质是静止的，

8、扩散中介质在运动）,分子扩散过程,两种物质各自向其浓度降低的方向传递，一直持续到整个容器中A、B浓度完全均匀为止，静扩散通量为零，但扩散仍在进行，系统处于动态扩散平衡中。,描述分子扩散通量的方程 Fick第一定律,DAB=DBA =D,式中：jA、jB组分A、B的质量扩散通量，kg/(m2.s) JA、JB组分A、B的摩尔扩散通量，kmol/(m2.s) D扩散系数，m2/s，下标AB表示组分A在组分B中扩散系数 负号表示扩散方向与梯度方向相反,对于两组分扩散系统 jA=-jB JA=-JB,得,若在扩散的同时伴有混合物的主体流动，则实际传递通量除分子扩散通量外，还应考虑由于主体流动而形成的通

9、量。 Fick第一定律表示为:,例7-2由CO2（组分A）和N2（组分B）组成的二元系统中发生一维稳态扩散。已知：cA=0.02kmol/m3，cB=0.05kmol/m3，uA=0.002m/s，uB=0.003m/s。求：（1）u，um；（2）NA，NB，N；（3）nA，nB，n。 解：（1）rA=cAMA=0.0244=0.88kg/m3 rB=cBMB=0.0528=1.4kg/m3 r=rA+rB=0.88+1.4=2.28kg/m3 c=cA+cB=0.02+0.05=0.07kmol/m3 u=(rAuA+rBuB)/r =(0.880.002+1.40.003)/2.28 =2

10、.61410-3m/s,u=(rAuA+rBuB)/r um=(cAuA+cBuB)/c N=cum n= u,um=(cAuA+cBuB)/c =(0.020.002+0.050.003)/0.07 =2.71410-3m/s （2）NA=cAuA=0.020.002=410-5kmol/(m2.s) NB=cBuB=0.05 0.003=1.510-4kmol/(m2.s) N=NA+NB=410-5+1.510-4 =1.910-4kmol/(m2.s) （3）nA=rAuA=0.880.002=1.7610-3kg/(m2.s) nB=rBuB=1.40.003=4.210-3kg/(

11、m2.s) n=nA+nB=1.7310-3+4.210-3 =5.9310-3kg/(m2.s),（二）涡流扩散 在湍流流体中，存在着凭借流体质点的湍动和旋涡来传质的现象，称为涡流扩散，其通量远大于分子扩散的通量。对涡流扩散，其扩散通量表达式为：,De 涡流扩散系数，与流体的性质无关，而与湍动的强度、流道中的位置、壁面粗糙度等因素有关。,三、 分子扩散,按扩散介质,气体中扩散,液体中扩散,固体中扩散,按过程是否稳态,稳态扩散：某一位置上的浓度等物理量 均不随时间而变化。,非稳态扩散,假定：pA1 pA2 pB1 pB2 pA1+ pB1= pA2 + pB2 =P,（一）气体中的稳态分子扩散

12、,1、等分子反向扩散 A、B的两元混合物组分A、B进行反方向扩散，系统的总压和温度维持不变，则两组分的扩散通量相等。,对等分子反向扩散 NA=-NB,积分得：,(1) 扩散通量方程,pA1 pB1,pA2 pB2,A,B,1,2,当扩散系统为低压，按理想气体处理,扩散通量表达式为,在气体吸收中溶质A溶解于溶剂中，惰性气体B不溶解于溶剂中， 则液相中不存在组分B，此过程为组分A通过另一“静止”组分B的单向扩散。,NB=0,积分：,或,2、组分A通过停滞组分B的扩散,(1) 扩散通量方程,pB2=p-pA2 , pB1=p-pA1,由于总压不变，得,pB2 - pB1 = pA1 - pA2,有,

13、令,则,对数平均分压,为“漂流因数”，反映主体流动对传质速率的影响。,等分子反向扩散,单向扩散,浓度分布,液体中的稳态分子扩散,双 向 扩 散,扩散通量方程,液体分子远较气体分子密集，分子之间距离较近，A的分子运动很容易和邻近 的B分子碰撞，故液体中扩散系数比气体中小得多。液体扩散速率小于气体。,因为液体扩散系数随浓度改变，取平均值,其中,等分子反向扩散,液体中的稳态分子扩散,单 向 扩 散,扩散通量方程：,分子扩散系数是物质的特征系数之一，表示物质在介质中的扩散能力；,扩散系数取决于扩散质和介质的种类及温度等因数。,对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；,对于气体中的扩散，温度升高，压力降低

14、，有利于D提高,物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借助于经验或半经验公式进行计算。,四、分子扩散系数,对于液体中的扩散，浓度的影响不可以忽略，而压强的影响不显著。,1.对流传质的类型,根据流体流动发生的原因不同,强制对流传质和自然对流传质,强制对流传质又分为层流传质和湍流传质,对流传质按流体的作用方式,作用于固体壁面,一种流体作用于另一种流体，两流体通过相界面进行传质,2 对流传质的机理,过渡层 同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐变小，曲线逐渐平缓。,滞流层 溶质的传递主要依靠分子扩散作用，由于D值较小，在该区域内分压梯度较大，曲线陡峭。,湍流主体 主要依靠涡流扩散，大量旋涡引

15、起的混合作用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。,3.浓度边界层,当流体流过固体壁面时,若流体与 固体壁面间存在浓度差,受壁面浓 度的影响,在与壁面垂直方向上将 建立起浓度梯度,该浓度梯度自壁 面向流体主体逐渐减小。将壁面 附近具有较大浓度梯度的区域称 为浓度边界层或传质边界层。,4.对流传质系数,根据对流传质速率方程,固体壁面与流体之间的对流传质速率为:,求算对流传质速率GA的关键在于确定对流传质系数kc。,但kc的确定是一项复杂的问题,它与流体的性质、壁面的几何形状和粗糙度、流体的速度等因素有关,一般很难确定。,1.双膜模型,(三）相际间的对流传质模型,当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧分别存在着呈层流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必须以分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度