1、(最新整理)第05章质量传递12021/7/26第五章 质量传递 简称传质。包括简称传质。包括两类，前两类，前者发生在同一个相内，后者则涉及不同的两相。者发生在同一个相内，后者则涉及不同的两相。质量传递的推动力质量传递的推动力温度差温度差压力差压力差场强差场强差浓度差浓度差热扩散热扩散压力扩散压力扩散强制扩散强制扩散分子扩散和涡流扩散分子扩散和涡流扩散第五章 质量传递 质量传递与动量传递、热量传递相比有相似之处，但质量传递与动量传递、热量传递相比有相似之处，但比后二者复杂。如与传热过程比较，主要差别为：比后二者复杂。如与传热过程比较，主要差别为：第五章 质量传递 第一节 环境工程中的传质过程第
2、二节 质量传递的基本原理第三节 分子传质第四节 对流传质本章主要内容第一节 环境工程中的传质过程分类分类非均相混合物非均相混合物均相混合物均相混合物特点特点有相界面有相界面无相界面无相界面单元操作单元操作过滤、沉降等过滤、沉降等吸收、萃取、吸附、离吸收、萃取、吸附、离子交换、膜分离等子交换、膜分离等分离依据分离依据 不同相的物性差异不同相的物性差异人造相界面物质在相间人造相界面物质在相间的物性差异的物性差异1 1、水、气体和固体中污染物的分离过程、水、气体和固体中污染物的分离过程相界面相界面气相气相液相液相 SB+AS+AAA相界面相界面气相气相 B 液相液相B+AS+A相界面相界面气相或液相
3、气相或液相固相固相CB+AAA相界面相界面固相固相液相液相B+AS+AA相界面相界面液相液相液相液相B+AS+AA2、反应中的传质过程：、反应中的传质过程：石灰石灰/石灰水洗涤烟气脱硫石灰水洗涤烟气脱硫催化氧化法净化汽车尾气催化氧化法净化汽车尾气用水吸收混合气体中的氨用水吸收混合气体中的氨过程的极限过程的极限:过程的速率过程的速率:相平衡关系相平衡关系传质方向传质方向传质机理传质机理传质速率传质速率3、传质过程、传质过程需要解决两个基本问题：需要解决两个基本问题：一、传质机理一、传质机理二、分子扩散二、分子扩散三、涡流扩散三、涡流扩散主要内容主要内容第二节 质量传递的基本原理 能力要求：掌握费
4、克定律、分子扩散系数、涡流能力要求：掌握费克定律、分子扩散系数、涡流 扩散与涡流扩散系数的概念。扩散与涡流扩散系数的概念。一、传质机理一、传质机理 第二节 质量传递的基本原理 分子扩散：分子扩散：在静止或层流流体内部，若某一组分存在静止或层流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子的无规则热运动使该组分由浓在浓度差，则因分子的无规则热运动使该组分由浓度高处传递至浓度低处，这种现象称为分子扩散。度高处传递至浓度低处，这种现象称为分子扩散。涡流扩散：涡流扩散：流体湍流流动时，由于质点的无规则运流体湍流流动时，由于质点的无规则运动，相互碰撞和混合，在存在浓度梯度的情况下，动，相互碰撞和混合，在存在浓
5、度梯度的情况下，组分会从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为组分会从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。涡流扩散。工程上为了加速传质，通常使流体处于湍流状态，工程上为了加速传质，通常使流体处于湍流状态，涡流扩散占主导要地位。涡流扩散占主导要地位。第二节 质量传递的基本原理 1 1、费克定律、费克定律二、分子扩散二、分子扩散dzdCDNAABAz表示组分A向浓度减小的方向传递A在B中的扩散系数，m2/sA物质的量浓度，kmol/m3A在z方向浓度梯度，kmol/m3m扩散通量第二节 质量传递的基本原理 扩散速率扩散速率)单位时间内通过垂直于扩散单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩
6、散的物质量，方向的单位截面积扩散的物质量，kmol/(m2s)。由组分由组分A和和B组成的混合物，在恒温、总压条件下，组成的混合物，在恒温、总压条件下，若组分若组分A只沿只沿z方向扩散，则任一点处组分方向扩散，则任一点处组分A的扩散通的扩散通量与该处量与该处A的浓度梯度成正比，此定律称为菲克定律。的浓度梯度成正比，此定律称为菲克定律。mAAABddzxNDz 以质量分数为基准：以摩尔分数为基准：以质量浓度为基准：AAABddzxNc Dz AAABddzNDz 第二节 质量传递的基本原理 c为混合物物质的量浓度为混合物物质的量浓度(kmol/m3)，xA为组分为组分A的摩尔分数的摩尔分数为混合
7、物的质量浓度为混合物的质量浓度(kg/m3)，xmA为组分为组分A的质量分数的质量分数A为组分为组分A的质量浓度（的质量浓度（kg/m3）2、分子扩散系数 AABAddzNDcz 第二节 质量传递的基本原理 定义式：定义式：物理意义物理意义：单位浓度梯度下的扩散通量，单位浓度梯度下的扩散通量，反映某反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；扩散系数大，分子扩散快。之一；扩散系数大，分子扩散快。影响因素影响因素：系统的温度、压力和物系的组成。系统的温度、压力和物系的组成。数据来源数据来源：一般由实验确定、半经验公式计算。一般由实验确定、半经验
8、公式计算。对于对于双组分气体混合物，组分的扩散系数：双组分气体混合物，组分的扩散系数：（1）气体分子扩散系数（）气体分子扩散系数（10-5 10-4 m2/s）第二节 质量传递的基本原理 1.750ABAB,00pTDDpT扩散系数与总压力成反比，与热力学温度的扩散系数与总压力成反比，与热力学温度的1.75次方成正比次方成正比（2）溶质在液体中的扩散系数远比在气体中的小，在溶质在液体中的扩散系数远比在气体中的小，在固体中的扩散系数更小固体中的扩散系数更小。液体、固体扩散系数的。液体、固体扩散系数的数量级分别为数量级分别为10-1010-9、10-1410-9m2/s。有效质量扩散系数组分组分A
9、的平均物质的量浓度的平均物质的量浓度 AADddcNz AAAtABDABeffdd()ddccNDDzz 3、涡流扩散 第二节 质量传递的基本原理 涡流扩散通量表示方法借助于费克定律，定义扩散系数DdyduntdAdQdzdcDNAABAz第二节 质量传递的基本原理 由于质量传递、热量传递和动量传递都牵涉到流体由于质量传递、热量传递和动量传递都牵涉到流体质点的交换质点的交换(涡流传递涡流传递)和分子交换和分子交换(分子传递分子传递)，因此三，因此三种传递之间必然存在一定的内在联系。事实上，在湍流种传递之间必然存在一定的内在联系。事实上，在湍流流动中，当上述三种传递同时发生时，湍流流体质点和流
10、动中，当上述三种传递同时发生时，湍流流体质点和分子之间的交换不同程度地同时影响着三种传递，这使分子之间的交换不同程度地同时影响着三种传递，这使得三种传递的机理和计算方法具有相似性。得三种传递的机理和计算方法具有相似性。(1)什么是分子扩散和涡流扩散？什么是分子扩散和涡流扩散？(2)简述费克定律的物理意义和适用条件。简述费克定律的物理意义和适用条件。(3)简述温度、压力对气体和液体分子扩散系数简述温度、压力对气体和液体分子扩散系数的影响。的影响。(4)对于双组分气体物系，当总压和温度提高对于双组分气体物系，当总压和温度提高1倍倍时，分子扩散系数将如何变化？时，分子扩散系数将如何变化？(5)分析湍
11、流流动中组分的传质机理。分析湍流流动中组分的传质机理。思考题思考题第二节 质量传递的基本原理 一、等分子反向扩散一、等分子反向扩散 扩散通量、浓度分布扩散通量、浓度分布二、单向扩散二、单向扩散 扩散通量、浓度分布扩散通量、浓度分布三、界面上有化学反应的稳态传质三、界面上有化学反应的稳态传质主要内容主要内容第三节 分子传质能力要求：掌握扩散通量与浓度分布的计算能力要求：掌握扩散通量与浓度分布的计算 在一些在一些双组分混合体系双组分混合体系的传质过程中，当体系总的传质过程中，当体系总浓度保持不变时，浓度保持不变时，组分组分A在分子扩散的同时伴有组分在分子扩散的同时伴有组分B向相反方向的分子扩散向相
12、反方向的分子扩散，且组分，且组分B扩散的量与组分扩散的量与组分A相等，这种传质过程称为相等，这种传质过程称为等分子反向扩散等分子反向扩散。一、等分子反向扩散 第三节 分子传质1、2两截面上两截面上A、B分压保持不变分压保持不变p=pA+pB=Const2pA1pA2pB1pB2pp1ABpA1 pA2pB1 1)1ln(0,1AAyckNLkDAB10.6，平板壁面上传质速率很低（壁面法向流动可忽略不计）1/21/3mL0.664ShReSc0.81 3mL0.0365ShReSc平均传质系数对流传质系数(二)平板壁面上的湍流传质0.81/3xx0.0292ShReSc（1）组分A在管壁处的浓
13、度 恒定A,ic03.66ck dShDiAN,04.36ck dShD(三)圆管内的层流对流传质在圆管内流动的流体与管壁间发生传质速度分布和浓度分布均已充分发展、且传质速率较低时，（2）组分A在管壁处的质量通量 恒定管道内径管壁覆盖着某种可溶性物质多孔性管壁，组分A以恒定的传质速率通过整个管壁流入流体中管内层流时，对流传质系数或施伍德数为常数 ck dShD0duRe球直径球运动速度(四)绕固体的强制对流传质1/21/32.00.6ShReSc以以“三传三传”为物理内核的单元操作为物理内核的单元操作(1)简述对流传质的机理和传质阻力的分布。(2)传质边界层的范围如何确定？试分析传质边界层与流动边界层的关系。(3)为什么流体层流流动时其传质速率较静止时增大？(4)虚拟膜层的涵义是什么？试比较对流传质速率方程 和费克定律的异同。(5)比较对流传热和对流传质的区别。为什么对流传质存在两种情况？(6)简述影响对流传质速率的因素和强化传质的措施。思考题
