1、化工原理化工原理電子教案電子教案/目錄目錄1目錄目錄第八章第八章 傳質過程導論傳質過程導論 第一節第一節 概述概述 一、化工生產中的傳質過程 二、相平衡 三、相組成的表示方法 四、傳質方式 第二節第二節 分子擴散分子擴散 一、費克定律 二費克定律的另一種常用形式 三雙組分、一維穩態分子擴散舉例化工原理化工原理電子教案電子教案/目錄目錄2目錄目錄第三節第三節 對流傳質對流傳質 一、對流傳質機理分析 二、膜模型 三、傳質模型簡介 四、對流傳質方程 五、對流傳質系數經驗式第八章第八章 小結小結化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章3/36第八章第八章 傳質過程導論傳質過程導論 質量傳遞質

2、量傳遞熱量傳遞熱量傳遞動量傳遞動量傳遞三傳三傳 非均相混合物非均相混合物均相混合物均相混合物分分離離 場場、電電場場、磁磁場場等等加加場場，如如濃濃度度場場、溫溫度度加加入入能能量量分分離離劑劑加加入入另另外外一一種種物物質質作作為為方方法法利用某種性質利用某種性質分離過程在全廠的設備投資分離過程在全廠的設備投資費和操作費上占很大比重。費和操作費上占很大比重。對一典型的化工廠，分離設對一典型的化工廠，分離設備的投資占備的投資占60-7060-70，分離過，分離過程的能耗約占程的能耗約占3030。轉下頁轉下頁-在濃度差、溫度差、壓在濃度差、溫度差、壓力差等推動力作用下，從一處力差等推動力作用下，

3、從一處向另一處的轉移過程。包括相向另一處的轉移過程。包括相內傳質和相際傳質兩類。內傳質和相際傳質兩類。轉第轉第5 5頁頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章4/36可可被被利利用用于于分分離離的的性性質質物理化學生物學力學性質密度、表面張力、尺寸、質量等密度、表面張力、尺寸、質量等如重力沉降、過濾如重力沉降、過濾熱力學性質熔點、沸點、臨界點、轉變點、蒸汽壓、熔點、沸點、臨界點、轉變點、蒸汽壓、溶解度、分配系數等。如吸收、精餾溶解度、分配系數等。如吸收、精餾電、磁性質電導率、介電常數、遷移率、電導率、介電常數、遷移率、電荷、淌度、磁化率等電荷、淌度、磁化率等輸送性質擴散系數、分子飛

4、行速度擴散系數、分子飛行速度反應速度性質反應速度常數反應速度常數熱力學性質反應平衡常數、化學吸附平衡常數、反應平衡常數、化學吸附平衡常數、離解常數、電離電位離解常數、電離電位生物學親和力、生物學吸附平衡、生物學反應速度常數生物學親和力、生物學吸附平衡、生物學反應速度常數返回上頁返回上頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章5/36第一節第一節 概述概述 相相 界界 面面 水水 pG 氣氣 相相 主主 體體 pi 液液 相相 主主 體體 傳傳 質質 方方 向向 Ci CL 空空 氣氣 +氨氨 氣氣 吸吸 收收 氣相氣相 （乙醇（乙醇-水）水） 乙醇乙醇 水水 液相（乙醇液相（乙醇-水

5、）水） 蒸餾蒸餾 一、化工生產中的常規分離方法一、化工生產中的常規分離方法 相相界界面面 苯苯 CG 液液相相主主體體 Ci 液液相相主主體體 傳傳質質方方向向 CL 煤煤焦焦油油（含含苯苯酚酚） 液液液液萃萃取取 空氣空氣 水水 濕物料濕物料 干燥干燥 固固系系統統：如如干干燥燥操操作作氣氣操操作作固固系系統統：如如結結晶晶、浸浸取取液液作作液液系系統統：如如液液液液萃萃取取操操液液操操作作液液系系統統：如如蒸蒸餾餾、精精餾餾汽汽等等單單元元操操作作液液系系統統：如如吸吸收收、解解吸吸氣氣化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章6/36第一節第一節 概述概述 相相界界面面 水水 p

6、G 氣氣相相主主體體 pi 液液相相主主體體 傳傳質質方方向向 Ci CL 空空氣氣+氨氨氣氣 吸吸收收 二、相平衡二、相平衡與熱平衡不同之處：與熱平衡不同之處：達到相平衡時，一般兩相達到相平衡時，一般兩相 濃度不相等。濃度不相等。相平衡屬動態平衡相平衡屬動態平衡-達到達到相平衡時，傳質過程仍在進行，相平衡時，傳質過程仍在進行，只不過通過相界面的某一組分只不過通過相界面的某一組分的凈傳質量為零。的凈傳質量為零。-相際間傳質的最終狀態相際間傳質的最終狀態 化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章7/36第一節第一節 概述概述對對氣氣體體，還還可可以以用用Ap表表示示濃濃度度三、相組成的

7、表示方法三、相組成的表示方法轉下頁轉下頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章8/361 BAxx1 BAww BBAAAAAMwMwMwx/ BBAAAAAMxMxMxwxxX 1XXx 1www 1www 1cxcAA AAw 思考思考1：雙組分均相物系（雙組分均相物系（A、B）的摩爾分數之和等于多）的摩爾分數之和等于多少？質量分數之和呢？少？質量分數之和呢？ 思考思考2：xA與與wA的關系？的關系？ 思考思考3：雙組分均相物系中，雙組分均相物系中，x與與X的關系？的關系？w與的與的 關系？關系？ w思考思考4：xA與與cA的關系？的關系？wA與與 A的關系？的關系？ 返回上頁

8、返回上頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章9/36思考思考5：cA與與 A的關系？的關系？ 思考思考6：對理想氣體，對理想氣體，c與與 p的關系？的關系？y與與p？ 與與p？ RTpVncAAA 通通用用氣氣體體常常數數KkmolJR /8314AAAMc RTPVnc PpnnyAAA RTMpVnMVmAAAAAA 返回第返回第7 7頁頁化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章10/36第一節第一節 概述概述四傳質方式四傳質方式傳質的兩種方式傳質的兩種方式分子擴散分子擴散對流傳質（給質過程）對流傳質（給質過程）-發生在靜止流體、層流流動的流體中，發生在靜止流體、層

9、流流動的流體中， 靠分子運動進行的。靠分子運動進行的。 -發生在湍流流動的流體中，發生在湍流流動的流體中， 靠流體微團的脈動進行的。靠流體微團的脈動進行的。 返回目錄返回目錄化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章11/36第二節第二節 分子擴散分子擴散dzdcDJAABzA , 一菲克定律一菲克定律ntq 對照：對照：牛頓粘性定律：牛頓粘性定律：傅立葉定律：傅立葉定律： dydu -又稱菲克第一定律，適用于又稱菲克第一定律，適用于 雙組分體系。雙組分體系。1855年年Fick用與傅立葉用與傅立葉定律類比的方法而不是定律類比的方法而不是用實驗方法提出的。用實驗方法提出的。dzdcDJ

10、BBAzB ,AAAAAAAABBBBBBBB質量中心面質量中心面組分組分A的擴散量的擴散量JA,z組分組分B的擴散量的擴散量JB,z化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章12/36一菲克定律一菲克定律dzdcDJAABzA ,表表示示擴擴散散方方向向與與濃濃度度梯梯度度方方向向相相反反 菲克定律的其它表達形式：菲克定律的其它表達形式： dzdpRTDdzRTpdDdzdxcDJAABAABAABzA ,dzdcDJBBAzB ,擴擴散散通通量量，kmol/m2 sA 在在 B 中中的的擴擴散散系系數數 m2/sAAAAAAAABBBBBBBB質量中心面質量中心面組分組分A的擴散量

11、的擴散量JA,z組分組分B的擴散量的擴散量JB,z化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章13/36一菲克定律一菲克定律說明：說明：（1）JA,z、 JB,z是相對擴散通量是相對擴散通量 （絕對擴散通量用（絕對擴散通量用NA,z表示）表示） 組分組分A移走后，出現空位，其他移走后，出現空位，其他分子（可能是分子（可能是A也可能是也可能是B）將會）將會補位，若補位，若A、B分子量不等，那么分子量不等，那么質量中心會局部發生漂移。質量中心會局部發生漂移。JA,z、 JB,z是為了使是為了使JA,z JB,z0而定義的而定義的，即，即JA,z、 JB,z是相對于一個移動的是相對于一個移動的

12、擴散面而定義的擴散通量。擴散面而定義的擴散通量。組分組分A的擴散量的擴散量JA,z組分組分B的擴散量的擴散量JB,zAAAAAAAABBBBBBBB質量中心面質量中心面（2）JA,z JB,z由由JA,z JB,z0可證得。可證得。化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章14/36一菲克定律一菲克定律（3）DA,B是物性。是物性。),(,xTPfDBA DA,B（氣）氣） 10-5m2/sDA,B（液）液） 10-9m2/s DA,B（固）固） 1）代表總體流動的影響代表總體流動的影響對對照照：等等摩摩爾爾相相互互擴擴散散 2112,AAzAcczzDN 或寫成或寫成 化工原理化工原

13、理電子教案電子教案/ /第八章第八章23/36 NB=0 A NA 相界面相界面 單向擴散單向擴散 NB B NA A 相界面相界面 等摩爾相互擴散等摩爾相互擴散 思考：思考：為什么單向擴散比等摩爾相互擴散多一為什么單向擴散比等摩爾相互擴散多一個大于個大于1 1的漂流因數？的漂流因數？在等分子相互擴散中，組分在等分子相互擴散中，組分A移走后，出現的空位會移走后，出現的空位會由組分由組分B補位，故補位，故Nz0，即無總體流動。，即無總體流動。在單向擴散中，組分在單向擴散中，組分A移走后，出現的空位會由周圍移走后，出現的空位會由周圍混合物（混合物（AB）補位，故）補位，故Nz 0，即有總體流動。考

14、慮，即有總體流動。考慮到這部分由總體流動引起的組分到這部分由總體流動引起的組分A的擴散通量的擴散通量 ，因而因而單向擴散的擴散通量要比等分子相互擴散的大。單向擴散的擴散通量要比等分子相互擴散的大。思考：思考：混合物中混合物中A A組分的濃度愈高，漂流因數組分的濃度愈高，漂流因數則如何變化？為什么？則如何變化？為什么？，故，故，則，則 1212lnBBBBBBAcccccccm mBcc漂流因數漂流因數化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章24/362單向擴散單向擴散11lnln11,BBAAzAcczzcDcccczzcDN 121121lnlnzzzzccccBBBB CB2 C

15、B1CA1 CA2 z 相界面相界面前面已推得：前面已推得：1212lnln1212,BBAAzAcczzcDcccczzcDN 若將式中帶有下標若將式中帶有下標2的各項的下標去掉，可得：的各項的下標去掉，可得：-cB（或（或cA）隨）隨z呈對數函數變化呈對數函數變化返回目錄返回目錄作業：作業：化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章25/36第三節第三節 對流傳質對流傳質回憶：回憶： 如圖，得到假想的氣膜和液膜，如圖，得到假想的氣膜和液膜，并認為在氣（液）膜中傳質方式并認為在氣（液）膜中傳質方式均為分子擴散。均為分子擴散。 于是對流傳質的阻力就都集中于是對流傳質的阻力就都集中在假想

16、的氣膜和液膜中。在假想的氣膜和液膜中。對流傳質對流傳質-發生在湍流流動的流體中，發生在湍流流動的流體中， 靠流體微團的脈動進行的。靠流體微團的脈動進行的。 相界面相界面傳質傳質層流底層層流底層氣體氣體液體液體cALcAGcAi氣膜氣膜液膜液膜湍流主體湍流主體湍流主體湍流主體邊界層邊界層邊界層邊界層u湍流主體因濃度均一無傳質阻力；湍流主體因濃度均一無傳質阻力；u層流底層傳質方式為分子擴散，阻力最大；層流底層傳質方式為分子擴散，阻力最大；u過渡區（湍流主體與層流底層之間）傳過渡區（湍流主體與層流底層之間）傳質方式為分子擴散和對流傳質（脈動）。質方式為分子擴散和對流傳質（脈動）。一、對流傳質機理分析

17、：一、對流傳質機理分析：二、膜模型：二、膜模型：化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章26/36第三節第三節 對流傳質對流傳質三、傳質模型簡介三、傳質模型簡介（詳見教材（詳見教材P58第五節）第五節） 表面更新模型表面更新模型溶質滲透模型溶質滲透模型雙膜模型雙膜模型-即膜模型即膜模型-即膜模型即膜模型化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章27/36第三節第三節 對流傳質對流傳質1 1、雙膜模型、雙膜模型 pG pi 傳傳質質方方向向 Ci 氣氣相相主主體體 液液相相主主體體 CL G L z 距距離離 雙雙膜膜模模型型 組組成成 要點：要點： (1) 相界面兩側流體的相

18、界面兩側流體的對流傳質阻力全部集中對流傳質阻力全部集中在界面兩側的兩個停滯在界面兩側的兩個停滯膜內，膜內傳質方式為膜內，膜內傳質方式為分子擴散。分子擴散。 (2)相界面上沒有傳質相界面上沒有傳質阻力，即可認為所需的阻力，即可認為所需的傳質推動力為零，或氣傳質推動力為零，或氣液兩相在相界面處達到液兩相在相界面處達到平衡。平衡。氣膜氣膜 液膜液膜回憶：回憶：膜模型膜模型化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章28/36第三節第三節 對流傳質對流傳質 氣氣膜膜 液液膜膜 pG pi 傳傳質質方方向向 Ci 氣氣相相主主體體 液液相相主主體體 CL G L z 距距離離 雙雙膜膜模模型型組組

19、成成 2121ppkcckNGLA對流傳質方程：對流傳質方程：)(21AABmLLAccccDN BmLLLccDk 若為單向擴散，在液相中有：若為單向擴散，在液相中有：對照對流傳質方程，可知：對照對流傳質方程，可知：可見，可見，kL DL化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章29/36第三節第三節 對流傳質對流傳質LLDk 雙膜模型缺陷：雙膜模型缺陷： 界面阻力不計，這是一個尚有爭議的問題。界面阻力不計，這是一個尚有爭議的問題。只適用與有固定相界面的情形；只適用與有固定相界面的情形；，與實際不符；，與實際不符；化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章30/36第三節第三

20、節 對流傳質對流傳質界面界面 CAi 23 4 CA0 10 距界面距離距界面距離經推導，得經推導，得LLDk ，與實驗結果相吻合。與實驗結果相吻合。特點：強調形成穩定濃度梯度的過特點：強調形成穩定濃度梯度的過 渡階段渡階段 缺陷：認為各批旋渦與氣相接觸的缺陷：認為各批旋渦與氣相接觸的 時間相同時間相同 2、溶質滲透模型：希格比（、溶質滲透模型：希格比（Higbie）1935年提出年提出相界面微團cAiC0AC化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章31/36第三節第三節 對流傳質對流傳質 由丹克沃茨（由丹克沃茨（Danckwerts）1951年提出，是溶質滲透年提出，是溶質滲透模型的修正。模型的修正。3、表面更新模型、表面更新模型 總之，由于傳質的復雜性，目前尚沒有一個完總之，由于傳質的復雜性，目前尚沒有一個完善的傳質理論可用。善的傳質理論可用。化工原理化工原理電子教案電子教案/ /第八章第八章32/36第三節第三節 對流傳質對流傳質傳質系數傳質系數 2121ppkcckNGLA四、對流傳質方程四、對流傳質方程回憶回憶：牛頓冷卻定律：牛頓冷卻定律q = ( t -tw)影響對流傳質系數影響對流傳質系數 k 的因素：的因素：u流動狀況流動狀況u物性物性u操