环工原理教学课件：第05章 质量传递.ppt

第五章,质量传递,第五章 质量传递,第一节,环境工程中的传质过程,第二节,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,气体混合物中组分分离,吹脱去除挥发性组分,汽提,液体混合物中组分分离,染料废水处理,样品石油烃分离测定,气体和液体混合物中组分分离,活性炭吸附水中有机物,去除水中阴阳离子,制作纯水,去除水中重金属,高分子薄膜为分离介质，组分选择性地透过膜,制作纯水,截留某些组分,去除水、气体和固体中污染物的过程,吸收,萃取,吸附,膜分离,离子交换,传质过程：,分离中的传质过程：,第一节 环境工程中的传质过程,反应中的传质过程：,石灰,/,石灰水洗涤烟气脱硫,催化氧化法净化汽车尾气,第一节 环境工程中的传质过程,质量传递的推动力,温度差,压力差,电场或磁场的场强差,浓度差,第一节 环境工程中的传质过程,一个含有两种或两种以上组分的体系,组分,A,的浓度分布不均匀,组分,A,由浓度高的区域向浓度低的区域的转移,物质传递现象,传质过程,质量传递过程,需要解决两个基本问题：,过程的极限,:,过程的速率,:,相平衡关系,以浓度差为推动力的传质过程：,质量传递研究内容！,第一节 环境工程中的传质过程,一、传质机理,二、分子扩散,三、涡流扩散,本节的主要内容,第二节 质量传递的基本原理,蓝色由最初的位置慢慢散开，即蓝墨水的分子由高浓度处向低浓度处移动,向一杯水中加入一滴蓝墨水,质量传递,静止,蓝色由最初的位置慢慢散开，经过较长一段时间后，杯中水的颜色趋于一致,搅拌一下,？,由分子的微观运动引起,工程上为了加速传质，通常使流体介质处于运动状态,湍流状态，涡流扩散的效果占主要地位,慢,由流体微团的宏观运动引起,分子扩散,快,涡流扩散,第二节 质量传递的基本原理,一、传质机理,分子扩散过程只有,在固体、静止流体或层流流动,的流体中才会单独发生。,由,分子的不规则热运动,而导致的传递,（一）费克定律,在某一空间充满,A,、,B,组分组成的混合物，,无总体流动或处于静止状态,分子热运动的结果,将导致,A,分子由浓度高的区域向浓度低的区域,净扩散,，即发生由高浓度处向低浓度处的分子扩散,分子扩散的速率？,第二节 质量传递的基本原理,二、分子扩散,在一维稳态情况下，单位时间通过垂直于,z,方向的单位面积扩散的组分,A,的量为,单位时间在,z,方向上经单位面积扩散的,A,组分的量，即,扩散通量,，也称为,扩散速率,，,kmol/,（,m,2,s,）,组分,A,的,物质的量浓度,，,kmol/m,3,组分,A,在组分,B,中进行扩散的,分子扩散系数,，,m,2,/s,组分,A,在,z,方向上的浓度梯度，,kmol/m,3,m,由浓度梯度引起的,扩散通量与浓度梯度成正比,负号表示组分,A,向浓度减小的方向传递,以物质的量浓度为基准,费克定律,第二节 质量传递的基本原理,(5.2.1),设混合物的物质的量浓度为,kmol/m,3,，,组分,A,的,摩尔分数为,当,为常数时,以质量分数为基准,以摩尔分数为基准,混合物质量浓度，,kg/m,3,组分,A,的质量分数,当混合物的密度为常数时,组分,A,的质量浓度，,kg/m,3,以质量浓度为基准,kg/,（,m,2,s,）,kg/,（,m,2,s,）,kmol/,（,m,2,s,）,第二节 质量传递的基本原理,(5.2.2),(5.2.3),（一）费克定律,（二）分子扩散系数,扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率，表征物质分子扩散能力。扩散系数大，表示分子扩散快。,分子扩散系数是,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。,第二节 质量传递的基本原理,(5.2.5),（,1,）非理想气体及浓溶液,是浓度的函数。,（,2,）,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,。气体、液体、固体扩散系数的数量级分别为,10,-5,10,-4,、,10,-10,10,-9,、,10,-14,10,-9,m,2,/s,。,（,4,）对于,双组分气体物系,，,（,3,）低密度气体、液体和固体的扩散系数,随温度的升高而增大，随压力的增加而降低。,，,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,（二）分子扩散系数,第二节 质量传递的基本原理,定义,涡流质量扩散系数,涡流扩散系数,不是物理常数,，它取决于流体流动的特性，受湍动程度和扩散部位等复杂因素的影响,工程中大部分流体流动为,湍流状态，同时存在分子扩散和涡流扩散,，因此组分,A,总的质量扩散通量,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,组分,A,的平均物质的量浓度,（三）涡流扩散,第二节 质量传递的基本原理,一、单向扩散,扩散通量、浓度分布,二、等分子反向扩散,扩散通量、浓度分布,三、界面上有化学反应的稳态传质,本节的主要内容,第三节 分子传质,在,静止,介质中由于,分子扩散所引起,的质量传递问题,静止流体,相界面,组分,A,通过气相主体向相界面扩散,依靠分子扩散,N,A,在相界面附近，组分,A,沿扩散的方向将建立一定的浓度分布,第三节 分子传质,单向扩散,等分子反向扩散,水,含有氨的废气,苯,甲苯体系,苯,N,B,第三节 分子传质,空气与氨的混合气体（静止）,氨,空气,氨的分压,p,减小,流体自气相主体向相界面流动,空气分压增大,反向扩散,可视为空气处于没有流动的静止状态,相界面,氨的扩散量增加,相界面上，氨溶解于水,气相总压减小,第三节 分子传质,一、单向扩散,氨,传质过程：氨溶解于水,氨分压降低,相界面处的气相总压降低,流体主体与相界面之间形成总压梯度,流体主体向相界面处流动,氨的扩散量增加,流动,氨,空气,相界面上空气的浓度增加,空气应从相界面向混合气体主体作反方向扩散,相界面处空气的浓度（或分压）恒定,可视为空气处于没有流动的静止状态,空气,氨溶解于水,第三节 分子传质,一、单向扩散,组分在,双组分混合气体中,的分子扩散,扩散系数在低压下与浓度无关,总通量流动所造成的传质通量叠加于流动之上的分子扩散通量,总通量,？,第三节 分子传质,一、单向扩散,(,一,),扩散通量,传质时流体混合物内,各组分的运动速度是不同的,为了表达混合物总体流动的情况,组分,A,的宏观运动速度,组分,B,的宏观运动速度,引入平均速度,流体混合物的流动是以平均速度流动的，称为,总体流动,第三节 分子传质,(5.3.1),相对于运动坐标系,得到,相对速度,扩散速度,，表明组分因分子扩散引起的运动速度,由通量的定义，可得,第三节 分子传质,(5.3.3b),(5.3.3c),(5.3.3a),(5.3.2b),(5.3.2a),费克定律的普通表达形式,而相对于平均速度的组分,A,的通量即为,分子扩散通量,，即,第三节 分子传质,(5.3.4),(5.3.2a),(5.3.1),(5.3.3c),(5.3.5),单向扩散,，由于,=0,组分,B,在单向扩散中没有净流动，所以单向扩散也称为停滞介质中的扩散,在稳态情况下,为定值,在恒温恒压条件下，式中,为常数，所以,气相主体,:,相界面,:,z,=0,z,=,L,第三节 分子传质,(5.3.6),惰性组分在相界面和气相主体间的,对数平均浓度,扩散推动力,第三节 分子传质,(5.3.7),(5.3.8),(5.3.9),(5.3.10),若静止流体为理想气体，则根据,总压强,惰性组分,在相界面和气相主体间的,对数平均分压,组分,A,在,相界面的分压,组分,A,在,相主体的分压,第三节 分子传质,(5.3.11),(5.3.10),对于稳态扩散过程，为常数，即,在恒温恒压下，,均为常数,(,二,),浓度分布,对于气体组分,A,，浓度用摩尔分数表示,第三节 分子传质,(5.3.13),(5.3.6),上式经两次积分，代入边界条件,气相主体,:,相界面,:,组分,A,通过停滞组分,B,扩散,时，,浓度分布为对数型,第三节 分子传质,(5.3.15b),(5.3.15a),【,例题,5.3.1,】,用温克尔曼方法,测定气体在空气中的扩散系数,，测定装置如图所示。在,101.3kPa,下，将此装置放在,328K,的恒温箱内，立管中盛水，最初水面离上端管口的距离为,0.125m,，迅速向上部横管中通入干燥的空气，使水蒸气在管口的分压接近于零。实验测得经,1.04410,6,s,后，管中的水面离上端管口距离为,0.15m,。求水蒸气在空气中的扩散系数。,解：水面与上端管口距离为,z,，水蒸气扩散的传质通量为,单向扩散,传质通量：,可用管中水面的下降速度表示,第三节 分子传质,0,=15.73kPa,（,328K,下水的饱和蒸气压）,kPa,328K,下，水的密度为,985.6kg/m,3,，故,kmol/m,3,第三节 分子传质,边界条件：,t,=0,z,=0.125m,t,=1.04410,6,s,z,=0.150m,m,2,/s,第三节 分子传质,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,在分子扩散的同时必然伴有组分,B,向相反方向的分子扩散,，且组分,B,扩散的量与组分,A,相等，这种传质过程称为,等分子反向扩散,。,(,一,),扩散通量,没有流体的总体流动,，因此,特征,二、等分子反向扩散,第三节 分子传质,(5.3.16),在稳态情况下,为定值,在等温等压条件下，式中,为常数，所以,气相主体,:,相界面,:,z,=0,z,=,L,第三节 分子传质,(5.3.17),对于稳态扩散过程，为常数，即,(,二,),浓度分布,上式经两次积分，代入边界条件,相界面,:,气相主体：,组分,A,和,B,的,浓度分布为直线,第三节 分子传质,(5.3.18),(5.3.20),单向扩散,漂移因子,因总体流动而使组分,A,传质通量增大的因子,当组分,A,的浓度较低时,，,漂移因子接近于,1,，此时单向扩散时的传质通量表达式与等分子反向扩散时一致,第三节 分子传质,等分子反向扩散,在物质表面进行的化学反应过程,化学反应过程反应速率,A,的扩散过程扩散速率,边界条件：,催化剂表面：,z,=0,，,y,A,=,y,A,i,气相主体：,z,=L,，,y,A,=,y,A,0,例如：催化反应,三、界面上有化学反应的稳态传质,第三节 分子传质,(5.3.23),(5.3.22),在一定操作条件下，式中,为常数，所以,（,1,）若反应瞬时完成，可认为在催化剂表面不存在,A,组分，即,=0,（,2,）若化学反应进行得极为缓慢，且化学反应属一级反应,一级反应速率常数，,m/s,。,扩散控制的传质通量表达式,受到反应速率的影响,第三节 分子传质,(5.3.24),(5.3.25a),(5.3.26),（,3,）若,1,，即扩散过程很快，则有：,或更小，可推导出上式的近似解，即,化学反应与扩散联合控制的质量通量表达式,对于界面上具有化学反应的扩散传质过程，,化学反应式不同，传质通量的描述也不同,。,反应控制的传质通量表达式,第三节 分子传质,(5.3.27),(5.3.28),(5.3.30),【,例题,5.3.2,】,为减少汽车尾气中,NO,对大气的污染，必须对尾气进行净化处理。含有,NO,及,CO,混合气体的尾气通过净化器，尾气中所含的,NO,与净化器中的催化剂接触，在净化剂表面发生还原反应，这一反应过程可看作气体,NO,通过静止膜的一维稳态扩散过程。,已知：汽车尾气净化后排放温度为,540,，压力为,1.1810,5,N/m,2,，含有,0.002,（摩尔分数）的,NO,，该温度下反应速率常数为,228.6m/h,，扩散系数为,0.362m,2,/h,，试确定,NO,的还原速率达到,4.1910,-3,kmol/(m,2,h),时，净化反应器高度的最大值。,气相主体,第三节 分子传质,同时，在催化剂表面，有,尾气浓度,kmol/m,3,故,1.44mm,实际应用中完全可以实现,解：若,NO,在催化剂表面的反应过程可以看作是通过静止膜的扩散，所以传质通量为,第三节 分子传质,单向扩散,等分子反向扩散,漂移因子,（一）扩散通量,（二）浓度分布,费克定律的普通表达形式,第三节 分子传质,一、对流传质过程的机理及传质边界层,二、对流传质速率方程,三、典型情况下的对流传质系数,本节的主要内容,第四节 对流传质,运动着的流体与相界面之间发生的传质过程,不互溶的两种运动流体之间的界面,流动的流体与固体壁面,气体的吸收：,在气相与液相之间传质,流体流过可溶性固体表面,流体中某组分在固体表面反应,萃取：,在液相与液相之间传质,第四节 对流传质,分子扩散,流体各部分之间的宏观位移引起的扩散,质量传递将受到,流体性质、流动状态以及流场几何特性,等的影响。,(,一,),对流传质过程的机理,层流区,湍流区,质量传递,固体壁面附近形成浓度分布,？,传质的机理,第四节 对流传质,一、对流传质过程的机理及传质边界层,但其扩散通量明显大于静止时的传质,。这是因为流动加大了壁面处的浓度梯度，从而使壁面上的扩散通量增大。,层流边界层：,在垂直于流动的方向上只存在由浓度梯度引起的,分子扩散,。,扩散通量依据费克第一定律,第四节 对流传质,(,一,),对流传质过程的机理,湍流边界层：,层流底层：,物质依靠分子扩散传递，浓度梯度较大，传质速率可用费克第一定律描述，其浓度分布曲线很陡，近似为直线；,湍流核心区：,有大量的旋涡存在，物质的传递主要依靠涡流扩散，由于强烈混合，浓度梯度几乎消失，组分在该区域内的浓度基本均匀，其分布曲线较为平坦，近似为一垂直直线,层流底层,湍流核心区,过渡区,过渡区：,分子扩散和涡流扩散同时存在,除了分子扩散外，更重要的是涡流扩散。,湍流区,第四节 对流传质,(,二,),传质边界层,可以认为质量传递的全部阻力都集中在传质边界层内,传质边界层的名义厚度定义为,时,0.99,u,0,0.99,C,0,具有浓度梯度的流体层,传质边界层,流动边界层与传质边界层的关系：,分子动量传递能力和分子扩散能力的比值。,施密特数,(c,A,-c,A,i,),0.99(c,A,0,-c,A,i,),第四节 对流传质,(5.4.1),0.99,u,0,c,A,i,c,A,0,(c,A,-c,A,i,),0.99(c,A,0,-c,A,i,),湍流流动,时，传质进口段长度为,传质进口段长度,层流流动,的传质进口段长度为,流体流过圆管进行传质,第四节 对流传质,(5.4.3),(5.4.2),二、对流传质速率方程,流动处于湍流状态时，物质的传递包括了分子扩散和涡流扩散,将过渡层内的涡流扩散折合为通过某一定厚度的层流膜层的分子扩散,G,有效膜层或虚拟膜层,涡流扩散系数难以测定和计算,简化计算,由流体主体到界面的扩散,通过有效膜层的分子扩散,整个有效膜层的传质推动力为,浓度分布,全部传质阻力集中在有效膜层,第四节 对流传质,组分,A,的,对流传质速率,，,k,mol/,（,m,2,s,）,流体主体中,组分,A,的浓度，,kmol/m,3,界面上,组分,A,的浓度，,kmol/m,3,对流传质系数,，也称,传质分系数,，下标“,c”,表示组分浓度以物质的量浓度表示，,m/s,对流传质速率方程,传质系数体现了,传质能力的大小,，与流体的,物理性质、界面的几何形状以及流体流动状况,等因素有关。,用分子扩散速率方程去描述对流扩散。由壁面至流体主体的对流传质速率为,第四节 对流传质,(5.4.4),组分浓度常用分压表示,界面上组分,A,的分压，,N/m,2,气相主体中组分,A,的分压，,N/m,2,气相传质分系数,，,k,mol/,（,m,2,sPa,）,液相传质分系数,，,m/s,气相与界面的传质,液相与界面的传质,第四节 对流传质,(5.4.5),(5.4.6),若,组分用摩尔分数,表示，对于气相中的传质，摩尔分数为,y,，则,用组分,A,的摩尔分数差表示推动力的,气相传质分系数,对于液相中的传质，若摩尔分数为,x,，则,用组分,A,的摩尔分数差表示推动力的,液相传质分系数,第四节 对流传质,(5.4.8),(5.4.10),(5.4.9),两种典型情况,其对流传质系数的表达形式不同,单向扩散,等分子反向扩散,对流传质,单相中,在虚拟膜层内的分子扩散,第四节 对流传质,双组分系统中，,A,和,B,两组分作等分子反向扩散时，,对流传质系数用,表示，则,相应的分子扩散速率为,虚拟膜层的厚度,第四节 对流传质,1.,等分子反向扩散时的传质系数,(5.4.11),(5.4.12),2.,单向扩散时的传质系数,双组分系统中，组分,A,通过停滞组分,B,作单向扩散时，,对流传质系数用,表示。则,相应的分子扩散通量为,故,组分,B,的对数平均摩尔分数,第四节 对流传质,(5.4.13),(5.4.14),解：此题为组分,A,的,单向扩散传质,p,2atm,，,A,i,p,0.2atm,，,0,A,p,0,第四节 对流传质,【,例题,5.4.1,】,在总压为,2 atm,下，组分,A,由一湿表面向大量的、流动的不扩散气体,B,中进行质量传递。已知界面上,A,的分压为,0.20 atm,，在传质方向上一定距离处可近似地认为,A,的分压为零。已测得,A,和,B,在等分子反向扩散时的传质系数,为,6.7810,-5,kmol/(m,2,s),。试求传质系数,及传质通量,kmol/,（,m,2,sPa,）,传质通量为,kmol/,（,m,2,s,）,kmol/,（,m,2,s,）,第四节 对流传质,单向扩散,传质通量的计算,分子传质,等分子反向扩散,对流传质,第四节 对流传质,