第四章 4.1 传质过程机理
化学反应与化工过程中的传质机理
化学反应与化工过程中的传质机理化学反应是化工过程中最基本和最重要的过程之一，而其中的传质机理则是决定化学反应能否顺利进行和效率的关键因素之一。
本文将介绍化学反应和化工过程中的传质机理及其对实际生产的影响。
化学反应的基本概念化学反应是指在化学作用下，原子之间发生重新组合的过程，使得物质的性质发生变化的现象。
化学反应可分为无机反应和有机反应两大类。
其中无机反应主要指元素间的反应，如Mg+2HCl=MgCl2+H2；有机反应则主要指碳氢化合物之间的反应，如甲烷与氧气反应生成二氧化碳和水，即CH4+2O2=CO2+2H2O。
化学反应中的传质机理传质机理是指物质在化学反应或化工过程中，从一个相（通常为气态、液态或固态）传移到另一个相的运动过程，它决定了化学反应或化工过程能否正常进行并且影响着化工过程的效率。
在化学反应中，传质主要包括质量传递和动量传递。
质量传递是指物质在空气、水、油、固体等不同相之间传递质量的过程。
在化工反应中，质量传递通常指液体或气体在反应器中混合的速率，该速率决定了反应物与催化剂之间的接触程度，从而影响着化学反应的速度和选择性。
高效的质量传递可以极大地提高化学反应和化工过程的效率。
动量传递则是指在流体中由于流体分子运动而发生的不同物质分子之间的相互作用和传递动量的过程。
在化学反应中，流体的运动状态可以影响化学反应的速度和选择性。
例如，液体中的对流可在反应器中产生湍流，从而增加反应物之间的接触，提高化学反应效率。
传质机理在化工工业中的应用传质机理为化工过程中化学反应的发生提供了理论基础，为工程师和科学家们研究和设计高效化工反应提供了方向。
在化工工业化学反应和化工生产过程中，通过选择适当的材料、调整流体流动速度、改变反应器形状和配置等方式，可以有效地控制传质过程，从而提高反应速率和反应产率，大大提高生产效率和产品质量。
总之，化学反应和化工过程中的传质机理是化学工程领域的重要研究对象，也是支持化工产业良性发展的重要理论基础。
传质机理、吸收机理、传质方向的判断
吸收的机理—双膜理论
双膜理论的基本论点是： （1） 相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各 1 存在着一个很薄（等效厚度分别为δ1 和δ2 ）的流体膜层。 1 2 溶质以分子扩散方式通过此两膜层。 （2）相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相 2 平衡状态。 （3）在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质阻力 3 可忽略不计，传质阻力集中在两个膜层内。
传质过程方向主要由相平衡方程 ye=f(x)来判定
例如：设在101.3KPa、200C下稀氨水的相平 衡方程为ye=0.94x，（1）使含氨10%的混合 气和x=0.05的氨水接触；（2）使y=0.05的 含氨混合气与x=0.1的氨水接触。
解：已知m=0.94 已知m=0.94
1） y=0.1，x=0.05 ye=0.94x=0.94×0.05 =0.047 故ye<y; xe=y/m=0.106 故xe>x; 说明多余部分氨气从 气相转入液相 2）y=0.05，x=0.1 ye=0.94x=0.94×0.1 =0.094 故ye<y; xe=y/m =0.053 故xe<x； 说明多余部分氨气从液 相转入气相
传质机理、吸收机理、传质方向 的判断
传质机理
在含有两个或两个以上的混合组 分体系中，如果存在浓度梯度，某些 组分就有高浓度区向低浓度区移动， 该移动过程就称为传质过程。 传质分离有：吸收、蒸馏、干燥、 萃取、膜分离等。
传质机理
静止流体中 分子扩散----借分子热运动发生在 界面滞留流流体中 流体主体与界面的扩散方式有 涡流扩散--借流体的湍动和漩涡传递物质，发生 在湍浓度之差。 传质速率正比于界面浓度与流体主体浓度之差。 用式子表示为： 用式子表示为： N=k
化工原理传质知识点总结
化工原理传质知识点总结一、基本概念1.1 传质的意义传质是指物质在不同相之间的传递过程。
在化工工程中，传质是指溶质在溶剂中的扩散、对流、传热、反应等传输现象。
1.2 传质的分类传质可以根据溶质与溶剂之间的接触方式分为不同的分类：（1）扩散传质：溶质在溶剂中的自由扩散过程，不需要外力的帮助。
（2）对流传质：通过溶剂的对流运动，加快溶质的扩散速率。
（3）辐射传质：发射源释放的辐射物质在空气中传输的过程。
1.3 传质的单位在化工工程中，我们通常使用质量通量或摩尔通量来描述传质的速率。
质量通量用kg/(m^2·s)或g/(cm^2·min)表示，摩尔通量用mol/(m^2·s)或mol/(cm^2·min)表示。
1.4 传质的驱动力传质的驱动力可以通过浓度差、温度差、压力差等来实现。
在传质过程中，驱动力越大，传质速率越快。
1.5 传质的应用传质在化工工程中有着广泛的应用，例如在化学反应中，传质过程可以影响反应速率和产物浓度。
在洗涤、脱水、吸附等过程中，传质也起到重要的作用。
二、传质过程2.1 扩散传质扩散传质是指溶质在溶剂中的自由扩散过程，不需要外力的帮助。
扩散传质的速率与溶质浓度梯度成正比，与扩散距离成反比，与传质物质的性质、温度等因素有关。
2.2 对流传质对流传质是指通过溶剂的对流运动，加快溶质的扩散速率。
对流传质速率与对流速度和溶质浓度梯度成正比，与传质物质的性质、温度等因素有关。
2.3 质量传递系数质量传递系数是评价传质速率的重要参数，表示单位时间内溶质通过单位面积的传质速率。
它与溶质的性质、溶剂的性质、温度、压力等因素有关。
2.4 传质速率传质速率是指单位时间内溶质通过单位面积的传质量。
它由传质物质的性质、浓度梯度、温度、压力等因素决定。
三、传质原理3.1 扩散传质的原理扩散传质的原理是由于溶质在溶剂中的无规则热运动。
在热运动的影响下，溶质会沿着浓度梯度自行扩散，直到浓度均匀。
化学工程基础：第四章 传质过程
二、液相扩散系数
D f (介质种类, T , CA)
溶剂的缔合参数 溶剂的相对分子质量
D
1.859
10 18
(M )1/ 2T V 0.6
溶液温度 （非电解质稀溶液）
溶液的粘度 溶质的摩尔体积
D 1109 ~ 5109 m2 / s
例4-3 水蒸气在空气中扩散系数的实验测定
将如图所示的装置放在328k的恒温箱内，立管中盛
分子扩散速率与物质性质、浓度差和扩散距离等因素有关。恒温恒 压下，组分A相对于组分B作定常态分子扩散时，其扩散速率可用费 克定律描述
费克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一
点处的扩散速率与该处A的浓度梯度成正比 ，其表达
式为：
N A,0
DAB
dcA dz
NA,0——组分A扩散速率（扩散通量），kmol/（m2·s） ——组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m
扩散相当于通过有效膜的单方向分子扩散，所以
NA
D RTz G
p pBm
(
pA
pAi )
令
kG
D RTz G
p pBm
N A kG ( pA pAi )
kG为气膜传质系数, 单位为mol/m2.s.Pa
2．液膜传质速率方程
同理可得
NA
D zL
cM cBm
(cAi
cA)
令
kL
D zL
cM cBm
中，物质传递主要是分子扩散和涡流扩散两种传质作用
之和， 即NA来自DdcA dz
DE
dcA dz
式中 DE 涡流扩散系数 , m2 / s
DE越大，表明流体质点在其浓度梯度方向上的脉动越剧烈，传 质速率越高。与分子扩散系数不同，涡流扩散系数不是流体的物
化工原理 传质
化工原理传质
传质是指在化工过程中，物质通过某种媒介从一个位置传递到另一个位置的过程。
传质过程的关键在于物质的分子之间的相互作用和传递。
传质可以分为以下几种类型：质量传递、热传递和动量传递。
质量传递是指物质的质量通过扩散、对流或反应等机制在系统中的传递。
热传递是指热量通过传导、对流或辐射等方式在系统中的传递。
动量传递则是指动量通过流体的运动在系统中的传递。
在传质过程中，存在三种基本的物质传递机制：扩散、对流和反应。
扩散是指物质由高浓度向低浓度的传递，是靠分子之间的随机热运动实现的。
对流是指物质随着流体的运动而传递的过程，可以是气体或液体的流动。
反应是指物质在满足一定的条件下发生化学反应，从而引起传质的过程。
传质过程可以用一些常见的数学模型来描述，如离散点模型、连续模型和微分模型等。
离散点模型是指将传质系统划分为若干离散的点，通过计算不同点之间的物质传递速率来研究传质过程。
连续模型则是将传质系统看作是连续的媒介，利用方程组来描述传质过程。
微分模型是通过建立微分方程来描述传质过程的变化规律。
在化工过程中，传质是一个非常重要的环节。
对于很多反应来说，传质速率是限制反应速度的因素之一。
因此，研究传质过程对于提高化工过程的效率和产品质量具有重要意义。
固液传质过程
固液传质过程一、概述固液传质是指在固体和液体之间发生的物质传递现象。
在化学、生物、环境等领域中，固液传质都是非常重要的过程。
例如，土壤中的植物根系吸收水分和养分就是通过固液传质实现的。
本文将详细介绍固液传质过程。
二、传质机理1. 扩散扩散是指分子或离子由高浓度区域自发地向低浓度区域移动的过程。
在固液界面上，扩散通常是最主要的传质机制。
扩散速率与浓度梯度成正比，与距离平方成反比。
2. 对流对流是指由于流体流动而导致物质移动的过程。
对流可以加速物质传输，但需要外力驱动，如重力、电场等。
3. 平衡吸附平衡吸附是指分子或离子在固体表面上吸附并与表面结合形成一个稳定的状态。
这种吸附通常不会改变溶液中物质总量。
三、影响因素1. 温度温度越高，分子运动越剧烈，扩散速率也越快。
2. 溶液浓度溶液浓度越高，浓度梯度越大，扩散速率也越快。
3. 固体颗粒大小固体颗粒越小，表面积就越大，吸附和扩散的速率也就越快。
4. 溶质分子大小溶质分子大小对扩散速率有影响。
分子较大的物质扩散速率较慢。
四、传质模型1. Fick第一定律Fick第一定律描述了在稳态条件下的扩散过程。
它表明传质通量与浓度梯度成正比。
2. Fick第二定律Fick第二定律描述了非稳态条件下的扩散过程。
它表明浓度随时间变化的速率与浓度梯度的二次导数成正比。
3. 费克-普朗克方程费克-普朗克方程综合考虑了对流和扩散两种传质机制。
它描述了在非稳态条件下物质传输的总通量。
五、应用案例1. 土壤中植物根系吸收营养植物根系吸收水分和营养元素的过程是一个典型的固液传质过程。
土壤中的水分和营养元素通过扩散和吸附等机制进入植物根系。
2. 污染物在地下水中的迁移地下水中污染物的迁移也是一个固液传质过程。
污染物通过对流和扩散等机制从高浓度区域向低浓度区域移动。
3. 药物在人体内的吸收和代谢药物在人体内的吸收和代谢也是一个固液传质过程。
药物通过扩散等机制进入人体细胞内，然后被代谢酶代谢并排出体外。
4-1传质过程
N AM
pA J B pB
代入：
即：
pA NA J A JB pB
4 传质过程 （45） 24
23:31:35
单方向扩散速率方程
又由于在等物质的量反向分子扩散中，有：
J A J B
故：
pA pA NA J A JA J A (1 ) mol m-2 s 1 pB pB
由理想气体方程有： 代入Fick定律为：
PA cA RT
dPA dc A RT
DAB dPA JA RT dz
23:31:35
4 传质过程 （45）
16
等摩尔相互定常态扩散
两容器等温、等压，分 别装有不同浓度的A、B混 合气体。当通过连通管内任 一截面处的两个组分的扩散 速率大小均相等时，此扩散 称为等物质的量反向定常态 扩散。
重点：传质过程机理 难点：传质速率方程
4. 传质过程
化学与环境工程学院李强
4.1 传质过程概述
什么是传质过程？ 在一个多组分的物系中，若存在浓度梯度，则某一 组分将会由高浓度区向低浓度区转移，该过程称为传 质过程。 传质过程可以在一相中进行，也可以在两相间进行。 在两相间的传质过程称为传质分离过程。
23:31:35
4 传质过程 （45）
4
传质分离操作的种类
（5）结晶 对混合物（蒸汽、溶液或熔融物） 采用降温或浓缩的方法使其达到过饱和状态， 析出溶质，得到固体产品。 （6）吸附 利用多孔固体颗粒选择性地吸附 混合物（液体或气体）中的一个组分或几个 组分，从而使混合物得以分离。其逆过程为 脱附过程。 （7）膜分离 利用固体膜对混合物中各组分 的选择性渗透从而分离各个组分。
积扩散的物质量，称为扩散速率，以符号JA表示，单 位为mol/(m2· s)。
第4章 传质过程
半经验公式 1.气体A在气体B中的扩散系数 1.气体A在气体B
D= 1.013 × 10 −6 T 1.75 [(1 / M r , A ) + (1.M r , B )]1 / 2 p[(∑ V A )1 / 3 + (∑ V B )1 / 3 ] 2
2.组分在液相中的扩散系数
D = 1.859 × 10 −18 (ΦM r )1 / 2 T µV 0.6
dc A dc A N A = −D − DE dl dl
DE为涡流扩散系数 。 它不是流体的物理量， 为涡流扩散系数。 它不是流体的物理量， 而是流动状态的函数， 与流动系统的几何形状 、 而是流动状态的函数 ， 与流动系统的几何形状、 尺寸、 所处的位置 、 流速 、 尺寸 、 所处的位置、 流速、 以及流体的物理性质 等影响因素有关。 等影响因素有关。
度分布基本均匀， 浓度梯度为零 。 度分布基本均匀 ， 浓度梯度为零。 即浓度梯度全 部集中在有效膜内。 部集中在有效膜内。
本章小结
• 单相传质原理
1）静止流体内部的分子扩散原理 2）流动流体内部的对流扩散（传质扩散）原理
• 相间传质的模型理论与传质速率方程式
双膜理论
• 在气、液两相之间有稳定界面，溶质以分子扩散 在气、 液两相之间有稳定界面 ，
的形式连续通过这两个膜层， 的形式连续通过这两个膜层 ， 膜层厚度随流体的 流动状态而变化。 流动状态而变化。
• 界面上没有传质阻力，且成平衡状态， 界面上没有传质阻力，且成平衡状态， • 在气、液之体内，由于流体充分湍动，溶质的浓 在气、 液之体内 ， 由于流体充分湍动 ，
估算在20℃ 估算在20℃和1.013×10-5Pa下CO2在空气中的扩散系数。 013× Pa下 在空气中的扩散系数。 解：设A组分为CO 解：设A组分为CO2，B组分为空气 ΣVA = 26.9×10-6m3.Mol-1 26. ΣVB =20.1×10-6m3.Mol-1 20. Mr，A=34 Mr，B=29 T=273+20=293K T=273+20=293K P=1.013×10-5Pa P=1 013×
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二、传质过程分类——两相
（4）吸附
当某些固体与液体或气体混合物接触时，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， 这个过程称为吸附。 吸附分离操作是根据气体或液体混合物中不同组分在固 体上被吸附的程度不同而进行分离的过程。 气体吸附：室内空气净化、工业废气处理（活性炭、硅 胶、氧化铝等）
二、传质过程分类——单相
单相传质主要有膜分离、热扩散、电泳等 膜分离：以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当
膜两侧存在某种推动力（如压差、浓度差、电位差）时，混
合物中的某一或某些组分可选择性地透过膜而与混合物中的 其他组分分离。 如：海水淡化、中草药的除菌、废水处理
热扩散：同位素2H和3H的分离
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四、气液传质设备——填料塔
（3）填料类型 乱堆填料
堆放方式 整砌填料
实体填料 环形填料（拉西环、鲍尔环、阶梯环）、 基材 鞍形填料（弧鞍、矩鞍）、波纹板 网体填料 鞍形网、θ网、波纹网
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四、气液传质设备——填料塔
（4）填料塔内的流体力学状况 在设计填料塔时，首先要考虑塔的 流体力学性能，包括填料层压降、液 泛气速、持液量等影响。 载液区 右图为不同喷淋密度下，单位高度 填料层的压降Δ p/H与空塔气速u的关 系图。（空塔气速是指按空塔截面积 计算得到的气体线速度。） 对一定的喷淋密度，当气速较低时， 气液两相几乎没有互相干扰，填料表 恒持液 面的持液量不随气速而变。 量区
例：分离乙醇水溶液、分离“三苯”
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二、传质过程分类——两相
（2）气体的吸收
对于气体混合物，可选择合适的液体溶剂（吸收
剂）在专用设备中使之与气体充分接触，气体中的
一个或几个组分由气相转入液相，实现对混合气体
的分离。 如：用洗油吸收焦炉气的苯而实现苯的分离 除去合成氨的原料气中的CO2
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漳州师范学院化学与环境工干燥是对湿物料（通常含水分）加热，使物料 中所含的湿分（如水）气化，并不断排出湿蒸气而 得到干燥固体的操作。 如：一级尿素含水量不能超过0.5%；聚氯乙烯含水 量不能超过0.3%。 （6）气体的增湿
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（2）对流扩散速率
du dy
dT q A dn
由于对涡流流动中扩散认识上的不充分，只能仿照费克 定律将涡流扩散速率表为：
d cA N A DE dz
式中DE——涡流扩散系数， m2· s-1
湍流主体以涡流扩散为主，DE＞＞DAB，滞流底层为分子扩 散，DAB＞＞DE，DE≈0；在过渡层，DAB和DE数量级相当。
对 流 扩 散
涡流扩散：因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使物质由高 浓度处转移到低浓度处的过程。
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单相中的传质
分子扩散 单相内物质传递的机理 费克定律和斯蒂芬定律 对（涡）流扩散 分子扩散：物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓 度处，如物质在静止或滞流流体中的扩散； 涡流扩散：因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使 物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。
降 液 区
溢流堰
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四、气液传质设备——板式塔
度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两
层膜内。
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四、气液传质设备
传质过程有共同的规律，也有通 用的传质设备。比如气体吸收和液体 精馏两种气液传质过程通常在塔设备 内进行。塔设备可提供气、液两相充 分接触的机会，从而使传质、传热能 迅速有效地进行。 根据塔内气液接触部件的结构型 式，分为填料塔与板式塔两类。评价 它们的性能指标包括：分离效率、生 产能力、压力降和操作弹性等。
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液泛区
泛点
载点
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气速增大至某值时，液体流动受到两相流体间摩擦力的阻
碍，填料层的持液量随气速的增加而增加，此现象称拦液现象。 将开始拦液的转折点称载点，载点对应的空塔气速称载点 气速。
超过载点气速后，两相湍动程度加剧，塔内持液量不断增
多，液体充满整个塔空间，导致压降急剧升高。气体由连续相变 为分散相，以鼓泡状通过液层,把液体带出塔顶，塔操作不稳定， 此现象称液泛。开始发生液泛的转折点为泛点，相应的空塔气速 称泛点气速，为填料塔正常操作气速的上限。
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机械分离：简单分离，不发生相间的物质传递 如：过滤（悬浮液分离）、沉降（沉降池内生活 污水的澄清分离）、离心分离（海盐提纯实验） 、旋风分离、电除尘
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4.1 传质过程机理
一、传质过程概述
二、传质过程分类
三、传质过程机理
四、传质设备
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一、传质过程概述
在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果
存在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将由高浓度
区向低浓度区移动，该移动过程称为传质过程。比如
四、气液传质设备——填料塔
（2）填料的主要特性 ① 比表面积
单位体积填料层的填料表面积，以σ 表示 ；单位:m2/m3。
② 空隙率 单位体积填料层的空隙体积，以ε表示；单位: m3/m3。 一般要求比表面积和空隙率要大，填料的润湿性能好，单
位体积填料的质量轻，造价低，并有足够的机械强度。
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二、传质过程分类——两相
（7）其它液固传质过程
结晶：海水制取食盐 固体浸取：用温水从甜菜中提取食糖；用溶剂从花生、大豆
中提取食油；天然产物提取
液体吸附：除去液体中的微量杂质和毒物，物料脱色、除臭 、回收溶剂；从混合二甲苯中分离出邻、间、对二甲苯
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二、传质过程分类——两相
传质过程可以在一相中进行，也可以在两相中
进行，两相间的传质是分离过程的基础，具体分类
如下： （1）液体的蒸馏
利用液体混合物中各组分挥发性的差异来进行分离的， 在操作时加热混合液使之部分汽化，同时产生的蒸汽部分冷 凝变成液体，通过蒸汽和液体的充分接触，使气、液两相进 行物质交换而达到分离混合物的目的。
乙醇水溶液的蒸馏分离
利用乙醇和水沸点的差异分离乙醇水溶液过程如下：
低浓度的乙醇水溶液 均相（液) → 加热蒸发 → 将蒸气冷凝 高浓度乙醇 非均相（气、液）
气相 乙醇 （乙醇 - 水） 水
液相（乙醇
- 水）
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吸收合成氨原料气中的CO2
合成氨的原料气为 混合气体，是N2， H2，CO，CO2的混合 物，要去除CO2，可 用水作吸收剂。
水为吸收剂
吸收液排出
用水吸收CO2
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四、气液传质设备——填料塔
1、填料塔 （1）塔结构 塔体、填料、支 承板、填料压板 （网）、液体分 布器、液体再分 布器等。 填料塔的操作是 一个气、液两相 在多孔床层中逆 向流动的复杂过 程。
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四、气液传质设备——板式塔
2、板式塔 （1）塔结构 塔体、塔盘（板）、进料管、 回流管等。 板式塔的操作是一个气、液两 相在塔板上充分接触，进行传质 和传热的过程。
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四、气液传质设备——板式塔
（2）塔板功能区（俯视图） 边缘固定区 开孔区
开孔区：提供主要汽液传质 安定区 区域 降液区：液体自上一层塔板 流至其下一层塔板的通道 受 安定区：此区域不开孔 液 区 边缘固定区：用于塔板固定
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四、气液传质设备——填料塔
实验表明，当空塔气速在载点和泛点之间时，气 体和液体的湍动加剧，气液接触良好，传质效果 提高，填料塔的适宜操作气速通常由泛点气速来 选定。 实际操作气速常取泛点气速的50％～85％。
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扩散到气、液两相界面（在气相中传质）；氨在界面处
溶解进入液相（在气、液两相中传质）；液相中的氨扩 散到水中（在液相中传质）。
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单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实现的，
常见的扩散方式有分子扩散和对（涡）流扩散两种。
分子扩散：物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓度处，如 物质在静止或滞流流体中的扩散；
第四章 传质过程机理与传质设备
漳州师范学院 化学与环境工程教研室 吴文炳
2014-4-8
冷 凝 器 精 馏 塔 吸 收 塔
压滤机
反 应 器
离心泵
原料预处理 化学反应
2014-4-8
分离操作在 化工生产中 占有重要比 例。 分为机械分 离和传质分 离两类。本 章主要介绍 传质分离过 程。
产物的分离提纯
2014-4-8 漳州师范学院化学与环境工程教研室