传质过程

N 分 G Dd dAn c (3I1)
稳定情况下，分子扩散速率的积分形式为：
N 分 D(c A 1c2) (3I 1 a)
式中： (c1 - c2) － 扩散组分的浓度差 [kmol/m3]； δ － 扩散层厚度 [m]；
式 （ 3-I-1a ） 也经常 写成 分 子 传质通量 [kmol/m2·s]或 [kmol/ m2·h]的形式：
v－ 摩尔体积 [cm3/mol]；
v 0 － 常数，用于水、甲醇、苯三者稀溶液时， 分别为8.0、1.49、22.88 [cm3/mol]。
对流扩散 在静止或层流流体中进行的分子扩散，其速度非
常缓慢，所以更具有实际意义的是在湍流流体中进行 的扩散。湍流流体内物质的传递，即靠分子扩散，又 靠涡流扩散，两者合称对流扩散。
第三章 传质过程
本章重点：吸收过程相平衡和传质机理，吸收速率方程， 填料吸收塔及其计算，液体蒸馏方法及分 离原理，精馏过程物料衡算和塔板数计算， 传质设备、特殊精馏方法和塔设备简介。
难 点：吸收速率方程和填料吸收塔计算，精馏过程 物料衡算和塔板数计算。
第Ⅰ部分 气－液相传质过程的机 理与设备简介
物质的传递过程（简称传质过程）：物质以扩 散的方式从一处转移到另一处的过程。
v A、 v B － 气体A、B的摩尔体积，它是指1摩尔物料
在它的沸点下呈液态时的体积（以 [cm3]计）。对于较复 杂的分子，其摩尔体积可看成是各组成元素的原子体积之 和，原子体积一般可从有关手册中查得。分子结构较简单 的气体的摩尔体积，一般可不用加和法，而从表中直接查 到。
经验公式（3-I-2）虽然误差较大，但能说明影
物质传递过程三阶段：
1. 物质从一相主体转移到两相界面的一侧； 2. 物质从界面的一侧转移到另一相的一侧，并发
生相应的物理化学变化； 3. 物质从另一相界面一侧转移到另一相的主体中。
从传质的角度来考虑，可以把上面三个阶段概括 为两种情况：（1）物质在一相内部的传递－单相中物 质的扩散；（2）两相界面上发生的过程－相间传质。
在稳定情况下： N 分 G Dd dAn c (3I1)
式中：N分－扩散组分的分子传质速率 [kmol/s]或[kmol/h]；
G － 扩散物质量 [kmol]；
τ－ 时间 [s]或 [h]；
等号右边的负号表明传质的方向与浓度增加的方向相反； A － 传质面积 [m2]； c － 扩散组分的浓度 [kmol/ m3]； n － 扩散距离 [m]； D － 比例系数，称为物质的分子扩散系数 [cm2/s]或 [m2/h]。
传质过程分类：当传质在不同相间进行时，按 相来划分，有液－固相传质过程（如浸取），气－ 固相传质过程（如吸附），液－液相传质过程（如 萃取），气－液相传质过程（如精馏、吸收）等等。 本章仅介绍气－液相传质过程。
§1 气－液相传质过程的机理
化学工程中所有涉及气、液两相接触的单元操 作（如精馏、吸收）都有物质在相间的转移。在一 定的条件下，物质的转移具有一定的速度，也就是 说需要一定的时间才能完成。
（1）扩散组分A在气体B中的扩散系数常采用下面的半经 验公式估算：
3
D 0.00T 1 2 5151[m 2/h] P (v1 A /3v1 B /3)2 M A M B
式中：D － 扩散系数 [m2/h]；
(3I2)
P － 气体总压强 [大气压（绝压）]
MA、MB － 气体A、B的摩尔质量 [g/mol]；
（2）工程上遇到的扩散过程，大多数是在流体处于 流动状态中进行的，在做层流运动的流体中，与流动方 向垂直的截面上如果存在着浓度差，则在此平面上的物 质也会借助于分子运动从浓度高的地方移向浓度低的地 方。
以上两种均为分子扩散。
分子扩散的速率与物质的性质、传质面积、浓度差和扩散 距离有关。这一关系可以用下列数学式，即费克（Fick）定 律表示：
涡流扩散基本上是一种混和过程，它是由于漩涡 中质点的强烈混合而进行传质的，传递的速度也与浓 度梯度称正比，比例系数以 g 表示，称为涡流扩散系 数。涡流扩散系数的大小除与流体的性质有关外，在 很大程度上取决于流体的流动情况－湍动程度。
3
DD0P P0T T02
(3I3)
（2）物质在液体中的扩散系数，可按下式进行计算 （此式不适用于电解溶液和浓溶液）：
D 液7.(7 v1 /3 1 v0 10 1/T 0 3)
(3I4)
式中：D 液 － 物质在液体中的扩散系数 [cm2/s]；
T － 热力学温度 [K]；
－ 液体的粘度 [泊]；
响扩散的诸因素中，既有物质本身的性质如分子量
和摩尔体积，又有外部条件如温度和压力，而且使
3
用也比较方便，可用于估算D值。 DP0(v.01A/301vT1B/532)52
11 MA MB
从式（3-I-2）也可以看出，扩散系数与气体浓
度无关，但随温度升高和压力下降而加大。
如果已经知道在热力学温度T0和压力P0下的扩散 系数D0，则可按下式计算出它在热力学温度T和压力 P时的扩散系数D的数值：
N 分 / N A 分 D (c 1 c2) (3I 1 b )
分子扩散系数D是物质的特性常数之一，表示物质 在介质中的扩散能力。
在沿扩散方向的单位距离内，扩散组分浓度降低一 个单位时，单位时间内通过单位面积的物质量，即为该 物质的分子扩散系数，其数值的大小取决于以下各因素：
① 扩散组分本身的性质。
4
1-1 单相中的物质的扩散
物质在单相中的扩散有分子扩散和对流扩散两 种方式。
分子扩散是物质分子在静止流体或层流流体中 的扩散，相当于传热中的传导。
对流扩散是物质在湍流流体中发生质点位移的 结果，相当于传热中的对流。
分子扩散
（1）当流体作为整体是处于相对静止状态时，只要 流体内部组分在各部位上分布不均匀，也就是说有浓度 差存在，则由于分子运动的结果，组分的分子将扩散开 来，直到组分在流体内各处的浓度相等为止。
N分
DA
(c1 c2 )
② 扩散组分所在的介质的性质。
D N分
③ 温度：一般温度升高，扩散系数增大。 A(c1 c2 )
④ 压力：一般压力对物质在液体中的扩散系数的影响
⑤ 小，在气体中影响大。
⑥ 浓度：一般在液体中浓度对扩散系数的影响大，在
⑦ 气体中影响小。
如果没有实验数据，物质的分子扩散系数值