传质过程
传质过程概述
第六章 精馏§1 传质过程概述 6-1由卫生球挥发引出传质传质过程的定义——物质以扩散的方式，从一相转移到另一相的相界面的转移过程，称为物质的传递过程，简称传质过程。
日常生活中的冰糖溶解于水，樟脑丸挥发到空气中，都有相界面上物质的转移过程。
例如某焦化厂里，用水吸收焦炉气中的氨。
OH NH O H NH 423®+。
如图6-1所示。
图6-1 吸收传质示意图再如某酒精厂里，酒精的增浓与提纯。
即利用乙醇与水的沸点不同，或挥发度不同，使乙醇与水分离的过程。
如图6-2所示。
图6-2 精馏传质示意图这两个例子说明，有物质()O H OH H C NH 2523 , , 在相界面的转移过程，都称为传质过程。
6-2 传质过程举例焦化厂的例子，是吸收操作。
——利用组成混合气体的各组分在溶剂中溶解度不同来分离气体混合物的操作，称为吸收操作。
焦炉气中不仅含有3NH ，还有242 , , , H CH CO CO 等气体，利用3NH 易溶于水，以水为吸收剂，使3NH 从焦炉气中分离出来。
吸收主要用来分离气体混合物，所以有的教NH称为溶质，炉气中其他气体称为材称吸收为气体吸收。
如图6-3所示。
水称为溶剂，3(HCl，制备盐酸，也是一种吸收操作。
惰性组分。
用水吸收氯化氢气体)图6-3吸收塔局部示意图酒精厂的例子，是精馏操作。
——利用液体混合物各组分沸点（或挥发度）的不同，将物质多次部分汽化与部分冷凝，从而使液体混合物分离与提纯的过程，称为精馏操作。
精馏主要用来分离液体混合物，所以有的教材称精馏为液体精馏。
传质过程还有，萃取——利用混合物各组分对某溶剂具有不同的溶解度，从而使混合物各组分得到分离与提纯的操作过程。
例如用醋酸乙酯萃取醋酸水溶液中的醋酸。
如图6-4所示。
此例中醋酸乙酯称为萃取剂(A，水称为稀释剂)(B。
萃取操作能够进行的必要条件是：溶质在萃(S，醋酸称为溶质))取剂中有较大的溶解度，萃取剂与稀释剂要有密度差。
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
传质过程(化工基础,化学).
无论哪种类型的均相混合物，要将 其分离成纯净或几乎为纯态物质，必 须造成一个两相物系，利用原物系中 各组分间某种特性的差异，使其中某 个组分在两相间进行传质。
物质在两相中的传质历程
物质首先从一相主体扩散到两 相界面的该相一侧，然后通过相 界面进入另一相，最后从此相的 界面向主体扩散。
例如气体吸收，气相主体中溶 质扩散经过气相到达气液相界面， 溶解进入液相，然后扩散进入液 相主体。
（3）传质过程推动力与速率 组分偏离平衡状态的程度是传质过程
的推动力。
由于相组成的表示方法不同，推动力的 形式便不一样，可以是压力差、浓度差 等等
上述空气中氨向水中传递过程的例子， 气相氨浓度用分压表示时，过程推动力 为p一p*。
传质过程中，物质传递的快慢常以传质速率 来表示，其定义为；单位时间内，单位相接触 面上被传递组分的物质的量。
（2）传质过程的方向与极限
相间传质和相际平衡所共有的几点规律： ①一定条件下，处于非平衡状态的两
相体系内组分会自动地进行旨在使体系 的组成趋于平衡态的传递。经过足够长 的 时间，体系最终将达到平衡态，此时 相间没有净的质量传递；
② 条件的改变可破坏原有的平衡状态。 如改变后的条件保持恒定，一定时间后， 体系又可达到新的平衡。
2．传质过程的共性
（1）传质的方式与历程 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：物质靠分子运动从高浓度处转移 到低浓度处，物质在静止或滞流流体中的扩散 便是此种。
• 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。 实际上，湍流流动有湍流主体和滞流底层之分， 所以其中物质传递既靠涡流扩散也靠分子扩散， 两者统称对流扩散。
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。
强化传质过程的途径
强化传质过程的途径
强化传质过程是为了增强流体的传质能力而采取的措施。
一般情
况下，强化传质过程的途径主要有三种，即增加质量浓度、提高流体
流速以及增大了表面换热系数。
首先，增加质量浓度是提高传质能力的最基本方法，其方法就是
增加流体中的溶质。
当添加溶质后，流体的黏度也会相应地增加，从
而传质速率也会随之提高。
当然，不同的溶质都有其特定的传质性能，因此使用时应根据实际情况斟酌选择。
其次，提高流体流速是常用的传质手段，其原理是当流速增加时，物质通过管道的能力会越来越大，从而也就能够提高传质过程的效率。
另外，如果流体存在温度梯度，则可以提高流速来改善传质效果。
最后，增大了表面换热系数也是一个重要的传质措施。
它的原理
是当表面换热系数增大时，传质过程中换热量的增加也就会更多，从
而可以提高传质效率。
增大表面换热系数一般来讲，可以采取给传质
介质加装表面换热器或者改善介质内部的结构，以便使表面换热系数
得到改善。
总之，强化传质过程的主要途径包括：增加质量浓度、提高流体
流速以及增大了表面换热系数。
它们的共同作用可以显著提高传质能力。
化工原理-1-第七章-质量传递基础
其中VC为物质的临界体积（属于基本物性），单位为cm3/mol，可查有关 数据表格，书中表7-4为常见物质的临界体积。 对液体：
同样可由一状态下的D推算出另一状态下的D，即：
T D2 D1 2 1 T 1 2
三、生物物质的扩散系数 常见的一些生物溶质在水溶液中的扩散系数见表7-5。对于水溶液中 生物物质的扩散系数的估算，当溶质相对分子质量小于1000或其分 子体积小于500 cm3/mol时，可用“二”中溶液的扩散系数估算式进 行估算；否则，可用下式进行估算：
解：以A——NH3，B——H2O p 800 y 0.0079 对气相： A A 5 P 1.013 10 pA 800 CA 0.3284 mol 3 m RT 8.314 20 273 0.01 17 对液相： x A 0.01 1 0.01048 17 18
原子扩散体积 v/cm3/mol
S 22.9
分子扩散体积 Σ v/cm3/mol
CO CO2 N2O NH3 H2O SF6 Cl2 Br2 SO2 18.0 26.9 35.9 20.7 13.1 71.3 38.4 69.0 41.8
注：已列出分子扩散体积的，以分子扩散体积为准；若表中未列分子，对一般有机化合物分 子可按分子式由相应的原子扩散体积加和得到。
1 1 MA MB
2
v 13 v 13 P A B
式中：D为A、B二元气体的扩散系数，m2/s；
P为气体的总压，Pa；T为气体的温度，K； MA、MB分别为组分A、B的摩尔质量，kg/kmol； Σ vA、Σ vB分别为组分A、B的分子扩散体积，cm3/mol。 由该式获得的扩散系数，其相对误差一般小于10%。
化工传递过程基础总结
化工传递过程基础总结化工传递过程是化学工程学科的基础，它是研究化学物质在不同状态下的传递现象的学科。
化工传递过程包括物质的传质、热传、动量传递等。
在化学工程中，化工传递过程是实现化学反应和物料加工的关键环节。
本文将介绍化工传递过程的基础知识，包括传质、热传和动量传递。
一、传质传质是指物质在不同相之间的传递现象，包括气体、液体、固体之间的传递。
传质过程是化学反应、物料加工等过程中的重要环节。
传质的速率取决于传质物质的性质、传质界面的性质、传质系统的温度、压力、浓度等因素。
1. 传质的基本概念传质过程可以分为扩散、对流和传递过程的组合。
扩散是指物质通过分子扩散的方式在不同相之间传递，其速率与浓度梯度成正比。
对流是指物质在流体中的传递，其速率与流体速度成正比。
传递过程是扩散和对流的组合，其速率取决于扩散和对流的贡献。
2. 传质的速率传质速率可以用传质通量来表示，传质通量是单位时间内通过传质界面的物质量。
传质通量可以用菲克定律来计算，菲克定律是指在扩散过程中，单位时间内通过单位面积传递物质的量与浓度梯度成正比，与传质物质的性质和传质界面的性质有关。
传质速率还可以用对流传质公式来计算，对流传质公式是指在对流过程中，传质通量与速度梯度成正比，与流体的性质和传质界面的性质有关。
3. 传质的机理传质的机理包括分子扩散、对流传递和物理吸附等。
分子扩散是指物质通过分子间的碰撞在不同相之间传递。
对流传递是指物质在流体中的传递，其速率受到流体的速度、流动方式、物质的性质等因素的影响。
物理吸附是指物质在传质界面上的吸附现象，吸附物质的性质、传质界面的性质等因素会影响吸附的速率。
二、热传热传是指热量在不同相之间的传递现象，包括传导、对流和辐射三种方式。
热传过程是化学反应、物料加工等过程中的重要环节。
热传的速率取决于热传物质的性质、热传界面的性质、热传系统的温度、压力等因素。
1. 热传的基本概念热传过程可以分为传导、对流和辐射三种方式。
第5章 传质过程
影响泛点气速的因素有填料特性、流体物性、气液的流 量等。实际操作气速常取泛点气速的50％～85％。
（2）板式塔
①塔板的结构 板式塔的壳体为圆筒形，里面装有若干 块水平的塔板。
液体靠重力作用自上而下逐板流向塔底，且在各快塔板 板面上形成流动的液层；
相间传质的每一步有各自的速率方程，称为分速率 方程；整个过程速率方程为总速率方程，相应的有传质 分系数和总系数之分。
3. 塔设备简介
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。塔设备的基本功能在于提供气、液两相充分 接触的机会。
根据塔内气液接触部件的结构型式，分为填料塔与板式 塔两大类。
c.舌形塔板
舌形孔的典型尺寸为：φ＝20°，R=25mm，A＝25mm。
舌形塔板结构简单、不易堵塞。液体流动阻力小。 对负荷波动的适应能力较差，气相夹带较严重。
d．筛孔塔板
结构简单、造价低廉、 气体压降小、生产能力 较大；缺点是操作弹性 范围较窄，小孔筛板易 堵塞。
e．导向筛板
① 在塔板上开设了一 定数量的导向孔，开口 方向与液流方向相同； ② 增加了鼓泡促进装 置，把液流入口处的塔 板翘起一定角度，使液 体一进入塔板就有良好 的接触。
两相界面的该相一侧，然后通过相界面进入另一相，最 后从此相的界面向主体扩散。
（2）传质过程的方向与极限
例：分析氨和空气的气体混合物与水在一恒温恒压的 容器中进行两相接触的传质过程。
相间传质和相际平衡的共有规律 ①一定条件下，处于非平衡态的两相体系内组分会自发 地进行传递，使体系组成趋于平衡态。
②条件的改变可破坏原有的平衡。其平衡体系的独立变 量数由相律决定：f = k –φ + 2 f为独立变量数, k为组分数, φ为相数, 2 指外界只有 温度和压力两个条件可以改变体系的平衡状态。
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第八章 传质过程导论
1．含有4CCl 蒸汽的空气，由101.3kPa(绝)、293K 压缩到l013kPa(绝)后，进行冷却冷凝，测出313K 下开始有4CCl 冷凝，混合气出冷凝器时的温度为300K 求：
(l)压缩前、压缩后开始冷凝前与出冷凝器时，4CCl 蒸汽的质量分率、质量比和摩尔浓度。
(2)出冷凝器时4CCl 蒸汽冷凝的百分率。
注：a
解：(1)l013kPa(绝)，313K 下开始有4CCl 冷凝，则
0276.01013
3
.101760210
=⨯=y
压缩前：
131.029)0276.01(1540276.0154
0276.0=⨯-+⨯⨯=
a
15.029)0276.01(1540276.0=⨯-⨯=a
33/1015.1293314.83.1010276.0m kmol RT yp C -⨯=⨯⨯==
压缩后开始冷凝前 131.0=a 15.0=a
32/1007.1313
314.810130276.0m kmol RT yp C -⨯=⨯⨯==
出冷凝器时
0162.01013
3
.101760123
'=⨯=y
080.029)0162.01(1540162.0154
0162.0'=⨯-+⨯⨯=
a
087.029)0162.01(1540162.0'=⨯-⨯=a
33/1058.6300314.810130162.0m kmol RT yp C -⨯=⨯⨯==
(2)%42%10015.0087.015.0%100'=⨯-=⨯-a a a
解：由公式
10064+=a a
x 和总
p p y i =可算得x 、y 数据入下表所示：
3．试用Fuller 等人的方法分别估算20℃、101.3kPa 下氨和二氯化硫在空气中的扩散系数D ，并将结果和表8-2中能查到的数据进行核对。
解：∑∑++⨯=
-2
3/13
/12
/175.17]
)()[()11(
1000.13B A B
A NH p M M T D υυ
)
/(1036.2]1.209.14[1)29
1
171(15.2931000.1252
3/13/12
/175.17s m --⨯=+⨯+⨯⨯=
查P14表8-2，得
s m D NH /1098.12
53-⨯=
∑∑++⨯=-2
3/13/12
/175.17]
)()[()11(
1000.12
B A B
A SO p M M T D υυ )
/(1022.1]1.201.41[1)29
1
641(15.2931000.1252
3/13/12
/175.17s m --⨯=+⨯+⨯⨯=
查P14表8-2，得
s m D SO /1022.1252
-⨯=
4．试估算25℃下4CCl 在很稀的苯溶液中的扩散系数。
实测数据为
s cm /1092.125-⨯。
解：查上册附录中液体粘度共线图，得苯在25℃下的粘度 s mp a ⋅=62.0μ
)/(2.1136.2448.1443mol cm Cl C A =⨯+=+=υυυ
6.05.08)(104.7A
s AS T
aM D μυ
-⨯=
)
/(1084.12.11362.015.29878104.7256
.05.08S cm --⨯=⨯⨯⨯⨯=
5．一浅盘中存有2mm 的水层，在101.3kPa 及25℃的恒定温度下靠分子扩散逐渐蒸发到大气中。
假定扩散始终是通过一层厚度为3mm 的静止空气层，该空气层外的水蒸气分压可忽略，求盘中水蒸发完所需的时间。
扩散系数可由表8-2查取。
解：该扩散过程为单向扩散：
查得25℃水的平衡分压a p p 3170=，扩散系数为
s cm T T D D /256.0)273
298(22.0)(275
.175.100=⨯==
a A B p p p p 98130317010130011=-=-= a A B p p p p 101300010130022=-=-=
a B B B B Bm p p p p p p 9970798130101300
ln 98130
101300ln
1
212=-=-=
))((21A A Bm
A p p p p
RT D N -=δ
)
/(011.0)
03170)(99707
101300(003.0298314.810256.024s m mol ⋅=-⨯⨯⨯=- 设圆盘的横截面积为F,则
h s F N M F t A O H 81.2)(10101011
.018101000002.0002.032==⨯⨯==ρ 6．在101.3kPa 、0℃下的2O 与CO 混合气中发生稳定扩散过程。
若相距0.2cm 的两截面上，2O 的分压分别为l00mmHg 和50mmHg ，已知扩
散系数为0.18s cm /2。
试分别计算在下列两种情况下2O 的传质速率。
(1)2O 与CO 两种气体作等分子反向扩散
(2)CO 气体为停滞组分。
解：(1)等分子反向扩散
)
/(0264.0)10132576050
101325760100(102.0273314.81018.0)(22
421s m mol p p RT D
N A A A ⋅=⨯-⨯⨯⨯⨯⨯=-=
--δ
(2)单向扩散
a A B kp p p p 97.873.101760100
3.10111=⨯-
=-= a A B kp p p p 64.943.101760
50
3.10122=⨯-=-=
a B B B B Bm kp p p P p p 26.9197.8764
.94ln 97.8764.94ln
1
212=-=-=
11.126
.913.101==Bm p p )/(0293.00264.011.12s m mol N A ⋅=⨯=
7．空气在47℃及101.3kPa 下，以7m/s 的初速向下流过内径40mm 、高度为1m 的圆管段，该管段内壁被一薄层水膜所润湿，水温保持在27℃，空气出该管段时的温度为40℃。
假定空气只向水膜传热且水膜厚度可忽略，试以柯尔本类比求空气流过该管段的压降及水汽化的传质系数。
已知管段内空气的Pr ＝0.70、Sc ＝0.6l 。
解：5.43240
47221=+=+=
t t t m ℃ 3/116.1)
5.4315.273(314.829
3.101m kg RT PM =+⨯⨯==
ρ s p a ⋅⨯=-6
1045.19μ )/(0270.0K m W ⋅=λ )/(005.1K kg kJ C p ⋅=
1606610
45.19116.1704.0Re 6=⨯⨯⨯==-μρ
du
)/(3.327.01606604
.00270
.0023.0Pr Re 023.023.08.03
..08.0K m W d
⋅=⨯⨯⨯
==λ
α 6.64027
.004.03.32=⨯==λαd N u
由柯尔本类比：0045.07
.0160666
.64Pr Re 83
/13/1=⨯==u N λ
036.0=λ
a
f p u d l p 76.242
7116.104.01036.022
2=⨯⨯
⨯==∆ρλ s cm T T D D /285.0)273
5.4315.273(22.0)(275
.175.100=+⨯==
由柯尔本类比：
0045.061
.016066Re 83
/13/1=⨯==
h
c h S S S λ
∴ 3.6110
285.004
.04
=⨯⨯==-k D kd S h s m k /044.0=。