传质机理
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
吸收过程的界面传质机理
在吸收过程中，界面传质是起着重要作用的。通过不同的界面传质机理，吸收塔内的气体可以通过吸收剂的界面传递到液体中，从而实现对气体的吸收。
需要注意的是，吸收过程的界面传质效率受到很多因素的影响，包括界面的物理性质、流体的性质、操作参数等。因此，在设计和运行吸收过程时，要注意控制这些因素，以提高界面传质效率，保证吸收过程的高效运行。
此外，吸收过程中的界面传质还与吸收剂的选择有关。常用的吸收剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、氢氧化铜等。不同的吸收剂具有不同的物理性质和化学性质，会对界面传质的效率产生影响。因此，在选择吸收剂时，要考虑吸收剂的物理性质和化学性质，以确保吸收过程的高效运行。
总的来说，吸收过程的界面传质是起着关键作用的，它决定了吸收过程的效率。因此，在设计和运行吸收过程时，要注意控制影响界面传质效率的因素，并选择合适的吸收剂，以保证吸收过程的高效运行。
吸收过程的界面传质机理
界面传质是指在两相界面处传递物质的过程。在吸收过程中，界面传质也是起着重要作用的。
界面传质机理主要有三种：扩散传质、迁移传质和渗流传质。
1.扩散传质：在两相界面处，因为两相间的温度、压力和浓度差异，导致物质在界面处扩的电势差异，导致带电粒子在界面处迁移而传递。
传热传质机理的研究
传热传质机理的研究引言传热传质机理是研究物质之间能量和物质传递规律的基础理论之一。
在实际应用中，我们常常需要了解物质在空间和时间上的传递过程以及各种因素对传递效率的影响，这就需要深刻理解传热传质机理。
本文将按照不同传递方式，对传热传质机理的研究现状进行概述。
一、热传递热传递是指物体之间由于温度差异而产生的热量传递。
热传递的形式有三种：导热、对流和辐射。
1、导热导热是指物体内部由于温度差异而产生的能量传递。
在导热中，能量的传递是通过物体内部的分子、原子和电子之间的运动来实现的。
导热系数是热传递的重要指标，它描述了在单位时间内单位面积上的热量传递量与温度差的比值。
目前，对各种材料的导热系数进行了广泛的实验研究和数值模拟。
2、对流对流是指物质内部或物质与外部介质之间的热传递方式。
在对流中，物质由于温度差异而产生运动，从而将热量传递到其他地方。
对流分为自然对流和强制对流两种。
自然对流是指由于密度差异而产生的气体或液体自然运动的现象，而强制对流则是指在外部施加强制作用使气体或液体运动的现象。
对流热传递的机理非常复杂，目前，对流热传递机制正在深入研究之中。
3、辐射辐射是指物体通过电磁波辐射的方式传递热量。
在辐射中，热量的传递并不需要介质，因此可以在真空中进行传递。
辐射热传递的效率与物体的表面温度和波长有关，通常可以通过斯特藩-玻尔兹曼定律来描述。
二、质量传递质量传递是指物质之间传递的过程。
在质量传递中，通常包括物质扩散、对流和化学反应三个过程。
1、物质扩散物质扩散是指由于浓度或压力差异而引起物质自发性运动的过程。
在物质扩散过程中，物质会从高浓度或高压力区域向低浓度或低压力区域传递。
物质扩散的理论模型包括菲克定律、斯特凡·麦克揭逊方程等。
2、对流对流在质量传递中的机制与在热传递中的类似。
它是指物质由于流体的运动而引起的传递。
对流在质量传递中的重要性表现在两个方面：一是对流是作为传质机制的补充，它能够减少传质的距离和时间，提高传质速率；二是对流可以引起物质的混合，使物质是否年均匀分布在流体中。
活性炭吸附中的传质机理
活性炭吸附中的传质机理活性炭是一种广泛应用于环境保护领域的功能材料，它通常被用来吸附各种有机和无机物。
活性炭的吸附机理非常重要，因为它关系到物质在炭表面吸附和解吸的速率。
而传质机制则是活性炭吸附机理的核心之一。
传质机制是指，从液相到炭粒表面的质量转移过程。
它是有机物或无机物被吸附到活性炭表面的关键步骤。
传质机制所涉及的物理化学过程包括：传递、扩散、溶解、反应和渗透。
这些过程导致物质从液相进入活性炭中，最终形成吸附层。
传递是指物质在液相和固相(活性炭)之间的移动。
它是物质分配在两相之间的第一步，在传质过程中起到了重要的作用。
传递可以通过对流、润湿和静电效应实现。
扩散是一种质量转移的过程，它会导致物质从液相中向固相移动。
扩散是吸附过程中最重要的传质机制之一。
它通常依赖于物质的浓度梯度和温度，扩散调控了吸附的能力。
此外，竞争吸附也会影响扩散速度。
溶解是指液相中固体物质的溶解行为。
这种传质机制在液相中往往是非常重要的。
当活性炭暴露在有机物溶液中时，有机物将溶解到液相中。
这种物质在液相和固相之间的移动被称为物质进行气体-液体平衡。
反应是活性炭去除污染物的过程中发生的过程之一。
当吸附剂与污染物接触时，化学反应可能发生在活性炭的表面，而此过程也可以被视为一种传质机制。
活性炭中的一些表面官能团可能会吸附有效的分子，同时反应效果可能会受到溶液中氧气含量、温度、pH等各种参数的影响。
渗透是指液相渗透到固相的过程。
液相通常沿着液膜和气膜穿过两相界面，然后进入活性炭中。
这种传质机制的影响取决于温度和渗透压。
鉴于传质机制在吸附过程中的重要性，了解活性炭中的传质机制对工程实践的意义是巨大的。
通过了解传质机制的性质和特点，我们可以开发更高效的吸附剂，提高吸附效率，减轻对环境的污染。
总的来说，传质机制在活性炭吸附过程中是至关重要的。
它们决定了物质从液相到固相的质量转移物质的速度和效率，并最终形成吸附层。
了解这些传质机制，可以为设计、制造、改进和开发新型吸附剂提供有益的指导和理论基础。
气体传质和反应过程的机理研究
气体传质和反应过程的机理研究气体传质和反应过程机理研究是物理化学领域的一个重要分支，主要研究气体物质在不同条件下的传输行为及其在反应过程中的物理和化学变化规律，十分广泛地应用于工业和科研领域。
一、气体传质机理研究气体传质是指气体分子间的质量传输过程。
在这个过程中，气体分子从高浓度区域向低浓度区域传输，直到两个区域的浓度达到平衡状态。
气体传质机理研究主要解决以下问题：1.传输速度：气体传输速度受多种因素影响，如气体间的作用力、温度、压力等。
在研究传输速度的过程中，需要考虑这些因素对气体分子在传输中所造成的影响。
2.扩散特性：扩散是指气体分子在非均匀浓度梯度下从高浓度区向低浓度区移动的过程。
研究扩散特性主要是为了确定气体分子在传输中的运动趋势，并能在一定程度上控制和调节气体的传输。
3.传输机制：气体传输机制的研究主要集中于质量、纵向和横向传输的传递规律，以及外部条件（如温度、压力、气体种类等）对传输行为的影响，研究结果对于工业实践具有参考价值。
二、反应过程机理研究反应过程机理研究指研究化学反应的过程和机制。
化学反应在很大程度上是气体相互作用的结果，因此，气体传质技术是研究反应过程机理的基础。
反应过程机理研究主要解决以下问题：1.反应动力学：反应动力学研究反应速率对各种反应参数的依赖关系，如温度、压力、浓度和催化剂等，以及不同反应物结构、电荷状态和自由能差异等因素的影响。
2.反应速率方程：反应速率方程描述反应物质浓度与时间的关系，研究反应速率方程有助于揭示反应物的转化过程和机理。
3.传质与化学反应：传质对化学反应动力学和热力学单位都有影响，连续相反应体系传质控制速率决定着反应速率，研究传质与化学反应之间的关系对于理解反应的本质和进行反应工程设计具有重要意义。
三、气体传质和反应过程的应用气体传质和反应过程机理研究为许多工业和科研领域提供了重要工具和方法。
以下是一些典型应用：1. 环境控制：研究气体传输和化学反应的机理，能够为大气污染控制和空气质量改善提供重要依据。
化工原理下传质机理
cD (cA1 -cA2 ) 同理可得N A＝ z cBm
P c 漂流因子: , p Bm cBm
二、一组分通过另一停滞组分的扩散
比较
NA D RTz ( pA1 pA2 )
相差
P/ p
BM
D P NA （pA1 -pA2） RTz pBm
P/ p
Bm
—反映了总体流动对传质速率的影响。
描述对流传质的基本方程
N A kc cA kmol/(m2·s )
对流传质 速率方程
s· △c)。 kc ——对流传质系数，kmol/(m2·
23
二、对流传质的类型与机理
1.对流传质的类型 对流 传质 强制对流传质
√
强制层流传质
√
强制湍流传质√
自然对流传质 流体与固体壁面间的传质 两流体通过相界面的传质
传质机理： 分子传质 浓度分布： 为一陡峭直线 传质机理 分子传质 涡流传质
层流 内层
在与壁 面垂直 的方向 上分为 三层
缓冲 层
湍流 主体
浓度分布： 为一渐缓曲线 传质机理： 涡流传质为主 浓度分布： 为一平坦曲线
26
2.2.6 吸收过程的机理
一、双膜模型☆ 二、溶质渗透理论 三、表面更新理论
双膜模型
kL D c z L cSm
气膜对流 传质系数 液膜对流 传质系数
30
根据双膜模型，推出
kG ∝DAB
或
kL ∝DAB
双膜模型 模型参数 气膜厚度 液膜厚度
zG zL
31
练 习 题 目
思考题 1.何为“总体流动”，对传质过程有何影响？
2.何为“漂流因子”，与主体流动有何关系？
质量传递的基本原理.ppt
扩散运动的例子
气
液 固
1、在屋角喷洒香水，整间屋子都会 有香味 2、清水中滴入红钢笔水，整杯水都 会变成红色。
3、煤炭放在一角过一段时间墙角就
会变黑。
（一）费克定律
N AZ : 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/（m2· s）
D AB: 组分A在组分B中进行扩散的分子扩 散系数，m2/s
两种扩散方式的区别
三传的类似性
• 质量传递、热量传递 和动量传递都牵涉到流体 质点交换（涡流传递）和 分子交换（分子传递）， 三种传递之间必然存在一 定的内在联系。在湍流流 动中，上述三种传递同时 发生时，湍流流体质点和 分子之间的交换不同程度 地影响着三种传递，使三 种传递的机理和计算方法 具有相似性。
dcA:组分A的物质的量浓度，kmol/m3 dz:组分A在z方向上的浓度梯度。 kmol/m3
NAz D A B
d cA d z
• 以摩尔分数为基准
设混合物的物质的量浓度为 （kmol/m3），组分A的摩尔分数为 x A
cA c xA
以质量浓度为基准
dcA NAz DAB dz
-
du dy
t dQ dA n
N AZ D AB
dc A d z
Thank you!
扩散方式分子扩散涡流扩散作用物流体分子流体质点作用方式热运动湍流和旋涡作用对象静止层流湍流扩散快慢质量传递热量传递和动量传递都牵涉到流体质点交换涡流传递和分子交换分子传递三种传递之间必然存在一定的内在联系
质量传递的基本原理
传质机理 分子扩散 涡流扩散
传质机理
分子扩散 涡流扩散
传质可以由分子的微观运动引 起，也可以由流体质点的掺混引起。 因此，传质的机理包括分子扩散和涡 流扩散，又称分子传质和涡流传质。
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A
4
d
2
4
0.0244 4.68 104 m2
2
N A A (2.03 107 ) 4.68 104 9.50 1011 kmol / s
(2)相距0.305m时的分压 传递过程处于稳态过程，所以N A A 常数 D pA1 pA2' N A RTz ' N A RTz ' 2.03 107 8.315 298 0.305 p A1 20 13.3kPa 5 D 2.30 10
解：
D P p A1 p A2 NA RTz pBm
pBm
pB 2 pB1 pB 2 ln pB1 pA2 pB2
5mm
pA1
pB1
2.2 传质机理
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气液界面处氨气的分压pA1服从亨利定律：
pA1=ExA
10 / 17 xA 0.105 10 / 17 90 / 18
而
NA
cA N c
NA
N
cB c
JB 1 2
NB 0
cB J B N c
即 J J N A B
cB c
2.2 传质机理
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cB cA cA cB NA N N N N c c c
稳态时，总体流动通量等于组分A的传质通量
Dc dc A NA c c A dz
' A
2.2 传质机理
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2.2.4 扩散系数
• 1 扩散系数
– 是物性参数 – 气相：种类、温度、压强有关 – 液相：种类、温度、浓度有关
• 2 一些常用物质的扩散系数
– 表2－2，物质在空气中的扩散系数 – 表2－3，物质在水中的扩散系数
• 3 扩散系数的来源
– 实验测定 – 物理化学手册，化学工程手册等查阅 – 经验或半经验公式估算
NA
z1 ~z2′
2.2 传质机理
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U
U2
U1
R1 I1
R2 I I2
D NA ( pA1 pA2 ) RTz D NA ( pA1 pA2 ) RTz
2.2 传质机理
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例题：在下图所示的两个大容器内，分别装有组成不同的
NH3和N2两种气体的混合物。连通管长0.61m，内径24.4 mm，系 统的温度为25℃，压强为1 atm 。左侧容器内NH3的分压为20kPa， 右侧容器内的NH3的分压为6.67kPa。已知在25℃、1 atm的条件下， NH3-N2的扩散系数为2.30×10-5m2/s。
2.2 传质机理
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D 等分子反向扩散： N A ( pA1 pA2 ) RTz
单向扩散：
D P NA ( p A1 p A 2 ) RTz pBm
P P ——漂流因数，无因次。 1 因p＞pBm，所以漂流因数 pBm pBm
可以看出，漂流因子的大小反映了总体流动对传质速率的 影响程度；
pA1=268.8*0.105=28.2kN/m2 pA2=0 pB1=101.3-pA1=73.1kPa pB2=101.3-pA2=101.3kPa pA2 pA1 pB2
5mm
pB1
2.2 传质机理
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pBm
pB 2 pB1 101 .3 73.1 85.5k Pa p ln 101 .3 73.1 ln B 2 pB1
P c RT
pA cA RT
D P dp A NA RT P p A dz
2.2 传质机理
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D P dp A NA RT P p A dz
P p A pB
分离变量积分：
D P NA ( p A1 p A 2 ) RTz pBm
pBm
pB 2 pB1 pB 2 ln pB1
z
z0
zdz
2.2 传质机理
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M A DP P 1 2 2 ln ( z z0 ) RT L P pA 2
2 z 2 z0 ( z z0 )( z z0 ) ( z z0 ) z z0 2 z0
z z0
pA2 pB2
P T B
2.2 传质机理 （2）传质速率
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在任一固定的空间位置上，单位时间内，通过垂直于传递 方向的单位面积上，所传递的物质量，称为传质速率，以N表
示。 kmol/(m2· s)
dcA D dp A N A J A D dz RT dz
对于稳态传递过程，NA为常数 p pA1
1540 8.315 (273 48) 101.33 7 2 154 3.0 10 101.33ln 101.33 37.6
9.47 106 m2 / s
2.2 传质机理
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– 例2－6 试用马克斯维尔－吉利兰公式分别计算 0°C、101.33kPa条件下乙醇蒸汽及乙酸蒸汽在空 气中的扩散系数。 – 解：（1）
1 3 A
1 3 0
2.2 传质机理
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NA
DP ( p 0) A RTzpBm
pBm
P ( P p ) p A A P P ln ln P pA P p A
NA
DP P ln RTz P p A
L dz NA M A d
单相内物质传递的机理
分子扩散
气相扩散 液相扩散
对流传质
（涡流扩散）
2.2 传质机理
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物质传递机理： ① 分子扩散：浓度差。 ② 对流传质：流体的宏观运动。
2.2 传质机理
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一、
分子扩散与菲克定律
1 ．分子扩散
由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象－－分子 传质（分子扩散）
(v v )
– 例2－5 用温克而曼法（Winkelmann’s method）测 定CCl4蒸汽在空气中的扩散系数，其装置示意于本 题附图1。实验在48 °C及101.33kPa下进行，测得 的数据列于本例附表1中。 48°C下CCl4的饱和蒸 汽压p*=37.6kPa，液体CCl4的密度ρL＝1540kg/m3。 计算48 °C 、 101.33kPa下CCl4蒸汽在空气中的扩 散系数。
vA 2 14.8 6 3.7 7.4 59.2cm3 / mol
vB 29.9cm3 / mol
T 273K
5 3 2
M A 46
M B 29
P 101.33kPa
1 2
1 1 4.36 10 273 46 29 D 1 1 2 3 3 101.33 59.2 29.9
2.2 传质机理
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• 4 计算公式
– 气相扩散系数（马克斯维尔－吉利兰公式）
1 1 4.36 10 T MA MB D 13 13 2 p v A vB
5 3 2 1 2
• 结构复杂的物质的分子体积可由克普加和法则由原子体积 作近似估算
0.175
2.2 传质机理
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2.2.3 液相中的稳态分子扩散
• 1 过程分析
– – – – 扩散速度远远小于气相中的扩散速度； 扩散系数比气相小约105； 扩散通量基本相同； 主要发生一组分通过另一停滞组分的单向扩散。
• 2 方程的建立
D 'c N (c A1 c A 2 ) zcsm
L RT
P 2M A DP ln P p A
( z z0 )
L RT
P M A DP ln P p A
z0
s
L RT
2M A DP ln P P p A
2.2 传质机理
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s 3.0 107 s / m2
D
L RT
P 2M A sP ln P p A
D P 0.064 101 .3 p A1 p A2 NA 28.0 0 RTz pBm 8.314 293 0.005 85.5
0.175 kmol / m 2 h
4 22 24 13.19 kmol 224 .3kg
一昼夜挥发的氨气量: G N A S 24
试求：(1)单位时间内自容器1向容器2传递的NH3量kmol/s，(2)连 通管中与截面1相距0.305m处NH3的分压。
1
2
2.2 传质机理
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解：
（1）
D 2.30 105 NA ( pA1 pA2 ) (20 6.67) RTz 8.315 298 0.61 N A 2.03 107 kmol / m 2 s
2.2 传质机理
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dcA J A DAB dz
JA——组分A单位时间单位面积上的扩散速率（扩散通量）， kmol/ （m2· s）；
dcA —组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m； dz
DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。 负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方 向进行
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第二章 吸收
2.2 传质机理
主讲教师：商希礼
化学与化工系
2.2 传质机理