第五章质量传递
第5章质量传递
（一）费克定律
表示扩散方向与浓度梯度方向相反
N A, z = − DAB
dC A dz
组分A在Z方向 的浓度梯度， kmol/（m3·m）
A 在 B 中的扩散系数 m2/s
扩散通量， 扩散通量， kmol/m2⋅ s
（一）费克定律
以摩尔分数为基准
cA = c ⋅ xA 当c为常数时
以质量浓度为基准
第五章 质量传递
5.1 环境工程中的传质 5.2 质量传递的基本原理 5.3 分子传质 5.4 对流传质
5.1 环境工程中的传质
什么是传质？ 什么是传质？
在一个含有两种或两种以上组分的体系中， 在一个含有两种或两种以上组分的体系中，若某组分 的浓度分布不均， 的浓度分布不均，就会发生该组分由浓度高的区域向 浓度低的区域转移，即发生物质传递的现象， 浓度低的区域转移，即发生物质传递的现象，称为传 质过程。 质过程。
(0.152 − 0.1252 ) DAB ×101.3 ×15.73 ×1.044 × 106 = 2 54.7 × 8.314 × 328 × 93.2
5.3 分子传质
分子传质发生在静止流体、层流流动的流体以 分子传质发生在静止流体、层流流动的流体以 静止流体 及某些固体的传质过程中。 某些固体的传质过程中。 的传质过程中 静止流体中的质量传递有两种典型情况， 静止流体中的质量传递有两种典型情况，即单 向扩散和等分子反向扩散。 向扩散和等分子反向扩散。
pG 气相主体 pi 液相主体 传质方向 Ci CL 空气 吹脱 相界面 水 +石油烃 石油烃
5.1环境工程中的传质面 苯
萃取：是利用液体混合 萃取：是利用液体混合 液体 物中各组分在不同溶剂 中溶解度的差异分离液 体混合物的方法。 体混合物的方法。 萃取剂：在其中， 萃取剂：在其中，易溶 组分与难溶组分的浓度 比远大于它们在原混合 物中的浓度比， 物中的浓度比，萃取就 会使易溶组分从混合液 中分离。 中分离。
环境工程原理总复习
三、环境净化与污染控制技术概述
（五）物理性污染控制技术 物理性污染的种类： 噪声、电磁辐射、振动、热污染等。
（二）膜分离特点 • 膜分离过程不发生相变，能耗较低，能量转化效率高。 • 可在常温下进行，特别适于对热敏感物质的处理。 • 不需要投加其他物质，可节省化学药剂，并有利于不改变分离物质原有 的属性。 • 在膜分离过程中，分离和浓缩同时进行，能回收有价值的物质。 • 膜分离装置简单，可实现连续分离，适应性强，操作容易且易于实现自 动控制。
第六章 沉降
第II篇 分离过程原理
分离过程的分类？
• 机械分离：非均相混合体系（两相以上所组成的 混合物）
• 传质分离：均相混合体系 • 平衡分离过程（借助分离媒介，如溶剂或吸附 剂等，使均相混合体系变成两相系统） • 速率分离过程（在某种推动力下，利用各组分 扩散速率的差异实现组分分离）
第一节 沉降分离的基本概念
表示旋风分离器的分离性能的主要指标有临界直径和分离效率。
(1) 临界直径
临界直径是指在旋风分离器中能够从气体中全部分离出来的最小
颗粒的直径，用dc表示。
(2) 分离效率
dc
9B πuiP N
（6.3.9）
总效率：指进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的粉尘的质
量分数。
粒级效率：表示进入旋风分离器的粒径为di的颗粒被分离下来的
（3）温度：是影响黏度的主要因素。 当温度升高时，液体的黏度减小，气体的黏度增加
传质过程(化工基础,化学)汇总
②填料塔内的流体力学状况
在设计填料塔时，首先要考虑填料塔的流 体力学性能：包括气体通过填料层的压降、 液泛气速、持液量（单位体积填料所持有的 液体体积）、气液分布等。
例如，确定动力消耗需知压降；确定塔径 以液泛速度为依据；持液量关系着填料支承 装置的强度；气液分布情况影响着传质效率 等。
L =0（当没有液体喷淋 时），即气体通过干填料 层时，Δp/H～u呈直线关 系，直线的斜率为1.8～ 2.O，表明H与u的1.8～2 次方成比例，气流状态为 湍流。
• ③若物质在A相实际浓度等于B相实际浓度 所要求的平衡浓度，则无传质过程发生，体系 处于平衡状态。
对于空气中的氨向水中传 递的过程，若以氨的分压p表 示气相中氨的实际浓度，p* 表示液相实际浓度所要求的 气相平衡分压，则：
p＞p*时，氨从气相向液相传递； p＜p*时，氨由液相向气相转移； p= p*时，体系达到平衡状态。
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。
以混合物中吸收质摩尔数与惰性物质摩尔数的比 来表示气相中吸收质的含量，称为气相摩尔比，用Y 表示；
以液相中吸收质摩尔数与纯吸收剂摩尔数的比来 表示液相中吸收质的含量，称为液相摩尔比，用X表 示。
摩尔比与摩尔分数的关系是： Y=y/(1-y) X=x/(1-x)
• 吸收计算中，有时需要在亨利定律 各系数之间进行变换。
第五章质量传递
5.1 概述
环境工程中常见的传质过程： u 吸收
吸收是指根据气体混合物中各组分在同一溶剂中的溶解 度不同，使气体与溶剂充分接触，其中易溶的组分溶于溶剂 进入液相，而与不溶解的组分(惰性组分)分离。 如，采用石灰水洗涤含SO2的锅炉尾气， SO2与洗涤液 中的CaCO3和CaO反应，转化为CaSO3·2H2O，从而可净化 烟气－－烟气脱硫技术。
5.4 分子传质 5.4.1 等分子反向扩散
稳态过程，连通管内 NA、D、T · · · 均为常数。
DAB ∴ J Adz = − dp A RT
边界条件：z1= 0, pA= pA1； z2= L, pA= pA2 ，积分得
D JA = (p A1 − p A2 ) RTL D = D AB = DBA
5.1 概述
概念： 在一个含有两种或两种以上组 分的体系中，若某组分的浓度分布 不均匀，该组分会由浓度高的区域 向浓度低的地方转移，即质量传递 过程。
扩散
浓度差
5.1 概述
分类： u相内传质过程 物质在一个物相内部从浓度高的地方向浓度低的地 方转移的过程。 如，煤气在空气中的扩散，食盐在水中的溶解等。 u相际传质过程 物质由一个相向另一个相转移的过程。 分离均相混合物必须经历的过程。作为化工单元 操作在工业生产中广泛应用，如蒸馏、吸收、萃取等。
5.3 质量传递的基本原理 5.3.2 费克定律
分子对 称面 分子对 称面 A 由于浓度差的存在，在组 分扩散过程中，有一个A分子 通过某一截面（不固定），就 有一个B分子反方向通过这一 截面，填补A分子的空位.
B
5.3 质量传递的基本原理 5.3.2 费克定律
u 对于气体混合物，费克定律也常用分压梯度来表示 dc A D AB dp A pA cA = J A = − DAB =− ⋅ RT dz RT dz u 对于双组分气体混合物，cM = cA +cB，则 dc A dc B =− 即 （浓度梯度相等，方向相反） dz dz --- 双组分混合物中，产生物质A的扩散通量JA的同时， 必伴有方向相反的物质B的扩散通量JB。 --- DAB = DBA = D， JB = －JA
环境工程原理课程教学大纲
《环境工程原理》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：260352课程名称：环境工程原理英文名称：Principles of Environmental Engineering课程类别：专业基础课学时：40学时，其中理论学时40。
学分：2.5适用对象: 环境工程专业考核方式：考试先修课程：高等数学、物理、无机及分析化学、有机化学、物理化学等。
二、课程简介《环境工程原理》是环境工程、环境科学、给水排水工程等相关专业的主干专业基础课，主要讲述水处理工程、大气污染控制工程、固体废弃物处理处置工程等环境污染防治以及生态修复工程中涉及的具有共性的基本现象和基本过程的基本原理。
主要内容包括环境工程原理基础、分离过程原理和反应工程原理三部分。
环境工程原理基础部分主要讲述物料与能量守恒原理、传递过程等。
分离过程原理部分主要讲述沉淀、过滤、吸收、吸附的基本原理。
反应工程原理部分讲述化学和生物反应计量学、动力学、各类反应器的过程解析等，此节内容暂时不讲。
三、课程性质与教学目的《环境工程原理》是环境工程专业的重要专业基础课，该课程的主要任务是系统、深入地阐述环境污染控制工程，即水质净化与水污染控制工程、大气（包括室内空气）污染控制工程、固体废物处理与处置及资源化工程、物理污染控制工程，以及其他污染控制工程中涉及的具有共性的工程学基础基本过程和现象，以及污染控制装置的基本原理，为后期相关的专业课学习打下良好基础。
通过教学使学生掌握以下内容：1. 环境工程学的基本概念和基本理论：主要包括物料与能量衡算、流体流动、热量传递和质量传递过程的基本概念和基本理论。
2. 分离过程的原理：主要包括沉淀、过滤、吸收、吸附、离子交换、膜分离等基本分离过程的原理。
3. 反应工程原理：主要包括化学与生物反应计量学及动力学，各类化学与生物反应器的解析与基本设计理论等。
（由于时间原因，此节内容暂时不讲）四、教学内容及要求第一章绪论（一）目的与要求1、了解环境问题与环境学科的发展；了解环境工程学的学科体系。
第五章_液相传质步骤动力学
第五章_液相传质步骤动力学第五章的主题是液相传质步骤动力学。
在这一章中，我们将讨论液体中分子扩散的过程以及影响该过程的因素。
具体来说，我们将着重研究扩散速率的决定因素，如浓度梯度、温度、分子大小和介质性质等。
液体中的分子扩散通常可以用弗克定律来描述。
根据弗克定律，扩散速率与浓度梯度成正比，与温度成正比，与分子大小和介质性质成反比。
换句话说，浓度梯度越大，扩散速率越快；温度越高，扩散速率越快；分子较小，扩散速率越快；介质越稀稠，扩散速率越慢。
浓度梯度是液体中分子扩散的主要驱动力。
浓度梯度越大，分子的扩散速率就越快。
这是因为浓度梯度越大，扩散过程中的质量传递也就越大。
另外，浓度梯度的大小还与分子之间的相互作用力有关。
如果分子之间的相互作用力较小，浓度梯度对于扩散速率的影响就更加显著。
温度是液体分子扩散速率的另一个重要因素。
根据斯托克斯-爱因斯坦关系，温度越高，分子的平均速度就越快，扩散速率也就越快。
这是因为温度升高会增加分子的热运动能量，从而促使分子穿过介质的能力增强。
分子的大小也会影响液相传质步骤动力学。
较小的分子在液体中的扩散速率通常更快，因为它们相对于较大的分子来说，更容易穿过介质的孔隙。
介质的性质对液相传质步骤动力学也有重要影响。
介质的粘度越高，分子的扩散速率越慢，因为高粘度会阻碍分子的运动。
另外，介质的孔隙结构也会影响分子的扩散速率。
如果介质具有较大的孔隙，分子的扩散速率就会更快。
相反，如果孔隙较小，分子的扩散速率就会较慢。
总的来说，液相传质步骤动力学是一个复杂的过程，涉及到浓度梯度、温度、分子大小和介质性质等多个因素。
了解这些因素对传质速率的影响，有助于我们更好地理解和控制液相传质过程。
化工基础 第五章 传质过程及塔设备(吸收)
① 气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板；
② 气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。 说明：开始发生液泛时的气速称之为液泛气速 。
② 降液管液泛
当塔内气、液两相流量较大，导致降液管内阻力及塔板阻力增
大时，均会引起降液管液层升高，当降液管内液层高度难以维 持塔板上液相畅通时，降液管内液层迅速上升，以致达到上一 层塔板，逐渐充满塔板空间，即发生液泛。并称之为降液管内 液泛。
Ⅰ
促进两相传质。
Ⅱ
α= 50
Ⅲ Ⅰ三面切口舌片; Ⅱ拱形舌片; Ⅲ50×50mm定向舌片的尺寸和倾角
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 舌形塔板
点是操作弹性
范围较窄，小 孔筛板易堵塞。 e．导向筛板 如图
（导向筛板）
应用：用于减压塔的低阻力、高效率塔板。 斜台：抵消液面落差的影响。 导向孔：使气、液流向一致，减小液面落差。
沸点低的组分气化，达到分离的目的。 增湿是将干燥的空气与液相接触，水分蒸发进入气相。
②液相一液相 在均相液体混合物中加入具有选择性
的溶剂，系统形成两个液相。
（2）流一固相间的传质过程
①气相一固相 含有水分或其它溶剂的固体，与比较干燥的热 气体相接触，被加热的湿分气化而离开固体进入气 相，从而将湿分除去，这就是固体的干燥。 气体吸附的相间传递方向恰与固体干燥相反，它 是气相某个或某些组分从气相向固相的传递过程。
填料分类
球形 丝网波纹
波纹型
规整填料 孔板波纹
隔栅型 格利希隔栅
拉西环
勒辛环
鲍尔环
阶梯环
弧鞍环
金属环矩鞍
规整填料
混堆填料
环境工程原理知识重点归纳
环境工程原理知识重点归纳第一章绪论1.“环境工程学”的主要研究对象是什么？2.去除水中的溶解性有机污染物有哪些可能的方法？它们的技术原理是什么？3.简述土壤污染治理的技术体系。
4.简述废物资源化的技术体系。
5.阐述环境净化与污染控制技术原理体系。
6.一般情况下，污染物处理工程的核心任务是：利用隔离、分离和（或）转化技术原理，通过工程手段（利用各类装置），实现污染物的高效、快速去除。
试根据环境净化与污染防治技术的基本原理，阐述实现污染物高效、快速去除的基本技术路线。
第二章质量衡算与能量衡算第一节常用物理量1．什么是换算因数？英尺和米的换算因素是多少？2．什么是量纲和无量纲准数？单位和量纲的区别是什么？3．质量分数和质量比的区别和关系如何？试举出质量比的应用实例。
4．大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度，试说明该单位的优点，并阐述与质量浓度的关系。
5．平均速度的涵义是什么？用管道输送水和空气时，较为经济的流速范围为多少？第二节质量衡算1.进行质量衡算的三个要素是什么？2.简述稳态系统和非稳态系统的特征。
3.质量衡算的基本关系是甚么？4.以所有组分为对象进行质量衡算时，衡算方程具有甚么特征？5.对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时，物质的转化速率如何表示？第三节能量衡算1．物质的总能量由哪几部分组成？系统内部能量的变化与环境的关系如何？2．什么是封闭系统和开放系统？3．简述热量衡算方程的涵义。
4．对于不对外做功的封闭系统，其内部能量的变化如何表现？5．对于不对外做功的开放系统，系统能量能量变化率可如何表示？第四章热量传递第一节热量传递的方式1.甚么是热传导？2.甚么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和天然对流传热的实例。
3.简述辐射传热的过程及其特性4.试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。
5.若冬季和夏季的室温均为18℃，人对冷暖的感觉是否相同？在哪种情况下觉得更暖和？为什么？第二节热传导1.简述傅立叶定律的意义和适用条件。
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根据化学反应的计量式，可 得出组分A的扩散通量NA与 组分B的扩散通量NB之间的 关系为
NB= - 2 NA
L NB
L NA
0
催化剂表面
图 界面处有化学反应的传质过程
NB= - 2 NA
NA
DAB
dcA dz
cA c
(NA
NB)
NA
DABc
dyA dz
yA(NA
NB)
NA
DABc 1 yA
pA pB 总压p 界面 pB,i
二、等分子反向扩散
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 时伴有组分B向相反方向的分子扩散，且组分B扩 散时的量与组分A相等，这种传质过程称为等分子 反向扩散。
pA1
p1 pB1
2 pA2 p pB2
pA1>pA2
pB1<pB2 系统内任一点总压不 变
dA
dz
DABeff为组分A在双组分混合物中的有效质量扩散系数。
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DABeff≈εD
§5.3 分子传质
发生在静止流体、层流流动的流体以及某 些固体的传质过程中。
当静止流体与相界面接触时，若流体中组 分A的浓度与相界面处不同，则物质将通过流 体主体向相界面扩散。在这一过程中，组分A 沿扩散方向将具有一定的浓度分布。对于稳态 过程，浓度分布不随时间变化，组分的扩散速 率也为定值。
利用空气作解吸剂，称为吹脱（如高浓度NH3-N 废水的处理）；利用蒸汽作解吸剂，称为汽提（如油 库、航空港等地方受石油烃污染的地下水处理）。
萃取是利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶解度的差异 分离液体混合物的方法。（高浓度含酚废水处理时可通过 萃取一方面回收酚，另一方面降低处理的难度；从染料废 水中提取有用染料；从洗毛废水中提取羊毛脂）
若反应是瞬时完成的，可认为催化剂表面不存在组分A，即yA,i=0
NA
DABc L
ln(1
yA,0 )
若在催化剂表面化学反应进行得极为缓慢，化学反应速率远小于
扩散速率，且化学反应属一级反应，则在催化剂表面，组分A的传
质通量与摩尔分数的关系为yA,i=NA/(k1c)
NA
DABc L
ln
1 1
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环工原理
根据气体混合物中各组分在同一溶剂中的溶解度 不同，使气体与溶剂充分接触，其中易溶的组分溶于 溶剂进入液相，而与非溶解的气体组分分离。
用水吸收混合气体中的氨
石灰/石灰石法烟气脱硫
化学工程中将被吸收的气体组分从吸收剂中脱出 的过程称为解吸。
环境工程中，解吸常用于从水中去除挥发性的污 染物。
环工原理
三、界面上有化学反应的稳态传质 既有分子扩散，又伴随着化学反应。这两种 过程的相对速率极大地影响着过程的性质。
化学反应速率》扩散速率 扩散控制过程
化学反应速率《扩散速率 反应控制过程
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环工原理
在物质表面进行的化学反应过程。（以 催化剂反应为例）
A(g) C(s) 可逆 2B(g)
扩散通量，kmol/m2s
（仅适用于双组分混合物）
费克定律的物理意义：
在一维稳态情况下，由浓度梯度引起的组分A在Z方向上的质 量通量＝-（分子扩散系数）×（Z方向上组分A的质量浓度 梯度）
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环工原理
费克定律的其它表达形式：
N Az
cDAB
dxA dz
c为混合物的物质的量浓度（kmol/m3） xA为组分A的摩尔分数
Sc
DAB
Sc——分子动量传递能力和分子扩散能力的比值。
吸附：当某种固体与气体或液体混合物接触时，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，称为吸附。
活性炭脱硫 活性炭、陶粒柱净水
离子交换是依靠阴、阳离子交换树脂中的 可交换离子与水中带同种电荷的阴、阳离子进 行交换，从而使离子从水中除去。
制取软化水，纯水，去除水中某种特定物 质（如去除电镀废水中的重金属）。
分子扩散系数是很重要的物理常数，其数值受体系温度、 压力和混合物浓度等因素的影响。
低密度气体、液体、固体的扩散系数随温度的升高而增大， 随压力的增加而减少。
三、涡流扩散
组分A的平均浓度梯度
N A
D
dA
dz
εD为涡流质量扩散系数，单位为m2/s
N At
(DAB
D
)
dA
dz
DABeff
反应控制
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环工原理
§5.4 对流传质
对流传质是运动着的流体与相界面（固体壁面或流 体界面）之间发生的传质过程，也称为对流扩散。
单相中的对 如：①流体流过可溶性固体表面，溶质在 流传质 流体中的溶解过程 ②在催化剂表面进行的气－固相催化反应
两相间的对 两相流体接触，组分先由一相的主体向相界 流传质 面传递，然后通过相界面向另一相中传递， 如：气体的吸收；液－液两相萃取等。
于流动之上的由浓度梯度引起的分子扩散通量
其中，分子扩散是由物质浓度（或分压）差而引 起的分子微观运动；而流动是因为系统主体与相 界面之间存在压差而引起的流体的宏观运动，其 起因还是分子扩散，流动是一种分子扩散的伴生 现象。
（一）扩散通量
由组分A、B组成的双组分混合气体，假设A为溶质， 组分B为惰性组分，组分A向流体界面扩散并溶解于液 体，则组分A从气相到相界面的传质通量为分子扩散 通量与流动中组分A的传质通量之和。
dyA dz
将上式在催化剂表面和气相主体之间积分，边界条件为
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环工原理
z=0, yA=yA,i z=L, yA=yA,0
NA
L
dz
0
yA,0 y A,i
DABc 1 yA
dyA
在一定操作条件下，DAB和c为常数，因此
NA
DABc L
ln
1 1
y A,0 y A,i
y A,0 NA
k1c
NA
DABc L
ln
1 1
y A,0 NA
k1c
超越方程
N A 0.4或更小 k1c
NA
DABc L
ln(1 yA,0 ) 1 DAB
k1L
DAB《1 k1c
NA
DABc L
ln(1
yA,0 )
扩散控制
DAB 》1 k1c
N A k1c ln(1 yA,0 )
（一)扩散通量
没有流体的总体流动 等分子反向扩散
NA+NB=0
NA
DAB
dcA dz
cA c
(NA
NB )（P188式5.3.5）
NA
DAB
dcA dz
在和之zz间＝＝积0L，分，ccAA＝＝ccAA，，i0
NA
DAB L
(cA,i
cA,0 )
等分子反向扩散
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反渗透:利用半渗透膜，当对高浓度一侧施加高于渗透压的压力 时，水分子通过渗透膜，从而使水得到净化。
电渗透(析）:在电流作用下，阳、阴离子分别通过阳、阴离子交 换膜而在局部富集，使水得到净化，从而脱盐。
纳滤
超滤 书上P368 微滤
（+）
极
室
CD
极水 极室
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环工原理
§5.2 质量传递的基本原理
( pA,i
pA,0 )
（二）浓度分布
相界面
1 yA
1 (
y A,0
)
z L
气相
1 yA,i 1 yA,i
液相 传质方向
yB(Biblioteka yB,0)
z L
yB,i
yB,i
L
气相主体 pA,0 pB,0 p
可见，组分A通过停 A的传递
滞组分B扩散时，浓 度分布曲线为对数 型。
A扩散 0
B的传递
B扩散 液相 pA,i
（二）传质边界层
具有浓度梯度的流体层称为传质边界层，可以认为
质量传递的全部阻力都集中在边界层内。与流动边
界层相似，对于平板壁面，将传质边界层的名义厚
度δc定义为 cA-cA,i=0.99（cA,o-cA,i）
传质边界层厚度δc与流动边界层厚度δ一般不相等， 他们的关系取决于施密特数Sc，即
Sc1/3 c
在环境工程中，去除水、气和固体中的污染物 常用到传质过程，如常见的吸收、吸附、萃取、膜 分离过程。在化学反应和生物反应中，也常伴随着 传质过程。
酸碱中和反应
厌氧生物膜
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环工原理
好氧生物膜
§5.1 环境工程中的传质过程
1.吸收与吹脱（汽提） 2.萃取 3.吸附 4.离子交换 5.膜分离
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环工原理
RA+M+ = RM+A+ R-NHOH+HCl = R-NHCl+H2O
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环工原理
膜分离是以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当膜的两 侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差）时，混合物中 的某一组分或某些组分可选择性地透过膜，从而与混合物中的其 他组分分离。已经广泛应用于给水和污水处理中，如高纯水的制 备、MBR