第五章_质量传递
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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
固体废弃物对环境的危害： (1)通过雨水的淋溶和地表径流的渗滤，污染土壤、地下水和 地表水，从而危害人体健康； (2)通过飞尘、微生物作用产生的恶臭以及化学反应产生的有 害气体等污染空气； (3) 固体废弃物的存放和最终填埋处理占据大面积的土地等。
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
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
质量传递概论
2、以质量平均速度u为参考基准 、以质量平均速度 为参考基准
以质量平均速度为参考基准时， 以质量平均速度为参考基准时，所能观察到的是各组分的质量相 对运动速度。 组分和 组分和B组分相对于质量平均速度的扩散速度分别 对运动速度。A组分和 组分相对于质量平均速度的扩散速度分别 为uA-u和uB-u。 和 。
ni = ρ i ui
（2）相对于质量平均速度，以相对速度来表示 组分的质量通量为 ）相对于质量平均速度，以相对速度来表示i
ji = ρ i ( ui − u)
（3）相对于摩尔平均速度，以相对速度来表示 组分的摩尔通量为 ）相对于摩尔平均速度，以相对速度来表示i
J i = ρ i ( ui − uM )
wi =
14:11
ρ度又称为摩尔浓度， 物质的量浓度又称为摩尔浓度，其定义为单位体积混合物中某组分 的摩尔数
ci = ni / V
式中， 为混合物中i组分的物质的量 组分的物质的量， 为混合物的体积， 式中，ni为混合物中 组分的物质的量，kmol； V为混合物的体积，m3。 ； 为混合物的体积 混合物的总物质的量浓度c可表示为 混合物的总物质的量浓度 可表示为
ρ i = Gi / V
式中， 为混合物中A组分的质量 组分的质量， ； 为混合物的体积 为混合物的体积， 式中，Gi为混合物中 组分的质量，kg；V为混合物的体积，m3。 混合物的总质量浓度 ρ 可表示为
ρ = ∑ ρi
混合物中各组分的浓度还常采用质量分数w来表示， 混合物中各组分的浓度还常采用质量分数 来表示，它表示混合物中某 来表示 质量占混合物总质量的比值。 组分 i 质量占混合物总质量的比值。即，质量分数的定义式为
同理，将 J A = c A ( uA − uM ) 、式（8－19）以及 N = cuM 带入 N A = c A uA 同理， － ） 得
质量传递知识点总结
质量传递知识点总结一、概念质量传递是指在流体内部或在流体与固体交界面上的物质传递。
在研究传质现象时，常常需要了解流体的动力学特性以及在流体中的物质传递过程。
这些过程在许多工程和科学领域都有广泛的应用，如化学工程、环境工程、生物工程等。
质量传递的研究不仅有助于改进工程设备和工艺，还有助于解决环境问题和提高生产效率。
二、传质的基本原理1. 扩散扩散是指物质在不同浓度间的传递。
在流体中，扩散通过分子的碰撞和运动来实现。
当流体中存在浓度不均匀的情况时，高浓度区域的分子将向低浓度区域扩散，从而实现物质传递。
扩散的速率受到浓度差、温度、压力和分子大小等因素的影响。
2. 对流对流是指物质在流体中随着流体流动而进行传递。
对流可以是自然对流，也可以是强迫对流。
自然对流是由于密度差引起的，如烟囱效应；强迫对流是通过外部力来实现的，如搅拌设备或泵等。
3. 辐射辐射传热是通过电磁波的形式进行传递的。
辐射的特点是热量可以在真空中传递，而无需通过介质。
辐射传热与流体传递不同，但在一些情况下，辐射也可能成为主要的传热方式。
4. 界面传质界面传质是指在两种不同相的界面上进行的传质。
在固体-液体、液体-气体或固体-气体界面上，物质会通过扩散或蒸发-凝华过程进行传递。
界面传质在很多工程和科学领域都有重要的应用，如化工反应器、大气科学等。
三、传质过程的表征传质过程的表征主要包括传质速率、传质系数、传质通量、传质方式等。
1. 传质速率传质速率是指单位时间内通过单位面积传递的物质量。
传质速率与传质系数、浓度梯度和传质面积等因素相关。
2. 传质系数传质系数是描述传质速率和浓度梯度之间关系的参数。
传质系数一般由实验或理论计算得到，是研究传质过程的重要参量。
3. 传质通量传质通量是单位时间内单位面积上的物质传递量。
传质通量与传质速率有关，是评价传质效果的重要指标。
4. 传质方式传质方式是指物质在传递过程中所遵循的物理规律或数学模型。
根据传质方式的不同，传质过程可以分为对流传质、扩散传质、界面传质等。
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。
传递过程原理汇总
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概论
质量浓度与摩尔浓度的关系： C i=ρ i/mi
质量分率 w i=C i/C (液体)
n
wi 1
1
摩尔分率 x I = C i /C (液体) y I = C i /C (气体)
n
xi 1
1
n
yi 1
1
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概论
▲浓度分布 当系统中存在着浓度差或系统未达到相平 衡时，物质就会从高浓度区域向低浓度区域 转移，或从一相转移至另一相，此即质量传 递。质量传递的场所均存在浓度变化，即存 在浓度分布。浓度分布与速度分布、流体性 质、设备条件等因素有关。
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传递现象导论
教材：
《传递现象导论》（第二版） 戴干策等著
化学工业出版社，2008年。
参考书：
• 《化工传递过程基础》，陈 涛、张国亮著，化学工 业出版社，2002年。
• 《动量热量与质量传递》，王绍亭 、陈涛著天津科 学技术出版社，1986年。
• 《传递现象相似》，夏光榕等，中国石化出版社， 1997年。
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传递现象导论
本门课程的任务是： • 研究动量、热量和质量传递过程的规律（速率）
及影响因素： • 探讨动量、热量和质量传递之间的类似性及共同
的研究方法。 • 介绍动量、热量和质量传递规律的应用。
学习以动量传递为主。 特点： • 数学推导多，理论性强——抽象； • 研究方法统一，逻辑性强——前后关联大； • 工程应用性强。
氯乙烯 反应器
水 碱液
放空
水洗塔
碱洗塔
（吸收） （吸收）
冷凝器
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微团)强烈掺混来进行传质
四川农业大学 本科生课程 环工原理
二、分子扩散 （一）费克定律
某一空间中充满组分A、B组成 的混合物、无总体流动或处于静止 状态。若组分A的物质的量浓度为 cA，cA沿Z方向分布不均匀，上部浓 度高于下部浓度，即cA2>cA1，如图 所示。 分子热运动的结果将导致A分 子浓度高的区域向浓度低的区域净 扩散流动，即发生由高浓度区域向 低浓度区域的分子扩散。
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 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
微滤
书上P368
极水
（+）
极 室
C D
极室
四川农业大学 本科生课程 环工原理
§5.2 质量传递的基本原理
一、传质机理
分子扩散： 静止或层流流动的流体中，
靠分子微观运动来进行传质
传质方式 涡流扩散： 在湍流状态下，靠流体质点（流体
（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。 费克定律的普通表达形式：
N A DAB
dc A c A (N A NB ) dz c
ρA为组分A的质量浓度（kg/m3）
（二）分子扩散系数
DAB
N Az dcA dz
分子扩散系数是扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率， 表征物质的分子扩散能力，扩散系数大，则表示分子扩散快。 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。
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
四川农业大学 本科生课程 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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DAB c NA ln(1 y A, 0 ) L
扩散控制
N A k1c ln(1 y A,0 )
反应控制
§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 流体中的溶解过程 流传质 ②在催化剂表面进行的气－固相催化反应
NH3、空气
水
理解：我们这一节讲的是静止流体中的扩散，但 上面讲到空气似乎是流动的？？
空气是处于没有流动的静止状态的。
pA,0 pB,0
L A的传递 A扩散 0
气相主体 B的传递
p
pA
pB 界面
总压p
B扩散
液相
pA,i
pB,i
以上分析表明： 在单向扩散中 扩散组分的总通量＝流动所造成的传质通量+叠加 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。
y A ,i
DABc dyA 1 yA
在一定操作条件下，DAB和c为常数，因此
DABc 1 y A,0 NA ln L 1 y A,i
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 DAB c NA ln(1 y A, 0 ) L 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)
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。
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一、对流传质过程的机理及传质边界层
对流传质中分子扩散和涡流扩散一般同时存在。
（一）对流传质过程的机理
u=0.99u0 u0，cA,0 δc cA c A,i 流体流过平壁面的对流传质
pA2 pB2
pB1<pB2 p
系统内任一点总压不 变
（一)扩散通量
等分子反向扩散
没有流体的总体流动
NA+NB=0
N A DAB
dc A c A ( N A N B )（P188式5.3.5） dz c
N A D AB
在z＝0，cA＝cA，i 和z＝L，cA＝cA，0 之间积分
可逆 A( g ) C(s) 2B( g )
z L NB NA 0 L
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
催化剂表面
图 界面处有化学反应的传质过程
NB= - 2 NA
N A DAB dc A c A (N A NB ) dz c
dc A dz
DAB NA (c A ,i c A , 0 ) L
等分子反向扩散
（二）浓度分布
cA
c A , 0 c A ,i L
z c A ,i
cB,0(或pB,0) cA,0(或pA,0) cM(或p) L
可见，组分A的物 质的量浓度分布为直线， 同样可得组分B的物质 的量浓度分布也为直线。
pA B扩散 液相 pA,i
pB
总压p pB,i
界面
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>pA2
pA1 p 1 pB1
2
dy A N A DABc yA (N A NB ) dz
DABc dyA NA 1 y A dz
将上式在催化剂表面和气相主体之间积分，边界条件为 z=0, yA=yA,i
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z=L, yA=yA,0
N A dz
0
L
y A, 0
DABc 1 y A, 0 NA ln NA L 1 k1c
DABc 1 y A, 0 NA ln NA L 1 k1c
NA 0.4或更小 k1c
超越方程
DABc ln(1 y A,0 ) NA DAB L 1 k1 L
D AB 《1 k1c
D AB 》 1 k1c
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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
N Az DAB
dxmA ρ为混合物的物质的量浓度（kg/m3） dz x 为组分A的质量分数
mA
N Az DAB
d A dz
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B
A
0 cA,i(或pA,i) cB,i(或pB,i) cM(或p)
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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在物质表面进行的化学反应过程。（以 催化剂反应为例）
四川农业大学 本科生课程 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。 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）。
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一、单向扩散
静止流体与相界面接触时的物质传递完全依靠 分子扩散，其扩散规律完全可以用费克定律描述。 只有气体组分氨从气相向液相 传递，而没有物质从液相向气 相作相反方向的传递，这种现 象可视为单向扩散。
NH3、空气
水
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但是，在某些传质过程中，分子扩散往往伴随着流体的流动， 从而促使组分的扩散通量增大。 在气液两相界面上，由于氨溶解于水而使得氨的含量减少，氨 分压降低，导致相界面处的气相总压降低，使气相主体与相界 面之间形成总压梯度。在此总压梯度的推动下，混合气体自气 相主体向相界面处流动，使流体的所有组分一起向相界面处流 动，从而使氨的扩散量增加。
§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。 静止流体中的质量传递分为单向扩散和等 分子反向扩散。
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二、分子扩散 （一）费克定律
某一空间中充满组分A、B组成 的混合物、无总体流动或处于静止 状态。若组分A的物质的量浓度为 cA，cA沿Z方向分布不均匀，上部浓 度高于下部浓度，即cA2>cA1，如图 所示。 分子热运动的结果将导致A分 子浓度高的区域向浓度低的区域净 扩散流动，即发生由高浓度区域向 低浓度区域的分子扩散。
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 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
微滤
书上P368
极水
（+）
极 室
C D
极室
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§5.2 质量传递的基本原理
一、传质机理
分子扩散： 静止或层流流动的流体中，
靠分子微观运动来进行传质
传质方式 涡流扩散： 在湍流状态下，靠流体质点（流体
（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。 费克定律的普通表达形式：
N A DAB
dc A c A (N A NB ) dz c
ρA为组分A的质量浓度（kg/m3）
（二）分子扩散系数
DAB
N Az dcA dz
分子扩散系数是扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率， 表征物质的分子扩散能力，扩散系数大，则表示分子扩散快。 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。
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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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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DAB c NA ln(1 y A, 0 ) L
扩散控制
N A k1c ln(1 y A,0 )
反应控制
§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 流体中的溶解过程 流传质 ②在催化剂表面进行的气－固相催化反应
NH3、空气
水
理解：我们这一节讲的是静止流体中的扩散，但 上面讲到空气似乎是流动的？？
空气是处于没有流动的静止状态的。
pA,0 pB,0
L A的传递 A扩散 0
气相主体 B的传递
p
pA
pB 界面
总压p
B扩散
液相
pA,i
pB,i
以上分析表明： 在单向扩散中 扩散组分的总通量＝流动所造成的传质通量+叠加 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。
y A ,i
DABc dyA 1 yA
在一定操作条件下，DAB和c为常数，因此
DABc 1 y A,0 NA ln L 1 y A,i
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 DAB c NA ln(1 y A, 0 ) L 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)
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。
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一、对流传质过程的机理及传质边界层
对流传质中分子扩散和涡流扩散一般同时存在。
（一）对流传质过程的机理
u=0.99u0 u0，cA,0 δc cA c A,i 流体流过平壁面的对流传质
pA2 pB2
pB1<pB2 p
系统内任一点总压不 变
（一)扩散通量
等分子反向扩散
没有流体的总体流动
NA+NB=0
N A DAB
dc A c A ( N A N B )（P188式5.3.5） dz c
N A D AB
在z＝0，cA＝cA，i 和z＝L，cA＝cA，0 之间积分
可逆 A( g ) C(s) 2B( g )
z L NB NA 0 L
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
催化剂表面
图 界面处有化学反应的传质过程
NB= - 2 NA
N A DAB dc A c A (N A NB ) dz c
dc A dz
DAB NA (c A ,i c A , 0 ) L
等分子反向扩散
（二）浓度分布
cA
c A , 0 c A ,i L
z c A ,i
cB,0(或pB,0) cA,0(或pA,0) cM(或p) L
可见，组分A的物 质的量浓度分布为直线， 同样可得组分B的物质 的量浓度分布也为直线。
pA B扩散 液相 pA,i
pB
总压p pB,i
界面
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>pA2
pA1 p 1 pB1
2
dy A N A DABc yA (N A NB ) dz
DABc dyA NA 1 y A dz
将上式在催化剂表面和气相主体之间积分，边界条件为 z=0, yA=yA,i
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z=L, yA=yA,0
N A dz
0
L
y A, 0
DABc 1 y A, 0 NA ln NA L 1 k1c
DABc 1 y A, 0 NA ln NA L 1 k1c
NA 0.4或更小 k1c
超越方程
DABc ln(1 y A,0 ) NA DAB L 1 k1 L
D AB 《1 k1c
D AB 》 1 k1c
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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
N Az DAB
dxmA ρ为混合物的物质的量浓度（kg/m3） dz x 为组分A的质量分数
mA
N Az DAB
d A dz
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B
A
0 cA,i(或pA,i) cB,i(或pB,i) cM(或p)
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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在物质表面进行的化学反应过程。（以 催化剂反应为例）
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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。 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）。
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一、单向扩散
静止流体与相界面接触时的物质传递完全依靠 分子扩散，其扩散规律完全可以用费克定律描述。 只有气体组分氨从气相向液相 传递，而没有物质从液相向气 相作相反方向的传递，这种现 象可视为单向扩散。
NH3、空气
水
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但是，在某些传质过程中，分子扩散往往伴随着流体的流动， 从而促使组分的扩散通量增大。 在气液两相界面上，由于氨溶解于水而使得氨的含量减少，氨 分压降低，导致相界面处的气相总压降低，使气相主体与相界 面之间形成总压梯度。在此总压梯度的推动下，混合气体自气 相主体向相界面处流动，使流体的所有组分一起向相界面处流 动，从而使氨的扩散量增加。
§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。 静止流体中的质量传递分为单向扩散和等 分子反向扩散。