质量传递基础
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
化工原理-2-第七章-质量传递基础
Fout N A dN A（由于存在反应过程扩散通量不再为常数）；
Fr rA dz ；
Fb 0（设过程为稳定过程）。
N A N A dN A kCAdz
dN A dz
kCA
而：N A J A xA N A N B ，因为 xA 0，则：
在半径为r处取厚度为dr的球壳，由于是稳定扩散，球壳中无A
的累积，故进入r球面的A的摩尔流量和离开r+dr球面的摩尔流
量相等，记为mA，即：
NA
mA
4r 2
显然这是个单向扩散过程：
NA
CDAB 1 yA
dy A dr
mA CDAB dyA
4r 2 1 y A dr
变量分离，然后两边积分：
式中：（-rA）为单位时间单位催化剂表面组分A反应掉的量， kmol/m2.s；k为一级反应速率常数，m/s。
由于扩散与反应为串联过程，则： rA N A
则在催化剂表面处：N A kCA kCyA2
将上式代入一般式，得：
NA
CD AB
1 ln
1
y A1 NA
kC
由于边界上存在化学反应，往往存在如下关系：
z1, y A y A1 z2 , yA yA2
A
NB
CD AB
dy A 1 yA
最后得：
NA
CDAB ln 1 y A1 z2 z1 1 y A2
CD AB
ln 1 y A1 1 yA2
式中： z2 z1
化学反应工程的基本原理和应用
化学反应工程的基本原理和应用化学反应工程是一门研究化学反应过程、反应器设计和反应条件优化的学科。
其基本原理涉及到热力学、动力学、传热学和质量传递等多个方面。
在化学工业、制药工业、食品加工、环境保护等领域中，化学反应工程都得到了广泛的应用。
本文将介绍化学反应工程的基本原理和应用。
一、化学反应工程的基本原理1. 热力学基础热力学是研究物质热性质和能量转换的学科。
化学反应的方向、速率和平衡状态均与热力学有关。
在化学反应过程中，反应物和生成物的热力学性质会决定反应物和反应产物的物态和量。
在热力学中，常用的量有物态函数、能量、熵、焓和自由能等。
物态函数是指与温度、压力和物质量有关的函数。
比如，摩尔焓表示单位物质的能量和摩尔基本热容表示温度变化单位物质的热容。
熵表示物质分子的运动状态的无序程度，是一个复杂的物理量。
自由能是描述热力学过程能量变化的重要物理量。
2. 动力学基础动力学研究物质在时间上的变化。
化学反应的速率、动力学模型、反应路径等都与动力学有关。
在化学反应中，反应速率对于工艺过程的影响非常重要，主要受反应物浓度、反应温度、反应物质分子的能量等影响。
化学反应的速率常被表述为反应物消失和产物生成的速率。
反应速率与反应物质分子间的碰撞次数和碰撞的方式有关，速率常数是用来描述反应速率大小的参数。
通过测量反应物的消失和产物的生成速率，可以推导出化学反应的动力学模型和反应路径。
3. 传热学基础传热学是研究热量的传递过程和方法的学科，其研究内容包括传热传质的机理、传热传质的基本定律和传热传质的数学模型等。
在化学反应工程中，传热是一个非常重要的环节。
化学反应需要吸热或放热，传热的效率和传热方式会直接影响反应的温度和速率。
常见的传热方式包括传导、对流和辐射等。
传热系数是描述传热的重要参数，其大小受传热的方式、材料特性和流体性质等多个因素的影响。
4. 质量传递基础质量传递是气体、液体和固体之间物质的传递。
化学反应中会涉及到多种物质的质量传递，比如，反应物的输送、反应产物的分离和纯化等。
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。
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。
(化工原理)第6章：质量传递过程基础
D z
c0 cBm
cA1 cA2
对于理想气体
cBm
cB2 cB1
ln
cB2 cB1
cB1 c0 cA1 cB2 c0 cA2
NA
D RTz
p pBm
pA1 pA2
p pBm
pBm
pB2 pB1
ln
pB2 pB1
pB1 p pA1 pB2 p pA2
c cBm
称为漂流因子 反应总体流动对传质通量的影响
NA ky y yi
NA kx xi x
NA kG pA pAi
NA kL cAi cA
传质系数 k=f (D,η,ρ,u,d )
经验关联式很多，但普遍偏差较大 主要通过实验获得
JA
DAB
dcA dz
yi Ki xi
NA
D z
c0 cBm
cA1 cA2
NA
D RTz
主体中高度湍流传质阻力为零，即无浓度
O
距离 z
相际传质双膜模型
梯度。 ④ 相界面上气液处于平衡状态，无传质阻
力存在。
（2）总传质速率方程
① 气膜和液膜传质速率方程 对气相：
NA kG pA pAi
质量传递的基本原理
质量传递的基本原理嗨，朋友们！今天咱们来唠唠质量传递这个超级有趣的事儿。
你看啊，这质量传递就像是一场神奇的接力赛，在我们周围不断地发生着。
想象一下，你在厨房做饭。
你把一块糖放进一杯水里。
过一会儿，你会发现，咦，糖好像不见了，可水却变甜了。
这就是质量传递在搞鬼呢。
在这个过程中，糖分子就像是一群小探险家，它们从糖块这个大本营出发，向周围的水里扩散。
这就好比一群孩子从一个小院子跑到了周围的大操场里玩耍，慢慢地均匀分布在整个操场。
这种由于分子的热运动而产生的物质迁移现象，就是质量传递中的扩散作用。
我有个朋友小李，他是个很爱喝咖啡的人。
他跟我说，每次他泡咖啡的时候都能感受到质量传递。
他把咖啡粉放进热水里，咖啡的香气和味道就会弥漫开来。
这是因为咖啡粉里的那些有香味和味道的物质分子，迫不及待地向周围的热水里跑。
这就像一场欢乐的大迁徙，分子们向着更广阔的空间进军。
而且啊，这个扩散的速度还和很多因素有关呢。
温度就是个很重要的因素。
就像人在热天的时候活动更活跃一样，分子在温度高的时候运动得也更快。
所以啊，热水能让咖啡的味道更快地散发出来，要是用冷水的话，那可就慢多了，就像那些懒洋洋不想动的小动物。
除了扩散，质量传递还有一种方式叫对流。
咱们再举个例子吧。
在一个大锅里煮水，你会看到水在翻滚。
这时候，热量在水里传递，同时也带着水里的物质到处跑。
这就像是一群人坐在一辆行驶的大巴上，大巴开到哪儿，人就被带到哪儿。
这种由于流体的宏观运动而引起的物质迁移，就是对流。
我记得有一次和朋友小张一起煮火锅。
小张说，你看这火锅里的食材，它们在锅里上下翻腾，这就是对流在让调料的味道均匀地传给每一块食材呢。
要是没有对流，那火锅的味道可就不均匀了，有的地方咸得要命，有的地方又没味道，那可就糟糕透顶了！质量传递在工业上也超级重要。
我有个叔叔在一家化工工厂工作。
他跟我说，在化工生产过程中，质量传递就像是工厂里的交通系统。
比如说在一个反应釜里，原料要通过质量传递到达反应的地方，产品也要通过质量传递被分离出来。
化学工程基础 第五章 传质基础-控制
5.2 传质过程机理
• 5.2.1 单相中的传质 • 5.2.1.1 分子扩散 • （1）如果在流体内部存在某一组分的浓度差，由于 ）如果在流体内部存在某一组分的浓度差， 物质分子的无规则运动， 物质分子的无规则运动，该组分将从较高浓度处向 较低浓度处转移，直至流体内部达到浓度均匀为止， 较低浓度处转移，直至流体内部达到浓度均匀为止， 这种物质传递现象称为分子扩散。 这种物质传递现象称为分子扩散。 • （2）分子扩散是物质分子微观运动的结果。 物质分子微观运动的结果 ）分子扩散是物质分子微观运动的结果。 • 静止流体内的传质 或是做层流流动 内的传质， 层流流动的流体中 在静止流体内的传质，或是做层流流动的流体中 与其流向垂直方向上的传质属于分子扩散。 垂直方向上的传质属于分子扩散 与其流向垂直方向上的传质属于分子扩散。
可见， 可见， (1) 对于两组份气体混合物，组分 在介质 中扩散系 对于两组份气体混合物，组分A在介质 在介质B中扩散系 数等于组分B在介质 中的扩散系数。 在介质A中的扩散系数 数等于组分 在介质 中的扩散系数。 • (2) 对于液体混合物，由于总浓度一般不是常数，所 对于液体混合物，由于总浓度一般不是常数， 以扩散系数不存在上述关系。 以扩散系数不存在上述关系。 • •
5.1.2 传质分离操作分类
• (3) 相间传质过程以达到相平衡为极限，但两相的平 相间传质过程以达到相平衡为极限， 相平衡为极限 衡需要经过相当长的时间才能建立。 衡需要经过相当长的时间才能建立。 • 在实际操作中，相际接触的时间一般是有限的， 在实际操作中，相际接触的时间一般是有限的， 但一相迁移到另一相物质的量决定于传质过程的速率 速率。 但一相迁移到另一相物质的量决定于传质过程的速率。 • 传质过程的两个主要问题是相平衡和传质速率。 传质过程的两个主要问题是相平衡和传质速率。 相平衡和传质速率 • • 传质的极限（时间长）； 相 平 衡：传质的极限（时间长）； • 传质速率：传质的快慢，传质的量； 传质速率：传质的快慢，传质的量；
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§7.2 分子扩散 一、费克定律 二．广义费克定律 三．双组分、一维、稳态分子扩散过程举例
浙江大学本科生课程 化工原理
第七章 质量传递基础
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第七章 质量传递
动 量 传 递 三 传热 量 传 递
质 量 传 递
思考： 1． 双组分均相物系（A、B）的摩尔分率之和等于多少？
质量分率之和呢？ x A xB 1 a A aB 1
2．xA 与
aA 的关系？x A
aA
/
aA MA
பைடு நூலகம்
/ MA aB / MB
aA
xAMA
xAMA xBMB
3．双组分均相物系中，x 与 X 的关系？a 与a 的关系？
X x
x X
是指物质在浓度差、温度差、压力差等推动力作用下，从 一处向另一处的转移，包括相内传质和相际传质两类。
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第七章 质量传递基础
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§7.1 概述
一、化工生产中的传质过程
气 — 液系统：如吸收、解吸等单元操作
液 汽
— —
液系统 液系统
： ：
如蒸馏 如液液
、 萃
精 馏操 作 取 操作
MA MB v A )1/ 3 ( vB )1/ 3 2
D T 1.75 P
（低压，室温）
对于很稀的非电解质溶液（溶质A+溶剂B），其扩散 系数常用Wilke-Chang公式估算：
DAB 7.4 1015
M B 1 / 2 T
V
0.6 A
固体中的扩散系数须靠实验确定。
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摩尔比
X
A (或YA）
nA nB
摩尔浓度
CA
nA V
，kmol/m3
混合物总摩尔浓度 C n V
质量分率
aA
mA m
质量比
aA mA mB
质量浓度
A
mA V
，kg/m3
混合物总质量浓度 m
V
对气体，还可以用 pA 表示浓度
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第七章 质量传递基础
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§7.1 概述
加场，如浓度场、温度场、电场、磁场等
CG
相界面
空气
液相主体
Ci
苯
液相主体 传质方向
水 湿物料
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干燥
第七章 质量传递基础
煤焦油（含苯酚） 液液萃取
CL 4/23
§7.1 概述
二、相平衡 --------相际间传质的最终状态
与热平衡不同之处：
▲达到相平衡时，一般两相浓度 pG
进
行
传
质的
方
式
靠 流 体 质 点 的 脉 动 来 进行 传 质 的 方 式
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第七章 质量传递基础
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§7.2 分子扩散
一．费克定律
表示扩散方向与浓度梯度方向相反
J A,z
DAB
dC A dz
A 在 B 中的扩散系数 m2/s
扩散通量，kmol/m2s
相界面 气相
液相 传质方向
的传质速率，kmol / m 2 s
J A,z C A v A,z vM ,z
J B,z C B vB,z v M ,z
J A,z N A,z C AvM,z
N
A,z
CA C
Cv M ,z
J B,z N B,z xB N A,z N B,z
N A,z x A N z
yA
nA n
pA P
A
mA V
M AnA V
pA M A RT
通用气体常数 R 8314J / kmol K
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第七章 质量传递基础
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§7.1 概述
四．传质方式
分 子 扩 散 ： 静 止 的 或 层流 流 动 的 流 体 中 ，
传
质
方
式对
流
传
质
：
靠分子运动来 在 湍 流 流 动中 ，
液 — 固系统：如结晶、浸取操作
气 — 固系统：如干燥操作
pG
气相 （乙醇-水）
乙醇
水
气相主体
液相（乙醇-水）
相界面 pi Ci
水 液相主体
传质方向 CL
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蒸馏
空气+氨气
第七章 质量传递基础
吸收
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§7.1 概述
分离
均 相 混 合 非 均 相 混
物 合
物
加入另外一种物质作为分离剂 方法加入能量
不相等。
气相主体
▲达到相平衡时，传质过程仍在 进行，只不过通过相界面的某一 组分的净传质量为零，因此属动 态平衡。
相界面 pi Ci
空气+氨气
水 液相主体
传质方向 CL
吸收
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第七章 质量传递基础
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§7.1 概述
三、相组成的表示方法
摩尔分率
x A (或y A )
nA n
费克定律的其它表达形式：
J A,z
CDAB
dx A dz
d DAB
pA RT dz
DAB dpA RT dz
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第七章 质量传递基础
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一．费克定律
说明：（1）JA,z是相对扩散通量 （绝对扩散通量用NA,z表示） （2）DA,B是物性之一
DA,B f (P,T, x)
xA
N A,z
N B,z
静止面
DA,B（气）10-5m2/s DA,B（液）10-9m2/s DA,B（固）<10-10m2/s
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第七章 质量传递基础
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一．费克定律
扩散系数的估算：
对于二元气体扩散系数的估算，通常用较简单
的由福勒（Fuller）等提出的公式
0.0101T 1.75 1 1
D P(
N A,z x A N A,z N B,z
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第七章 质量传递基础
vM,z (vA,z- vM,z )
vA,z
静止面
13/23
于是：
x A N A,z N B,z
JA,z
N A,z J A,z x A N A,z N B,z
NA,z
DAB
dC A dz
a a
a a
1 X
1 x
1 a
1a
4．xA 与 CA 的关系？aA 与 A 的关系？
CA xAC
A aA
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第七章 质量传递基础
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§7.1 概述
5．CA 与 A 的关系？
CA
A
MA
6．对理想气体，C 与 p 的关系？y 与 p？ρ与 p？
CA
nA V
pA RT
C n P V RT
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DT
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二．广义费克定律
J A,z
DAB
dC A dz
绝对扩散通量NA、 NB、N 相对于静止面的传质速率，kmol / m 2 s
N A,z C Av A,z N B,z CBvB,z
N z Cv M,z N A,z N B,z
相对扩散通量JA、 JB 相对于运动面（以摩尔平均速度运动）