第六章传质基本概念
传质
氨气（浓度低）＋空气
总压 p 溶质（A）分压 p A
pe 与溶液中A的浓度成
平衡的气相分压
密闭容器 水（溶剂）
p A > p e 吸收， p A < p e 解吸， p A = p e 平衡，
氨气(浓度高)＋空气(惰性气体) (溶质，被吸收组分)
p A − p e ——吸收总推动力亦可用其他浓度差
（1）流体相间的传质过程 包括气体的吸收、液体的蒸馏、 ①气相一液相 包括气体的吸收、液体的蒸馏、气 体的增湿等单元操作。 体的增湿等单元操作。 气体吸收利用气体中各组分在液体溶剂中的溶解度不 气体吸收利用气体中各组分在液体溶剂中的溶解度不 同，使易溶于溶剂的物质由气相传递到液相。 使易溶于溶剂的物质由气相传递到液相。 液体蒸馏是依据液体中各组分的挥发性不同， 液体蒸馏是依据液体中各组分的挥发性不同，使其中 是依据液体中各组分的挥发性不同 沸点低的组分气化，达到分离的目的。 沸点低的组分气化，达到分离的目的。 气体增湿是将干燥的空气与液相接触， 气体增湿是将干燥的空气与液相接触，水分蒸发进入 增湿是将干燥的空气与液相接触 气相。 气相。
四、 塔设备简介
根据塔内气液接触部件的结构型式分为： 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。 两大类。 1、填料塔 ①填料塔 液体由上往下流动时，由于 液体由上往下流动时， 塔壁处阻力较小而向塔壁偏流， 塔壁处阻力较小而向塔壁偏流，使填料 不能全部润湿，导致气液接触不良， 不能全部润湿，导致气液接触不良，影 响传质效果，称之为塔壁效应。 响传质效果，称之为塔壁效应。 塔壁效应
d．筛孔塔板 结构简单、造 结构简单、 价低廉、 价低廉、气体 压降小、 压降小、生产 舌形塔板 能力较大； 能力较大；缺 点是操作弹性 范围较窄， 范围较窄，小 孔筛板易堵塞。 孔筛板易堵塞。 e．导向筛板 如图
传质的理论基础PPT教案学习
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组分A通过停滞组分B的扩散（单向扩散）
NA
D
dCA dz
xA(NA
NB)
NB=0
NA
D
dCA dz
xA N A
D
dCA dz
CA C
NA
分离变量，积分
NA
DC z
ln
C C A2 C C A1
NA
Dp R0Tz
ln
(p (p
pA2 ) p A1 )
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2）所用坐标系以混合物的主体流速（平均流 速）运动，而不是静止不动的坐标。
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jA
DAB
d A
dz
JA
DAB
dCA dz
分析：
1.适用于由于分子无规则热运动引起 的扩散 过程； 2.传递的速度即为扩散速度uA－u（ uA－um）； 3.只限于浓度梯度这个驱动引起的传 质； 4.负号表明扩散方向与浓度梯度方向 相反， 即分子 扩散朝 着浓度 降低的 方向进 行；
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例：气体氢放在一矩形压力容器中，其壁厚
10mm，容器内的CH2=1kmol/m3，容器外 的H2浓度可忽略。D＝0.26×10-12m2/s，求
通过容器壁的氢的摩尔通量。
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Known: CA,1, CA,2, L, D
·
Find: NA (kmol /m 2
mA AuA
(kg/m 2·s)
mB BuB
m mA mB AuA BuB u
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质量传输基本概念及基本定律扩散传质对流传质冶金与材料制备及加
质量传输基本概念及基本定律质量传输与动量传输和热量传输组成传输原理，质量传输主要研究物质传递的规律及特点。
学习本章的基本要求是：掌握扩散传质、对流传质基本概念，菲克第一定律和菲克第二定律的表达式、物理意义及应用。
物质从物体或空间的某一部分传递到另一部分的现象称为质量传输过程，简称传质。
传质有扩散传质和对流传质两类，浓度梯度是其推动力。
浓度通常是指参与传质过程的混合物中的某一组分的浓度，即是单位体积混合物中该组分物质量的多少，可用质量浓度、摩尔浓度、气体分压浓度表示。
同流体流动和传热一样，传质也有稳定传质和不稳定传质之分。
对稳定扩散传质，某组分的扩散传质通量与浓度梯度的关系可用菲克第一定律表示，而菲克第二定律表征了不稳定扩散传质的基本特性，可用于求解浓度场。
扩散传质扩散传质有稳定扩散传质和不稳定扩散传质之分。
学习本章的基本要求是：掌握平板和圆筒壁扩散传质方程的应用，传质傅里叶数与传质毕欧数的表达式及物理意义；会借用平壁和圆筒壁导热计算图计算各种边界条件下的浓度场。
借用研究稳定导热的方法可直接求出平板和圆筒壁稳定扩散传质的浓度场和扩散传质量。
根据其表达式可知，通过一定的实验方法可以测定出总的扩散传质量N i 和浓度梯度，进而确定物质的互扩散系数。
借用研究不稳定导热的方法可直接求出平板和圆柱体不稳定扩散传质的浓度场。
在应用相应图表进行计算时，只需将傅里叶数与毕欧数替换为传质傅里叶数与传质毕欧数即可，当然相应的参数亦应作代换。
对流传质对流传质是流体流动条件下的物质传递过程。
学习本章的基本要求是：掌握浓度边界层及有效浓度边界层的概念，对流传质系数的单位、物理意义、影响因素及对流传质系数的模型理论，施密特特征数及谢伍德特征数的表达式及物理意义；会借用研究对流换热方法解决对流传质问题。
当流体流过表面并与之发生对流传质时，靠近表面形成的具有浓度梯度的流体薄层称浓度边界层。
浓度边界层的基本特征与热边界层类似，随着流向的深入，边界层厚度增大。
传质概述与分子扩散
JA NxA NxB JB
相界面
um
NA NB 0
dc N A D A x A (c A uA cB uB ) J A NxA dz
实际传质通量 分子扩散通量 主体流动通量
此式即为定态一维分子扩散的通用扩散速率方程（微分方程），它表明，组分A 通过静止坐标的通量 NA 由两项组成：其一项是由于浓度梯度引起的摩尔扩散通 量—浓度梯度通量 JA；另一项是由于流体主体流动所造成的摩尔扩散通量—主体 流动通量 NxA。
非均相
混合物的 分离操作
( ΔS 0 )
液体蒸馏
均 相 气体吸收 液液萃取 传质分离
从热力学原理知道，混合物的分离过程，即为非自发的降熵过程。为使 分离过程进行，必须外界干预——或对物系做功，或加入分离介质(溶剂)， 或加入能量(热或功)。
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值得指出的是，某些物系加入另一种物质（溶剂）后，使过程得以
以扩散速度 表示的通量
A u A ( A uA B uB ) w A ( nA nB ) B u wB ( nA nB )
1 cA um cA (cA uA cB uB ) x A ( N A N B ) ct cB um xB ( N A N B )
“传质原理”的教学，按由浅入深作如下安排：
①单相传质原理
静止流体内部的分子扩散原理 流动流体内部的对流扩散(或对流传质)原理
②相间传质的模型理论与传质速率方程式 值得指出是，在传质原理的学习中，如能与传热原理的有关内容进行对照比较， 将是有趣且有益的。
2017/5/1 传质概述与分子扩散 4/22
二、分子扩散 （一）分子扩散与Fick定律
精馏1传质过程概述1传质过程的定义传质过程的定义
第六章 精馏§1 传质过程概述 6-1 传质过程的定义传质过程的定义——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，所以有的教材称吸收为气体吸收。
如图6-3所示。
图6-3 吸收局部示意图水称为溶剂，3NH 称为溶质，炉气中其他气体称为惰性组分。
用水吸收氯化氢气体)(HCl ，制备盐酸，也是一种吸收操作。
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。
图6-4 萃取示意图此例中醋酸乙酯称为萃取剂)(S ，醋酸称为溶质)(A ，水称为稀释剂)(B 。
萃取操作能够进行的必要条件是：溶质在萃取剂中有较大的溶解度，萃取剂与稀释剂要有密度差。
热质交换原理与设备要点总结
<热质交换原理与设备>第一章绪论1．分子传递的三定律3个传递系数、公式、结构上的类似性。
2．紊流传递，分子传递的基本概念基于流态划分的传递现象的两种基本形式。
3．设备的分类以及它们各自的传热机理第二章热质交换过程1．传质定义：分子扩散和对流扩散的概念基于质交换的构因划分的质交换的基本方式对流传质量概念2．5种扩散通量的定义之间的关系扩散通量质扩散通量、摩尔扩散通量、扩散通量向量、绝对扩散通量、相对扩散通量3．斐克定律的其它表示形式质量平均速度与扩散速度4．斯蒂芬定律应用情况；积分形式、微分形式，转化条件（转化为斐克定律）5．扩散系数定义，o D的定义（公式不记），随压强和温度的变化情况6．对流传质的基本公式7．边界层的概念？意义？对流传质简化模型的中心思想。
8．薄膜渗透理论的基本论点、结论（公式、推导不计）9．各准则数的物理意义普朗特，施密特，刘伊斯10．类似律的本质：阐述三传之间的类似关系（建立了…和之间的关系）11．同一表面上传质对传热的影响，对壁面热传导和总传热量影响相反由（2-90）和图2-16来分析影响12．刘伊斯关系式的表达式和意义第三章相变热量交换原理1．什么是沸腾放热的临界热流密度？有何意义？2．汽化核心分析3．影响沸腾换热的因素4．影响凝结现象的因素第四章空气热质处理方法1．麦凯尔方程的意义，热质交换设备的图解方法。
2．空气与水直接接触时热湿交换的原理，显热，潜热推动力，空气状态变化过程，实际过程3．吸收吸附法较之表冷器除湿的优点。
4．干燥循环的3个环节5．吸附剂传质速度的影响因素。
6．吸附原理：表面自由焓7．动态吸附除湿的再生方式8．吸附除湿空调系统9．吸收原理：气液平衡关系第五章 其它形式的热质交换1．空气射流的种类、特点等温自由射流的速度衰减。
非等温射流温度边界层，速度边界层，浓度边界层的特性。
起始段，主体段2．回风口空气衰减规律3．送风温差第六章 热质交换设备1．表冷器的热工计算(1)传热系数与哪些因素有关 迎面风速，析湿系数，水流速(2) 效能—传热单元法 主要原则，几个参量的意义2．喷淋室的热工计算（1）影响喷淋室热交换效果的因素。
质量传输的基本概念及基本定律
—质量浓度梯度，mkg3 / m
*
第10章 质量传输概述
22
10.2 质量传输的基本定律
3.扩散系数Di
表征某一组分扩散能力的物性参数，即浓度梯度为1
时，单位时间通过单位面积的扩散传质量。 m2/s
影响因素 A．物质的种类、组成； B．温度、压力等。
*
第10章 质量传输概述
23
10.2 质量传输的基本定律
nnAnB 1.946103k g/(m2s)
NAcAuA3.519105k mo/(m l2s);NB cBuB 1.866105k mo/(m l2s)
NNANB 5.385105k mo/(m l2s)
*
第10章 质量传输概述
19
10.2 质量传输的基本定律
1．稳定浓度场
一无限宽大，厚为 的平板某组
内 容
Chapter 12 对流传质
Chapter 13 材料与冶金中的综合传质
5
第10章 质量传输概述
主要内容
质量传输的基本概念
质量传输的基本定律
元体质量平衡方程（带扩散的连续性
方程）
*
第10章 质量传输概述
6
10.1 质量传输的基本概念
1、浓度
指单位体积混合物中该组分物质量的多少。
质量浓度：单位体积混合物中组分i的质量
*
2
第三篇 质量传输
传质广泛存在于日常生活和工程领域之中。
日常生活：衣服的晾干 工程领域：冶金、机械、能源、动力、低温工程、化工、环保等 的物料的干燥、加湿、去湿、吸收、脱吸等等，如物料的干燥，燃 料的燃烧，矿石的焙烧、还原，液态金属的吹炼，金属表面的热处 理（渗碳、渗氮），纯铁、钢水、硅钢片的脱碳，铝合金、铜合金 的精炼除氢，溶剂的萃取，亏水处理，烟气扩散，晶体生长，金属 的凝固等等。
化工原理 第六章 蒸馏(传质过程)
t
121.9℃
X=0.383
负偏差
x y
x y
y
y
x
x
19
挥发度与相对挥发度
挥发度：表示某种溶液易挥发的程度。 若为纯组分液体时，通常用其当时温度下饱和蒸 气压PA°来表示。 若为混合溶液时，各组分的挥发度，则用它在一 定温度下蒸气中的分压和与之平衡的液相中该组 分的 摩尔分数之比来表示， vA = pA / xA vB = pB / xB
演示
37
xn
xn 1 yn 1 yn
第四节 双组分连续精馏计算
38
物料衡算
F—原料(液)摩尔流量，kmol/h； D—馏出液摩尔流量，kmol/h； W—釜残液摩尔流量，kmol/h； 总物料衡算 易挥发组分的物料衡算
D xD F xF
F D W
D F ( xF xW ) xD xW
xn 1
n 1
yn xn yn 1
n
n 1
T-x(y) 图
t 假设蒸汽和液体充分接触，并在离 n 1 开第 n 层板时达到相平衡，则 yn 与 xn t n t n 1 平衡，且yn>yn+1，xn<xn-1。
这说明塔板主要起到了传质作用， 使蒸汽中易挥发组分的浓度增加， 同时也使液体中易挥发组分的浓度 减少。
t5 t4 t3 t2 t1
E D
C
B A
x（y）
温度-组成图（ t-x-y 图）
12
上述的两条曲线将tx-y图分成三个区域。
液相线以下的区域 代表未沸腾的液体, 称为液相区 气相线上方的区域 代表过热蒸气,称为 过热蒸气区； 二曲线包围的区域 表示气液同时存在, 称为气液共存区。
化工原理：6-3传质机理与吸收速率1
pi )
化工原理
令
DAB P ZG RTPBm
kG
N A kG ( p pi )
—— 气膜吸收速率方程式
kG ——气膜吸收系数， kmol/(m2.s.kPa)。
也可写成：
NA
p pi 1
kG
化工原理
当气相的组成以摩尔分率表示时
N A k y (y yi )
k y —以 y 表示的气膜吸收系数，kmol/(m2.s)。
当气相组成以摩尔比浓度表示时
N A kY (Y Yi )
kY —以 Y 表示推动力的气膜吸收系数，kmol/(m2.s)。
化工原理
2. 液膜吸收速率方程式
NA
DC z L c sm
(ci
c)
令
DC Z Lcsm
kL
N A kL (ci c)
或
NA
ci
1
c
——液膜吸收速率方程
kL
kL —以 c 为推动力的液膜吸收系数，m/s；
P pBm
N A kc ci c
kc
DL ZL
cm cBm
DG、DL —— 溶质组分在气膜与液膜中的分子扩散系数；
P/pBm —— 气相扩散漂流因子； cm/cBm —— 液相扩散漂流因子；
ZG、ZL —— 界面两侧气液相等效膜层厚度，待定参数。
化工原理
➢ 按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所 得的关联式地结果相差较大；
➢ 该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接 触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传 质过程的计算中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备 设计的依据；
➢ 本课后续部分也将以该理论为讨论问题的基础。
第六章 搅拌聚合釜的传热与传质
t c t R - t p 50 - 45.5 4.5 C
o
第四节 搅拌釜内的传质过程
固相-液相发生的传质过程： N K L a C S C L （1）扩散努塞尔准数 N u （谢尔乌特准数Nsh）：
N u ' N sh K LD D AB
：
'
（2）扩散普兰德准数 N sc
1 m' k c
连续相传质膜系数
分散相传质膜系数
两相溶质的平衡常数
液固体系
KT D AB
AN
r Re
N
s sc
伴有相间传质的聚合反应
相 界 面
传递阻力＋化学反应阻力
传质速率远小于聚合反应速 率时，实际反应速率完全取 决于传递过程速率。
扩散控制
聚合反应速率远小于传质速 率时，实际反应速率完全取 决于反应速率。
如何来判断属于哪种反应？
判据？
K La
气液相 界面积
搅拌转速 的改变
液膜传 质系数
当KLa的改变不会引起聚合速率的改变时，即可认 为是受动力学控制的无限慢反应。 当聚合速率的改变正比于界面积的改变时，可认为 属于扩散控制的快速反应。
若不能确认，则只能认为是中速反应或慢速反应。
在非均相聚合中采取何种措施以获得 较理想的的分子量以及分子量分布？
釜外壁传热膜系数 0 的因素：
以夹套冷却时， 0 随冷却水的流况而定。
固体的导热系数：
为了降低釜壁固体导热部分总热阻，应尽可能采用导热 系数较高的材质。
例：用悬浮法生产聚氯乙烯，试求在聚合转化 速率达到高峰时，搅拌釜夹套中通入冷却水的 温度应该是多少度？
符号 V A V/A 说明 聚合釜容积 夹套传热面积 釜容积／传热面积比 工作容量，装料系数 为90％，VR＝0.9V 进料中单体体积比 氯乙烯的密度 单体进料量VRνρ M 总转化率 总反应时间 平均转化速率 最高转化速率 高峰转化速率与平均 转化速率之比 聚合热 总传热系数 反应温度 单位 m3 m2 m3/m2 数值 14.0 26.9 0.52