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第 九 章

第 九 章. 传 质. Mass Transfer. 第一节   质量传递原理. 第二节 吸 收. 第三节    吸 附. 第四节   离子交换. 9-1 传质概述. 9-2 分子扩散. 9.2A 分子扩散速度和通量. 9.2B Fick 扩散定律. 9.2C 稳态分子扩散. 9-3 对流传质. 9.3A 对流传质机理. 9.3B 传质系数. 9.3C 对流传质关系式. 9.3D 三传类似. 9-4 相间传质. 9.4A 稳态相间传质. 9.4B 工业装置中的传质.

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第 九 章

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Presentation Transcript

  1. 第 九 章 传 质 Mass Transfer 第一节   质量传递原理 第二节 吸 收 第三节    吸 附 第四节   离子交换

  2. 9-1 传质概述 9-2 分子扩散 9.2A 分子扩散速度和通量 9.2B Fick 扩散定律 9.2C 稳态分子扩散 9-3 对流传质 9.3A 对流传质机理 9.3B 传质系数 9.3C 对流传质关系式 9.3D 三传类似 9-4 相间传质 9.4A 稳态相间传质 9.4B 工业装置中的传质 第一节   质量传递原理

  3. 9-1 传质概述 1.传质与扩散 组分由高浓度区传向低浓度区,自一相传入另一相中，这种现象称为质量传递，简称传质。 传质是一个速率过程，其推动力本质上是组分的化学势差，其中包括浓度差、温度差和压力差等的作用。 最常见的传质过程都是由浓度差而引起的： 传质速率=传质系数×浓度差 传质系数的倒数即为传质阻力 传质的微观机理是物质质点的扩散运动

  4. 质量传递的方式分为： 分子扩散（molecular diffusion） 对流扩散（convection diffusion） 2.传质过程的分类 两相直接接触 （1）按相接触情况不同分: 膜过程 稳态操作 （2）按操作方式不同分: 非稳态操作 级式操作 （3）按实现反复相接触方式分： 连续接触操作 并流操作 (4 ) 按两相流动方向的不同分： 逆流操作

  5. 9-2 分子扩散 9.2A 分子扩散速度和通量 1.扩散速度 组分i相对于静止坐标系的宏观运动速度 以ui表示，单位为m/s。 混合物的平均速度v： 组分 i相对于运动着的混合物的运动速度，称为扩散速度，以vi表示. 2.扩散通量 某组分在单位时间内通过单位面积的量， 称为流量密度，又称作通量(flux)。

  6. 扩散通量 ，单位 mol/(m2·s) 相对于静止坐标,扩散通量以Ni表示：Ni= ciui 相对于平均速度，扩散通量以Ji表示： Ji= civi = ci (ui - v) 对于A-B二元混合物 同理

  7. 9.2BFick扩散定律 DAB—组分A在B中的 扩散系数,m2/s

  8. 9.2C稳态分子扩散 1.稳态下气体的等摩尔对向扩散 (equimolar counter diffusion) 若组分为理想气体，

  9. 2.稳态下气体通过另一静止气体的扩散 移项 因为 pA+ pB= p 总压p恒定，dpA= -dpB 则：

  10. 积分： 令

  11. 例9-2温度为42℃，压力为1atm，若1和2间的距离为15cm,DAB=2.88×10-5m2/s,计算管中水蒸汽的扩散通量。例9-2温度为42℃，压力为1atm，若1和2间的距离为15cm,DAB=2.88×10-5m2/s,计算管中水蒸汽的扩散通量。 解：NB= 0，查42℃ 饱和蒸汽压为 pA1=8.4 kPa， pA2= 0

  12. 9-3对流传质 9.3A 对流传质机理 1.层流中的扩散  在垂直于流动方向的传质只依靠分子扩散 2.湍流中的传质 垂直于主流的方向上会造成流体的强烈混合，称为涡流扩散（eddy diffusion）. 传质是分子扩散和涡流扩散的总和 DE—涡流扩散系数, m2/s

  13. 9.3B 传质系数 k’c —传质系数，m/s 1.kc kc—传质系数，m/s 在等摩尔对向扩散中，NA=-NB kG— 传质系数，mol/(m2·Pa·s) 3.kx NA= kx(xAi - xAb) kx —传质系数，mol/(m2·s) kx=ckc

  14. 9.3C对流传质关系式 与传热求α相似，也应用量纲分析法求传质系数 1.对流传质分析中主要的特征数 (1) Reynolds数 相应于传热的 Nusselt数： Nu=αL/λ (2)Sherwood数 相应于传热的 Prandtl数: Pr = cpμ/λ (3)Schmidt数

  15. 2.流过平板的流体的传质 （1）层流 适用范围：Re <5×105,Sc≥0.6, L-流向板长 （2）湍流 适用范围：Re >5×105, 0.6 < Sc < 3000 3.圆管内流动流体的传质 湍流 适用范围：Re > 104

  16. 例:空气φ=0.40,u =2m/s,ν=μ/ρ=16.1×10-6m2/s, 盛水(A)盘L=20cm,B = 45cm。DAB = 2.6×10-5m2/s. 求：k'c ; dnA/dt 解 (1)

  17. 本 次 习 题 p.344 1 3

  18. 9.3D三传类似 质量、热量和动量传递在许多现象和规律性 的表达上存在相似之处。 （1）动量传递 Newton黏性定律写成 ●等式左边 τ的单位： τ可视为单位时间通过单位面积传递的动量, 即τ为动量通量。 ●等式右边第一因子 是运动黏度, 单位是m2/s ●第二因子 是单位体积的动量梯度

  19. （2）热量传递 Fourier导热定律： ●等式左边，q为热流密度即热量通量 ●等式右边第一个因子 为热扩散率，单位m2/s ●第二因子 是单位体积的热量梯度 ●等式右边亦有负号，表示传热方向

  20. （3）质量传递 Fick扩散定律： ●等式左边 JA 为质量通量 ●等式右边第一因子DAB为扩散系数， 单位仍是m2/s； ●右边第二因子 是单位体积的质量梯度 ●等式右边亦有负号，表示传质方向 因三传类似，传质研究常借鉴传热等的研究结果

  21. 9-4 相间传质 9.4A稳态相间传质 1.相平衡曲线 两相平衡时组分在 两相浓度的关系曲线。 2.双阻理论 相间传质包括三步： Gb→Gi Gi→Li Li→Lb 双阻理论假设: 传质阻力在1,3两步 即在G,L两相中 界面只是一个几何面, Gi→Li 无传质阻力

  22. A在界面两相恒处于平衡状态： 稳态传质，两相传质通量相等： 点P表示两相主体浓度 点M表示两相界面浓度 线PM的斜率=-kL/kG

  23. 3.总传质系数 按Henry定律

  24. 令 KG—以气相浓度为基准的总传质系数， mol / (m2Pa·s) 总传质阻力 是气相传质阻力 与液相传质阻力 之和 同样: KL—以液相浓度为基准的总传质系数，m/s

  25. 9.4B工业装置中的传质 1.有效相间传质面积 av--单位体积内有效传质界面面积 --在微分塔高dh内，有效相间传质面积 2.容积传质系数 将av与传质系数结合，可得容积传质系数 KGav--以气相浓度为基准的总容积传质系数， mol / (m3Pa·s) KLav--以液相浓度为基准的总容积传质系数，s-1

  26. 3.传质单元的概念 液相浓度由塔顶cA1变到塔底cA2 在工程上，定义： 为传质单元高度 为传质单元数

  27. HOL和NOL的意义： 在一传质单元高度HOL内,传质可使液相浓度 发生相当于推动力cA*-cA的平均值的变化； 使液相浓度发生总变化cA2-cA1, 需要串联NOL个传质单元 h=HOL·NOL=HOG·NOG ♦NOL反映了分离的难易 若要求传质浓度变化越大，过程平均推动力 越小，就意味着传质过程分离难度越大，所需的 传质单元数越多。 ♦HOL反映传质设备效能的高低 传质单元高度HOL与设备形式和操作条件有关系， HOL越小，设备传质效能越高。

  28. 9-5 吸收平衡和吸收速率 9.5A 吸收平衡 9.5B 吸收速率 9-6 吸收塔的计算 9.6A 吸收操作的物料衡算 9.6B 填料层高度 9.6C 解吸操作的计算 9-7 填料塔的结构和性能 9.7A 填料塔的结构 9.7B 填料塔的流体力学特性 第二节 吸 收 Absorption

  29. 9-5 吸收平衡和吸收速率 9.5A吸收平衡 1.亨利定律 （1） m—溶解度系数，m3Pa/mol 或m3Pa/kg. （2）pA*=HxA H—亨利系数，Pa （3） yA*=ExA E—相平衡因数，量纲为1 （4）YA*= EXA YA*，XA—组分A在气相，液相中的摩尔比。 摩尔比与摩尔分数概念不同.

  30. 2.相平衡与吸收过程的关系 (1)以气相分压pA作判量 ♦若两相浓度关系在点A: 气相pA1，液相xA1 与xA1平衡的气相分压为pA*, pA1>pA*,将发生吸收过程 ♦若两相浓度关系在点B: 气相pA2，液相xA1 pA2<pA*,将发生解吸过程 (2)以液相浓度xA作判量 ♦点A: xA1< xA*, 吸收 ♦点C: xA3> xA*, 解吸

  31. 9.5B吸收速率 1.吸收速率方程式 引用 可导得：

  32. 2.吸收阻力 图上,AI线的斜率： （1）易溶气体的溶解度很大kx较大，AI线较陡， 小得多，可以忽略 称气相阻力控制

  33. （2）难溶气体的溶解度很小 AI线的斜率： kX值较小，使AI线较缓 小得多， 可以忽略 称液相阻力控制

  34. 本 次 习 题 p.345 4 5

  35. 9-6 吸收塔的计算 9.6A吸收操作的物料衡算 1.吸收操作线方程 由塔底积分： 此式称吸收的操作线方程 斜率L/V 称为液气比 从塔底到塔顶积分得：

  36. 线AB 称作操作线 点A(X2, Y2) 代表塔顶状态 点B(Y1, X1) 代表塔底状态 2.液气比 一般已知V和Y1以及X2， 规定Y2,需确定L， L确定后，X1也就确定 操作线方程： 液气比L/V 为操作线AB的斜率 ↓L/V,使操作线与平衡线相交或相切， 此时为最小液气比： 适宜液气比：

  37. 9.6B 填料层高度 1.填料层高度的计算式 从塔顶到塔底积分： 令 同样

  38. 2.传质单元数的计算 （1）对数平均推动力法 当气液平衡关系服从亨利定律时， 平衡线Y*=EX为直线。 推动力 ΔY = Y-Y*与Y 成直线

  39. 令 ΔYm—对数平均推动力 要完成整个浓度变化Y1-Y2, 每个传质单元的平均推动力为ΔYm 需要NOG个传质单元

  40. 例：在直径为0.8m的填料吸收塔中用清水吸收空气例：在直径为0.8m的填料吸收塔中用清水吸收空气 与氨的混合气中的氨。已知空气流量为0.381kg/s， 混合气中氨的分压为1.33kPa。操作温度为20℃，压 力为101.3kPa，在操作条件下平衡关系为Y*=0.75X。 若清水流量为14.4mol/s，氨吸收率为99.5%。已知氨 的气相体积总吸收系数KYav=87.2mol/(m3·s)。试求所 需填料层高度。 解： Y2=Y1(1-99.5%)=0.0133×0.005=6.7×10-5 X2=0

  41. （2）图解积分法 传质单元数的计算 当平衡线Y*=f(x)为曲线，作 1/（Y-Y*）~Y曲线 在Y2和Y1间曲线下的面积即为所求的积分NOG的值

  42. 9.6C解吸操作的计算 解吸塔浓端在塔顶，稀端在塔底(与吸收塔相反) 解吸的推动力是Y*-Y或X-X* 解吸操作线AB在平衡线右下方(与吸收塔相反)

  43. 解吸操作的计算 —解吸操作线方程 点A上移至C,线BC斜率： 最小气液比： 操作时应 填料层高度

  44. 9-7 填料塔的结构和性能 气液传质设备应用于单元操作： 吸收，蒸馏，增湿等 主要气液传质设备： 填料塔，板式塔等 9.7A填料塔的结构 填料塔（packed tower） 主要由塔体、填料和塔 内件构成。

  45. 1.填料（packing） 分散装填料和规整填料两大类 （1）散装填料分环形和鞍形两类 环形填料有拉西环、鲍尔环、阶梯环等 鞍形环有矩鞍形、弧鞍形。 （2）规整填料主要有丝网波纹填料和板波纹填料。

  46. 2.塔内件 （1）填料支承板 (a)格栅式 (b)气体喷射式 （2）液体分布装置 (a)管式 (b)孔流盘式 (c)溢流式

  47. （3）流体进出口装置 液体出口：形成塔内气体液封 防止液体夹带气体 气体进口：防止液体流入气体管 气体出口：设置除雾器

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