化工原理-1-第七章-质量传递基础课件
35页1、第七章 质量传递基础,在化工生产中,实际涉及的多为相际传质,常见的有: 气-液系统:如吸收、解吸、蒸馏等; 液-液系统:如萃取等; 液-固系统:如结晶、浸取等; 气-固系统:如干燥、吸附等。,7.1 概 述,7.1.1化工生产中的传质过程,概念:质量传递(传质):指物质从一处向另一处转移,包括相内传质和相际传质两类。相内传质发生在同一个相内,相际传质则涉及不同的两相。,传质是一个速率过程,过程的推动力是化学位差,包括浓度差、温度差、压力差等,但通常指的是浓度差。,定义:均相混合物中某组分A的质量mA占混合物总质量m的分数。,显然,均相混合物中所有组分(A、B、)的质量分数之和为1,,对两组分混合物,组分只有一个自由度,故下标A、B可省略。,7.1.2相组成的表示法,相组成的表示方法:,一、质量分数和摩尔分数,1、质量分数wA,即:,定义:均相混合物中某组分A的物质的量nA占混合物总物质的量n的分数。,同理,均相混合物中所有组分(A、B、)的摩尔分数之和为1,即:,2、摩尔分数xA,习惯上,对液相中的摩尔分数用x表示,而对气相中的摩尔分数则用y表示。,设混合物中组分A、B、的质量分数分别
2、为wA、wB、,相应的摩尔质量为MA、MB、,则:,同理可得:,3、wA和xA之间的换算,分子分母同时除以总质量m,则:,通常对双组分系统,选择其中一个组分为参考组分,将另一组分对该参考组分的质量比或摩尔比来代表组成。如以B为参考组分,则:,摩尔比:,为计算方便,通常参考组分选择为惰性物质,因其量在传质过程中保持不变。,二、质量比和摩尔比,质量比:,其中,w、x无下标,表示的是双组分系统。,1、组分A的质量浓度A,混合物的总质量浓度(即混合物的密度):,上两式相除,则:,故:,三、质量浓度和物质的量浓度,浓度的定义为单位体积中的物质量。物质量可用质量或mol来表示,相应地也就有了质量浓度或物质的量浓度(mol浓度)。,式中:V为均相混合物的体积。,2、组分A的量浓度(摩尔浓度)CA,混合物的总物质的量浓度(总摩尔浓度)C:,同理:,质量浓度与量浓度之间的关系:,设混合物的总压力为P,组分A的分压为PA,根据理想气体状态方程,则:,3、应用于理想气体,例 实验测得在总压1.013105Pa及温度20下,1kg水中含氨0.01kg,此时液面上氨的平衡分压为800Pa。求氨在气、液相中的摩尔
3、分数和物质的量浓度。,解:以ANH3,BH2O,对液相:,由于氨水很稀,可假设其密度与水相同,,,则:,对气相:,7.2 分子传质,质量传递的两种方式:分子扩散和对流扩散。,分子扩散是在单一相内存在组分的化学位梯度(往往源于浓度差)时,由分子热运动而引起的质量传递(扩散主体是分子); 对流扩散是伴随流体质点(扩散主体是微团)的宏观运动而产生的传质。,两种传递方式可同时存在。,分子传质在气相、液相和固相中均能发生,分子传质源于分子的运动。,设两容器中A的浓度不等,当连接容器的阀门打开后,由于气体分子 的无规则热运动,单位时间内组分A由高浓度区向低浓度区运动的分 子数目,将多于由低浓度区向高浓度区运动的分子数目,结果造成组 分A由高浓度区向低浓度区的净分子流动,从而发生传质现象。,7.2.1 Fick定律,一、分子传质现象,例如,在如下容器中:,实验表明:在两元混合物(A+B)中,组分的扩散通量与浓度梯度成正比。如果扩散沿z方向进行,则有:,式中:JA,z为组分A在z方向上的扩散通量,表示的是单位时间单位面积 上沿z方向上通过的A的量,单位为kmol/m2.s; C为A和B组分的总浓度,k
4、mol/m3; xA为A在混合物中的摩尔分数; dxA/dz为组分A的浓度梯度; “-”表示扩散通量与浓度梯度方向相反; DAB为比例系数,称为组分A在组分B中的扩散系数,m2/s。,二、分子传质过程所遵循的定量规律,1、分子扩散定律,上式称为Fick定律,该定律表明:在混合物中,只要存在浓度梯度, 则必定有扩散通量。,当C为常数时,上式转换为:,CA为A组分的浓度,kmol/m3;,dCA/dz为组分A的浓度梯度;,该式不仅适用于静止混合物情形,而且适用于混合物做整体宏观运动时的情形。,2、混合物运动时的传质情况,设混合物整体以um的速度向前运动,由于A存在浓度梯度,在整体运动的基础上A还存在分子扩散,分子扩散速度记为uAd,则A的实际运动速度u A为:,两边同时乘以CA,则:,显然,上式第一项为A通过固定点(静止参照物或地球)的总通量,以NA表示;第二项为A相对于运动流体的扩散通量,即为JA;第三项则是由于主体流动所引起的相对于固定点的通量,常称为主体流动通量。则上式可写成:,令N为混合物相对于固定点的总通量,则:,总体速度um定义为:,则:,即:A的总通量(相对于静止坐标)=A的
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