环境工程原理质量传递.ppt

第五章质量传递第五章 质量传递 第一节 环境工程中的传质过程第二节 质量传递的基本原理第三节 分子传质第四节 对流传质本章主要内容气体混合物 中组分分离吹脱去除挥 发性组分汽提液体混合物 中组分分离染料废水处 理样品石油烃 分离测定气体和液体 混合物中组 分分离活性炭吸附 水中有机物去除水中阴 阳离子制作纯水去除水中重 金属高分子薄膜为 分离介质，组 分选择性地透 过膜制作纯水截留某些组分去除水、气体和固体中污染物的过程吸收萃取吸附膜分离离子交换 ——传质过程：……分离中的传质过程：第一节 环境工程中的传质过程反应中的传质过程：石灰/石灰水洗涤烟气脱硫催化氧化法净化汽车尾气第一节 环境工程中的传质过程质量传递的推动力温度差压力差电场或磁场的场强差浓度差第一节 环境工程中的传质过程一个含有两种或两种以上组分的体系组分A的浓度分布不均匀组分A由浓度高的区域向浓度低的区域的转移 物质传递现象——传质过程质量传递过程需要解决两个基本问题：过程的极限:过程的速率:相平衡关系以浓度差为推动力的传质过程：质量传递研究内容！第一节 环境工程中的传质过程环境工程中常遇到的传质过程：两相间的传质 气体的吸收：萃取：吸附、膜分离、生物膜反应：在气相与液相之间传质在液——液两相之间传质在气/液相和固相之间传质单相中的传质 流体流过可溶性固体表面 溶质在流体中的溶解气固相催化反应单相中的传质速率？ 第一节 环境工程中的传质过程一、传质机理二、分子扩散三、涡流扩散本节的主要内容第二节 质量传递的基本原理 蓝色由最初的位置慢慢散开，即蓝墨水的分子由高浓度处 向低浓度处移动向一杯水中加入一滴蓝墨水————质量传递静止——蓝色由最初的位置慢慢散开，经过较长一段 时间后，杯中水的颜色趋于一致搅拌一下——？由分子的微观运动引起——工程上为了加速传质，通常使流体介质处于运动状态——湍 流状态，涡流扩散的效果占主要地位 ——慢由流体微团的宏观运动引起——分子扩散——快涡流扩散第二节 质量传递的基本原理 一、传质机理分子扩散过程只有在固体、静止流体或层流 流动的流体中才会单独发生。

由分子的不规则热运动而导致的传递（一）费克定律在某一空间充满A、B组分组成的混合物，无总 体流动或处于静止状态 分子热运动的结果将导致A分子由浓度高 的区域向浓度低的区域净扩散，即发生由高 浓度处向低浓度处的分子扩散 分子扩散的速率？第二节 质量传递的基本原理 二、分子扩散在一维稳态情况下，单位时间通过垂直于z方向的单位 面积扩散的组分A的量为单位时间在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）组分A的物质的 量浓度，kmol/m3组分A在组分B中 进行扩散的分子 扩散系数，m2/s组分A在z方向上的浓 度梯度，kmol/m3·m——由浓度梯度引起的扩散通量与浓度梯度成正比负号表示组分A向浓度减小的方向传递以物质的量浓度为基准 费克定律第二节 质量传递的基本原理 (5.2.1)设混合物的物质的量浓度为 ,kmol/m3，组分A的摩尔分数为当 为常数时以质量分数为基准以摩尔分数为基准混合物质量浓 度，kg /m3组分A的质 量分数当混合物的密度为常数时组分A的质量 浓度，kg /m3以质量浓度为基准kg/（m2·s） kg/（m2·s） kmol/（m2·s）第二节 质量传递的基本原理 (5.2.2)(5.2.3)（一）费克定律 （二）分子扩散系数 扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率，表征物质分子扩散能 力。

扩散系数大，表示分子扩散快分子扩散系数是物理常数，其数值受体系温度、压 力和混合物浓度等因素的影响第二节 质量传递的基本原理 (5.2.5)（1）非理想气体及浓溶液, 是浓度的函数 2）溶质在液体中的扩散系数远比在气体中的小，在固体中 的扩散系数更小气体、液体、固体扩散系数的数量级 分别为10-5~10-4、10-10~10-9、10-14~10-9m2/s4）对于双组分气体物系，（3）低密度气体、液体和固体的扩散系数随温度的升高 而增大，随压力的增加而降低扩散系数与总压力成反比，与热力学温度的1.75次方成正比（二）分子扩散系数 第二节 质量传递的基本原理 定义涡流质量扩散系数涡流扩散系数不是物理常数，它取决于流体流动 的特性，受湍动程度和扩散部位等复杂因素的影响 工程中大部分流体流动为湍流状态，同时存在分 子扩散和涡流扩散，因此组分A总的质量扩散通量有效质量扩散系数 在充分发展的湍流中，涡流扩散系数往往比分子扩 散系数大得多，因而有组分A的平均物质的量浓度 （三）涡流扩散 第二节 质量传递的基本原理 第二节 质量传递的基本原理 (1)什么是分子扩散和涡流扩散？(2)简述费克定律的物理意义和适用条件。

3)简述温度、压力对气体和液体分子扩散系数的影响4)对于双组分气体物系，当总压和温度提高1倍时，分子扩散系数将如何变化？(5)分析湍流流动中组分的传质机理本节思考题一、单向扩散扩散通量、浓度分布二、等分子反向扩散扩散通量、浓度分布三、界面上有化学反应的稳态传质本节的主要内容第三节 分子传质在静止介质中由于分子扩散所引起的质量传递问题 静止流体相界面组分A通过气相主体向相界面扩散 依靠分子扩散NA在相界面附近，组分A沿扩散的方向将建立一定的浓度分布 第三节 分子传质单向扩散等分子反向扩散 水含有氨的废气苯——甲苯体系苯NB第三节 分子传质空气与氨的混合气体 （静止）氨空气氨的分压 p减小流体自气相主体向相界面流动 空气分压增大——反向扩散 可视为空气处于没有流动的静止状态相界面氨的扩散量增加相界面上，氨溶解于水气相总压减小第三节 分子传质一、单向扩散 氨传质过程：氨溶解于水氨分压降低相界面处的气相总压降低流体主体与相界面之间形成总压梯度流体主体向相界面处流动氨的扩散量增加流动氨空气相界面上空气的浓度增加空气应从相界面向混合气体主体作反方向扩散相界面处空气的浓度（或分压）恒定可视为空气处 于没有流动的 静止状态空气氨溶解于水第三节 分子传质一、单向扩散 组分在双组分混合气体中的分子扩散扩散系数在低压下与浓度无关 总通量＝流动所造成的传质通量＋叠加于流动之上的分子扩散通量总通量＝？第三节 分子传质一、单向扩散 (一)扩散通量传质时流体混合物内各组分的运动速度是不同的为了表达混合物总体流动的情况组分A的宏观运动速度组分B的宏观运动速度引入平均速度流体混合物的流动是以平均速度流动的，称为总体流动 第三节 分子传质(5.3.1)相对于运动坐标系得到相对速度扩散速度，表明组分因分子扩散引起的运动速度由通量的定义，可得第三节 分子传质(5.3.3b)(5.3.3c )(5.3.3a)(5.3.2b)(5.3.2a)费克定律的普通表达形式而相对于平均速度的组分A的通量即为分子扩散通量，即第三节 分子传质(5.3.4)(5.3.5)(5.3.2a)(5.3.3a)(5.3.3c)单向扩散，由于=0组分B在单向扩散中没有净流动，所以 单向扩散也称为停滞介质中的扩散在稳态情况下 为定值在恒温恒压条件下，式中 为常数，所以气相主体: 相界面:z=0z=L第三节 分子传质(5.3.6)惰性组分在相界面和气相主体 间的对数平均浓度扩散推动力第三节 分子传质(5.3.7)(5.3.8)(5.3.9)(5.3.10)若静止流体为理想气体，则根据总压强惰性组分在相界面和气相 主体间的对数平均分压组分A在相界面的分压组分A在相主体的分压第三节 分子传质(5.3.11)(5.3.10)对于稳态扩散过程， 为常数，即在恒温恒压下， 均为常数(二)浓度分布对于气体组分A，浓度用摩尔分数表示第三节 分子传质(5.3.13)(5.3.6)上式经两次积分，代入边界条件气相主体: 相界面:组分A通过停滞组分B扩散时，浓度分布为对数型第三节 分子传质(5.3.15b)(5.3.15a)【例题5.3.1】用温克尔曼方法测定气体在空气中的扩散系数 ，测定装置如图所示。

在101.3kPa下，将此装置放在328K的 恒温箱内，立管中盛水，最初水面离上端管口的距离为 0.125m，迅速向上部横管中通入干燥的空气，使水蒸气在管 口的分压接近于零实验测得经1.044×106s后，管中的水面 离上端管口距离为0.15m求水蒸气在空气中的扩散系数解：水面与上端管口距离为z，水蒸气扩散的传质通量为 单向扩散传质通量：可用管中水面的下降速度表示第三节 分子传质＝0=15.73kPa（328K下水的饱和蒸气压）kPa328K下，水的密度为985.6kg/m3，故kmol/m3第三节 分子传质边界条件：t=0, z=0.125mt=1.044×106s, z=0.150mm2/s第三节 分子传质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在分子扩散的同时必然伴有组分B向相反方向的分子扩散，且组分B扩散的量与组分A相等，这种传质过程称为等分子反向扩散一)扩散通量没有流体的总体流动，因此特征二、等分子反向扩散 第三节 分子传质(5.3.16)在稳态情况下 为定值在等温等压条件下，式中 为常数，所以气相主体: 相界面:z=0z=L第三节 分子传质(5.3.17)对于稳态扩散过程， 为常数，即(二)浓度分布上式经两次积分，代入边界条件相界面:气相主体：组分A和B的浓度分布为直线第三节 分子传质(5.3.18)(5.3.20)单向扩散漂移因子因总体流动而使组分A传质通量增大的因子当组分A的浓度较低时，漂移因子接近于1，此时单向扩散时的传质通量表达 式与等分子反向扩散时一致 第三节 分子传质等分子反向扩散 在物质表面进行的化学反应过程化学反应过程－反应速率A的扩散过程－扩散速率边界条件：催化剂表面：z=0，yA=yA,i气相主体： z=L，yA=yA,0例如：催化反应三、界面上有化学反应的稳态传质 第三节 分子传质(5.3.23)(5.3.22)在一定操作条件下，式中 为常数，所以（1）若反应瞬时完成，可认为在催化剂表面不存在A组分，即=0（2）若化学反应进行得极为缓慢，且化学反应属一级反应一级反应速率常数，m/s。

扩散控制的传质通量表达式 受到反应速率的影响第三节 分子传质(5.3.24)(5.3.25a)(5.3.26)（3）若 >>1，即扩散过程很快，则有：或更小，可推导出上式的近似解，即 化学反应与扩散联合控制的质量通量表达式对于界面上具有化学反应的扩散传质过程，化学 反应式不同，传质通量的描述也不同 反应控制的传质通量表达式 第三节 分子传质(5.3.27)(5.3.28)(5.3.30)【例题5.3.2】为减少汽车尾气中NO对大气的污染，必须对尾气进行净化处理含有NO及CO混合气体的尾气通过净化器，尾气中所含的 NO与净化器中的催化剂接触，在净化剂表面发生还原反应，这一反 应过程可看作气体NO通过静止膜的一维稳态扩散过程已知：汽车尾气净化后排放温度为540℃ ，压力为1.18×105N/m2，含有0.002（摩 尔分数）的NO，该温度下反应速率常数为 228.6m/h，扩散系数为0.362m2/h，试确 定NO的还原速率达到4.19×10- 3kmol/(m2·h)时，净化反应器高度的最大值 气相主体第三节 分子传质同时，在催化剂表面，有尾气浓度kmol/m3故 1.44mm实际应用中完全可以实现解：若NO在催化剂表面的反应过程可以看作是通过静 止膜的扩散，所以传质通量为第三节 分子传质单向扩散等分子反向扩散漂移因子（一）扩散通量（二）浓度分布费克定律的普通表达形式第三节 分子传质第三节 分子传质(1)什么是总体流动？分析总体流动和分子扩散的关系。

2)在双组分混合气体的单向分子扩散中，组分A的宏观运动速度和扩散速度的关系？(3)单向扩散中扩散组分总扩散通量的构成及表达式4)简述漂移因子的涵义。