8.1 传质过程导论

传质过程USTB§1 传质两种基本方式及研究意义传质(物质传输)、传热（热量传输）及动量传输是自然界及各种生产过程中存在的最普遍的现象。

冶金动力学与传质过程密切相关。

传质是由于体系中化学势梯度所引起的原子、分子的运动以及由于外力场或密度差造成的流体微元的运动引起的物质的迁移。

两种基本方式：1）扩散；2）对流由于热运动导致体系中任何一种物质的质点(原子、分子或离子等)由化学势高的区域向化学势低的区域转移的运动过程－扩散。

由于流体的体运动造成的物质迁移－对流。

在固体中只存在分子或原子等质点的扩散；在流体（液体及气体）中的传质，既有微观质点扩散的贡献，也有流体中自然对流或强制对流传质的贡献。

USTBUSTB冶金反应大多为多相反应，从反应机理看，除界面化学反应步骤外，还涉及传质步骤。

冶金过程大多在高温下进行，此时界面化学反应的速率较快，整个反应的控速环节往往会落在传质步骤上。

因此，要研究冶金反应过程的动力学必然需要了解传质现象及其所遵循的规律。

§2扩散定律2.1菲克第一定律在单位时间内, 通过垂直于传质方向单位截面的某物质的量, 称为该物质的物质流密度,又称为物质的通量(mass flux)。

若组元A的传质是以扩散方式进行时，则该物质的物质流密度又称为摩尔扩散流密度，简称扩散流密度，或摩尔扩散通量, 通常以符号J A,x 表示。

其中A为组元名称, x 为扩散方向。

USTB菲克在1856年总结大量实验结果得出，在稳态扩散条件下，扩散流密度与扩散组元浓度梯度间存在如下关系：xc D J xA ∂∂AA,−=－菲克第一定律一维扩散比例常数D A 称为扩散系数D A 物理意义-在恒定的外界条件(如恒温及恒压)下某一扩散组元在扩散介质中的浓度梯度等于1时的扩散流密度。

单位：J A,x －mol ·(m -2·s -1)；c A －mol •m -3；D A 的SI单位－m 2•s −1。

化学工程中的传质过程传质是化学工程中的重要过程之一，它涉及物质在不同相之间传递的过程。

在化学工程中，传质过程是实现各种反应以及分离纯化的关键步骤之一。

本文将介绍传质的基本原理、传质过程的分类以及传质操作在化学工程中的应用。

一、传质的基本原理传质是指物质在空间中由高浓度区域向低浓度区域的传递。

在化学工程中，传质可以通过扩散、对流和反应来实现。

扩散是指物质由浓度较高的区域向浓度较低的区域通过分子运动的方式传递。

对流是指物质在流体中由于流体的运动而传递，可以通过外加压力差或者液体搅拌等方式实现。

反应传质是指在化学反应过程中，反应物和产物通过扩散和对流的方式进行传递。

二、传质过程的分类根据传质方法的不同，传质过程可以分为气体传质、液体传质和固体传质三种。

1. 气体传质气体传质是指气体在不同相之间的传递过程。

在化学工程中，气体传质通常通过气体的扩散来实现。

扩散系数是气体传质研究中的重要参数，它与物质本身的性质、传质介质的性质以及温度等因素有关。

气体传质在化学工程中的应用广泛，例如在气体吸附、蒸馏和气体分离等领域都有重要的应用。

2. 液体传质液体传质是指液体在不同相之间的传递过程。

在化学工程中，液体传质通常通过扩散和对流的方式来实现。

液体传质过程中的重要参数是质量传递系数，它与溶质的性质、传质介质的性质以及温度等因素有关。

液体传质在化学工程中的应用广泛，例如在溶剂萃取、萃取精馏和浸出等工艺中都有重要的应用。

3. 固体传质固体传质是指固体在不同相之间的传递过程。

在化学工程中，固体传质通常通过扩散和渗透的方式来实现。

固体传质过程中的重要参数是固体的扩散系数和扩散路径的长度。

固体传质在化学工程中的应用广泛，例如在膜分离、吸附和离子交换等工艺中都有重要的应用。

三、传质操作在化学工程中的应用传质操作在化学工程中广泛应用于反应器设计、分离纯化以及废水处理等领域。

下面将以蒸馏过程为例介绍传质操作在化学工程中的应用。

蒸馏是一种常用的分离纯化方法，它通过液体的汽化和凝结来实现混合物组分之间的分离。

化学工程中的传质过程分析与计算方法传质过程是化学工程中至关重要的一部分，涉及物质从一个相态传递到另一个相态的过程。

在化学工程的设计和优化中，准确地分析和计算传质过程的速率和效率至关重要。

本文将介绍化学工程中传质过程的基本原理和常用的分析与计算方法。

一、传质过程的基本原理传质过程主要涉及物质的扩散、对流和反应等现象。

扩散是指物质分子在浓度梯度驱动下由高浓度区向低浓度区传递的过程。

对流是指由于流体的运动而导致物质传递的现象，可以进一步分为属于流体本身的动量传递和物质传递。

反应是指物质在传递过程中发生化学反应，形成新的物质。

二、传质过程的计算方法1. 扩散通量计算方法在扩散过程中，物质的传递速率可以通过计算扩散通量来确定。

扩散通量是指通过单位截面积在单位时间内传递过的物质的量。

根据菲克定律，扩散通量可以通过以下公式计算：J = -D∙∇C其中，J为扩散通量，D为扩散系数，∇C为浓度梯度。

2. 对流传质计算方法对流传质过程中，物质的传递速率与流体速度和浓度梯度有关。

常用的计算方法包括阻力和质量传递的计算，以及对流传质的计算模型（如Sherwood数、雷诺数等）。

3. 反应速率计算方法在传质过程中，物质的转化速率与化学反应有关。

根据反应动力学理论，可以利用反应速率方程来计算反应速率。

根据不同的反应类型和反应机理，反应速率方程可以采用不同的形式，如一级反应、二级反应等。

4. 多组分传质计算方法在实际应用中，传质过程往往涉及多个组分的传递。

此时，需要考虑组分之间的相互作用和竞争。

常用的计算方法包括质量守恒方程和组分平衡方程的联立求解，以及利用吉布斯自由能和互相作用系数等的方法。

三、传质过程分析与优化传质过程分析和优化是化学工程的核心任务之一。

通过合理的传质过程分析，可以确定传质速率和效率的影响因素，为优化设计提供依据。

常用的分析方法包括流体力学模拟、传质速率计算、实验测量和模型拟合等。

通过这些方法，可以准确地分析传质过程中的瓶颈和优化空间，提高工艺的效率和经济性。

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第八章传质过程导论第八章传质过程导论1．含有 CCl 4 蒸汽的空气，由 101.3kPa(绝)、293K 压缩到 l013kPa(绝)后，进行冷却冷凝，测出 313K 下开始有 CCl 4 冷凝，混合气出冷凝器时的温度为 300K 求： (l)压缩前、压缩后开始冷凝前与出冷凝器时，CCl 4 蒸汽的质量分率、质量比和摩尔浓度。

(2)出冷凝器时 CCl 4 蒸汽冷凝的百分率。

四氯化碳的饱和蒸汽压数据如下： 273 283 288 T /K 293 89.8 300 123 313 210p / mmHg 33.7 注：1mmHg = 133.3 p a55.671.1解：(1)l013kPa(绝)，313K 下开始有 CCl 4 冷凝，则210 × 101.3 760 y= = 0.0276 1013 0.0276 × 154 压缩前： a = = 0.131 0.0276 ×154 + (1 0.0276) × 29 0.0276 × 154 a= = 0.15 (1 0.0276) × 29 yp 0.0276 × 101.3 C= = = 1.15 × 10 3 kmol / m 3 RT 8.314 × 293 压缩后开始冷凝前： a = 0.131 ， a = 0.15 yp 0.0276 × 1013 C= = = 1.07 × 10 2 kmol / m 3 RT 8.314 × 313 123 × 101.3 760 出冷凝器时： y ' = = 0.0162 1013 0.0162 × 154 a' = = 0.080 0.0162 × 154 + (1 0.0162) × 29 0.0162 × 154 a'= = 0.087 (1 0.0162) × 29第 1 页第八章传质过程导论yp 0.0162 × 1013 = = 6.58 × 10 3 kmol / m 3 RT 8.314 × 300 a a' 0.15 0.087 × 100% = 42% (2) × 100% = a 0.15 C=2．二氧化硫与水在 30℃下的平衡关系为： a (kgSO2 / 100kgH 2 O) 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 52 1.0 79 1.5 1254.7 11.8 19.5 36 试求总压为 101.3kPa(绝)下的 x y 关系，并作图。

化学工程中的传质过程分析与计算在化学工程中，传质过程是一个关键的环节。

它涉及到物质从一个相的传输到另一个相的过程，如气相到液相、液相到固相等。

理解传质过程对于设计和优化化学工程过程具有重要意义。

本文将从传质的基本概念、传质的机制、传质过程的数学建模以及传质计算方法等方面进行分析与探讨。

一、传质的基本概念在化学工程过程中，物质传质是指通过物质的扩散、对流和反应等方式，使两相之间的组分发生变化的过程。

传质过程最常见的几种方式包括：气体和气体之间的扩散传质、气体和液体之间的气液传质、液体和液体之间的液液传质以及固体和液体之间的固液传质等。

不同的传质方式对应着不同的传质机制和计算方法。

二、传质机制1. 扩散传质：扩散传质是指物质在浓度梯度的作用下，由高浓度区向低浓度区自发性地传输的过程。

在扩散传质中，物质的传质速率与浓度梯度、物质的扩散系数以及系统的温度等因素有关。

2. 对流传质：对流传质是指通过流体的运动将物质从一个地方转移到另一个地方的过程。

对流传质的速率与流体的速度、物质的浓度以及系统的流动特性等因素有关。

3. 反应传质：反应传质是指在化学反应中，物质的传质与反应同时进行的过程。

反应传质的速率不仅受到物质的传质速率的限制，还受到反应速率的限制。

三、传质过程的数学建模为了描述传质过程中物质的传递规律，化学工程中常使用质量守恒和动量守恒以及物质传递过程的理论，建立数学模型。

传质过程的数学建模一般包括质量守恒方程、动量守恒方程和质量传递方程等。

1. 质量守恒方程：质量守恒方程描述了传质过程中物质浓度随时间和空间的变化规律。

通常表示为：∂C/∂t = -∇·(J)+R其中，C表示物质的浓度，J表示物质的传递通量，R表示源项或汇项。

2. 动量守恒方程：动量守恒方程描述了传质过程中流体速度随时间和空间的变化规律。

通常表示为：ρ(∂u/∂t+u·∇u) = -∇P+μ∇^2u+F其中，ρ表示流体的密度，u表示流体的速度，P表示压力，μ表示流体的动力粘度，F表示体积力。

第八章 传质过程导论第一节 概述8-1 化工生产中的传质过程均相物系的分离（提纯，回收）1.吸收2.气体的减湿3.液－液萃取4.固－液萃取（浸沥，浸取）5.结晶6.吸附（脱附）7.干燥 8精馏 目的：湿分离或混合8-2 相组成的表示法1. 质量分率和摩尔分率mm a A A =mm a B B =mm a C C =……….......+++=C B A m m m mA,B 两组分 a a -1 nn x A A =nn x B B =nn x C C =…….......+++=C B A n n n n .......1+++=C B A x x x互换 A A AA A m m a m m x ==BB B m m a x =…….∑=++=iii B B A A m a m m m a m m a n ...... ()....,,C B A i =故 ∑==iii AA A A m a m a nn xi iiAA A m xm a a ∑=2.质量比和摩尔比质量比 B A m m a /=摩尔比 B A n n X =()a a a -=1 ()x x X -=1)X X x -=13．浓度质量浓度 V m C A A = 3/m kg摩尔浓度 V n C A A = 3/m k m o l均相混合物的密度ρ即为各组分质量浓度的总和（体积与混合物相等）∑=++=iB A CC C ........ρρA V m a V m C A A A ===C x V n x V n C A A A A ===混合气体 RTp V n C A A A ==RTp MVn M Vm C AAAA A A ===气体总摩尔浓度 RTp Vn C ==摩尔分率与分压分率相等 pp nn y A A A ==气体混合物摩尔比可用分压比表示 BB A A BB A A BA Mp M p Mn M n n n Y ===第二节 扩散原理8-3 基本概念和费克定律分子扩散： 扩散速率与浓度梯度成正比 费克定律： 对双组分物系下表达为： dzdl D J A ABA -=A J —分子A 的扩散通量 s m kmol ⋅2/ 方向与浓度样应相反 AB D —比例系数 组分A 在介质B 中的扩散系数 s m /2A c —组分A 浓度，3/m kmoldz dc A —组分A 的浓度梯度 4/m kmol RTp c A A =得 dzdp RTD J AAB A -=定义A J 通过得截面是“分子对称”得，即有一个A 分子通过某一截面，就有一个B 分子反方向通过这一截面，填补原A 分子得空部位，这种分子对称面为固定时，较为简便。

第八章传质过程导论第一节概述8-1 物质传递过程(传质过程)传质过程• 相内传质过程• 相际传质过程相内传质过程：物质在一个物相内部从浓度(化学位)高的地方向浓度(化学位)高的地方转移的过程。

实例：煤气、氨气在空气中的扩散，食盐在水中的溶解等等。

相际传质过程：物质由一个相向另一个相转移的过程。

相际传质过程是分离均相混合物必须经历的过程，其作为化工单元操作在工业生产中广泛应用，如蒸馏、吸收、萃取等等。

几种典型的相际传质过程●吸收：物质由气相向液相转移，如图8-1所示A图8-1 吸收传质过程●蒸馏：不同物质在汽液两相间的相互转移，如图8-2所示。

相界面B图8-2 蒸馏传质过程●萃取，包括液-液萃取和液-固萃取液-液萃取：物质从一个相向另一个相转移。

例如用四氯化碳从水溶液中萃取碘。

液-固萃取：物质从固相向液相转移。

●干燥：液体(通常为水)由固相向气相转移其它相际传质过程：如结晶、吸附、气体的增湿、减湿等等。

传质过程与动量传递、热量传递过程比较有相似之处，但比后二者复杂。

例如与传热过程比较，主要差别为： (1)平衡差别传热过程的推动力为两物体(或流体)的温度差，平衡时两物体的温度相等；传质过程的推动力为两相的浓度差，平衡时两相的浓度不相等。

例如1atm,20ºC 下用水吸收空气中的氨，平衡时液相的浓度为0.582 kmol/m3 ，气相的浓度为3.28×10 - 4 kmol/m3 ，两者相差5个数量级。

(2)推动力差别传热推动力为温度差，单位为ºC ，推动力的数值和单位单一；而传质过程推动力浓度有多种表示方法无(例如可用气相分压、摩尔浓度、摩尔分数等等表示)，不同的表示方法推动力的数值和单位均不相同。

8-2浓度及相组成的表示方法1. 质量分数和摩尔分数● 质量分数：用w 表示。

以A 、B 二组分混合物为例，有w A = (8-1)● 质量分数：用x 或y 表示。

以A 、B 二组分混合物为例，有x A = (8-2)2. 质量比与摩尔比 ● 质量比：混合物中一个组分的质量对另一个组分的质量之比，用w 表示。