化工生产中的传质过程

化工三传应用及意义化工三传是指化工传质、传热、传质的过程。

化工传质是指在化学反应过程中，物质间的传质现象，即物质从高浓度区域向低浓度区域的扩散和传递。

化工传热是指在化学反应中由于温度差异引起的热量传递现象。

而化工传质是指化学反应过程中物质的传递和转化。

化工三传在化学工程过程中具有重要的应用和意义：首先，在化学反应过程中，化工传质是确保反应速率和反应效果的关键。

物质的扩散和传递是化学反应发生的基础。

通过控制传质过程，可以实现反应物和产物之间的传递和转化，从而提高反应速率，提高反应效果。

例如，在化学合成反应中，通过调节反应物的传质速率，可以调控反应的速率和产物的选择性，从而提高反应的收率和纯度。

其次，化工传热在化学工程中具有重要的能量转移作用。

在化学反应过程中，温度差异是能量转移的主要原因，而化工传热则是实现能量传递的关键。

通过控制传热过程，可以实现能量的平衡，在化学工程中充分利用和回收能量，提高能源利用效率。

例如，在化工生产中，通过在反应器中设置换热设备，可以将反应过程中产生的热量传递给其他工艺环节，实现能量的回收和再利用，从而降低能源消耗和生产成本。

此外，化工传质既与物质传递有关，又与化学反应过程有关。

在化学反应过程中，物质的传递和转化是物质转化的关键。

通过控制传质过程，可以实现反应物的选择性和转化产物的纯度。

例如，在气-液相反应中，通过控制气体和液体相界面的传质速率，可以调节气体和液体相中反应物的浓度，从而控制反应的选择性和产物的纯度。

此外，化工传质还与反应过程中物质的传递效率有关。

通过优化传质过程，可以提高物质的传递效率，从而提高反应速率和反应效果。

最后，化工三传在工业中有着广泛的应用。

在化工生产中，传质传热过程是各种化学反应过程的基础和关键环节。

通过研究传质传热过程，可以提高化工生产的效率和质量，降低生产成本，保护环境。

例如，在化工生产中，通过优化传质过程，可以实现各种反应物的传递和转化，提高反应的效率和产物的纯度；通过优化传热过程，可以实现能量的回收和再利用，降低能源消耗和生产成本。

一、分子扩散现象与费克定律
2.费克(Fick)定律 描述分子扩散过程的基本定律—费克第一定律。
dcA J A DAB dz
及
J B DBA
dcB dz
kmol/(m2·s
)
费克第 一定律
DAB —组分A在组分B中的扩散系数，m2/s DBA —组分B在组分A中的扩散系数，m2/s
一、分子扩散现象与费克定律
混合物的总质量分数
i 1
wi 1
N
二、质量分数与摩尔分数
2.摩尔分数 摩尔分数定义式
nA xA n
xi 1
N
液相
nA yA n
气相
混合物的总摩尔分数
i 1
i 1
yi 1
N
二、质量分数与摩尔分数
质量分数与摩尔分数的关系 由质量分数 求摩尔分数
xA
wA / M A
～
NA
～ 总体流动影响
p总 / pBM 1 N A J A 无总体流动
三、液体中的稳态分子扩散
1.等分子反方向扩散 参照气体中的等分子反方向扩散过程，可写出
NA
DAB z
(cA1 cA2 )
z z2 z1
—组分A在溶剂B中的扩散系数，m2/s DAB
三、液体中的稳态分子扩散
xB2 xB1 xB2 ln xB1
停滞组分 B 对数平均物 质的量浓度
xBM
停滞组分 B 对数平均摩 尔分数
四、扩散系数
1.气体中的扩散系数 通常，扩散系数与系统的温度、压力、浓度以 及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分 的扩散系数在低压下与浓度无关，只是温度及压力 的函数。气体扩散系数可从有关资料中查得，某些 双组分气体混合物的扩散系数列于附录一中。气体 中的扩散系数，其值一般在 1104 ~ 1105 m2/s 范 围内。

dc A —组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m dz
； DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。
负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿
着浓度降低的方向进行
对于气体扩散：
dC A N A J A D dZ D dp A NA RT dZ
nA pA C A V RT
mA wA m
摩尔分率：在混合物中某组分的摩尔数 占混合物总摩尔数的分率。
气相：
nA 液相： x A n
nA yA n
yA yB y N 1
xA xB x N 1
质量分率与摩尔分率的关系：
nA mwA / M A xA n mwA / M A mwB / M B mwN / M N wA /M A wA /M A wB /M B wN /M N
JA NMcA/c
到界面溶解于溶剂中，造
成界面与主体的微小压差
NA
，
使得混合物向界面处的流 动。 （2）总体流动的特点：
总体流 动NM NMcB/c
JB
1
2
1）因分子本身扩散引起的宏观流动。 2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔 分率。
N MA
cA NM c
N MB
cB NM c
p Bm
——漂流因数，无因次
Sm
漂流因数意义：其大小反映了总体流动对传质速率的影 响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子
扩
散增大的倍数。 漂流因数的影响因素：
p p Bm 1
c cSm
1
浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。

膜蒸馏过程的传热与传质膜蒸馏是将膜与蒸馏过程相结合的分离方法。

热侧水溶液在蒸汽压差的作用下,在多孔疏水膜表面蒸发,水蒸气通过膜,进入低温侧,冷凝得到纯净水。

膜蒸馏传质的推动力是膜两侧温度下水的饱和蒸汽压差,是一种有相变的膜分离过程。

空气隙膜蒸馏的具有直接得到冷凝的纯水,对冷却水的纯度要求很低和在低压和较低温度的条件下进行分离的优点,而且操作简单、分离效率高,可以用于海水脱盐、非挥发性溶质水溶液浓缩、水溶液中挥发性有机物溶质的脱除以及废水处理等领域,所以膜蒸馏越来越引起人们的关注。

根据扩散到膜另一侧的蒸汽被冷凝的方式不同,膜蒸馏可以分为直接接触式膜蒸馏、真空膜蒸馏、气扫式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏和减压膜蒸馏。

真空膜蒸馏与其他方式的膜蒸馏相比较, 热传导的损失一般可以忽略, 热效率较高,而且透过通量一般较大, 因此受到研究者越来越多的重。

1. 1 热量传递真空膜蒸馏的传热过程大体分为三步:1)热量从热侧料液主体传到热侧膜面;2)热量伴随挥发组分通过膜孔和膜本体传递(跨膜传热);3)热量伴随挥发组分在下游侧冷凝而传递。

1. 1. 1 边界层内的热量传递热量从热侧料液主体传到热侧膜面主要以对流方式传递, 其热阻主要集中在边界层。

流道内对流传热系数满足Dittus-Boelter方程。

但膜蒸馏的传热过程伴有质量传递,与换热器的传热多有不同,因而有必要对Dittus-Boelter方程中的常数重新进行测定。

Lawson[1] 等设计了新的膜组件,用纯水做实验介质对对流传热系数进行了测定,得到的结果与Dittus-Boelter方程基本一致。

阎建民[2]等介绍了应用减压膜蒸馏技术测定膜组件对流传热系数的理论方法,并通过实验测定了膜组件的对流传热系数,发现雷诺数及普朗特数对对流传热系数的影响与Dittus- Boelter 方程基本一致。

Mengual[3]等由努赛尔数、雷诺数和普朗特数关联式出发,通过实验测定了传热方程中的系数,并与在膜蒸馏法中常用的传热经验关联式进行了比较后得出结论:对于流体的不同流动情况,经验关联式的适用性是不同的；当使用传热的经验关联式来计算膜蒸馏过程中的传热时必须重新考虑特征常数。