第八章 传质过程导论(08.3.1)

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。

福州大学化工原理电子教案 气体吸收

- 1 - 8.3 扩散和单相传质

在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题：过程的极限和过程的数率。吸收过程的极限决定于吸收的相平衡常数，在8.2节中作了讨论。本节将讨论吸收的速率问题。吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步骤：

① 溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；

② 溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程

③ 溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。

通常，第②步即界面上发生的溶解过程很容易进行，其阻力很小（传质阻力传质推动力传质速率）故认为相界面上的溶解推动力亦很小，小至可认为其推动力为零，则相界面上气、液组成满足相平衡关系，这样总过程的速率将由两个单相即①步气相和③步液相内的传质速率所决定。无论是气相还是液相，物质传递的机理包括以下两种。

（1）分子扩散。类似于传热中的热传导，是分子微观运动的宏观统计结果。混合物中存在温度梯度、压强梯度及浓度梯度都会产生分子扩散，本章仅讨论因浓度梯度而造成的分子扩散速率。发生在静止或层流流体里的扩散就是分子扩散。

（2）对流传质。是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为对流传质。发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是对流传质。

将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水，则将甜得更快更均匀，那便是对流传质的结果。

以下仅讨论定态条件下双组分物系的分子扩散和对流传质。

8.3.1双组分混合物中的分子扩散

（1）费克定律

只要流体内部有浓度梯度，就会产生分子扩散，在恒温恒压下，一维分子扩散速率可用费克定律表达如下：

ddCDJAABA

浓度梯度ddCA指向浓度增加的方向，而扩散向浓度降低的方向进行，故式中加－负号。ABD为组分A在双组分混合物A、B中的扩散系数。

对双组分混合物，在总浓度（对气相也可说总压）各处相等及BAMCCC＝常数的前提下，也有

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

mmaAA mmaBB mmaCC „„„.

......CBAmmmm

A,B两组分 a a1

nnxAA nnxBB nnxCC „„.

......CBAnnnn

.......1CBAxxx

互换

AAAAAmmammx

BBBmmax „„.

iiiBBAAmammmamman...... ....,,CBAi

故 iiiAAAAmamannx

iiiAAAmxmaa

2.质量比和摩尔比

质量比 BAmma/

摩尔比 BAnnX

aaa1

xxX1 XXx1

3．浓度

质量浓度 VmCAA 3/mkg

摩尔浓度 VnCAA 3/mkmol

均相混合物的密度即为各组分质量浓度的总和（体积与混合物相等）

iBACCC........

AVmaVmCAAA

CxVnxVnCAAAA

混合气体 RTpVnCAAA

RTpMVnMVmCAAAAAA

气体总摩尔浓度 RTpVnC

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

mmaAA mmaBB mmaCC „„„.

......CBAmmmm

A,B两组分 a a1

nnxAA nnxBB nnxCC „„.

......CBAnnnn

.......1CBAxxx

互换

AAAAAmmammx

BBBmmax „„.

iiiBBAAmammmamman...... ....,,CBAi

故 iiiAAAAmamannx

iiiAAAmxmaa

2.质量比和摩尔比

质量比 BAmma/

摩尔比 BAnnX

aaa1

xxX1 XXx1

3．浓度

质量浓度 VmCAA 3/mkg

摩尔浓度 VnCAA 3/mkmol

均相混合物的密度即为各组分质量浓度的总和（体积与混合物相等）

iBACCC........

AVmaVmCAAA

CxVnxVnCAAAA

混合气体 RTpVnCAAA

RTpMVnMVmCAAAAAA

气体总摩尔浓度 RTpVnC