环境工程原理第05章质量传递课件.ppt

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1、第五章 质量传递,质量传递：是指物质在浓度差、温度差、压力差、电场或磁场场强差等推动力作用下，从一处向另一处的转移，简称传质,包括相内传质和相际传质两类。,质量传递的推动力,第五章 质量传递,质量传递与动量传递、热量传递有相似之处，但比后二者复杂。如与传热过程比较，主要差别为：,(1)推动力差别 传热推动力为温度差，单位为C；传质过程推动力为浓度差，浓度有多种表示方法(如气相分压、摩尔浓度、摩尔分数等)，不同表示方法的推动力和单位均不同。(2)过程最终状态的差别 传热是t=0；相际间传质浓度差0，而是相平衡（如：NH3 溶于H2O）。,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

2、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,第一节 环境工程中的传质过程,人造相界面物质在相间的物性差异,1、水、气体和固体中污染物的分离过程,吹脱、汽提,2、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,用水吸收混合气体中的氨,过程的极限:,过程的速率:,相平衡关系传质方向,传质机理传质速率,3、传质过程需要解决两个基本问题：,一、传质机理二、分子扩散三、涡流扩散,主要内容,第二节 质量传递的基本原理,能力要求：掌握费克定律、分子扩散系数、涡流 扩散与涡流扩散系数的概念。,一、传质机理,扩散：物质在单一相内的传递过程,第二节 质量传递的基本原理,分子

3、扩散：在静止或层流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子的无规则热运动使该组分由浓度高处传递至浓度低处，这种现象称为分子扩散。,1、流体中物质扩散的基本方式：,涡流扩散：流体湍流流动时，由于质点的无规则运动，相互碰撞和混合，在存在浓度梯度的情况下，组分会从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。,工程上为了加速传质，通常使流体处于湍流状态，涡流扩散占主导要地位。,2、两种扩散方式的区别：,第二节 质量传递的基本原理,1、费克定律,二、分子扩散,表示组分A向浓度减小的方向传递,A在B中的扩散系数，m2/s,A物质的量浓度，kmol/m3,A在z方向浓度梯度，kmol/m3m,扩散通量,第

4、二节 质量传递的基本原理,扩散通量(扩散速率)：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，kmol/(m2s)。,由组分A和B组成的混合物，在恒温、总压条件下，若组分A只沿z方向扩散，则任一点处组分A的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。,以质量分数为基准：,以摩尔分数为基准：,以质量浓度为基准：,第二节 质量传递的基本原理,费克定律的其它表达形式：,c为混合物物质的量浓度(kmol/m3)，xA为组分A的摩尔分数,为混合物的质量浓度(kg/m3)，xmA为组分A的质量分数,A为组分A的质量浓度（kg/m3）,2、分子扩散系数,第二节 质量传递的基本原理,定义式：,物理意义：单位浓度

5、梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；扩散系数大，分子扩散快。影响因素：系统的温度、压力和物系的组成。数据来源：一般由实验确定、半经验公式计算。,对于双组分气体混合物，组分的扩散系数：,（1）气体分子扩散系数（10-5 10-4 m2/s）,第二节 质量传递的基本原理,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,（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。液体、固体扩散系数的数量级分别为10-1010-9、10-1410-9m2/s。,涡流扩散系数不是物理常数，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影响，很

6、难测定。,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DABeff D,组分A的平均物质的量浓度,3、涡流扩散,第二节 质量传递的基本原理,涡流扩散通量表示方法借助于费克定律，定义扩散系数,三传的类似性,第二节 质量传递的基本原理,质量传递、热量传递和动量传递都牵涉到流体质点的交换(涡流传递)和分子交换(分子传递)，三种传递之间必然存在一定的内在联系。在湍流流动中，上述三种传递同时发生时，湍流流体质点和分子之间的交换不同程度地同时影响着三种传递，使三种传递的机理和计算方

7、法具有相似性。,(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。,思考题,第二节 质量传递的基本原理,一、等分子反向扩散 扩散通量、浓度分布二、单向扩散 扩散通量、浓度分布三、界面上有化学反应的稳态传质,主要内容,第三节 分子传质,能力要求：掌握扩散通量与浓度分布的计算,在一些双组分混合体系的传质过程中，当体系总浓度保持不变时，组分A在分子扩散的同时伴有组分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，

8、这种传质过程称为等分子反向扩散。,一、等分子反向扩散,第三节 分子传质,1、2两截面上A、B分压保持不变,等分子反向扩散发生在静止或垂直于浓度梯度方向上作层流运动的流体中，是一种最单纯的分子扩散过程。,p=pA+pB=Const,等分子反向扩散,等分子反向扩散,NA+NB=0,无流体的总体流动,在z0，cAcA，i和zL，cAcA，0之间积分,1、扩散通量,第三节 分子传质,稳态，NA定值,等温等压DAB为常数,同理，组分B有,？,稳态扩散过程，NA为常数，,2、浓度分布,经两次积分，代入边界条件,组分A和B的浓度分布为直线,第三节 分子传质,同理，组分B有,等分子反向扩散,氨分压降低,相界面

9、处气相总压降低,流体主体向相界面处流动,氨扩散量增加,相界面上空气浓度增加,空气从相界面向混合气体主体作反方向扩散,相界面处空气浓度（或分压）恒定,可视空气处于没有流动的静止状态,氨溶解于水,第三节 分子传质,传质过程：氨溶解于水,二、单向扩散,1、过程分析,空气与氨的混合气体（静止）,相界面上,流体主体与相界面间形成总压梯度,在气液两相界面上，只有气体组分A 从气相向液相传递，而无物质从液相向气相作相反方向的传递，这种现象可视为单向扩散。由于组分A 被溶剂吸收，使气相主体与相界面之间形成总压梯度，在此梯度推动下，气相主体向界面处流动，这种现象称为主体流动。,第三节 分子传质,什么是单向扩散？

10、,分子扩散是由浓度差引起的分子微观运动；主体流动是由气相主体与相界面之间的压差引起的流体的宏观运动，起因是分子扩散，所以主体流动是分子扩散的伴生现象。,2、扩散通量,第三节 分子传质,扩散组分的总通量由两部分组成，即流动所造成的传质通量和叠加于流动之上的分子扩散通量；,由组分A、B 组成的混合气体，如组分A 为溶质，B 为惰性气体，组分A向液体界面扩散并溶于液体中，则组分A的传质通量为流动中组分A的传质通量+分子扩散通量。,单向扩散,传质时流体混合物内各组分的运动速度不同，为了表达混合物总体流动的情况，引入平均速度uM,uA、uB组分A、B的宏观运动速度,第三节 分子传质,c、cA、cB混合气

11、体及组分A、B物质量的浓度,相对于运动坐标系uM，则组分A、B的相对速度扩散速度,第三节 分子传质,NA、NB、NM分别为组分A、B和流体混合物的扩散通量。,组分A的分子扩散通量,费克定律的普通表达形式,单向扩散，NB=0,在稳态情况下NA为定值,在恒温恒压条件下DAB、c常数，所以,第三节 分子传质,由于,cB,m 惰性组分在相界面和气相主体间的对数平均浓度,第三节 分子传质,令,则,扩散推动力,若静止流体为理想气体，根据P=cRT,总压强,组分A在相界面的分压,组分A在相主体的分压,惰性组分在相界面和气相主体间的对数平均分压,与等分子反向扩散速率方程相比，单向扩散时多了一个因子,讨论,（1

12、）组分A的浓度与扩散距离L为指数关系,（2）,意义：反映了主体流动对传质速率的影响程度，其值为主体流动使组分A传质通量增大的倍数，其值恒大于1，当A的浓度很低时，其值接近于1，主体流动的影响可忽略。,（3）单向扩散体现在吸收过程中。,第三节 分子传质,3、浓度分布,浓度用摩尔分数表示,第三节 分子传质,组分A的总传质通量：,对于稳态扩散过程，NA为常数，即,在恒温恒压下，DAB,c 均为常数,上式经两次积分，代入边界条件,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,得：,或：,单向扩散,三、界面上有化学反应的稳态传质,伴有化学反应的扩散传质过程：,扩散控制过程,反应控制过程

13、,化学反应可分为两类：一类是在整个相内均匀发生的反应，称为均相反应；另一类是局限在某个特定区域的反应，可以在相的内部，也可以在边界上，称为非均相反应。,化学反应速率扩散速率,化学反应速率扩散速率,以表面催化反应的扩散过程为例。气体由气相主体扩散到催化剂表面，在催化剂作用下，发生一级化学反应：,A(g)+C(g)2B(g),催化剂表面非均相反应及扩散,组分A扩散通量(摩尔比)：,组分A、B扩散通量间关系：,组分A扩散通量：,注意：化学反应式不同，传质通量的描述也不同。,一定操作条件下，DAB,c为常数,A组分在催化剂表面的浓度，未知量，受到反应速率的影响,（1）若反应瞬时完成，可认为在催化剂表面

14、不存在A组分，即,=0,扩散控制传质通量表达式,（2）若化学反应速率远远低于扩散速率，则此过程可视为反应控制过程。若为一级化学反应，在催化剂表面组分A的传质通量与摩尔分数的关系为,一级反应速率常数，m/s。,超越方程,近似解,反应控制传质通量表达式,扩散控制传质通量表达式,【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与净化器中的三效催化剂接触，在催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。,气相主体,已知：汽车尾气净化后排放温度为540，压力为1.18105N/m2，含有

15、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4.1910-3kmol/(m2h)时，净化 反应器高度的最大值。,在催化剂表面，有,尾气浓度,kmol/m3,故,L=1.44 mm,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,单向扩散,等分子反向扩散,漂移因子的物理意义,（一）扩散通量,（二）浓度分布,费克定律一般表达式,本节小结,界面有化学反应稳态传质,反应控制传质通量表达式,扩散控制传质通量表达式,(1)什么是总体流动？分析总体流动和分子扩散的关系。(

16、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。(5)分析双组分混合气体中，当NB=0、NB=NA及NB=2NA时，总体流动对组分传质速率的影响。,思考题,第三节 分子传质,一、对流传质过程的机理及传质边界层二、对流传质速率方程三、典型情况下的对流传质系数,主要内容,第四节 对流传质,能力要求：掌握对流传质机理、传质速率方程和 传质系数,对流传质：流动流体与相界面（固体壁面或流体界面）之间发生的传质过程，也称为对流扩散。,对流传质类型,按流体流动发生的原因,强制对流传质自然对流传质,按流体的

17、作用方式,流体作用于固体壁面一种流体作用于另一种流体,一种流体作用于另一种流体,流体作用于固体壁面,如：固体燃料燃烧时，空气中氧 气向燃料表面的传输,一、对流传质过程的机理及传质边界层,对流传质过程中，组分传质不仅依靠分子扩散，而且依靠流体各部分的宏观位移，导致扩散速率增大。,1、对流传质过程机理,层流边界层：在垂直流动方向上只存在由浓度梯度引起的分子扩散。,湍流边界层：除分子扩散外，更重要的是涡流扩散。,湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均 一化，浓度分布曲线近似为水平线。,过渡区：分子扩散+涡流扩散，浓度分布曲线逐渐平缓,层流底层：传质机理仅为分子扩散，浓度梯度较大，浓度分布曲线

18、很陡，近似为直线。,2、传质边界层,可以认为质量传递的全部阻力都集中在传质边界层内,传质边界层的名义厚度定义为,时,传质边界层：具有浓度梯度的流体层,流动边界层与传质边界层的关系：,施密特数：分子动量传递能力和分子扩散能力的比值，表示物性对传质的影响。,施密特数,(cA-cA,i)0.99(cA,0-cA,i),二、对流传质速率方程的一般形式,流动处于湍流状态时，物质的传递包括分子扩散和涡流扩散，而涡流扩散系数难以测定和计算。,1、为揭示对流传质系数的物理本质，从理论上说明诸因素对它的影响，把复杂的对流传质过程转化为本质上近似的数学模型加以研究。2、简化数学模型，对其作数学描述，解析求得传质系

19、数的理论式。3、实验检验、确定模型参数。,问题提出,解决问题思路,简化处理：将过渡层内的涡流扩散折合为具有一定厚度的层流膜层的分子扩散膜模型。,由流体主体到界面的扩散,通过有效膜层的分子扩散,整个有效膜层的传质推动力为,全部传质阻力集中在有效膜层,G,有效膜层 虚拟膜层,对流传质过程的 虚拟膜模型,分子扩散,相当于,有效膜厚:层流内层浓度梯度延长线与流体主体浓度线相交于G点，G点到相界面的垂直距离。,组分A的对流传质速率，kmol/(m2s),流体主体中组分A的浓度，kmol/m3,界面上组分A的浓度，kmol/m3,对流传质系数，下标“c”表示物质的量浓度，m/s,用分子扩散速率方程去描述对

20、流扩散。由壁面至流体主体的对流传质速率为,界面上组分A的分压N/m2,气相主体中组分A的分压，N/m2,气相传质分系数，kmol/（m2sPa）,气相与界面的传质,气相中的传质用摩尔分数 y 表示，则,液相中的传质用摩尔分数x表示，则,传质速率方程式能否用于计算？(cA,i-cA,0)可求，但k=?（同传热：k取决于流体物性、流动状况等因素）实验测定经验公式（下一章）。,注意！传质速率方程式有多种形式（浓度表示方法有多种 传质推动力和相应的传质系数），传质比传热更复杂。,液相传质分系数，m/s,液相与界面的传质,双组分系统中，A、B两组分作等分子反向扩散时，,对流传质系数用 表示，则,相应的分

21、子扩散速率为,虚拟膜层厚度,1、等分子反向扩散的传质系数,单相对流传质的两种典型情况：,2、单向扩散的传质系数,双组分系统中，组分A通过停滞组分B作单向扩散时，,对流传质系数用 表示。则,相应的分子扩散通量为,故,组分B的对数平均摩尔分数,单向扩散,传质通量的计算,分子传质,等分子反向扩散,对流传质,三、典型情况下的对流传质系数,自学内容,以“三传”为物理内核的单元操作,(1)简述对流传质的机理和传质阻力的分布。(2)传质边界层的范围如何确定？试分析传质边界层与流动边界层的关系。(3)为什么流体层流流动时其传质速率较静止时增大？(4)虚拟膜层的涵义是什么？试比较对流传质速率方程 和费克定律的异

22、同。(5)比较对流传热和对流传质的区别。为什么对流传质存在两种情况？(6)简述影响对流传质速率的因素和强化传质的措施。,思考题,在稳态传质下，组分A通过有效膜层的传质速率应等于对流传质速率，即,关键在于求壁面浓度梯度,工程中常见的湍流传质问题，基于机理的复杂性，不能采用分析方法求解。,施伍德数,传质设备的特征尺寸,对流传质系数一般采用类比法或量纲分析法确定。,三、典型情况下的对流传质系数,(一)平板壁面上的层流传质,局部传质系数,以x为特征尺寸的雷诺数,x距离平板前缘距离,施密特数,对于长度为L的整个板面，其平均传质系数,以板长L为特征尺寸的雷诺数,适用范围：,0.6，,平板壁面上传质速率很低

23、（壁面法向流动可忽略不计）,平均传质系数,对流传质系数,(二)平板壁面上的湍流传质,（1）组分A在管壁处的浓度 恒定,(三)圆管内的层流对流传质,在圆管内流动的流体与管壁间发生传质,速度分布和浓度分布均已充分发展、且传质速率较低时，,（2）组分A在管壁处的质量通量 恒定,管道内径,管壁覆盖着某种可溶性物质,多孔性管壁，组分A以恒定的传质速率通过整个管壁流入流体中,管内层流时，对流传质系数或施伍德数为常数,球直径,球运动速度,(四)绕固体的强制对流传质,汽车尾气主要由碳氢化合物(CnHm)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(Nox)等组成，其中CnHm及NOx在阳光及其它适宜条件下发生化学反应，生成含

24、有NO2和O3的光化学烟雾。1955年美国洛杉矶被光化学烟雾笼罩几天，几千人受害，三百人死亡。从20世纪70年代以来，欧美各国针对汽车排放问题相继制定了法律条例，控制汽车废气排放。这种政府行为促进了汽车排气净化装置的发展和应用，一种简便、有效的催化式排气净化器应运而生了。,汽车尾气净化催化剂三元催化剂TWC(Three-Way Catalyst),催化式排气净化器有氧化型、双床型、三元型等多种型式，其中最常用的是三元型催化式净化器。欧共体规定从1993年1月开始，在欧共体各国出售的汽油发动机新车一律要配置三元型催化式净化器。最近，北京执行了新的轻型汽车排放标准，上海及其它一些大城市也将会公布类

25、此汽车排放标准，三元型催化式排气净化器在中国将会被大量使用。,三元指：CO、CnHm、NOx。构造：外形象一个排气消声器，实际上也起到消声器的作用。壳体用耐高温的不锈钢制成，内部的蜂巢式通道(多孔陶瓷材料)上涂有催化剂，催化剂的成份有铂、钯和铑等稀土金属。工作原理：当汽车废气通过净化器时，CO和CnHm在催化剂铂与钯的作用下，与空气中的氧发生反应产生水和二氧化碳，而NOx则在催化剂铑的作用下被还原为氧气和氮气。,催化剂的最佳工作温度是400到800左右，温度过高使催化剂老化加剧，温度过低，转换效率急剧下降；在理想的空燃比(14.7:1)下，催化转化的效果也最好。所以净化器要与车上的电子控制系统连在一起使用，用氧传感器检测排气中的氧浓度，将信息反馈到计算机，再由计算机去控制空燃比。,柴油机排放的气体中残留的氧较多，使氧传感器的控制不灵敏，故三效催化净化器一般不用于柴油机，而只适用于汽油机。装有三元催化器的车辆不能使用含铅汽油，另外装有三元催化器会降低发动机的功率，所以赛车一般不装三元催化净化器。,由于贵金属资源少、价格贵，各国科学家都在致力于研究经济和技术上都可行的稀土/钯三效催化剂。预计这种催化剂将有很好的应用前景。,