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1、化工原理,Principle of Chemical Engineering,II,主讲教师：赖庆柯,简单回顾1：化工原理在化工领域中的地位,本课程，不是教学生如何合成得到新物质？如何提取新物质？如何表征新物质？这是化学家的事。化学工程研究的是：如何把化学家们的小试研究成果开发放大为中试，再开发为生产规模。是在科学实验与化工之间架桥的工作，是直接为人类服务的创造价值的劳动。“单元操作”（Unit Operations）化工生产=单元操作+单元过程（化学反应）化学工程=化工原理+反应工程=三传+一反三传=动量传递+热量传递+质量传递,简单回顾2：,动量传递（动量扩散）（动量通量）=-（动量扩散系
2、数）（动量浓度梯度）热量传递（热量扩散）（热量通量）=-（热量扩散系数）（热量浓度梯度）现象（唯象）方程（phenomenological equation）分子传递基本定律，在固体中、静止或层流流动的流体内才会产生这种传递过程。质量传递（扩散）？（质量通量）=-（质量扩散系数）（质量浓度梯度）,（通量）=-（扩散系数）（浓度梯度）,简单回顾3：,以“三传”为物理内核的单元操作,中国企业在2005年度世界500强（18家）中化工企业的排位,化工原理II教学组织及要求,1化工原理II讲课学时安排 化工原理下册，教学大纲共计50学时。第 八 章 传质过程导论 8学时第 九 章 吸收 12学时第 十
3、 章 蒸馏 18学时第十三章干燥 12学时2教学环节与要求课堂教学（思路和概念为主）：认真听讲、记笔记，不迟到、早退，保证出勤率预习、复习、练习作业：严谨，独立完成，及时答疑，平时成绩10%。一般每周二上课前交齐,学习委员负责答疑：地点：系办公室期中测试(闭卷)期末考试(闭卷),相关的参考资料,参考教材1、化工原理（上、下），姚玉英等，天津大学出版社2、化工原理（上、下），陈敏恒等，化学工业出版社辅助教学资料：1、化工原理学习指南-问题与习题解析，姚玉英等，天津大学出版社2、化工原理例题与习题，姚玉英，化学工业出版社3、化工原理教与学，陈敏恒等，化学工业出版社4、化工原理例题详解，陈敏恒等，化
4、学工业出版社5、化工原理习题精解（上、下），何潮洪等，科学出版社6、化工原理详解与应用，丛德滋，化学工业出版社,网络资源：超星电子图书（图书馆）；系网页上的教学园地；其它。,第八章 传质过程导论,目的：1、了解传质的重要性；2、掌握相组成的多种表示方法；3、掌握扩散原理；4、掌握三种传递之类比；5、了解传质设备。重点：扩散原理（分子扩散，稳定、不稳定扩散，等摩 尔相互扩散，单向扩散，涡流扩散，对流扩散）的理解，掌握相互间之差别。难点：相组成的表示；扩散原理。,第一节 概述8-1 化工生产中的传质过程,人造相界面（制成两相物系）物质在相间的物性差异,相界面,气相,液相 S,B+A,S+A,吸收,
5、A,A,脱吸,相界面,气相 B,液相,B+A,S+A,相界面,汽相,液相,精馏,A,B,A+B,A+B,相界面,固相,气相,B+A,C+A,干燥,A,相界面,气相,水相,A（水）,B+A,A,A,减湿,增湿,相界面,液相,液相,B+A,S+A,萃取,A,固相,液相,B+A,S+A,浸沥（取）固液萃取,A,A（或A+S）,结晶,A,溶解,A,吸附,A,脱附,A,传质过程（分离操作）：物质在相间的转移过程。相际传质的复杂性 举例:吸收与传热的区别 推动力不一样 传热是温度差；传质是浓度差。过程的最终状态不一样 传热是t=0；相际间的传质不是浓度差=0，而是相平衡（物化）（如：NH3溶于H2O）。传
6、质的推动力：浓度差 温度的单位简单（K或）；浓度（或组成）的表示和单位制有多种。,8-2 相组成的表示方法,1、质量分率和摩尔分率 质量分率 摩尔分率（一般液相用x，气相用y）相互换算关系：2、质量比和摩尔比（常见于双组分物系）质量比 摩尔比 换算关系：,3、浓度 质量浓度 摩尔浓度 换算关系：气体,kg/m3,kmol/m3,第二节 扩散原理 8-3 基本概念和费克(Fick)定律,流体中物质扩散的基本方式：分子扩散：,扩散：物质在单一相内的传递过程,推动力,浓度差,物质传递,简称为扩散,终点：,浓度差为,扩散快慢？,扩散通量：单位面积上单位时间内扩散传递的物质量，单位为kmol/(m2s)
7、;费克(Fick)定律：扩散通量与浓度梯度成正比。对于组分A对于组分B,浓度梯度,JA 物质A在介质B中的分子扩散通量DAB 分子扩散系数“”扩散沿浓度降低的方向,注意！虽然扩散是物质分子热运动的结果，但物质A的扩散速度并不等于在扩散温度下单个分子的热运动速度。,费克定律同傅利叶定律 和 牛顿粘性定律,8-4 一维稳定分子扩散,一、等分子（摩尔）反方向扩散（1）JA=-JB（等分子反向扩散）（2）对A、B二元物系，系统各处的总摩尔浓度都相等；即 p=pA+pB=Const.则 DAB=DBA 在这种双组分混合物内，产生物质A的扩散流JA的同时，必定伴有方向相反的物质B的扩散流JB。D与物系有关
8、，与T、P有关，数据实测。,D气相 D液相,等分子反向扩散发生在静止的或在垂直于浓度梯度方向上作滞流运动的流体中，是一种最单纯的分子扩散过程。,对于双组分混合物，在总压处处相等的前提下(分子浓度处处相等):,传质速率（或传质通量）NA：单位时间通过单位固定空间传质面积的A物质量，单位 kmol/(m2s)；等分子反方向扩散中（物系静止）：定态过程，连通管内 NA、D、T 均为Const。将上式中的p、z 对应积分，整理得：同理，组分B有若为液相，则有,二、一组分通过另一停滞组分的扩散（单向扩散）,4、总体流动与B的扩散运动方向相反,溶质A,相界面,溶剂S,同时S不逆向通过（汽化）,如吸收：,对
9、于截面2：,N，N(cA/C)，N(cB/c)；,2、A、B做等分子反方向扩散的传递运动,3、总体流动加快了A的传递速度,1、总体流动。,即 JA=-JB,NA=JA+N(cA/c),NB=JB+N(cB/c)=0 B为停滞组分。,即有,在主体（z1=0，pA=pA1）至界面（z2=z，pA=pA2）间积分，得：,由于,B组分在界面与主体间的对数平均分压,与等摩尔相互扩散相比多了一个因子p/pBm漂流因数。漂流因数反映总体流动对传质速率的影响。p/pBm1 传质速率较大。若pA p/pBm；反之pA p/pBm0,表达某个组分在介质中扩散快慢的一种传递属性，是物质的特性常数之一。类似于，但较复
10、杂,8-5 扩散系数,D（m2/s）,一、气体中的D,分子热运动速度,分子碰撞频繁,扩散速度,D,范围0.11cm2/s,计算：半经验公式，福勒（Fuller）p10式（8-21）和表8-2 换算：,二、液体中的D,计算：经验公式，p11式(8-23)或表8-4,分子密集,D液D气,约10-5cm2/s,8-6 湍流流体中的扩散,前面分子扩散的特点：滞流流体中，为什么只有分子扩散？湍流流体的特点：流体质点无规则杂乱运动,涡流扩散,DE涡流扩散系数。非物性常数，与湍动程度有关，且与流体质点所处位置有关，很难测定。D扩散系数。在温度压力不变时为Const.,湍流流体中在进行涡流扩散的同时，也存在着
11、分子扩散。,对流扩散,层流：D占主要地位；湍流：DE占主要地位。,膜模型（停滞膜模型）,e,0,cA2,cA1,c,F,G,H,E,z,虚拟相界面有效膜,层流底层（DE 0，分子扩散）,湍流主体（DED，D0，涡流扩散）,过渡层,e当量膜厚,膜模型,对流传质,膜模型（停滞膜模型）,把从气相主体到界面的对流传质速率折合成通过厚度为e的膜层（虚拟膜）的分子扩散速率。,液相,式中，kG气相对流传质系数（以分压差为推动力）kmol/m2spa,kL液相对流传质系数（以浓度差为推动力）kmol/m2s(kmol/m3),kG、kL简称为传质分系数或传质系数,显然，若流体气体中的湍流愈激烈Re，则，传质阻
12、力也愈小，即1/k。,传质速率方程式能否用于计算？(cA1-cA2)可求，但k=?（同传热的，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（浓度的表示方法有多种 传质推动力和相应的传质系数）。传质比传热更复杂。,第三节 质量、热量、动量传递之间的关系8-7 三种传递间的类比,质量传递方向,热量传递方向,动量传递方向,三种传递均起源于涡流的质点交换,存在内在联系,k、的关系,三传类比,常见类比式：,雷诺类比：,柯尔本类比：,【补例】：在一直立的毛细玻璃管内装有乙醇，初始液面距离管口10mm，如图所示。管内乙醇保持为293K(乙醇饱和蒸汽压为1.9
13、998kPa)，大气压为101.3kPa。当有一空气始终平缓吹过管口时，经100小时后，管内乙醇液面下降至距管口21.98mm处。试求该温度下，乙醇在空气中的扩散系数。解：pA1=1.9998kPa 空气吹过管口 pA2=0 本题为单向扩散,另由蒸发可知：对于乙醇查表可知=804kg/m3，M=46kg/kmol。已知z1=10mm，z2=21.98mm，=100h,第四节 传质设备简介,用作传质设备的要求：、接触机会良好（即从分地接触）。相界面的面积&湍动程度；、接触之后及时分开，分离完全，互不夹带；、结果简单，紧凑，操作便利稳定，运转可靠，周期长，能耗小。总之，安全经济合理。,均相物系的分
14、离传质 传质过程：人为地制造相界面（制成两相物系），利用物质在相间的物性差异,相界面的面积 湍动程度,扩散速率,但相界面是由两相接触元件和流体力学条件确定的，接触元件的面积是固定了的，只能从分利用原有的相界面。要求建立适宜的接触方式和流体力学状况。,塔设备,8-8 填料塔和板式塔,均为两相逆流设备1、填料塔 两相的浓度沿塔高度连续变化称为连续接触式传质设备,拉西环,鲍尔环,阶梯环,环,板波纹,丝网波纹,鞍形环,槽式液体分布器,2、板式塔 两相的浓度沿塔高呈阶梯变化称为逐级接触式传质设备,优点：弹性大、操作稳定可靠。缺点：结构复杂，制造成本高，压降大，液泛气速 低，故生产能力较小。,有溢流塔板又分为：,特点：结构简单、造价低、压降小、生产能 力大、操作弹性可达23、,特点：结构上较泡罩简单，比筛板复杂，操作弹性大、生产能力大。,各种浮阀：,阀型：F1型、V型、T型、A型,旋流塔板,压延孔板,斜孔塔板,
