环境工程原理第05章质量传递.课件.ppt

1、第五章 质量传递 简称简称传质传质, ,包括包括两两类。类。 质量传递的推动力质量传递的推动力温度差温度差压力差压力差场强差场强差浓度差浓度差热扩散热扩散压力扩散压力扩散强制扩散强制扩散分子扩散和涡流扩散分子扩散和涡流扩散第五章 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：二者复杂。如与传热过程比较，主要差别为：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本章主要内容第一节 环境工程中的传质过程分类分类非均相混合物非均相混合物

2、均相混合物均相混合物特点特点有相界面有相界面无相界面无相界面单元操作单元操作过滤、沉降等过滤、沉降等吸收、萃取、吸附、离吸收、萃取、吸附、离子交换、膜分离等子交换、膜分离等分离依据分离依据 不不同相物性同相物性差异差异人造相界面物质在相间人造相界面物质在相间的物性差异的物性差异1 1、水、气体和固体中污染物的分离过程、水、气体和固体中污染物的分离过程相界面相界面气相气相液相液相 SB+AS+AAA相界面相界面气相气相 B 液相液相B+AS+A相界面相界面气相或液相气相或液相固相固相CB+AAA相界面相界面固相固相液相液相B+AS+AA相界面相界面液相液相液相液相B+AS+AA2、反应中的传质过

3、程：、反应中的传质过程：石灰石灰/石灰水洗涤烟气脱硫石灰水洗涤烟气脱硫催化氧化法净化汽车尾气催化氧化法净化汽车尾气用水吸收混合气体中的氨用水吸收混合气体中的氨过程的极限过程的极限:过程的速率过程的速率:相平衡关系相平衡关系传质方向传质方向传质机理传质机理传质速率传质速率3、传质过程、传质过程需要解决两个基本问题：需要解决两个基本问题：一、传质机理一、传质机理二、分子扩散二、分子扩散三、涡流扩散三、涡流扩散主要内容主要内容第二节 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。扩散与涡流扩散系数的概念。一、传质机

4、理一、传质机理 第二节 质量传递的基本原理 分子扩散：分子扩散：在静止或层流流体内部，若某一组分存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。度高处传递至浓度低处，这种现象称为分子扩散。涡流扩散：涡流扩散：流体湍流流动时，由于质点的无规则运流体湍流流动时，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，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。涡流扩散。工程上为

5、了加速传质，通常使流体处于湍流状态，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。涡流扩散占主导要地位。 扩散方式扩散方式分子扩散分子扩散涡流扩散涡流扩散作用物作用物流体分子流体分子流体质点流体质点作用方式作用方式热运动热运动湍动和旋涡湍动和旋涡作用对象作用对象静止、层流静止、层流湍流湍流扩散快慢扩散快慢慢慢快快第二节 质量传递的基本原理 1 1、费克定律、费克定律二、分子扩散二、分子扩散dzdCDNAABAz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/sA物质的量浓度，kmol/m3A在z方向浓度梯度，kmol/m3m扩散通量第二节 质量传递的基本原理 扩散速

6、率扩散速率)单位时间内通过垂直于扩散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，方向的单位截面积扩散的物质量，kmol/(m2s)。由组分由组分A和和B组成的混合物，在恒温、总压条件下，组成的混合物，在恒温、总压条件下，若组分若组分A只沿只沿z方向扩散，则任一点处组分方向扩散，则任一点处组分A的的扩散通扩散通量量与该处与该处A的浓度梯度成正比。的浓度梯度成正比。 mAAABddzxNDz 以质量分数为基准：以摩尔分数为基准：以质量浓度为基准：AAABddzxNc Dz AAABddzNDz 第二节 质量传递的基本原理 费克定律的其它表达形式：费克定律的其它表达形式： c为混合物物质的

7、量浓度为混合物物质的量浓度(kmol/m3)，xA为组分为组分A的摩尔分数的摩尔分数为混合物的质量浓度为混合物的质量浓度(kg/m3)，xmA为组分为组分A的质量分数的质量分数A为组分为组分A的质量浓度（的质量浓度（kg/m3）2、分子扩散系数 AABAddzNDcz 第二节 质量传递的基本原理 定义式：定义式：物理意义物理意义：单位浓度梯度下的扩散通量，单位浓度梯度下的扩散通量，反映某反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数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。之一；扩散系数大，分子扩散快。影响因素影响因素：系统的温度、压力和物系的组成。系统的温度、

8、压力和物系的组成。数据来源数据来源：一般由实验确定、半经验公式计算。一般由实验确定、半经验公式计算。 对于对于双组分气体混合物，组分的扩散系数：双组分气体混合物，组分的扩散系数：（1）气体分子扩散系数（）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 1.750ABAB,00pTDDpT扩散系数与总压力成反比，与热力学温度的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固体中的扩散系数更小。液体、固体扩散系数的。液体、固体扩散系数的数量

9、级分别为数量级分别为10-1010-9、10-1410-9m2/s。 有效质量扩散系数组分组分A的平均物质的量浓度的平均物质的量浓度 AADddcNz AAAtABDABeffdd()ddccNDDzz 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DdyduntdAdQdzdcDNAABAz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质量传递、热量传递和动量传递都牵涉到流体质点的交换的交换( (涡流传递涡流传递) )和分子交换和分子交换( (分子传递分子传递) )，三种传递之，三种传递之间必然存在一定的内在联系。在湍流流

10、动中，上述三种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程度地同时影响着三种传递，使三种传递的机理和计算方法具有相似性。方法具有相似性。(1) 什么是分子扩散和涡流扩散？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。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简述温度、压力对气体和液体分子扩散系数的影响。的影响。(4) 对于双组分气体物系，当总压和温度提高对于双组分气体物系，当总压和温度提

11、高1倍倍时，分子扩散系数将如何变化？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。分析湍流流动中组分的传质机理。思考题思考题第二节 质量传递的基本原理 一、等分子反向扩散一、等分子反向扩散 扩散通量、浓度分布扩散通量、浓度分布二、单向扩散二、单向扩散 扩散通量、浓度分布扩散通量、浓度分布三、界面上有化学反应的稳态传质三、界面上有化学反应的稳态传质主要内容主要内容第三节 分子传质能力要求：掌握扩散通量与浓度分布的计算能力要求：掌握扩散通量与浓度分布的计算 在一些在一些双组分混合体系双组分混合体系的传质过程中，当体系总的传质过程中，当体系总浓度保持不变时，浓度保持不变时，组分组

12、分A在分子扩散的同时伴有组分在分子扩散的同时伴有组分B向相反方向的分子扩散向相反方向的分子扩散，且组分，且组分B扩散的量与组分扩散的量与组分A相等，这种传质过程称为相等，这种传质过程称为等分子反向扩散等分子反向扩散。一、等分子反向扩散 第三节 分子传质1、2两截面上两截面上A、B分压保持不变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。层流运动的流体中，是一种最单纯的分子扩散过程。p = pA + pB = Const2pA1pA2pB1pB2pp1ABpA1 pA2pB1 1)1ln(

13、0,1AAyckNLkDAB10.6，平板壁面上传质速率很低（壁面法向流动可忽略不计）1/21/3mL0.664ShReSc0.81 3mL0.0365ShReSc平均传质系数对流传质系数(二)平板壁面上的湍流传质0.81/3xx0.0292ShReSc（1）组分A在管壁处的浓度 恒定A,ic03.66ck dShDiAN,04.36ck dShD(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

14、传质系数或施伍德数为常数 ck dShD0duRe球直径球运动速度(四)绕固体的强制对流传质1/21/32.00.6ShReSc 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汽车尾气净化催化剂三元催化剂三元催化

15、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：工作原理：当汽车废气通过净

16、化器时，CO和和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控制不灵敏，故三效催化净化器一般不用于柴油机，而不用于柴油机，而只适用于汽油机。只适用于汽油机。装有三元催化器的车辆装有三元催化器的车辆不能使用含铅不能使用含铅汽油，汽油，另外装有三元催化器会降低发动机的功率，所以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。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于研究经济和技术上都可行的稀土/钯三效催化剂。预计钯三效催化剂。预计这种催化剂将有很好的应用前景。这种催化剂将有很好的应用前景。