传质系数的确定

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关键词

传质，工业过程，传质系数，浓度推动力，流体混合物，多孔固体，通量，湍流。

简介

传质是指质量（如流、相、分数或组分）从一个位置到另一个位置的净移动。许多过程，包括吸收、蒸发、干燥、沉淀、膜过滤和蒸馏，都涉及传质。

不同的科学学科将传质用于各种过程和机制。传质过程的一个常见例子是水从池塘中蒸发到大气中。工业过程中的传质操作包括蒸馏塔中的化学组分分离、吸收器（如洗涤器或汽提）、吸附器（如活性炭床）和液-液萃取。

传质经常与其他传输过程相关联，例如在工业冷却塔中。在工程学中，传质系数是一个扩散速率常数，它将传质速率、传质面积和浓度变化作为推动力联系起来。

$$\mathrm{k_{c}=\frac{\dot{n}A}{A\Delta\:c_{A}}}$$

其中

$\mathrm{k_{c}}$是传质系数 [mol/(s·m²)/(mol/m³)，或 m/s]

$\mathrm{\dot{n}A}$是传质速率 [mol/s]

A 是有效的传质面积 [m²]

$\mathrm{\Delta\:c_{A}}$是推动力浓度差 [mol/m³]。

这可用于计算不相混溶和部分混溶流体混合物（或流体和多孔固体之间）的相间传质。量化传质可以设计和制造满足特定要求的分离过程设备，并估计现实生活中（如化学泄漏等）会发生什么。

传质系数的意义

化学势推动力导致质量跨界面或跨相主体中的虚拟表面进行传质。这种推动力更常见地用物种浓度表示，或者在气相情况下用分压表示。单位面积上给定物种的传输速率（即物种通量）取决于系统的一些物理特性以及所涉及的相的湍流程度。通常，通量与这些参数之间的关系不容易从传质的基本原理中得出，因此已定义如下将所有这些参数汇总在一起的传质系数。

通量 = 系数 (浓度差)

在物质穿过界面的情况下，根据不同的驱动力，通量有几种表达式。界面通量可以用以下四种方式表示，具体取决于所使用的浓度驱动力

$\mathrm{\dot{m}=\beta_{G}\lgroup\:p-p_{i}\rgroup=\beta_{L}\lgroup\:c_{i}-c\rgroup}$

$\mathrm{=\beta_{OG}\lgroup\:p-H_{c}\rgroup=\beta_{OL}\lgroup\:p/H-c\rgroup}$

其中 是质量通量；β 是传质系数；下标 L 和 G 分别表示气相和液相。前两个方程定义了单相气体和液体传质系数。由于界面浓度 pi 和 ci 通常未知，因此由后两个方程定义的总传质系数 βOG 和 βOL 更常使用，在这些方程中，H 是平衡时溶质在两相之间的平衡分配系数。由于界面通量必须相同，无论用于表达它的驱动力如何，这四个数值系数都不同，并且具有不同的单位。当使用无量纲驱动力（例如摩尔分数或质量分数）时，情况也是如此。传质系数取决于溶质的扩散率和相的流体动力学。它们可以使用从传质基本原理推导出的表达式来计算，在层流情况下，或使用经验关联来计算。

亮点

• 可以研究 CO₂ 在高压下进入富含 H₂O 相的毛细管中的传质。
• 可以提出一种确定体积传质系数的方法。
• 在传质中，热力学模型和拉曼光谱结合起来以获得 CO₂ 浓度。
• 可以研究流速对体积传质系数的影响。
• 传质系数沿微毛细管长度变化。

传质系数的问题

传质系数经常被认为是一个难题，不是因为主题本身很难，而是因为定义不同，以及从一个溶液到第二个溶液的传质复杂性。这些区别值得进一步讨论。

定义的复杂性主要是因为浓度可以用很多不同的变量来表示。在上面，我们假设它以每体积质量或每体积摩尔数表示。定义的复杂性主要是因为浓度可以用很多不同的变量来表示。

在上面，我们假设它以每体积质量或每体积摩尔数表示。浓度也可以表示为摩尔分数，在液相中通常用符号 x1 表示，在气相中用符号 y1 表示。在气体中，浓度表示为分压。

传质系数被认为困难的第二个原因是当传质从一个流体相到另一个流体相时发生。这是一个真正的困难来源，经常引起混淆。考虑将溴从水中萃取到苯中以了解为什么会这样。

当我们开始时，水中溴的浓度高于苯中。水和苯的浓度最终会达到平衡。后来，水中的浓度将远低于苯中的浓度。即使这样，溴仍然可以从其在水中的低浓度扩散到其在苯中的高浓度。

发生这种情况是因为溴在苯中的溶解度远高于在水中的溶解度。它从水中分离出来并进入苯中。在平衡时，苯中浓度除以水中浓度将是一个远大于 1 的常数，并且几乎与水中初始溴浓度无关。

换句话说，最终平衡时的浓度并不相等。虽然自由能相等，但自由能是一个比浓度更难理解的概念。这种化学的结果是，跨界面的质量通量从一个相到另一个相并不与两相之间的浓度差成正比。

相反，它与一相中的浓度减去如果它处于平衡状态则在另一相中存在的浓度成正比。在刚刚给出的示例中，此浓度差是水中的值减去与苯平衡的假设水中的值。这种浓度差使得传质系数的研究变得困难。

结论

传质系数可以从许多不同的理论方程、相关性和模拟中估算出来，这些方程、相关性和模拟是材料特性、强度特性和流动状态（层流或湍流）的函数。选择最适用的模型取决于正在研究的材料和系统或环境。