傳質係數的確定

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關鍵詞

傳質，工業過程，傳質係數，濃度推動力，流體混合物，多孔固體，通量，湍流。

簡介

傳質是指質量（如流、相、分數或組分）從一個位置到另一個位置的淨移動。許多過程，包括吸收、蒸發、乾燥、沉澱、膜過濾和蒸餾，都涉及傳質。

不同的科學學科將傳質用於各種過程和機制。傳質過程的一個常見例子是水從池塘中蒸發到大氣中。工業過程中的傳質操作包括蒸餾塔中的化學組分分離、吸收器（如洗滌器或汽提）、吸附器（如活性炭床）和液-液萃取。

傳質經常與其他傳輸過程相關聯，例如在工業冷卻塔中。在工程學中，傳質係數是一個擴散速率常數，它將傳質速率、傳質面積和濃度變化作為推動力聯絡起來。

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

其中

$\mathrm{k_{c}}$是傳質係數 [mol/(s·m²)/(mol/m³)，或 m/s]

$\mathrm{\dot{n}A}$是傳質速率 [mol/s]

A 是有效的傳質面積 [m²]

$\mathrm{\Delta\:c_{A}}$是推動力濃度差 [mol/m³]。

這可用於計算不相混溶和部分混溶流體混合物（或流體和多孔固體之間）的相間傳質。量化傳質可以設計和製造滿足特定要求的分離過程裝置，並估計現實生活中（如化學洩漏等）會發生什麼。

傳質係數的意義

化學勢推動力導致質量跨介面或跨相主體中的虛擬表面進行傳質。這種推動力更常見地用物種濃度表示，或者在氣相情況下用分壓表示。單位面積上給定物種的傳輸速率（即物種通量）取決於系統的一些物理特性以及所涉及的相的湍流程度。通常，通量與這些引數之間的關係不容易從傳質的基本原理中得出，因此已定義如下將所有這些引數彙總在一起的傳質係數。

通量 = 係數 (濃度差)

在物質穿過介面的情況下，根據不同的驅動力，通量有幾種表示式。介面通量可以用以下四種方式表示，具體取決於所使用的濃度驅動力

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

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

其中 是質量通量；β 是傳質係數；下標 L 和 G 分別表示氣相和液相。前兩個方程定義了單相氣體和液體傳質係數。由於介面濃度 pi 和 ci 通常未知，因此由後兩個方程定義的總傳質係數 βOG 和 βOL 更常使用，在這些方程中，H 是平衡時溶質在兩相之間的平衡分配係數。由於介面通量必須相同，無論用於表達它的驅動力如何，這四個數值係數都不同，並且具有不同的單位。當使用無量綱驅動力（例如摩爾分數或質量分數）時，情況也是如此。傳質係數取決於溶質的擴散率和相的流體動力學。它們可以使用從傳質基本原理推匯出的表示式來計算，在層流情況下，或使用經驗關聯來計算。

亮點

• 可以研究 CO₂ 在高壓下進入富含 H₂O 相的毛細管中的傳質。
• 可以提出一種確定體積傳質係數的方法。
• 在傳質中，熱力學模型和拉曼光譜結合起來以獲得 CO₂ 濃度。
• 可以研究流速對體積傳質係數的影響。
• 傳質係數沿微毛細管長度變化。

傳質係數的問題

傳質係數經常被認為是一個難題，不是因為主題本身很難，而是因為定義不同，以及從一個溶液到第二個溶液的傳質複雜性。這些區別值得進一步討論。

定義的複雜性主要是因為濃度可以用很多不同的變數來表示。在上面，我們假設它以每體積質量或每體積摩爾數表示。定義的複雜性主要是因為濃度可以用很多不同的變數來表示。

在上面，我們假設它以每體積質量或每體積摩爾數表示。濃度也可以表示為摩爾分數，在液相中通常用符號 x1 表示，在氣相中用符號 y1 表示。在氣體中，濃度表示為分壓。

傳質係數被認為困難的第二個原因是當傳質從一個流體相到另一個流體相時發生。這是一個真正的困難來源，經常引起混淆。考慮將溴從水中萃取到苯中以瞭解為什麼會這樣。

當我們開始時，水中溴的濃度高於苯中。水和苯的濃度最終會達到平衡。後來，水中的濃度將遠低於苯中的濃度。即使這樣，溴仍然可以從其在水中的低濃度擴散到其在苯中的高濃度。

發生這種情況是因為溴在苯中的溶解度遠高於在水中的溶解度。它從水中分離出來並進入苯中。在平衡時，苯中濃度除以水中濃度將是一個遠大於 1 的常數，並且幾乎與水中初始溴濃度無關。

換句話說，最終平衡時的濃度並不相等。雖然自由能相等，但自由能是一個比濃度更難理解的概念。這種化學的結果是，跨介面的質量通量從一個相到另一個相併不與兩相之間的濃度差成正比。

相反，它與一相中的濃度減去如果它處於平衡狀態則在另一相中存在的濃度成正比。在剛剛給出的示例中，此濃度差是水中的值減去與苯平衡的假設水中的值。這種濃度差使得傳質係數的研究變得困難。

結論

傳質係數可以從許多不同的理論方程、相關性和模擬中估算出來，這些方程、相關性和模擬是材料特性、強度特性和流動狀態（層流或湍流）的函式。選擇最適用的模型取決於正在研究的材料和系統或環境。