《化工原理2》第七章傳質與分離過程概論和基礎知識

1、化 工 原 理 2 第七章 傳質與分離過程概論和基礎知識 通過本章學習，應掌握傳質與分離過程的基本概念和傳質過程的基本計算方法，為以后各章傳質單元操作過程的學習奠定基礎。學習目的與要求 概述7.1.1 傳質分離過程第七章 傳質與分離過程概論工程問題：混合物分離中藥原料浸提液目的產物副產物分離過程一、分離過程在工程中的應用示例：中藥提取。示例：煉油過程。原油目的產物副產物分離過程分離過程概念：傳質是體系中由于物質濃度不均勻而發(fā)生的質量轉移過程（推動力為濃度差）。原因：體系中由于熵自動向最大值移動，即趨向均勻（如果各部分溫度不均勻，會趨向一個平均溫度，如果濃度不均勻，也會趨向一個平均濃度）。種類：

2、相內傳質和相際傳質。 一般須有流體存在。實際中常有：氣-液系統(tǒng)；液-液系統(tǒng)；固-液系統(tǒng)之間的傳質過程。傳質的概念與分類二、相際傳質過程與分離分離過程非均相物系分離均相物系分離可通過機械方法分離，易實現(xiàn)分離。不能通過簡單的機械方法分離，需通過某種物理（或化學）過程實現(xiàn)分離，難實現(xiàn)分離。例 氣固分離：沉降液固分離：過濾均相物系的分離方法均相物系某種過程兩相物系根據(jù)不同組分在各相中物性的差異，使某組分從一相向另一相轉移：相際傳質過程實現(xiàn)均相物系的分離相際傳質過程均相物系分離二、相際傳質過程與分離空氣氨水空氣氨水示例：空氣和氨分離吸收塔二、相際傳質過程與分離按分離原理： 平衡分離：借助分離媒介（熱能、

3、溶解、吸附 劑）使均相混合物變?yōu)閮上?，兩相中，各組分達到某種平衡，以各組分在處于平衡的兩相中分配關系的差異為依據(jù)實現(xiàn)分離。 速率分離 ：借助推動力（壓力、溫度、點位差）的作用，利用各組擴散速度的差異，實現(xiàn)分離。三、傳質分離方法相平衡狀態(tài)（概念）： 如氣液相平衡在一定的溫度和壓力下,氣液兩相之間達到平衡狀態(tài)時, 兩相組成 之間的關系稱為氣液平衡關系.一定T和P狀態(tài): 氣相、液相組成 動 態(tài)穩(wěn)定三、傳質分離方法氣相: yA, yB液相:xA,xBP 平衡狀態(tài)表示：平衡常數(shù)（分配系數(shù)） 分配因子 通常將K值大的當作分子，故一般大于1。當偏離1時，便可采用平衡分離過程使均相混合物得以分離，越大越容易分

4、離。 xi、yi分別表示組分在兩相中的組成三、傳質分離方法三、傳質分離方法 （1）氣液傳質過程 氣液傳質過程是指物質在氣、液兩相間的轉移，它主要包括氣體的吸收（或脫吸）、氣體的增濕（或減濕）等單元操作過程。 吸收（脫吸） 增濕（減濕） （2）汽液傳質過程 汽液傳質過程是指物質在汽、液兩相間的轉移，該汽相是由液相經(jīng)過汽化而得，它主要包括蒸餾（或精餾）單元操作過程。 蒸餾（精餾） 三、傳質分離方法（3）液液傳質過程 液液傳質過程是指物質在兩個不互溶的液相間的轉移，它主要包括液體的萃取等單元操作過程 。 萃取 三、傳質分離方法（4）液固傳質過程 液固傳質過程是指物質在液、固兩相間的轉移，它主要包括結

5、晶（或溶解）、液體吸附（或脫附）、浸取等單元操作過程。 結晶（溶解） 吸附（脫附） 浸取 三、傳質分離方法（5）氣固傳質過程 氣固傳質過程是指物質在氣、固兩相間的轉移，它主要包括氣體吸附（或脫附）、固體干燥等單元操作過程。 干燥 吸附（脫附） 三、傳質分離方法2.速率分離過程 借助推動力（壓力、溫度、點位差）的作用，利用各組擴散速度的差異，實現(xiàn)分離。（1）膜分離 膜分離是指在選擇性透過膜中，利用各組分擴散速度的差異，而實現(xiàn)混合物分離的單元操作過程。 膜分離超 濾反滲透滲 析點滲析三、傳質分離方法（2）場分離 場分離是指在外場（電場、磁場等）作用下，利用各組分擴散速度的差異，而實現(xiàn)混合物分離的單

6、元操作過程。 場分離電 泳熱擴散高梯度磁場分離三、傳質分離方法3.分離方法的選擇 分離方法選擇的原則三、傳質分離方法 被分離物系的相態(tài) 被分離物系的特性 產品的質量要求 經(jīng)濟程度 概述第七章 傳質與分離過程概論7.1.2 相組成的表示方法氣相: yA, yB液相:xA,xBP單相兩元混合物A, BP兩元混合物一、質量濃度與物質的量濃度質量濃度定義式混合物的總質量濃度kg /m3密度 兩元混合物A, B體積 VP2.物質的量濃度混合物的總物質的量濃度kmol /m3一、質量濃度與物質的量濃度物質的量濃度定義式 兩元混合物A, B體積 VP質量濃度與物質的量濃度的關系 平均摩爾質量一、質量濃度與物

7、質的量濃度 兩元混合物A, B體積 VP1.質量分數(shù)質量分數(shù)定義式混合物的總質量分數(shù)二、質量分數(shù)與摩爾分數(shù) 兩元混合物A, B總質量 mP2.摩爾分數(shù) 混合物的總摩爾分數(shù) 液相氣相二、質量分數(shù)與摩爾分數(shù)摩爾分數(shù)定義式 兩元混合物A, B總摩爾數(shù) nP質量分數(shù)與摩爾分數(shù)的關系 由質量分數(shù)求摩爾分數(shù)由摩爾分數(shù)求質量分數(shù)二、質量分數(shù)與摩爾分數(shù)1.質量比質量比的定義式質量比與質量分數(shù)的關系三、質量比與摩爾比混合物A, BA為過程變化組分總量也變化P摩爾比的定義式摩爾比與摩爾分數(shù)的關系 液相氣相三、質量比與摩爾比2.摩爾比四、分壓與總壓氣體A壓力Pa氣體B壓力Pb氣體A+B總壓P= Pa+Pb+=對氣相

8、混合物，組分分壓也代表組分量，用分壓計算常常很方便。第七章 傳質與分離過程概論傳質是體系中由于物質濃度不均勻而發(fā)生的質量轉移過程（推動力為濃度差）。 質量傳遞的方式與描述與熱量傳遞類似，質量傳遞方式有分子傳質（擴散）和對流傳質兩種。一、分子擴散現(xiàn)象與費克定律 由于分子的無規(guī)則熱運動而形成的物質傳遞現(xiàn)象分子傳質。 分子傳質又稱為分子擴散，簡稱為擴散分子傳質在氣相、液相和固相中均能發(fā)生播放動畫31：分子擴散現(xiàn)象7.2.1 分子傳質（擴散）描述分子擴散過程的基本定律費克第一定律。Kmol / (m2 s )一、分子擴散現(xiàn)象與費克定律 2.費克(Fick)定律及 A B （P) (P)在任一截面，A、

9、B凈擴散通量為零：一、分子擴散現(xiàn)象與費克定律微分得故此得 JA A(P) B (P) JB 1、等分子反方向擴散NA=NB二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散因此得N=NA+NB=0故此得 等分子反方向擴散（兩容器溫度壓力相同）結合理想氣態(tài)方程，可得：A組分B組分PAPB 分壓 二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散2.一組分通過另一停滯組分的擴散* 設由A、B兩組分組成的二元混合物中，組分A為擴散組分，組分B為不擴散組分（稱為停滯組分），組分A通過停滯組分B進行擴散。 NB0 Y NA組分 B 的對數(shù)平均分壓可推證得組分A傳質通量為：三、液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散*1.等分子反方向擴散參照氣體中的等分子反方向擴散過程，可寫

10、出 組分A在溶劑B中的擴散系數(shù)，m2/s 三、液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散 參照氣體中的一組分通過另一停滯組分的擴散過程，可寫出2.一組分通過另一停滯組分的擴散或三、液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散其中停滯組分 B對數(shù)平均物質的量濃度停滯組分 B對數(shù)平均摩爾分數(shù)四、擴散系數(shù)1.氣體中的擴散系數(shù) 通常，擴散系數(shù)與系統(tǒng)的溫度、壓力、濃度以及物質的性質有關。對于雙組分氣體混合物，組分的擴散系數(shù)在低壓下與濃度無關，只是溫度及壓力的函數(shù)。氣體擴散系數(shù)可從有關資料中查得，某些雙組分氣體混合物的擴散系數(shù)列于附錄一中。氣體中的擴散系數(shù)，其值一般在 m2/s 范圍內。（擴散通量=擴散系數(shù)擴散推動力）四、擴散系數(shù)估算氣體擴散系數(shù)經(jīng)驗

11、公式福勒公式 組分A、B的摩爾質量，kg/kmol； 組分A、B的分子擴散體積，cm3/mol。四、擴散系數(shù)簡單分子的擴散體積物 質v /（cm3/mol）物 質v /（cm3/mol）H27.07CO 18.90D26.70CO2 26.90He2.88N2O 35.90N217.90NH3 14.90O216.60H2O 12.70air20.10（CCl2F2）114.80Ar16.10(SF6) 69.70四、擴散系數(shù)原子的擴散體積元 素/（cm3/mol）元 素/（cm3/mol）C 16.50(Cl) 19.5H 1.98(S) 17.0O 5.48芳香環(huán)20.2(N) 5.69雜

12、 環(huán)20.2四、擴散系數(shù) 由福勒公式可知，氣體擴散系數(shù)與 成正比、與 成反比。根據(jù)該關系，可得 、 下的擴散系數(shù)，m2/s； 、 下的擴散系數(shù)，m2/s。四、擴散系數(shù)2.液體中的擴散系數(shù) 液體中溶質的擴散系數(shù)不僅與物系的種類、溫度有關，而且隨溶質的濃度而變。液體中的擴散系數(shù)可從有關資料中查得，某些低濃度下的二組元液體混合物的擴散系數(shù)列于附錄一中。液體中的擴散系數(shù)，其值一般在 m2/s 范圍內。四、擴散系數(shù)估算液體擴散系數(shù)經(jīng)驗公式威爾基公式 溶劑 B 的摩爾質量，kg/kmol； 溶質在正常沸點下的分子體積，cm3/mol。 溶劑 B 的黏度，Pa s； 溶劑 B 的締合因子；四、擴散系數(shù)常見溶

13、劑的締合因子 溶劑名稱水甲 醇乙 醇苯非締合溶劑締合因子2.61.91.51.01.0四、擴散系數(shù)某些物質在正常沸點下的分子體積物 質分 子 體 積/（cm3/mol）物 質分 子 體 積/（cm3/mol）空氣29.9 H2O18.9H214.3H2S32.9O225.6NH325.8N231.2NO 23.6Br253.2N2O 36.4Cl248.4SO2 44.8CO30.7I271.5CO234.0 概述第七章 傳質與分離過程概論7.2.1 分子傳質（擴散） 質量傳遞的方式與描述7.2.2 對流傳質 1.渦流擴散 由于流體質點的湍動和旋渦而形成的物質傳遞現(xiàn)象渦流擴散。 渦流擴散在湍流

14、流體中發(fā)生一、渦流擴散現(xiàn)象 在渦流擴散中時刻存在分子擴散 渦流擴散的通量遠大于分子擴散的通量2.渦流擴散通量方程渦流擴散系數(shù)，m2/s kmol/(m2 s )一、渦流擴散現(xiàn)象描述渦流擴散通量的方程為渦流擴散通量1.對流傳質的類型 運動流體與固體表面之間，或兩個有限互溶的運動流體之間的質量傳遞過程對流傳質。 二、對流傳質對流傳質自然對流傳質強制層流傳質強制湍流傳質強制對流傳質2.對流傳質的機理 所謂對流傳質的機理是指在傳質過程中，流體以哪種方式進行傳質。研究對流傳質速率需首先弄清對流傳質的機理。 層流內層緩沖層湍流中心流體與管壁間的濃度分布二、對流傳質湍流流體湍流主體層流內層緩沖層傳質機理：分

15、子傳質傳質機理：渦流傳質為主濃度分布：為一陡峭直線傳質機理濃度分布：為一漸緩曲線濃度分布：為一平坦曲線分子傳質渦流傳質在與壁面垂直的方向上分為三層 二、對流傳質2.對流傳質速率方程 描述對流傳質的基本方程對流傳質速率方程。 對流傳質系數(shù)，kmol/(m2sc)kmol/(m2 s )二、對流傳質 對流傳質通量，kmol/(m2s) 壁面處流體濃度，kmol/m3 流體主體平均濃度，kmol/m3湍流流體 概述第七章 傳質與分離過程概論7.2.1 分子傳質（擴散） 質量傳遞的方式與描述7.2.2 對流傳質7.2.3 相際間的傳質一、相際間的對流傳質過程 設組分 A從氣相傳遞到液相（如吸收），該過

16、程由以下3步串聯(lián)而成： 組分A從氣相主體擴散到相界面； 在相界面上組分A由氣相轉入液相； 組分A由相界面擴散到液相主體。 一般來說，相界面上組分A從氣相轉入液相的過程很快，相界面?zhèn)髻|阻力可以忽略。因此，相際間傳質的阻力主要集中在氣相和液相中。若其中一相傳質阻力較另一相大得多，則另一相傳質阻力可以忽略，此種傳質過程即稱之為“該相控制”。 一、相際間的對流傳質過程 相際間的傳質氣相主體 液相主體 相界面溶解氣相擴散 液相擴散 二、相際間對流傳質模型 相際傳質機理：1.雙膜模型 惠特曼(Whiteman) 于1923年提出，最早提出的一種傳質模型。播放動畫32：雙膜模型雙膜模型的要點： (1) 相互

17、接觸的兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側各存在著一個很?。ǖ刃Ш穸确謩e為 zG和 zL）的流體膜層（氣膜和液膜）。溶質以分子擴散方式通過此兩膜層。(2) 溶質在相界面處的濃度處于相平衡狀態(tài)。無傳質阻力。(3) 在膜層以外的兩相主流區(qū)由于流體湍動劇烈，傳質速率高，傳質阻力可以忽略不計，相際的傳質阻力集中在兩個膜層內。 氣相主體 液相主體 相界面p zGzLpi ci c 氣膜液膜pb cb 雙膜理論將復雜的相際傳質簡單化了，該理論提出的雙阻力概念，即認為傳質阻力集中在相接觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計的概念，在傳質過程的計算中得到了廣泛承認，仍是傳質過程及設備設計的依據(jù)； 由此理論所得的

18、傳質系數(shù)計算式形式簡單，但等效膜層厚度 1 和 2 以及界面上濃度 pi 和 ci 都難以確定；雙膜理論主要適于有固定界面和系統(tǒng)速度不高的傳質過程，因此也存在著較大的局限性，例如對具有自由相界面或高度湍動的兩流體間的傳質體系，相界面是不穩(wěn)定的，因此界面兩側存在穩(wěn)定的等效膜層以及物質以分子擴散方式通過此兩膜層的假設都難以成立；本書后續(xù)部分將以該理論為討論問題的基礎。 依據(jù)雙膜模型，組分A通過氣膜、液膜的擴散通量方程分別為:二、相際間對流傳質模型 氣相主體 液相主體 相界面p zGzLpi ci c 氣膜液膜pb cb 設對流傳質速率方程分別為 比較得氣膜對流傳質系數(shù)液膜對流傳質系數(shù)二、相際間對流

19、傳質模型 氣相主體 液相主體 相界面p zGzLpi ci c 氣膜液膜pb cb 根據(jù)雙膜模型，導出 停滯膜模型的模型參數(shù)液膜厚度 zL氣膜厚度 zG二、相際間對流傳質模型 或 2.溶質滲透模型* 希格比( Higbie )于1935年提出，為非穩(wěn)態(tài)模型。溶質滲透模型示意圖二、相際間對流傳質模型 播放動畫33：溶質滲透模型溶質滲透模型的要點 液面由無數(shù)微小的液體單元所構成，當氣液兩 相相互接觸時，液相主體中的某些單元運動至 相界面便停滯下來。在氣液未接觸前，液體單 元中溶質的濃度和液相主體的濃度相等，接觸 開始后，相界面處立即達到與氣相平衡狀態(tài)。 隨著接觸時間的延長，溶質 A通過不穩(wěn)態(tài)擴 散

20、方式不斷地向液體單元中滲透。 二、相際間對流傳質模型 液體單元在界面處暴露的時間是有限的，經(jīng) 過時間c后，舊的液體單元即被新的液體單 元所置換而回到液相主體中去。在液體單元 深處，仍保持原來的主體濃度不變。 液體單元不斷進行交換，每批液體單元在界 面暴露的時間c 都是一樣的。 二、相際間對流傳質模型 根據(jù)溶質滲透模型，可導出 二、相際間對流傳質模型 設對流傳質速率方程分別為 比較可得 溶質滲透模型的模型參數(shù)暴露時間二、相際間對流傳質模型 3.表面更新模型 * 丹克沃茨(Danckwerts) 于1951年提出，為非穩(wěn)態(tài)模型。表面更新模型的要點 溶質向液相內部傳質為非穩(wěn)態(tài)分子擴散過程。 界面上液

21、體單元有不同的暴露時間或稱年齡，界 面上各種不同年齡的液體單元都存在。 不論界面上液體單元暴露時間多長，被置換的概 率是均等的。單位時間內表面被置換的分率稱為 表面更新率，用符號S 表示。 二、相際間對流傳質模型 根據(jù)表面更新模型，可導出二、相際間對流傳質模型 設對流傳質速率方程分別為 表面更新模型的模型參數(shù)表面更新率比較可得二、相際間對流傳質模型 概述第七章 傳質與分離過程概論7.3.1 傳質設備的分類與性能要求 質量傳遞的方式與描述 傳質設備簡介一、傳質設備的分類 傳質設備氣液傳質設備按所處理物系相態(tài)分類液液傳質設備氣固傳質設備液固傳質設備傳質設備按兩相的接觸方式分類逐級接觸式設備微分接觸式設備按促使兩相混合與接觸動力