第7章傳質(zhì)與分離過程概論

《化工原理》（下冊）

第七章傳質(zhì)與分離過程概論6第八章氣體吸收14第九章蒸餾16第十章液-液萃取和液-固浸取2第十一章固體物料的干燥10第十二章其他分離方法2學(xué)時安排

總學(xué)時54

授課50

期中考試2

復(fù)習課4通過本章學(xué)習，應(yīng)掌握傳質(zhì)與分離過程的基本概念和傳質(zhì)過程的基本計算方法，為以后各章傳質(zhì)單元操作過程的學(xué)習奠定基礎(chǔ)。學(xué)習目的與要求第七章傳質(zhì)與分離過程概論物質(zhì)以擴散方式從一處轉(zhuǎn)移到另一處的過程，稱為質(zhì)量傳遞過程，簡稱傳質(zhì)。在一相中發(fā)生的物質(zhì)傳遞是單相傳質(zhì)，通過相界面的物質(zhì)傳遞為相際傳質(zhì)。傳質(zhì)過程廣泛運用于混合物的分離操作；它常與化學(xué)反應(yīng)共存，影響著化學(xué)反應(yīng)過程，甚至成為化學(xué)反應(yīng)的控制因素。掌握傳質(zhì)過程的規(guī)律，了解傳質(zhì)分離的工業(yè)實施方法，具有十分重要的意義。

質(zhì)量傳遞的起因是系統(tǒng)內(nèi)存在化學(xué)勢的差異，這種化學(xué)勢的差異可以由濃度、溫度、壓力或外加電磁場等引起。原料反應(yīng)產(chǎn)物目的產(chǎn)物副產(chǎn)物分離過程反應(yīng)過程分離過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用示例：三氯甲烷的甲烷氯化的制備方法。示例：石油煉制過程中的常減壓蒸餾。原料目的產(chǎn)物副產(chǎn)物分離過程7.1概述

7.2質(zhì)量傳遞的方式與描述

7.3傳質(zhì)設(shè)備簡介

我們依據(jù)分離原理的不同，可以將傳質(zhì)與分離過程劃分為平衡分離和速率分離兩大類：一、平衡分離過程

平衡分離指借助分離媒介（如熱能、溶劑、吸附劑等）使均相混合物變?yōu)閮上囿w系，再以混合物中各組分處于平衡的兩相中分配關(guān)系的差異為依據(jù)而實現(xiàn)分離的過程。不難看出，平衡分離屬于相際傳質(zhì)過程。相際傳質(zhì)是我們后面重點學(xué)習討論的內(nèi)容。7.1概述7.1.1傳質(zhì)與分離方法

氣體吸收利用氣體中各組分在液體溶劑中的溶解度不同，使易溶于溶劑的物質(zhì)由氣相傳遞到液相。相際間的傳質(zhì)過程，分為流體相間和流固相間的傳質(zhì)兩類。1.流體相間的傳質(zhì)過程①氣相-液相包括氣體的吸收、氣體的增濕、液體的蒸餾等單元操作（圖7-1a、b、c）

。增濕是將干燥空氣與液相接觸，水分蒸發(fā)進入氣相。液體蒸餾是依據(jù)液體中各組分的揮發(fā)性不同，使其中沸點低的組分氣化，達到分離的目的。①氣相-固相

固體的干燥（圖7-1h）

含有水分或其它溶劑的固體，與比較干燥的熱氣體相接觸，被加熱的濕分氣化而離開固體進入氣相，從而將濕分除去。②液相-液相在均相液體混合物中加入具有選擇性的溶劑，系統(tǒng)形成兩個液相（圖7-1d）。2.流-固相間的傳質(zhì)過程氣體吸附或脫附（圖7-1f）氣體吸附傳遞方向恰與固體干燥相反，它是氣相某個或相間某些組分從氣相向固相的傳遞過程；脫附是吸附的逆過程。

結(jié)晶

含某物質(zhì)的過飽和溶液與同一物質(zhì)的固相相接觸時，其分子以擴散方式通過溶液到達固相表面，并析出使固體長大。②液相一固相包括結(jié)晶（或溶解）、液體吸附、浸取和離子交換等過程。（圖7-1e、f、g）

固體浸取

是應(yīng)用液體溶劑將固體原料中的可溶組分提取出來的操作。

液體吸附

是固液兩相相接觸，使液相中某個或某些組分擴散到固相表面并被吸附的操作。

離子交換

是溶液中陽離子或陰離子與稱為離子交換劑的固相上相同離子的交換過程。相平衡常數(shù)和分離因子

在平衡分離過程中，相平衡常數(shù)表示ｉ組分在兩相中的組成關(guān)系，用Kｉ來表示：Ki大小取決于物系特性及操作條件i、j組分的Ki和Kj之比稱為分離因子αｉj

通常將K值大的作分子、小的為分母，故αｉj一般大于1.0。我們可以用分離因子的相對大小，判斷平衡分離的難易程度，即αｉj值越大越容易分離。傳質(zhì)過程一般要涉及的兩個主要問題是：相平衡和傳遞速率二、速率分離過程

速率分離過程是指借助某種推動力（如壓力差、溫度差、電位差等）的作用，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。速率分離過程的特點是所處理的物料和產(chǎn)品通常屬于同一相態(tài)，僅有組成的差異。速率分離過程主要分為膜分離和場分離兩類。

1.膜分離是指在選擇性透過膜中利用各組分擴散速率的差異，而實現(xiàn)混合物分離的單元操作。主要有：超濾（UF）、納濾（NF）、滲透與反滲透（RO）等，它們都是以壓力差為推動力的膜分離過程。

2.場分離是在外場（如電場、磁場）作用下，利用各組分擴散速率的差異而實現(xiàn)混合物分離的單元操作，如電泳、熱擴散、高梯度磁場分離等。應(yīng)該指出，能量消耗通常是制約傳質(zhì)分離過程單位產(chǎn)品成本的主要因素，因此降低能耗是傳質(zhì)分離研究的熱點之一。而膜分離和場分離是新型分離操作，具有節(jié)能、環(huán)保等特點，有著較為廣泛的應(yīng)用前景，我們以后選擇性地介紹膜分離和場分離的一些方法。三、分離方法的選擇選擇分離方法時主要考慮的因素：1.被分離物系的相態(tài)2.被分離物系的特性3.產(chǎn)品的質(zhì)量要求4.經(jīng)濟程度7.1.2相組成的表示方法

在傳質(zhì)過程中,為了分析問題與設(shè)計計算的方便,通常采用不同的組成表示方法。常用的組成表示方法有一、質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度二、質(zhì)量分數(shù)與摩爾分數(shù)三、質(zhì)量比與摩爾比一、質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度

1.質(zhì)量濃度指單位體積內(nèi)的物質(zhì)的質(zhì)量，對A組分對氣體混合物(在總壓不太高時)中A組分的質(zhì)量濃度為2.物質(zhì)的量濃度指單位體積內(nèi)的物質(zhì)的量，對A組分

對于氣體混合物(在總壓不太高時)，若其中組分A的分壓為pA，則可由理想氣體定律計算其摩爾濃度二、質(zhì)量分數(shù)與摩爾分數(shù)1.質(zhì)量分率質(zhì)量分率為混合物中某組分的質(zhì)量占總質(zhì)量的分率或百分率，以符號ω表示。對于混合物有多個組分組成時：2.摩爾分率指混合物中某組分的摩爾數(shù)占總摩爾數(shù)的分率或百分率。3.質(zhì)量分率與摩爾分率的換算三、質(zhì)量比和摩爾比若雙組分物系由A、B兩組分組成，則1.質(zhì)量比質(zhì)量比和質(zhì)量分率的換算關(guān)系如下注意：教材中用X表示液相組成，Y表示氣相組成。摩爾比和摩爾分率的換算關(guān)系如下2.摩爾比7.2傳質(zhì)過程的方式、共性與描述

單相物系內(nèi)的物質(zhì)傳遞是依靠物質(zhì)的擴散作用來實現(xiàn)的，物質(zhì)在靜止或?qū)恿髁黧w中的擴散方式是分子擴散，它是物質(zhì)靠分子運動從高濃度處轉(zhuǎn)移到低濃度處；物質(zhì)在湍流流體中的傳質(zhì)方式是對流擴散，其包括渦流擴散和分子擴散，渦流擴散是因流體的湍動和旋渦產(chǎn)生質(zhì)點位移，使物質(zhì)由高濃度處轉(zhuǎn)移到低濃度處的過程。1.傳質(zhì)的方式與歷程某組分在兩相間（即相際）傳質(zhì)，步驟是：從一相主體擴散到兩相界面的該相一側(cè)，然后通過相界面進入另一相，最后從此相的界面向主體擴散。補充：傳質(zhì)過程的方式與共性②條件的改變可破壞原有的平衡。其平衡體系的獨立變量數(shù)由相律決定：f=k-φ+2f為獨立變量數(shù),k為組分數(shù),φ為相數(shù)，“2”是指外界的溫度和壓力兩個條件。2.傳質(zhì)過程的方向與極限相間傳質(zhì)和相際平衡的共有規(guī)律對稀溶液，氣液兩相的平衡關(guān)系遵循亨利(Henry)定律；理想溶液的氣液相間符合拉烏爾(Raoult)定律。①一定條件下，處于非平衡態(tài)的兩相體系內(nèi)組分會自發(fā)地進行，使體系組成趨于平衡態(tài)的傳遞。③在一定條件下(如溫度、壓力)，兩相體系必然有一個平衡關(guān)系。

①若物質(zhì)在一相中(A相)實際濃度大于其在另一相(B相)實際濃度所要求的平衡濃度，則物質(zhì)將由A相向B相傳遞；PA＞PA*

相間傳質(zhì)過程的方向和極限的判斷：

③若物質(zhì)在A相實際濃度等于B相實際濃度所要求的平衡濃度，則無傳質(zhì)過程發(fā)生體系處于平衡狀態(tài)。

PA＝PA*

②物質(zhì)在A相實際濃度小于其在B相實際濃度所要求的平衡濃度，則傳質(zhì)過程向相反方向進行，即從B相向A相傳遞；

PA＜PA*相平衡關(guān)系指明傳質(zhì)過程的方向，平衡是傳質(zhì)過程的極限，而組分濃度偏離平衡狀態(tài)的程度便是傳質(zhì)過程的推動力。傳質(zhì)速率與傳質(zhì)推動力的大小有關(guān)，可以寫為：即傳質(zhì)速率=傳質(zhì)系數(shù)×傳質(zhì)推動力

3.傳質(zhì)過程推動力與速率物質(zhì)傳遞的快慢以傳質(zhì)速率表示，定義為：單位時間內(nèi)，單位相接觸面上被傳遞組分的物質(zhì)的量相間傳質(zhì)的每一步有各自的速率方程，稱為分速率方程；整個過程速率方程為總速率方程，相應(yīng)的有傳質(zhì)分系數(shù)和總系數(shù)之分。7.2.1分子傳質(zhì)（擴散）

定義：單一相內(nèi)、濃度差異下，分子的無規(guī)則運動造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。1.分子擴散(moleculardiffusion)2.擴散通量

擴散通量：是指在單位時間內(nèi)單位面積上擴散傳遞的物質(zhì)量，其單位為kmol/(m2·s),以J表示。

一、分子擴散與費克定律3.費克定律(Fick’slaw)

在恒溫恒壓下，A在混合物中沿Z方向作穩(wěn)定分子擴散時，其擴散通量與擴散系數(shù)及在擴散方向的濃度梯度成正比。

如圖7-2所示的分子擴散現(xiàn)象，在任一截面，處于動態(tài)平衡中的物質(zhì)A、B的凈擴散通量為零，即：7-197-207-18以下討論雙組分混合物中的一維穩(wěn)定分子擴散1.

等分子反向擴散pA1pA2pB2pB112FF’ABPP二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散因為兩容器內(nèi)氣體總壓相同，所以接管內(nèi)任一橫截面上單位時間單位面積上向右傳遞的A分子數(shù)與向左傳遞的B分子數(shù)必定相等。這種情況稱為等分子反向擴散。對任一截面FF’來說，根據(jù)費克定律，A的擴散通量為同理，B的擴散通量為

對于氣體，在總壓不太高的條件下，組分在氣相中的摩爾濃度可用分壓來表示。即

這兩個通量方向相反，大小相等，若以A的傳遞方向(z)為正方向，則可寫出下式由于總壓是常數(shù)，所以

因此

因此

傳質(zhì)速率：在任一固定的空間位置上，單位時間內(nèi)通過單位面積的A的物質(zhì)量，稱為A的傳質(zhì)速率,用NA表示。在等分子反向擴散中將上式改寫為擴散初、終截面處的積分限為積分后得到令同理，組分B的傳質(zhì)速率為等分子反向擴散，通過接管中任一截面的凈物質(zhì)通量N為零。對于氣體，在總壓不太高的條件下2.一組分通過另一停滯組分的擴散(單向擴散)

所以

在穩(wěn)定狀況下，NA＝常數(shù)，D、P、T也均為常數(shù)。對上式進行積分令則因為截面1-1',2-2'上的總壓相等，即故則令─擴散初、終截面處組分B分壓的對數(shù)平均值，kPa；─漂流因子，無因次。對于液相中的等分子反向擴散，若總濃度為常數(shù)，同理可積分而得到組分A的傳質(zhì)速率：摩爾汽化潛熱接近相等的二元混合物進行精餾操作時，在汽、液兩相的接觸過程中，易揮發(fā)的A組分由液相進入汽相的速率與難揮發(fā)的B組分從汽相進入液相的速率大體相同。因此，無論在汽相中，或者在液相中進行的傳質(zhì)過程都可視為等分子反向擴散三、液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散1.

等分子反向擴散2.一組分通過另一停滯組分的擴散(單向擴散)可溶組分(溶質(zhì))A；惰性組分B；平面2-2′為氣液界面；厚度為δ的靜止氣層。

三種流動:擴散流JA；擴散流JB；總體流NM；?同理同理可得──擴散初、終截面處溶劑濃度的對數(shù)平均值，mol/m3；──漂流因子，無因次。漂流因子大于1；單向擴散速率大于分子擴散速率；A的濃度很低時，單向擴散速率近似等于分子擴散速率。討論：四、擴散系數(shù)物質(zhì)的擴散系數(shù)是物質(zhì)的一種傳遞屬性；同一種物質(zhì)在不同的混合物中其擴散系數(shù)不同；擴散系數(shù)受溫度、壓力及混合物中組分的濃度的影響。氣體中的擴散，濃度的影響可以忽略；液體中的擴散，濃度的影響不可忽略，壓力的影響不顯著。實驗測定；資料及手冊中查得；經(jīng)驗或半經(jīng)驗的公式進行估算。來源1.組分在氣體中的擴散系數(shù)福勒（Fuller)半經(jīng)驗公式估算誤差一般不超過10%；可用于常溫及高溫，但不適用于低溫；組成的變化對其影響也很??；一般為10-5-10-4m2/s；與壓力成反比，與溫度的1.75次方成正比。（7-41）式中符號的意義見13頁(7-41)2.組分在液體中的擴散系數(shù)威爾基（Wilke-Chomg）等人提出的估算公式組分在液體中的擴散系數(shù)比在氣體中的小得多；與溫度成正比，與粘度成反比；一般為10-9m2/s。式（7-43）適用于低分子量的非電解質(zhì)在很稀溶液中的擴散系數(shù)的計算。(7-43)式中符號的意義見14頁

1.渦流擴散(EddyDiffusion)

流體質(zhì)點在濃度梯度方向上的脈動所造成的物質(zhì)向濃度降低方向的傳遞稱為渦流擴散。渦流擴散通量可借用費克定律的形式來表達，即渦流擴散系數(shù)不是物性常數(shù);渦流擴散系數(shù)與流體的湍動程度有關(guān);渦流擴散系數(shù)隨位置(離穩(wěn)定界面的距離)等條件而變。──渦流擴散通量和渦流擴散系數(shù)，kmol/m2·s

，m2／s。7.2.2渦流擴散與對流傳質(zhì)

湍流流體中在進行渦流擴散的同時、也存在分子擴散，總擴散通量應(yīng)為兩者之和，即

流動的流體與壁面(或相界面)之間的物質(zhì)傳遞稱為對流傳質(zhì)。當流體是湍流流動時，對流傳質(zhì)是渦流擴散與分子擴散共同作用的結(jié)果。對流傳質(zhì)是相間物質(zhì)傳遞的基礎(chǔ)。2.對流傳質(zhì)(ConvectionMassTransfer)對流傳質(zhì)過程分析：層流底層分子擴散過渡區(qū)分子擴散和渦流擴散湍流主體分子擴散和渦流擴散

將壁面與流體主體間的對流傳質(zhì)作為通過厚度為δL的層流膜層內(nèi)的分子擴散來計算。這種處理對流傳質(zhì)的簡化物理圖像，稱為膜模型。膜模型：圖7-6若進行的是單向擴散：液相氣相

實際上對流傳質(zhì)速率依靠實驗來測定，并仿照對流傳熱，將對流傳質(zhì)速率寫成傳質(zhì)系數(shù)與推動力的乘積形式，即界面與液相間的傳質(zhì)界面與氣相間的傳質(zhì)傳質(zhì)系數(shù)對于等分子反向擴散，則有說明：

對流傳質(zhì)系數(shù)和對流傳熱系數(shù)類似，取決于物系的性質(zhì)、流動狀況等因素，一般不能通過左側(cè)公式計算，需通過實驗測定，或通過經(jīng)驗公式計算。注：7.2.3相際間的傳質(zhì)在第八章吸收中講7.3塔設(shè)備簡介

傳質(zhì)過程有共同的規(guī)律，也有通用的傳質(zhì)設(shè)備。氣體吸收和液體精餾兩種氣液傳質(zhì)過程通常在塔設(shè)備內(nèi)進行。提供氣、液兩相充分接觸的機會。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式，分為填料塔與板式塔兩大類。（1）填料塔

①填料塔結(jié)構(gòu)如圖所示,圓筒形,內(nèi)裝填料液體由上往下流動時，由于塔壁處阻力較小而向塔壁偏流，使填料不能全部潤濕，導(dǎo)致氣液接觸不良，影響傳質(zhì)效果，稱之為塔壁效應(yīng)。長期的研究，開發(fā)出許多性能優(yōu)良的填料，如圖是幾種填料的形狀。

拉西環(huán)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價低廉，缺點是氣液接觸面小，溝流及塔壁效應(yīng)較嚴重，氣體阻力大，操作彈性范圍窄等。

鞍形(弧鞍和矩鞍)填料像馬鞍形的填料，不易形成大量的局部不均勻區(qū)域，空隙率大，氣流阻力小。

鞍環(huán)填料綜合了鞍形填料液體分布性好和環(huán)形填料通量大的優(yōu)點，是目前性能最優(yōu)良的散裝填料。

波紋填料由許多層高度相同但長短不等的波紋薄板組成，整砌結(jié)構(gòu)，流體阻力小，通量大、分離效率高，不適合有沉淀物、易結(jié)焦和粘度大的物料，裝卸、清洗較困難，造價也高。

金屬絲網(wǎng)價格昂貴用于要求高,產(chǎn)量不大操作。

它是氣、液兩相在多孔床層中逆向流動的復(fù)雜過程。受填料層壓降,液泛氣速,持液量,氣液分布等影響.空塔氣速是指按空塔計算得到的氣體線速度。下圖為不同噴淋密度下，單位高度填料層的壓降Δp/H與空塔氣速u的關(guān)系圖。②填料塔內(nèi)的流體力學(xué)狀況

L=0，即氣體通過干填料層時Δp／H～u呈直線關(guān)系，直線的斜率為1.8—2.0，表明Δp／H與u的1.8～2次方呈正比，氣流狀態(tài)為湍流。氣速增大至某值時，液體流動受到兩相流體間摩擦力的阻礙，填料層的持液量隨氣速的增加而增加，此現(xiàn)象稱攔液現(xiàn)象。將開始攔液的轉(zhuǎn)折點稱載點，載點對應(yīng)的空塔氣速稱載點氣速。

超過載點氣速后，

Δp/H～u關(guān)系線斜率加大，填料層內(nèi)的液流分布和表面潤濕程度均大有改變，兩相湍動程度加劇，塔內(nèi)持液量不斷增多，液體充滿整個塔空間，導(dǎo)致壓降急劇升高。液體由分散相變?yōu)檫B續(xù)相，氣體由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾啵怨呐轄钔ㄟ^液層,把液體帶出塔頂，塔操作不穩(wěn)定，此現(xiàn)象稱液泛。開始發(fā)生液泛的轉(zhuǎn)折點為泛點，相應(yīng)的空塔氣速稱泛點氣速。影響泛點氣速的因素有填料特性、流體物性、氣液的流量等。實際操作氣速常取泛點氣速的50％～85％。①塔板的結(jié)構(gòu)板式塔的殼體為圓筒形，里面裝有若干塊水平的塔板。（2）板式塔塔板上的氣液兩相流動有錯、逆流之分，如圖所示。塔板的結(jié)構(gòu)型式有a．泡罩塔板構(gòu)造如圖示。泡罩塔板有較好的操作彈性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，尤其是氣體流徑曲折，塔板壓降大、液泛氣速低、生產(chǎn)能力小。b．浮閥塔板浮閥塔板是泡罩塔的改進型，如圖。浮閥塔生產(chǎn)能力與操作彈性大、板效率高、塔板阻力小、結(jié)構(gòu)簡單、造價低等優(yōu)點，但浮閥對材料的抗腐蝕性要較高，采用不銹鋼制造。

c.舌形塔板如下圖所示。舌形孔的典型尺寸為：φ＝20°，R=25mm，A＝25mm。

舌形塔板結(jié)構(gòu)簡單、不易堵塞。液體流動阻力小。對負荷波動的適應(yīng)能力較差，氣相夾帶較嚴重。d．篩孔塔板結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、氣體壓降小、生產(chǎn)能力較大；缺點是操作彈性范圍較窄，小孔篩板易堵塞。舌形塔板e．導(dǎo)向篩板如圖

a.氣液接觸狀態(tài)孔速較低時,氣體以鼓泡形式通過液層，板上氣液兩相呈鼓泡接觸，圖(a)；隨孔速的增大氣泡的數(shù)量而增加,氣泡表面連成一片發(fā)生合并與破裂,板上液體以泡沫形式存在于氣泡之中,但液體為連續(xù)相,氣體為分散相,即泡沫接觸圖5(b)；孔速繼續(xù)增大,氣體從孔口噴出,液體由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?氣體則由分散相變?yōu)檫B續(xù)相，即噴射接觸，圖?。②板式塔上流體力學(xué)狀況塔板形式多樣，下面介紹塔板上氣液接觸狀態(tài)、漏液、霧沫夾帶、液泛等流體力學(xué)規(guī)律。

b．漏液