7 传质与分离过程概论.ppt

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通过本章学习，应掌握传质与分离过程的基本概念和传质过程的基本计算方法，为以后各章传质单元操作过程的学习奠定基础。

学习目的与要求,第七章传质与分离过程概论,7.1概述,7.1.1传质分离过程,第七章传质与分离过程概论,原料,反应产物,目的产物,副产物,分离过程,反应过程,一、分离过程在化工中的应用,示例：

三氯甲烷的制备。

示例：

炼油过程。

原料,目的产物,副产物,分离过程,二、相际传质过程与分离,分离过程,非均相物系分离,均相物系分离,可通过机械方法分离，易实现分离。

不能通过简单的机械方法分离，需通过某种物理（或化学）过程实现分离，难实现分离。

例气固分离：

沉降,液固分离：

过滤,均相物系的分离方法,均相物系,某种过程,两相物系,根据不同组分在各相中物性的差异，使某组分从一相向另一相转移：

相际传质过程,实现均相物系的分离,相际传质过程,均相物系分离,二、相际传质过程与分离,空气氨,水,空气,氨水,示例：

空气和氨分离,吸收塔,二、相际传质过程与分离,三、传质分离方法,1.平衡分离过程,

（1）气液传质过程,气液传质过程是指物质在气、液两相间的转移，它主要包括气体的吸收（或脱吸）、气体的增湿（或减湿）等单元操作过程。

吸收（脱吸）,增湿（减湿）,

（2）汽液传质过程,汽液传质过程是指物质在汽、液两相间的转移，该汽相是由液相经过汽化而得，它主要包括蒸馏（或精馏）单元操作过程。

蒸馏（精馏）,三、传质分离方法,（3）液液传质过程,液液传质过程是指物质在两个不互溶的液相间的转移，它主要包括液体的萃取等单元操作过程。

萃取,三、传质分离方法,（4）液固传质过程,液固传质过程是指物质在液、固两相间的转移，它主要包括结晶（或溶解）、液体吸附（或脱附）、浸取等单元操作过程。

结晶（溶解）,吸附（脱附）,浸取,三、传质分离方法,（5）气固传质过程,气固传质过程是指物质在气、固两相间的转移，它主要包括气体吸附（或脱附）、固体干燥等单元操作过程。

干燥,吸附（脱附）,三、传质分离方法,平衡常数（分配系数）,分配因子,通常将K值大的当作分子，故一般大于1。

当偏离1时，便可采用平衡分离过程使均相混合物得以分离，越大越容易分离。

xi、yi分别表示组分在两相中的组成,三、传质分离方法,2.速率分离过程,

（1）膜分离,膜分离是指在选择性透过膜中，利用各组分扩散速度的差异，而实现混合物分离的单元操作过程。

膜分离,超滤,反渗透,渗析,点渗析,三、传质分离方法,

（2）场分离,场分离是指在外场（电场、磁场等）作用下，利用各组分扩散速度的差异，而实现混合物分离的单元操作过程。

场分离,电泳,热扩散,高梯度磁场分离,三、传质分离方法,三、传质分离方法,磁化精馏实验装置,钕铁硼永磁场,3.分离方法的选择,分离方法选择的原则,三、传质分离方法,被分离物系的相态,被分离物系的特性,产品的质量要求,经济程度,7.1概述,7.1.1传质分离过程,第七章传质与分离过程概论,7.1.2相组成的表示方法,一、质量浓度与物质的量浓度,1.质量浓度,质量浓度定义式,混合物的总质量浓度,kg/m3,密度,2.物质的量浓度,混合物的总物质的量浓度,kmol/m3,一、质量浓度与物质的量浓度,物质的量浓度定义式,质量浓度与物质的量浓度的关系,平均摩尔质量,一、质量浓度与物质的量浓度,1.质量分数,质量分数定义式,混合物的总质量分数,二、质量分数与摩尔分数,2.摩尔分数,混合物的总摩尔分数,液相,气相,二、质量分数与摩尔分数,摩尔分数定义式,质量分数与摩尔分数的关系,由质量分数求摩尔分数,由摩尔分数求质量分数,二、质量分数与摩尔分数,1.质量比,质量比的定义式,质量比与质量分数的关系,三、质量比与摩尔比,摩尔比的定义式,摩尔比与摩尔分数的关系,液相,气相,三、质量比与摩尔比,2.摩尔比,练习题目,思考题,作业题:

1、2,1.传质分离过程有哪些类型?

2.何为相平衡常数和分离因子?

3.选择分离方法应主要考虑哪些因素?

4.相组成有哪些表示方法，引出质量比和摩尔比有何意义?

7.1概述,第七章传质与分离过程概论,7.2.1分子传质（扩散）,7.2质量传递的方式与描述,一、分子扩散现象与费克定律,1.分子扩散现象,由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象分子传质。

分子传质又称为分子扩散，简称为扩散,分子传质在气相、液相和固相中均能发生,播放动画31：

分子扩散现象,描述分子扩散过程的基本定律费克第一定律。

kmol/（m2s）,费克第一定律,DAB组分A在组分B中的扩散系数，m2/s,一、分子扩散现象与费克定律,2.费克（Fick）定律,及,DBA组分B在组分A中的扩散系数，m2/s,对于两组分扩散系统,一、分子扩散现象与费克定律,微分得,故此得,3.总体流动现象,示例：

用水吸收空气中的氨,一、分子扩散现象与费克定律,设由A、B组成的二元气体混合物，其中A为溶质，可溶解于液体中，而B不能在液体中溶解。

这样，组分A可以通过气液相界面进入液相，而组分B不能进入液相。

由于A分子不断通过相界面进入液相，在相界面的气相一侧会留下“空穴”。

根据流体连续性原则，混合气体会自动地向界面递补，这样就发生了A、B两种分子并行向相界面递补的运动，这种递补运动就形成了混合物的总体流动。

一、分子扩散现象与费克定律,二、气体中的稳态分子扩散,设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则称为等分子反方向扩散。

1.等分子反方向扩散,气相相界面液相,易挥发组分,NA,NB,难挥发组分,蒸馏操作,对于等分子反方向扩散,NA=NB,二、气体中的稳态分子扩散,因此得,N=NA+NB=0,故此得,等分子反方向扩散,

（1）z=z1,边界条件,cA=cA1（pA=pA1）,

（2）z=z2,cA=cA2（pA=pA2）,二、气体中的稳态分子扩散,求解得,当扩散系统处于低压时，气相可按理想气体混合物处理，则,二、气体中的稳态分子扩散,据此得,设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A为扩散组分，组分B为不扩散组分（称为停滞组分），组分A通过停滞组分B进行扩散。

吸收操作,液相相界面气相,溶质,NA,NB0,惰性组分B,2.一组分通过另一停滞组分的扩散,二、气体中的稳态分子扩散,对于组分A通过停滞组B的扩散,NB=0,整理得,二、气体中的稳态分子扩散,N=NA+NB=NA,

（1）z=z1,边界条件,cA=cA1（pA=pA1）,

（2）z=z2,cA=cA2（pA=pA2）,二、气体中的稳态分子扩散,一组分通过另一停滞组分的扩散,二、气体中的稳态分子扩散,求解可得,或,由于扩散过程中总压不变,二、气体中的稳态分子扩散,令,据此得,组分B的对数平均分压,二、气体中的稳态分子扩散,比较,反映了总体流动对传质速率的影响,相差,飘流因数,二、气体中的稳态分子扩散,因为,故,总体流动影响,无总体流动,二、气体中的稳态分子扩散,三、液体中的稳态分子扩散,1.等分子反方向扩散,参照气体中的等分子反方向扩散过程，可写出,组分A在溶剂B中的扩散系数，m2/s,三、液体中的稳态分子扩散,参照气体中的一组分通过另一停滞组分的扩散过程，可写出,2.一组分通过另一停滞组分的扩散,或,三、液体中的稳态分子扩散,其中,停滞组分B对数平均物质的量浓度,停滞组分B对数平均摩尔分数,四、扩散系数,1.气体中的扩散系数,通常，扩散系数与系统的温度、压力、浓度以及物质的性质有关。

对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关，只是温度及压力的函数。

气体扩散系数可从有关资料中查得，某些双组分气体混合物的扩散系数列于附录一中。

气体中的扩散系数，其值一般在m2/s范围内。

四、扩散系数,估算气体扩散系数经验公式,福勒公式,组分A、B的摩尔质量，kg/kmol；,组分A、B的分子扩散体积，cm3/mol。

四、扩散系数,简单分子的扩散体积,四、扩散系数,原子的扩散体积,四、扩散系数,、下的扩散系数，m2/s；,、下的扩散系数，m2/s。

四、扩散系数,2.液体中的扩散系数,液体中溶质的扩散系数不仅与物系的种类、温度有关，而且随溶质的浓度而变。

液体中的扩散系数可从有关资料中查得，某些低浓度下的二组元液体混合物的扩散系数列于附录一中。

液体中的扩散系数，其值一般在m2/s范围内。

四、扩散系数,估算液体扩散系数经验公式,威尔基公式,溶剂B的摩尔质量，kg/kmol；,溶质在正常沸点下的分子体积，cm3/mol。

溶剂B的黏度，Pas；,溶剂B的缔合因子；,四、扩散系数,常见溶剂的缔合因子,四、扩散系数,某些物质在正常沸点下的分子体积,练习题目,思考题,作业题:

3、4、5,1.求解分子传质问题的基本方法是什么？

2.“漂流因子”与总体流动有何关系？

3.气体扩散系数与哪些因素有关？

4.如何获得气体扩散系数与液体扩散系数？

7.1概述,第七章传质与分离过程概论,7.2.1分子传质（扩散）,7.2质量传递的方式与描述,7.2.2对流传质,1.涡流扩散,由于流体质点的湍动和旋涡而形成的物质传递现象涡流扩散。

涡流扩散在湍流流体中发生,一、涡流扩散现象,在涡流扩散中时刻存在分子扩散,涡流扩散的通量远大于分子扩散的通量,2.涡流扩散通量方程,涡流扩散系数，m2/s,kmol/（m2s）,一、涡流扩散现象,描述涡流扩散通量的方程为,涡流扩散通量,1.对流传质的类型,运动流体与固体表面之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递过程对流传质。

二、对流传质,对流传质,自然对流传质,强制层流传质,强制湍流传质,强制对流传质,2.对流传质的机理,所谓对流传质的机理是指在传质过程中，流体以哪种方式进行传质。

研究对流传质速率需首先弄清对流传质的机理。

层流内层,缓冲层,湍流中心,湍流流体,流体与管壁间的浓度分布,二、对流传质,湍流主体,层流内层,缓冲层,传质机理：

分子传质,传质机理：

涡流传质为主,浓度分布：

为一陡峭直线,传质机理,浓度分布：

为一渐缓曲线,浓度分布：

为一平坦曲线,分子传质,涡流传质,在与壁面垂直的方向上分为三层,二、对流传质,2.对流传质速率方程,描述对流传质的基本方程对流传质速率方程。

对流传质系数，kmol/（m2sc）,kmol/（m2s）,二、对流传质,对流传质速率方程,对流传质通量,7.1概述,第七章传质与分离过程概论,7.2.1分子传质（扩散）,7.2质量传递的方式与描述,7.2.2对流传质,7.2.3相际间的传质,一、相际间的对流传质过程,设组分A从气相传递到液相（如吸收），该过程由以下3步串联而成：

组分A从气相主体扩散到相界面；,在相界面上组分A由气相转入液相；,组分A由相界面扩散到液相主体。

一般来说，相界面上组分A从气相转入液相的过程很快，相界面传质阻力可以忽略。

因此，相际间传质的阻力主要集中在气相和液相中。

若其中一相传质阻力较另一相大得多，则另一相传质阻力可以忽略，此种传质过程即称之为“该相控制”。

一、相际间的对流传质过程,相际间的传质,二、相际间对流传质模型,1.双膜模型,惠特曼（Whiteman）于1923年提出，最早提出的一种传质模型。

停滞膜模型（双阻力模型）,双膜模型示意图,播放动画32：

双膜模型,停滞膜模型的要点,当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞膜气膜和液膜，溶质A经过两膜层的传质方式为分子扩散。

在气液相界面处，气液两相处于平衡状态，无传质阻力。

在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流体强烈湍动，各处浓度均匀一致，无传质阻力。

二、相际间对流传质模型,依据双膜模型，组分A通过气膜、液膜的扩散通量方程分别为,二、相际间对流传质模型,设对流传质速率方程分别为,比较得,气膜对流传质系数,液膜对流传质系数,二、相际间对流传质模型,根据双膜模型，导出,停滞膜模型的模型参数,液膜厚度zL,气膜厚度zG,二、相际间对流传质模型,或,2.溶质渗透模型,希格比（Higbie）于1935年提出，为非稳态模型。

溶质渗透模型示意图,二、相际间对流传质模型,播放动画33：

溶质渗透模型,溶质渗透模型的要点,液面由无数微小的液体单元所构成，当气液两相相互接触时，液相主体中的某些单元运动至相界面便停滞下来。

在气液未接触前，液体单元中溶质的浓度和液相主体的浓度相等，接触开始后，相界面处立即达到与气相平衡状态。

随着接触时间的延长，溶质A通过不稳态扩散方式不断地向液体单元中渗透。

二、相际间对流传质模型,液体单元在界面处暴露的时间是有限的，经过时间c后，旧的液体单元即被新的液体单元所置换而回到液相主体中去。

在液体单元深处，仍保持原来的主体浓度不变。

液体单元不断进行交换，每批液体单元在界面暴露的时间c都是一样的。

二、相际间对流传质模型,根据溶质渗透模型，可导出,二、相际间对流传质模型,设对流传质速率方程分别为,比较可得,溶质渗透模型的模型参数,暴露时间,二、相际间对流传质模型,3.表面更新模型,丹克沃茨（Danckwerts）于1951年提出，为非稳态模型。

表面更新模型的要点,溶质向液相内部传质为非稳态分子扩散过程。

界面上液体单元有不同的暴露时间或称年龄，界面上各种不同年龄的液体单元都存在。

不论界面上液体单元暴露时间多长，被置换的概率是均等的。

单位时间内表面被置换的分率称为表面更新率，用符号S表示。

二、相际间对流传质模型,根据表面更新模型，可导出,二、相际间对流传质模型,设对流传质速率方程分别为,表面更新模型的模型参数,表面更新率,比较可得,二、相际间对流传质模型,7.1概述,第七章传质与分离过程概论,7.3.1传质设备的分类与性能要求,7.2质量传递的方式与描述,7.3传质设备简介,一、传质设备的分类,传质设备,气液传质设备,按所处理物系相态分类,液液传质设备,气固传质设备,液固传质设备,传质设备,按两相的接触方式分类,逐级接触式设备,微分接触式设备,按促使两相混合与接触动力分类,传质设备,无外加能量式设备,有外加能量式设备,二、传质设备的性能要求,单位体积中，两相的接触面积应尽可能大,对传质设备的基本要求,两相分布均匀，避免或抑制沟流、短路及返混等现象发生,流体的通量大，单位设备体积的处理量大,流动阻力小，运转时动力消耗低,操作弹性大，对物料的适应性强,结构简单，造价低廉，操作调节方便，运行安全可靠,7.1概述,第七章传质与分离过程概论,7.3.1传质设备的分类与性能要求,7.2质量传递的方式与描述,7.3传质设备简介,7.3.2典型的传质设备,一、板式塔,板式塔为逐级接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。

板式塔的结构,1.壳体2.塔板3.溢流堰4.受液盘5.降液管,板式塔,液相,连续相,汽相,分散相,二、板式塔,筛孔塔板示意图,1.筛孔2.鼓泡层3.泡沫层4.降液管,填料塔为连续接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、液体分布器、填料支承板、塔填料、填料压板及液体再分布装置等部件构成。

1.塔壳体；2.液体分布器；3.填料压板；4.填料；5.液体再分布器；6.填料支承板。

填料塔结构示意图,填料塔,液相,连续相,气相,分散相,二、填料塔,与板式塔相比，填料塔具有以下特点：

生产能力大,侧线进料和出料较难,压力降小，持液量小,操作弹性大,分离效率高,造价较高,易堵塞,二、填料塔,练习题目,思考题,作业题:

6、7、8,1.对流传质有哪些类型，其传质机理如何？

2.提出对流传质模型的意义是什么？

3.停滞膜模型，溶质渗透模型和表面更新模型的要点是什么，各模型求得的传质系数与扩散系数有何关系，其模型参数是什么？

4.板式塔和填料塔的构造如何？

学习指导,本章重点掌握的内容,