1、化化 工工 原原 理理 2（下（下 册）册）天大 柴诚敬 主编教材 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工程问题：混合物分离中药原料浸提液目的产物副产物分离过程一、分离过程在工程中的应用示例：中药提取。示例：炼油过程。原油目的产物副产物分离过程分离过程n概念：传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程（推动力为浓度差）。n原因：体系中由于熵自动向最大值移动，即趋向均匀（如果各部分温度不均匀，会趋向一个平均温度，
2、如果浓度不均匀，也会趋向一个平均浓度）。n种类：相内传质和相际传质。n一般须有流体存在。实际中常有：气-液系统；液-液系统；固-液系统之间的传质过程。传质的概念与分类二、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
3、分离按分离原理：平衡分离：借助分离媒介（热能、溶解、吸附 剂）使均相混合物变为两相，两相中，各组分达到某种平衡，以各组分在处于平衡的两相中分配关系的差异为依据实现分离。速率分离：借助推动力（压力、温度、点位差）的作用，利用各组扩散速度的差异，实现分离。三、传质分离方法l相平衡状态（概念）：如气液相平衡u在一定的温度和压在一定的温度和压力下力下,气液两相之间气液两相之间达到平衡状态时达到平衡状态时,两两相组成相组成 之间的关系之间的关系称为气液平衡关系称为气液平衡关系.一定一定T和和Pu状态状态:气相、液相组成气相、液相组成 动动 态稳定态稳定三、传质分离方法气相:yA,yB液相:xA,xBP1
4、.平衡分离过程 l平衡状态表示：平衡常数（分配系数）iiixyK/分配因子 jiijKK/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
5、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2.速率分离过程 借助推动力（压力、温度、点位差）的作用，利用各组扩散速度的差异，实现分离。（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
6、，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3.分离方法的选择 分离方法选择的原则三、传质分离方法v 被分离物系的相态 v 被分离物系的特性 v 产品的质量要求 v 经济程度 7.1 概述第七章 传质与分离过程概论7.1.2 相组成的表示方法气相:yA,yB液相:xA,xBP单相两元混合物A,BP两元混合物一、质量浓度与物质的量浓度1.质量浓度质量浓度定义式VAmA混合物的总质量浓度Nii1总kg/m
7、3密度 两元混合物两元混合物A,B体积体积 VP2.物质的量浓度混合物的总物质的量浓度Niicc1总VnAAckmol/m3一、质量浓度与物质的量浓度物质的量浓度定义式 两元混合物两元混合物A,B体积体积 VP质量浓度与物质的量浓度的关系 AAAMcMc总总iiMxM平均摩尔质量一、质量浓度与物质的量浓度 两元混合物两元混合物A,B体积体积 VP1.质量分数质量分数定义式mmAAw混合物的总质量分数Niiw11二、质量分数与摩尔分数 两元混合物两元混合物A,B总质量总质量 mP2.摩尔分数 nnxAA混合物的总摩尔分数 11iNixnnyAA11iNiy液相气相二、质量分数与摩尔分数摩尔分数定
8、义式 两元混合物两元混合物A,B总摩尔数总摩尔数 nP质量分数与摩尔分数的关系 iiNiAAAMwMwx/1iiNiAAAMxMxw1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AAAmmmX质量比与质量分数的关系AAAwwX1三、质量比与摩尔比AAAXXw1混合中惰性组分质量质量的中混合物AXA混合物混合物A,BA为过程变化组分为过程变化组分总量也变化总量也变化P摩尔比的定义式AAAnnnXAAAnnnY摩尔比与摩尔分数的关系 AAAxxX1AAAXXx1液相气相三、质量比与摩尔比2.摩尔比摩尔数混合中惰性组分的摩尔数中混合物AXA四、分压与总压气体
9、气体A压力压力Pa气体气体B压力压力Pb气体气体A+B总压总压P=Pa+Pb+=对气相混合物，组分分压也代表组分量，用分压计算常常很方便。第七章 传质与分离过程概论传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程（推动力为浓度差）。7.2 质量传递的方式与描述与热量传递类似，质量传递方式有分子传质（扩散）和对流传质两种。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。v 分子传质又称为分子扩散，简称为扩散v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7.2.1 分子传质（扩散）描述分子扩散过程的基本定律费克第一定律。dzdc
10、DJAABAKmol/(m2 s)一、分子扩散现象与费克定律 2.费克(Fick)定律dzdcDJBBAB及方向浓度变化率中的扩散系数，在介质扩散通量，zdzdcsmBADsmkmolJAABA/)./(22 A B（P)(P)0dzdcdzdcBA常数总BAccc在任一截面，A、B净扩散通量为零：BAABDD一、分子扩散现象与费克定律微分得故此得0BAJJJ JA A(P)B(P)JB 1、等分子反方向扩散dzdcDJNAABAANA=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（两容器温度压力相同）结合理想气态方程，可得：)(21AAABAAppzRTDJN
11、22ABPPP?11ABPPPA组分B组分PAPB 分压分压 二、气体中的稳态分子扩散2.一组分通过另一停滞组分的扩散*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。NB0 Y NA)(21AABMABAppzpRTpDN总1212lnBBBBBMppppp组分 B 的对数平均分压可推证得组分可推证得组分A传质通量为：传质通量为：三、液体中的稳态分子扩散*1.等分子反方向扩散)(21AAABAcczDN参照气体中的等分子反方向扩散过程，可写出12zzz 组分A在溶剂B中的扩散系数，m2/s ABD三、液体中的稳态分子扩散
12、)(21AABMABAcczccDN总 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)(21AABMABAxxzxcDN总三、液体中的稳态分子扩散12ln12BBBMcccccBB其中12ln12BBBMxxxxxBB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
13、/s 范围内。54101101dzdcDJAABA（扩散通量=扩散系数扩散推动力）四、扩散系数估算气体扩散系数经验公式23/13/12/175.15)()()11(10013.1BABAABvvpMMTD总福勒公式 BAMM、组分A、B的摩尔质量，kg/kmol；BAvv、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简单分子的扩散体积物 质v/（cm3/mol）物 质v/（cm3/mol）H27.07CO 18.90D26.70CO2 26.90He2.88N2O 35.90N217.90NH3 14.90O216.60H2O 12.70air20.10（CCl2F
14、2）114.80Ar16.10(SF6)69.70四、扩散系数原子的扩散体积原子的扩散体积元 素/（cm3/mol）元 素/（cm3/mol）C 16.50(Cl)19.5H 1.98(S)17.0O 5.48芳香环20.2(N)5.69杂 环20.2四、扩散系数 由福勒公式可知，气体扩散系数与 成正比、与 成反比。根据该关系，可得 75.1T总p75.112211AB2AB)(TTPPDD总，总，1ABD 、下的扩散系数，m2/s；1T1总，p2ABD 、下的扩散系数，m2/s。2T2总，p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
15、。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。109101101四、扩散系数估算液体扩散系数经验公式威尔基公式 BM 溶剂 B 的摩尔质量，kg/kmol；bAV 溶质在正常沸点下的分子体积，cm3/mol。6.0152/1)(104.7bABBABVTMDB 溶剂 B 的黏度，Pa s；溶剂 B 的缔合因子；四、扩散系数常见溶剂的缔合因子常见溶剂的缔合因子 溶剂名称水甲 醇乙 醇苯非缔合溶剂缔合因子2.61.91.51.01.0四、扩散系数某些物质在正常沸点下的分子体积某些物质在正常沸点下的分子体积
16、物 质分 子 体 积/（cm3/mol）物 质分 子 体 积/（cm3/mol）空气29.9 H2O18.9H214.3H2S32.9O225.6NH325.8N231.2NO 23.6Br253.2N2O 36.4Cl248.4SO2 44.8CO30.7I271.5CO234.07.1 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。v 涡流扩散在湍流流体中发生一、涡流扩散现象v 在涡流扩散中时刻存在分子扩散v 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
17、程dzdcJAMeA涡流扩散系数，m2/s Mkmol/(m2 s)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流体与管壁间的浓度分布二、对流传质AicAfc)(rfcA湍流流体Abc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
18、：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)Lk)(AfAiLAcckNkmol/(m2 s)二、对流传质 对流传质通量，kmol/(m2s)AN 壁面处流体浓度，kmol/m3Aic 流体主体平均浓度，kmol/m3AbcAicAfc)(rfcA湍湍流流流流体体Abc7.1 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
19、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 相际间的传质气相主体气相主体 液相主体液相主体 相界面相界面溶解溶解气相扩散气相扩散 液相扩散液相扩散 二、相际间对流传质模型 相际传质机理：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
20、。播放动画32：双膜模型(1)(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为存在着一个很薄（等效厚度分别为 z zG G和和 z zL L）的流体膜层）的流体膜层（气膜气膜和和液膜）液膜）。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。(2)(2)溶质在相界面处的溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态浓度处于相平衡状态。无传质阻力。无传质阻力。(3)(3)在膜层以外的两相在膜层以外的两相主流区由于流体湍动主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不传质阻力可以忽略不计
21、，相际的传质阻力计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。集中在两个膜层内。气相主体气相主体 液相主体液相主体 相界面相界面p z zG Gz zL Lpi ci c 气气膜膜液液膜膜pb cb 双膜理论将复杂的相际传质简单化了，该理论提出的双双膜理论将复杂的相际传质简单化了，该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中，阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；由此理论所得的传质系数计算式形
22、式简单，但等效膜层由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度厚度 1 和和 2 以及界面上浓度以及界面上浓度 pi 和和 ci 都难以确定；都难以确定；双膜理论主要适于有固定界面和系统速度不高的传质过双膜理论主要适于有固定界面和系统速度不高的传质过程，因此也存在着较大的局限性，例如对具有自由相界程，因此也存在着较大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立；扩散方式通过此两
23、膜层的假设都难以成立；本书后续部分将以该理论为讨论问题的基础。本书后续部分将以该理论为讨论问题的基础。)(AiAbBMGABApppRTzpDN总)(AbAiBMLABAcccczDN总 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 气相主体气相主体 液相主体液相主体 相界面相界面p z zG Gz zL Lpi ci c 气气膜膜液液膜膜pb cb 设对流传质速率方程分别为 比较得)(AiAbGAppkN)(AbAiLAcckNBMGABGpRTzpDk总BMLABLczcDk总气膜对气膜对流传质流传质系数系数液膜对液膜对流传质流传质系数系数二、相际间对流传
24、质模型 气相主体气相主体 液相主体液相主体 相界面相界面p z zG Gz zL Lpi ci c 气气膜膜液液膜膜pb cb 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 zGGkABD二、相际间对流传质模型 LkABD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
25、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 )(40AAicABccDAN二、相际间对流传质模型 设对流传质速率方程分别为)(AbAiLAcckN比较可得 溶质渗透模型的模型参数暴露时间cLk2/1ABDcABLDk4二、相际间对流传质模型 3.表面更新模型*丹克
26、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)(0AAiAccNSDAB设对流传质速率方程分别为)(AbAiLAcckN表面更新模型的模型参数表面更新率S比较可得Lk2/1ABDSDABLk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.
27、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 v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v两相分布均匀，避免或抑制沟流、短路及返混等 现象发生v流体的通量大，单位设备体积的处理量大v流动阻力小，运转时动力消耗低 v操作弹性大，对物料的适应性强 v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
28、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板式塔溶剂气体二、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
29、.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：v 生产能力大v 侧线进料和出料较难v 压力降小，持液量小v 操作弹性大v 分离效率高v 造价较高v 易堵塞二、填料塔练 习 题 目思考题1.传质分离过程有哪些类型?何为相平衡常数和分离因子?2.相组成有哪些表示方法，引出质量比和摩尔比有何意义?3.气体扩散系数与哪些因素有关？4.对流传质有哪些类型，其传质机理如何？5.双膜传质模型的要点？6.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v传质分离方法 v相组成的表示方法 v质量传递的方式与描述 分子传质（扩散）对流传质v典型的传质设备
