第七章传质与分离过程概论课件.ppt

化工原理 CAI课件,苏州大学材化学部2012年2月制作人:王文丰,2022/12/10,2,化工原理教学互动邮箱： 教的互动资料在邮箱中网盘上登录密码：sdhg2012,2022/12/10,3,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,第七章传质与分离过程概论,7.1 概述7.1.1 传质与分离方法7.1.2 相组成的表示方法7.2 质量传递的方式与描述7.2.1 分子传质（扩散）7.2.2 对流传质7.2.3 相际间的传质7.3 传质设备简介7.3.1 传质设备的分类与性能要求7.3.2 典型的传质设备,2022/12/10,5,7.1 概述,7.1.1 传质分离过程,第七章 传质与分离过程概论,2022/12/10,6,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,2022/12/10,7,二、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,2022/12/10,8,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,2022/12/10,9,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,2022/12/10,10,三、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）,2022/12/10,11,（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,2022/12/10,12,（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,2022/12/10,13,（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,2022/12/10,14,（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,2022/12/10,15,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,2022/12/10,16,2.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,2022/12/10,17,（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,2022/12/10,18,三、传质分离方法,磁化精馏实验装置,钕铁硼永磁场,2022/12/10,19,3.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,2022/12/10,20,7.1 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,2022/12/10,21,一、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,2022/12/10,22,2.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,2022/12/10,23,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,2022/12/10,24,1.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,2022/12/10,25,2.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,2022/12/10,26,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,2022/12/10,27,1.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,2022/12/10,28,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,2022/12/10,29,作 业 题,书上P22 习题1、2,2022/12/10,30,7.1 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,2022/12/10,31,一、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,2022/12/10,32,描述分子扩散过程的基本定律费克定律。,kmol/(m2 s ),费克定律,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,2022/12/10,33,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,2022/12/10,34,3.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。,2022/12/10,35,一、分子扩散现象与费克定律,2022/12/10,36,二、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,2022/12/10,37,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,2022/12/10,38,(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,2022/12/10,39,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,2022/12/10,40,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,2022/12/10,41,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,2022/12/10,42,(1) z = z1,边界条件,cA = cA1 ( pA= pA1 ）,(2) z = z2,c A= 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,2022/12/10,43,二、气体中的稳态分子扩散,求解可得,或,2022/12/10,44,由于扩散过程中总压不变,二、气体中的稳态分子扩散,2022/12/10,45,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,2022/12/10,46,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,2022/12/10,47,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,2022/12/10,48,三、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,2022/12/10,49,三、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,2022/12/10,50,三、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,2022/12/10,51,四、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。,2022/12/10,52,四、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。,2022/12/10,53,四、扩散系数,简单分子的扩散体积,2022/12/10,54,四、扩散系数,原子的扩散体积,2022/12/10,55,四、扩散系数, 、 下的扩散系数，m2/s；, 、 下的扩散系数，m2/s。,2022/12/10,56,四、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。,2022/12/10,57,四、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，Pa s；, 溶剂 B 的缔合因子；,2022/12/10,58,四、扩散系数,常见溶剂的缔合因子,2022/12/10,59,四、扩散系数,某些物质在正常沸点下的分子体积,2022/12/10,60,作 业 题,书上P22习题: 3、4、5,2022/12/10,61,7.1 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,2022/12/10,62,1.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,2022/12/10,63,2.涡流扩散通量方程,涡流扩散系数，m2/s,kmol/(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,2022/12/10,64,1.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,2022/12/10,65,2.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,2022/12/10,66,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,2022/12/10,67,2.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/(m2 s ),二、对流传质,对流传质速率方程,对流传质通量,2022/12/10,68,7.1 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,2022/12/10,69,一、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”。,2022/12/10,70,一、相际间的对流传质过程,相际间的传质,2022/12/10,71,二、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,2022/12/10,72,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,2022/12/10,73,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,2022/12/10,74,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,2022/12/10,75,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,2022/12/10,76,2.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,2022/12/10,77,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,2022/12/10,78, 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,2022/12/10,79,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,2022/12/10,80,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,2022/12/10,81,3.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,2022/12/10,82,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,2022/12/10,83,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,2022/12/10,84,7.1 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,2022/12/10,85,一、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,2022/12/10,86,二、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,2022/12/10,87,7.1 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,2022/12/10,88,一、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,2022/12/10,89,二、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,2022/12/10,90,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,2022/12/10,91,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,2022/12/10,92,作 业 题,书上p22习题: 6、7、8,2022/12/10,93,学 习 指 导,本章重点掌握的内容,