食 品 工程原理课件第七章传质原理及应用课件.ppt

欢迎进入 第七章,海南大学食品学院 林向东 2013.06,第七章 传质原理及应用,本章教学目的与要求学习传质的基本概念，分子扩散与涡流扩散、扩散系数的影响因素；掌握稳定分子扩散的基本计算及应用、吸收与解吸的基本原理；掌握蒸馏与精馏的概念，填料塔和板式塔的流体力学特性及各自的特点；掌握两组分连续精馏的基本原理，理解理论塔板数的确定方法及塔效率的概念。,概 述：,食品工程原理以单元操作为单位划分又综合形成完整的系统；概括为“三传”过程。,对均相物系，要定向进行分离，一般是采用平衡分离。但需利用另外一相，依组分物质在两相中的性质 (溶解度、挥发度等)产生的差异，将其中的某物转向另一相而实现分离。,非均相(质点流体力学)、均相 (物质传递),另一分离称速率分离，气体扩散、电泳等,物质从一相向另一相转移的过程 质量传递,食品工程中重要的传质过程：,传质过程,吸收、吸附、离子交换、膜分离,浸提、萃取、超临界流体萃取,食品的干燥,蒸馏、精馏,相际间传质,建立模型,传质推动力,浓度差 (温度,压力,电场),相际传质过程的极限是相际平衡。,以扩散为基础，与换热器中对流间壁式传热有很多相似之处，但比传热过程更加复杂。,重点描述传质过程中的速率及主要的影响因素。,膜分离、离子交换、超临界流体萃取。, 1 传 质 学 基 础,扩散作用（现象）：,一、混合物组成的表示法,1、质量浓度与摩尔浓度,2、质量分数与摩尔分数,3、质量比与摩尔比惰性组分指传质过程中不在相际传递的物质。即在传质过程中质量不发生变化的物质。,4、气体总压与组分的分压,二、相平衡及计算,20氨在空气与水两相间的平衡关系,NH3在空气相与水相中的平衡关系,0.5,0.7,101.3KPa,三、传质速度与传质通量,1、传质速度,绝对速度 主体流动速度 扩散速度 uA um (uA um),2、传质通量,传质速率,单位时间内，通过垂直于传质方向上单位面积物质的量。用传质速度与浓度的乘积表示。,a.以绝对速度表示：,b.以扩散速度表示：,j i = r i (u i u) kg / ( s)J i = c i (u i u ) kmol / ( s),j = S j iJ = S J i, 2 传 质 原 理,一、质量传递的方式,1、分子传质（分子扩散）分子扩散：因浓度差引起的仅靠分子无规则热运动而产生的宏观统计结果的传质现象。,AB,AB,cA1cB1,cA2cB2,相间质量传递三步骤,Fick law,传质速率与浓度梯度的大小成正比。,721,组分的实际传质通量分子扩散通量主体流动通量,722,2、涡流扩散：,3、对流传质：,依靠流体湍动和漩涡而引起的 质点物质的扩散。,指两相界面间因流体流动引起的物质传递过程。,二、分子传质（扩散）,1、气体中的稳态分子扩散（双向、单向）,、 等分子双向扩散：二元气体混合物在总压和温度不变时，两组分的扩散通量相等。,723,、单向扩散,主体流动（总体流动），单向扩散描述,主体流动与扩散流的区别：扩散流是微观运动的宏观表现，传递的是组分A或B；主体流动是宏观运动，携 A、B流向界面2。,为便于比较与单分子扩散的差别，需替换p或c,723,P / PBM (C/CBM)的作用如顺水推舟。证明主体流动将加强分子扩散，使其通量加大，故将其称“漂流因子”或移动因子。当 A 组分浓度很小时，P / PBM 1，则单向扩散近于等分子扩散。,理想态的精馏、离子交换属于等分子双向扩散；结晶、吸收、吸附、浸取属于单向扩散。,2、液态中的稳态分子扩散,、等分子反向扩散,、单向扩散,3、固体中的稳态分子扩散3.1. 与固体内部结构无关的稳态扩散3.2. 在多孔固体中的稳态扩散,4、分子扩散系数D,扩散系数是分子扩散的重要参数之一，也是表征物质传递特性的参数，标志着物质在介质中借助于某种动力而迁移的能力。影响因素：介质种类和含量、温度、压力基础工作、资料、经验公式,4.1. 气体中的扩散系数,气体扩散系数受浓度影响小，0.112/s，比液态大 105 倍。食品工程中液态扩散系数使用较多；液体扩散系数与浓度C 密切相关，但压力的影响作用常可略。,D 常用经验公式估算，如水蒸气在空气中的扩散系数公式为：,4.2. 液体中的扩散系数,三、对流传质（扩散）,1、对流传质类型与机理按发生原因分为：自然对流 和 强制对流；（层流、湍流）按流体作用方式分为：固液界面，液液界面。,2、对流传质系数,kmol / s,3、相际传质模型,物理模型 对于难以用数学方法描述的过程通过需简化成某种物理图像加以描述，称为物理模型。对模型进行求解，得出理论式；再与实验结果比较，最后确定其正确性。,双膜模型、溶质渗透模型、表面更新模型。,双膜模型双阻力模型有效膜模型,要点：气液相界面稳定，有静止膜，属分子扩散；界面上气液平衡；静止膜外浓度一致。,Whiteman 1923,从上式看，有效膜厚度与对流状态有关，而与组分的扩散系数无关。但实验参数表明：,说明Z是与D有关的，故Z并不是真正意义上的有效膜厚，而是一虚拟膜厚，故此式应用有限制。,溶质渗透模型：适于两相间高度湍动难溶气体吸收的状况，属非稳态的传质模型。,无稳定相界面和稳定扩散，由于溶质的液相扩散系数小，故开始从界面进入液膜到建立稳定的浓度梯度需要一定的时间。溶质从相界面向液膜深度逐渐渗透，故称溶质渗透理论。,简化：气液接触时，液相中微元向界面移动，因有浓度梯度的存在，短时间里在界面上发生不稳定传质，随时间延长，渗透越深入。经过等距离的时间qc ，旧的流体被新的流体置换回到液相主体中去。等待再一次的移动,Higbie 1935,表面更新模型：,主要思想：流体流动时表面是不断更新的即不断有液体从主体转为界面，暴露给气相，使传质机会大大加强。,引入一模型参数表面更新率 S：单位时间里表面被更新的百分率。 可理解为模型之二是qc 时间下的表面更新模型三是随时的更新。, 3 传 质 设 备 原 理,对传质设备的基本要求：设法增加两相充分接触的机会。1、增加相间接触面积；2、增大湍动程度； 3、相间有较大的推动力（物理、浓度）；4、传质后能分离完全；5、结构简单，操作方便，能耗小等。,分为微分传质设备和分级传质设备填料塔，板式塔。,填料塔特性：塔内以填料为气液接触的元件，液体自上而下在填料上分布，形成大面积液膜，气体自下而上与液体充分接触，进行传质。塔内浓度沿塔高呈连续性变化，且自上而下逐渐增加，故称之为连续性接触式气液交换设备，也称微分接触式传质设备,特点：结构简单，压降低，适于真空蒸馏，属大气量的气液传质设备，填料种类选择多，耐腐蚀,式塔特性板：在塔中设置带孔道的塔板，可供上升气体通过并与下降的液体在塔板上充分接触，液体靠自然重力下降，气体靠压强上升，在宏观上气液呈逆流接触状态，塔内溶液浓度自上而下逐渐增加。因每板上气液呈错流交换，呈分级状，故称之为分级接触式传质设备。,特点：空塔气速高，生产能力大气液比范围较广，放大生产稳定性好，结构复杂，压降高。, 4 吸 收 与 解 吸,一、概述 吸收依不同气态组分在溶剂中溶解度的差异，用适当的液体与混合气体接触，使气体中的一个或几个组分溶解于溶剂中，形成溶液，而难溶组分保留在气相中，从而达到使混合气体分离的单元操作。,概念：液体吸收剂；被溶解的气态组分 吸收质，不被吸收的组分惰性气体（载体）。,食品工业中的应用：碳酸饮料、净化气体、水果香精的回收、氢化油脂制造、CO2气体在葡萄酒表面吸收起抑菌保藏作用。,吸收方法分为：单组分与多组分；物理与化学等温与非等温,吸收的逆过程称解吸（脱吸）。天然油类脱臭，果汁、罐头脱气、吸收后溶质回收等。,吸收塔,加热器,解吸塔,冷凝器,加热器,二、气相液相间的平衡关系,1、气体在液体中的溶解度,2、亨利（Henry）定律,741,10 6 kpa,E 随温度增高而增大；易溶气体 E 值小，难溶气体 E 大；溶液越稀符合程度越高。,T,741,摩尔浓度kmol / m3,溶解度系数kmol / m3kpa,m E ，气体难溶于水的程度加大。,m相平衡常数,由道尔顿分压定律可推得：,3、吸收剂的选择,3、吸收速率（传质速率）方程,单位传质面积上单位时间内吸收的溶质量。,吸收速率吸收系数推动力,3.1.传质方向：,视溶质气体在气相中的分压 pA 与其液相平衡分压 p 的大小比较而定。,3.2.平衡极限：相平衡过程达到极限时，传质速率为零，此时为一动态平衡，有如下关系：,由上可知，在吸收平衡过程中，吸收液中的浓度（最高）和离开的气体浓度（最低）是有一定限度的。,通常吸收剂的量小，浓度大，但若过小时，xA2也不会无限高，它必为与当时的平衡分压对应的浓度。,同理，在塔顶部出口气相压力总是存在的，它必受到塔顶进口液相浓度 xA1 控制。,3.3.吸收速率方程：在气膜侧的吸收速率方程,在液膜侧的吸收速率方程,742,若以摩尔分数为浓度，则气、液膜推动力分别为,气、液相的总推动力分别为,743, 5 吸 附,一、基本概念1、 吸附作用一种传质分离过程，是以相际传质理论为基础的单元操作。使气体或液体流动相与多孔固体颗粒相接触，流动相中一种或多种组分被截留于固体颗粒上，从而使流动相中的组分被分离或纯化的单元操作。流动相中的组分之所以能被分离，是因为其中组分受固相的吸附力不同所致。吸附剂（固相）；吸附质（被吸组分）；,2、 吸附原理,吸附剂特有的多孔特性，很大的比表面；分子的自身特性差异；电荷作用；固体内外部分子的受引力环境差异等。,解吸：,物理吸附：仅靠分子引力吸附，无选择性，易吸离子，过程快，放热，结合力弱，可逆。,化学吸附：化学反应产生的结合力，活性吸附一般不可逆。过程慢，放热量大，结合力强。,3、 吸附剂及性能,多孔固体是食品工业常用的吸附剂。比表面大是基本特点。通过表面过程对其它颗粒进行吸附、降低表面能是其主要性能。,基本特性：吸附剂中微孔的比表面占比例很大；吸附容量 q ，也称之为吸附质在固相中的浓度，可用被吸附气体体积、吸附剂质量的变化来确定吸附量。吸附剂的密度：装填密度；颗粒密度真密度。,天然的：硅藻土300、活性白土300、凹凸棒250等；价廉易得，一次性使用，吸附能力小，选择性差，主要用于简单的精制加工。人工的：活性炭1500、硅胶600、吸附树脂700、活性氧化铝350、合成沸石分子筛750等。性能好，吸附能力强，应用范围广，价格较高，要求回收， 可再生重复用,对吸附剂的要求：较大的内表面，活性高，选择性强，一定的机械强度和物理特性，化学稳定性良好。,二、吸附分离理论,1、吸附平衡吸附等温线,、气固体系特性极性相似相吸；吸附质分子结构复杂且沸点高者易被吸附；酸碱相吸；吸附剂孔隙影响吸附速率和吸附量,、液固体系特性较气固复杂，溶剂同时被吸附；作用力多；分为正负吸附；吸附质在两相中形成函数关系；影响因素：温度、浓度、吸附剂结构特性,在稀溶液中,稀溶液中高吸附量,修正式（实用式）,实际应用较多，可操作性强n210吸附易于进行。当n0.5时难以吸附。,吸附发生的三个步骤外扩散扩散并预吸附（内扩散）内吸附, 6 蒸馏,气体中的混合物用液体吸收分离、气相或溶液中的混合物用固相物质吸附分离；一般采用微分接触式设备。,均相溶液、组分挥发性差异不大溶液的分离？,两大问题：相平衡关系，传质速率确定。,理论极的概念,级效率的确定,设备具通用性，之所以加以区分，重点是探讨对均相物系的分离常用的解决方法。,蒸馏 distiling： 利用液体中组分具挥发性而成为蒸气的特性，借不同组分挥发成气态能力的差异，分离液体混合物的单元操作。,精馏 rectify：溶液受热沸腾气化后，易挥发组分在气相中的浓度高，难挥发组分在液相中的浓度高，若经多次气化和冷凝，最终在气相中得到较纯的易挥发组分，在液相中得到高浓度难挥发组分，这一单元操作即为精馏。,精馏是在蒸馏基础上对均相液体混合物实现气液连续化分离，得到高纯度产品的操作。,分类： 简单蒸馏 常压蒸馏 双组分蒸馏平衡蒸馏（闪蒸） 减压蒸馏 多组分蒸馏 精 馏 加压蒸馏 特殊精馏（恒沸精馏、萃取精馏） 间歇蒸馏 连续蒸馏,气液相平衡是分析蒸馏原理和进行蒸馏设备计算的理论基础。,蒸馏也是气液两相间的传质过程；,组分在两相中的浓度（组成）偏离平衡的程度来衡量传质推动力的大小，传质过程以两相达到相平衡为极限；,蒸馏分离的依据： 液体在一定条件下均可挥发成蒸气。但因各种液体的挥发性存在差异，故混合液体发生部分气化时所生成的气相组成与其液相组成也必定存在差别。这就为均相混合液体高纯度分离提供了可能。在双组分系统中，设 A比 B 易挥发,一、双组分溶液系统的气液平衡,1、相律和拉乌尔定律,1.1. 相律是研究相平衡关系的基本规律，是确定气液平衡参数的理论基础。当相平衡时：,自由度维持相数的前提下，可以独立改变的变量（T、P、C）数。即该变量的改变不会使相数消失(减少)。,两组分系统中T、P、C（x、y）之间的关系变化：p428,1.2. Raoult Law,理想溶液（气体）分子间引力相同，且其不受组分混合影响，无体积变化和热效应的体系。,761,762,若气相可视为理想气体，则又根据道尔顿分压定律,以上说明，在二组分体系中，x A 、 y A 中任意一个参数确定后，则其余x B 、 y B 都能相继确定。若是已知一相组成， 也可求得与之平衡的另一相的组成和温度， 此时常需用试差法求算。,2、两组分理想溶液气液平衡相图（t -x - y 、y-x）,yx图：当压力恒定时将不同温度下yx值绘成右图。由于易挥发组分在气相中浓度总是大于液相中，故曲线总是在直线的左上方。又因yx图受压力影响较小故在实际应用中使用更多。,3、两组分非理想溶液的气液平衡相图,特征：可能出现恒沸组成。即当温度一定、组分摩尔分数处于某一值且溶液沸腾时，气液相组成的浓度在此温度下达到一致。,乙醇水系统温度为78.15时 ，恒沸组成89.4%,非理想溶液与理想溶液的偏差有正、负之分。负偏差：气相组分分压理想溶液，沸点较高正偏差：气相组分分压理想溶液，沸点较低,为表述混合溶液组分间的相互影响，引入“相对挥发度”概念。若组分A为易挥发组分：,此式意义：可用于衡量某体系是否适于用蒸馏的方法进行分离,通常，如用 y、x 表示易挥发组分， a 1 , a 越大越利于用蒸馏方法分离；当 a = 1 , y = x 时，混合物不宜用一般蒸馏法分离 一般情况下，a是温度、压强和浓度的函数，T 升高 a 略减；当压强增加 a 也略减食品工业中物料相对挥发度变化不是很大。,763,二、平衡蒸馏与简单蒸馏将一定组分的液体加热至泡点以上，再将蒸气冷却至其中难挥发组分的露点（使实际蒸气压强达到饱和蒸气压强时的温度）以下，当气、液相平衡后进行气、液分离，则易挥发组分在气相中富集，难挥发组分在液相中富集，从而实现分离，这一过程称为平衡蒸馏，也称闪蒸。,将料液加热成蒸气，引出蒸气，冷凝，则其中易挥发组分的浓度大于料液。当继续加热时，料液中易挥发组分不断降低，蒸馏出的易挥发组分也不断降低，因此这是一非稳态的分离过程。, 三、两组分连续精馏原理,精馏操作流程,连续精馏操作流程,提馏段,精馏段,L为回流量，D为产品量，RL/D称回流比,上式称精馏段操作线方程,上式称提馏段操作线方程,加料板：当某块塔板上的浓度与原料的浓度相近或相等时,料液由此加入，该板称为加料板。,精馏段：加料板以上的部分，它起着回收原料中易挥发组分增浓的作用。,提馏段：加料板以下的部分（包括加料板），它起着回收原料中易挥发组分的作用。,精馏操作的不正常现象：漏液、液沫夹带液泛反混,回流：升到塔顶的汽流组成在冷凝器中冷凝后只放出一部份作为塔顶产品，另一部分返回塔顶作为液流，这部份液流称为回流。,再沸器：最下一级用来提供一定量上升蒸气流的加热装置。算一块理论板，在计算中扣除。,在任一塔板上易挥发组分由液相转移到气相而难挥发组分从气相转移到液相。,理论塔板 (Ideal plate) ：当气液两相在某一层板上传热、传质达到平衡，且板上液相组成均匀时，即 y n和x n 满足气液平衡方程，则此层塔板称为理论塔板。,理论板是指离开该塔板的蒸汽和液体呈平衡状态的塔板。,理论板不存在的原因：气液间接触面积和接触时间是有限的，难以达到平衡状态。,理论板可作为衡量实际板分离效率的依据和标准。,理论塔板的概念( Ideal plate or tray ),理论板数的求法：,初始条件,提馏段操作线方程,精馏段操作线方程,相平衡方程,理论塔板数的确定 利用相平衡原理和操作线方程可确定理论塔板数，其方法有逐板计算法和图解法。,逐板计算法,在坐标纸上绘出双组分混合液的 y - x 平衡曲线，并作出对角线，对角线为 y = x。,在同一坐标上作精馏段操作线， 此操作线通过位于对角线的点，x = xD 、y = x D）和 y 轴上的点（x=0，y = xD / R+1），此操作线的斜率为 R / (R+1)，截距为 x D / (R+1)。,图解法,在同一坐标上作提馏段操作线，此操作线通 过位于对角线上的点（x = x W 、 y =x W）和 y 轴上的点（ x = 0、y = W x W / ( L + q F W ）此操作线的斜率为（L + q F ) / ( L + q F W）,从点（x = x D、 y = x D）开始在操作线与平衡线间作直角阶梯直至作最后一个阶梯的垂线达到 x W 或略小于 x W 为止。,注：所画的每一个阶梯代表理论塔板，跨过两操作线交点的那层塔板为加料板，最后一层塔板为再沸器。,q 线方程：过 x F 与对角线的交点，与精馏操作线相交于 d 点，其正是提馏操作线与精馏操作线的交点。,画坐标图；,作平衡线和对角线 ；,作精馏线（ab线）；,作q线（ef线）；,作提馏线（cd 线）；,作梯级 。,图解过程小结：,回流比的影响：,塔效率 E T ：,实际板数 在分级接触式分离设备中，根据具体要求人为设置的分级层数。,理论板数 N T 与实际板数 N R 之比,R 增大，塔内的气液两相的推动力加大，分离所需的理论塔板数减少，说明分离效率高，但所消耗的能量加大。R 为无穷大时称全回流。此时精馏、提馏线与对角线重合。在生产中无实际意义，只用来开工初期测定全塔效率或进行研究。R 减小，分离效果差，能耗小。因此需选择合适的回流比，以塔效率和达到产品的要求为评价标准。,