7 传质与分离过程概论.ppt

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,1、平衡分离过程 借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物系统变为两相体系，再以混合物中各组分在处于平衡的两相中分配关系的差异为依据而实现分离。,三、传质分离方法,三、传质分离方法,（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,相平衡常数（分配系数）,分离因子,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,借助某种推动力（如压力差、温度差、电位差等）的作用，利用各组分扩散速率的差异而实现混合物分离的单元操作过程。,所处理的物料和产品通常属于同一相态，仅有组成的差别。,三、传质分离方法,（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,电渗析,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,被分离物系的特性具有决定性作用,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,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,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,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：以惰性组分为基准,质量比与质量分数的关系,三、质量比与摩尔比,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。,播放动画31：分子扩散现象,分子传质又称为分子扩散，简称为扩散,分子传质只有在固相、静止或层流流动的流体 内才会单独发生,kmol/(m2 s),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：系统处于扩散的动态平衡时,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A,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通过停滞组分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,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,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:,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，Pa s；,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,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/(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。,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/(m2 s),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,双膜模型的要点,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。,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,当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，这种现象称为壁流。,壁流效应会造成气液两相在填料层中分布不均匀，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置液体再分布装置。,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:3、4、5,1.平衡分离和速率分离有哪些主要类型，他们的区别是什么？2.总体流动对分子传质通量有何影响？3.“漂流因子”与总体流动有何关系？4.气体扩散系数与哪些因素有关？,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？,