化學工程基礎第4章傳質(zhì)分離基礎

1、 在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，若有濃度梯度存在，某以組分（或某些組分）將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動，該移動過程稱為傳質(zhì)過程 。 傳質(zhì)過程可以在單相中進行，也可以是在兩相中進行。 兩相間傳質(zhì)是分離過程的基礎1-1 分離與人類的關系 一般的化學工業(yè)中，用于分離提純的設備投資在產(chǎn)品生產(chǎn)的整個工藝中占有較大的比例。例如，石油化學工業(yè)，分離單元操作的設備投資占總投資的50%90%，而且用于分離的操作費用在生產(chǎn)成本中也占有相當大的比重。1、傳質(zhì)分離過程 分離過程可分為機械分離和傳質(zhì)分離。 機械分離的對象是非均相的混合物料，利用該混合物中組分間的密度、尺寸等物性差異將其分離。（過濾、沉降、離心分離等

2、） 傳質(zhì)分離過程是針對各種均相混合物料的分離，如酒精與水德混合物的分離。混合物分離操作非均相混合物的分離沉降過濾均相混合物的分離氣體吸收液體精餾液液萃取 混合物因組分的濃度差引起的質(zhì)量傳遞，稱為傳質(zhì)。 傳質(zhì)中某組分的濃度梯度產(chǎn)生了這種組分的驅(qū)動力（推動力）。 因為純組分變成混合物是熵增加的自發(fā)過程，所以將混合物分離需要對體系做功。 實際工程中分離均相混合物采取的手段是：加入分離介質(zhì)（能量或溶劑），形成共存的但為不平衡的兩相，讓物質(zhì)在兩相間傳遞。 常見的傳質(zhì)分離操作：1、蒸餾 分離液體混合物的單元操作。 過程：對混合液加熱使混合液部分汽化造成不平衡的氣相和液相，利用各組分揮發(fā)性的差異，使揮發(fā)性大

3、的組分向氣相的凈傳遞，揮發(fā)性小的組分向液相的凈傳遞，將混合液分離。2、吸收與解吸 分離氣體混合物的操作單元。 利用各組分在同一溶劑中的溶解度不同，在混合氣體中加入某種溶劑，使溶解度大的組分向液相轉移。 如果在吸收過程中伴有化學反應的，稱為化學吸收。 被吸收的氣體從吸收劑中脫除的過程，稱為解吸。3、液液萃取 分離液體混合物的單元操作。 在液體混合物種加入與其不想混溶的選定的溶劑，形成不平衡的液液兩相，利用各組分在兩液相中溶解度不同而分離固定的組分。 含萃取劑的相稱為萃取相，含萃取劑較少的相稱萃余相。4、吸附 當某些固體多孔物質(zhì)與流體（氣體或液體）接觸時，流體中的某一或某些組分能以擴散的方式從氣相

4、或液相進入固相，附著于固體內(nèi)、外表面上形成單分子層或多分子層的過程，稱為吸附。 被吸附的流體稱為吸附質(zhì)，多空固體物質(zhì)稱為吸附劑。 物理吸附；化學吸附。5、干燥 干燥指借熱能使物料中水分（或溶劑）汽化，并由惰性氣體帶走所生成的蒸汽而得到干燥固體的操作。6、膜分離 膜分離是以具有選擇性分離功能的材料膜為分離介質(zhì)，在膜的兩側存在一定能量差（壓力差、濃度差、電位差）作為動力，各組分透過膜遷移率不同，從而達到分離的目的。7、熱擴散 熱擴散是利用溫度梯度引起的物質(zhì)擴散以分離氣體或液體混合物的一種特別的方法。9擴散方式擴散方式分子擴散分子擴散渦流擴散渦流擴散作用物作用物流體分子流體分子流體質(zhì)點流體質(zhì)點作用方

5、式作用方式熱運動熱運動湍動和旋渦湍動和旋渦作用對象作用對象靜止、滯流靜止、滯流湍流湍流 推動力推動力 濃度差濃度差物質(zhì)傳遞物質(zhì)傳遞擴散快慢？擴散快慢？2 2、傳質(zhì)過程分析、傳質(zhì)過程分析10,AA zABdcJDdz 擴散通量，擴散通量，kmol/m2 s表表示示擴擴散散方方向向與與濃濃度度梯梯度度方方向向相相反反A 在在 B 中中的的擴擴散散系系數(shù)數(shù) m2/s費克定律費克定律 由上式可知，在總濃度c不變的情況下，只要流體中存在組分的濃度梯度，必然會產(chǎn)生分子擴散。單位面積上單位時間內(nèi)擴散傳遞的物質(zhì)量單位面積上單位時間內(nèi)擴散傳遞的物質(zhì)量11JA = - JB對對A、B二元物系，二元物系，ABAAD

6、dpJRTdz 又又BABBDdpJRTdz P=pA+pB=Const. 雙組份混合物中氣體分子擴散分為等物質(zhì)的量反向擴散和單向擴散。12dzdpRTDdzdcDJNAAAA)pp(RTzDN21AAA21BBBBppRTzDJN21BBBcczDN21AAAcczDNNA：單位時間通過單位固定：單位時間通過單位固定空間傳質(zhì)面積的物質(zhì)量，空間傳質(zhì)面積的物質(zhì)量，kmol/(m2 s)；積分：積分：組分組分B若為液相若為液相 DAB=DBA=D1314溶質(zhì)溶質(zhì)A相界面相界面溶劑溶劑S同時同時S不逆向通過（汽化）不逆向通過（汽化）如吸收：如吸收：（單向擴散）（單向擴散）對于截面對于截面F-F：AJ

7、,bAN15bBBcNJc Nb2. A、B做等分子反方向擴散的傳遞運動做等分子反方向擴散的傳遞運動3. 總體流動加快了總體流動加快了A的傳遞速度的傳遞速度1. 總體流動總體流動即即 JA= - JBNA=JA+Nb(cA/c)NB=JB+Nb(cB/c)Nb(cA/c)Nb(cB/c)B為停滯組分。為停滯組分。 =0ABcJc16AAAABcNJJcAAdppD p-pRT dz- -pDRTz21AAAppNlnppBB21ppDlnRTzp1AABpJpABABppJp171122ABABppppp122211()lnAABABBBppppDNRTz ppp122121()lnAABBB

8、BDpppppRTzpp 2121,lnmBBBBBppppp令令 1221AABBpppp18)pp(ppRTZDpplnRTZDpN21m12AABBBA 12ALAALsmDcNcczc與等摩爾相互擴散相比多了一個因子與等摩爾相互擴散相比多了一個因子p/pBm漂流因數(shù)。漂流因數(shù)。漂流因數(shù)反映總體流動對傳質(zhì)速率的影響。漂流因數(shù)反映總體流動對傳質(zhì)速率的影響。 p/pBm1 傳質(zhì)速率較大。傳質(zhì)速率較大。若若pA p/pBm ；反之；反之pA p/pBm11951.7521/31/3111.013 10()()ABABTMMDPVV75. 1122112TTppDD 分子擴散系數(shù)分子擴散系數(shù)D表

9、示物質(zhì)單位濃度梯度下、通過表示物質(zhì)單位濃度梯度下、通過單位面積上的擴散速率，是物質(zhì)的傳遞性質(zhì)。單位面積上的擴散速率，是物質(zhì)的傳遞性質(zhì)。20 固體中的擴散系數(shù)需靠實驗確定。固體中的擴散系數(shù)需靠實驗確定。對于很稀的非電解質(zhì)溶液（溶質(zhì)對于很稀的非電解質(zhì)溶液（溶質(zhì)A+溶劑溶劑S），其擴散系數(shù)），其擴散系數(shù)常用常用Wilke-Chang公式估算：公式估算：212112TDDT21dzdcDJAEAB dzdcDDJAEAB 湍流：湍流：DE占主要地位占主要地位。層流：層流：D占主要地位；占主要地位； 依靠流體內(nèi)部漩渦的強烈混合而引起的物質(zhì)傳遞稱依靠流體內(nèi)部漩渦的強烈混合而引起的物質(zhì)傳遞稱為渦流擴散。為渦

10、流擴散。22TTWtWt熱流體熱流體冷流體冷流體pApAicAicA氣相氣相液相液相 T t G LE二、有效膜模型二、有效膜模型（1）單相內(nèi)對流傳質(zhì)過程）單相內(nèi)對流傳質(zhì)過程231）靠近相界面處層流內(nèi)層：傳質(zhì)機理僅為分子擴散，）靠近相界面處層流內(nèi)層：傳質(zhì)機理僅為分子擴散， 溶質(zhì)溶質(zhì)A的濃度梯度較大，的濃度梯度較大，pA隨隨z的變化較陡。的變化較陡。 2）湍流主體：渦流擴散遠遠大于分子擴散，）湍流主體：渦流擴散遠遠大于分子擴散， 溶質(zhì)濃度均一化，溶質(zhì)濃度均一化，pA隨隨z的變化近似為水平線。的變化近似為水平線。 3）過渡區(qū)：分子擴散）過渡區(qū)：分子擴散+渦流擴散，渦流擴散， pA隨隨z的變化逐漸平

11、緩。的變化逐漸平緩。（2 2）有效膜模型）有效膜模型 單相對流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力全部集中在一層虛單相對流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力全部集中在一層虛擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴散擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴散 。243單相對流傳質(zhì)速率方程單相對流傳質(zhì)速率方程（1 1）氣相對流傳質(zhì)速率方程）氣相對流傳質(zhì)速率方程)p(ppRTDpNiAAGBmGA 有效膜厚有效膜厚G-E到相界面的垂直距離到相界面的垂直距離)iAAGGApp(kNBmGGpRTDpk25以分壓差表示推動力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)以分壓差表示推動力的氣相傳質(zhì)分系數(shù) （給質(zhì)系數(shù)），（給質(zhì)系數(shù)）， kmol/（m2skPa）。）。 Gk=傳質(zhì)

12、系數(shù)傳質(zhì)系數(shù)吸收的推動力吸收的推動力 AN若推動力以氣相摩爾分率表示：若推動力以氣相摩爾分率表示：)(AiyyykNyk以氣相摩爾分率表示推動力的氣相給質(zhì)系數(shù)，以氣相摩爾分率表示推動力的氣相給質(zhì)系數(shù)， kmol/（m2s）；）； pypAGiipypAGpkky26（2）液相對流傳質(zhì)速率方程）液相對流傳質(zhì)速率方程)(AxxkNix)cc(kNALiALALLSmLD ckcLckkxkL以液相組成摩爾濃度表示推動力的液相以液相組成摩爾濃度表示推動力的液相給質(zhì)系數(shù)，給質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2skmol/m3）；）； xk以液相組成摩爾分率表示推動力的液相以液相組成摩爾分率表示推動力的液相給質(zhì)系數(shù)，給質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）；）； 給質(zhì)系數(shù)給質(zhì)系數(shù)=f (雷諾數(shù)、流體物性、