传质与分离过程概述

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1、第七章第七章 传质与分离过程概述传质与分离过程概述7.1 7.1 概述概述7.1.1 传质与分离方法传质与分离方法原料原料反应产物反应产物目的产物目的产物副产物副产物分离过程分离过程反应过程反应过程一、分离过程在化工中的应用一、分离过程在化工中的应用例：三氯甲烷的制备例：三氯甲烷的制备例：炼油过程例：炼油过程原料原料目的产物目的产物副产物副产物分离过程分离过程二、相际传质过程与分离二、相际传质过程与分离分离分离 过程过程非均相物系分离非均相物系分离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，需通过不能通过简单的机械方法分离，需

2、通过 某种物理（或化学）过程实现分离。某种物理（或化学）过程实现分离。例例 气固分离：沉降气固分离：沉降 液固分离：过滤液固分离：过滤均相物系的分离方法均相物系的分离方法均相物系均相物系某种过程某种过程 两相物系两相物系根据不同组根据不同组 分在各相中分在各相中 物性的差异，物性的差异， 使某组分从使某组分从 一相向另一一相向另一 相转移：相转移：相相 际传质过程际传质过程实现均相物系的分离实现均相物系的分离相际传质过程相际传质过程均相物系分离均相物系分离空气氨空气氨水水空气空气氨水氨水例：空气和氨分离例：空气和氨分离吸吸 收收 塔塔三、平衡分离过程三、平衡分离过程1、气液传质过程、气液传质过

3、程物质在气物质在气、液两相间的转移液两相间的转移，主要包括气体的吸收主要包括气体的吸收（或脱吸或脱吸）、气体的增湿气体的增湿（或减湿或减湿）、蒸馏蒸馏（或精或精馏馏）等单元操作过程等单元操作过程。吸收（脱吸）吸收（脱吸）增湿（减湿）增湿（减湿）蒸馏（精馏）蒸馏（精馏）2、液液传质过程、液液传质过程指物质在两个不互溶的指物质在两个不互溶的液相间的转移液相间的转移，主要包主要包括液体的萃取等单元操括液体的萃取等单元操作过程作过程 。萃取萃取3、液固传质过程、液固传质过程指物质在液指物质在液、固两相间的转移固两相间的转移主要包括结晶主要包括结晶（或溶解或溶解）、液体吸附液体吸附（或脱附或脱附）、浸取

4、等单元操作过程浸取等单元操作过程结晶（溶解）结晶（溶解）吸附（脱附）吸附（脱附）浸取浸取4、气固传质过程、气固传质过程指物质在气指物质在气、固两相间的转移固两相间的转移主要包括气体吸附主要包括气体吸附（或脱附或脱附）、固体干燥等单元固体干燥等单元操作过程操作过程干燥干燥吸附（脱附）吸附（脱附）平衡常数（分配系数）平衡常数（分配系数）/iiiKyx分离因子分离因子/ijijKK通常将通常将K值大的当作分子值大的当作分子，故一般大于故一般大于1。当偏当偏离离1时时，便可采用平衡分离过程使均相混合物得以便可采用平衡分离过程使均相混合物得以分离分离，越大越容易分离越大越容易分离。xi、yi分别表示组分

5、别表示组 分在两相中的组成分在两相中的组成四、速率分离过程四、速率分离过程1、膜分离、膜分离在选择性透过膜中在选择性透过膜中，利用各组分扩散速度的差异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而实现混合物分离的单元操作过程膜分离膜分离超超滤滤反渗透反渗透渗渗析析电渗析电渗析2、场分离、场分离在外场在外场（电场电场、磁场等磁场等）作用下作用下，利用各组分扩散利用各组分扩散速度的差异速度的差异，而实现混合物分离的单元操作过程而实现混合物分离的单元操作过程场分离场分离电电泳泳热扩散热扩散高梯度磁场分离高梯度磁场分离磁化精馏实验装置磁化精馏实验装置钕铁硼永磁场钕铁硼永磁场3. 分离方法的

6、选择分离方法的选择分离方法选择的原则分离方法选择的原则被分离物系的相态被分离物系的相态 被分离物系的特性被分离物系的特性 产品的质量要求产品的质量要求 经济程度经济程度7.1.2 7.1.2 相组成的表示方法相组成的表示方法一、质量浓度与物质的量浓度一、质量浓度与物质的量浓度1.质量浓度质量浓度mA AV混合物的总质量浓度混合物的总质量浓度1Nii 总kg /m3密度密度2.物质的量浓度物质的量浓度混合物的总物质的量浓度混合物的总物质的量浓度1Niicc 总A Acn Vkmol /m31.质量分数质量分数A Awm m 11Niiw 二、质量分数与摩尔分数二、质量分数与摩尔分数2.摩尔分数摩

7、尔分数A Anx n混合物的总摩尔分数混合物的总摩尔分数11Niix A Any n11Niiy 液相液相气相气相质量分数与摩尔分数的关系质量分数与摩尔分数的关系1/AA ANiiiwMx wM 1AA ANiiix Mw x M 由质量分数由质量分数 求摩尔分数求摩尔分数由摩尔分数由摩尔分数 求质量分数求质量分数1.质量比质量比A A AmX mm 质量比与质量分数的关系质量比与质量分数的关系1A A AwX w 三、质量比与摩尔比三、质量比与摩尔比1A A AXw X A A AnX nn A A AnY nn 摩尔比与摩尔分数的关系摩尔比与摩尔分数的关系1A A AxX x 1A A A

8、Xx X 液相液相气相气相2.摩尔比摩尔比7.2.1 7.2.1 分子扩散与菲克定律分子扩散与菲克定律1、分子扩散：分子扩散：一相内部有浓度差异的条件下一相内部有浓度差异的条件下，由于由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象分子的无规则热运动而造成的物质传递现象AB7.27.2质量传递的方式与描述质量传递的方式与描述一、分子扩散与菲克定律一、分子扩散与菲克定律（2）菲克定律菲克定律(Ficks law)A AABdcJDdz 物质物质A的分子扩散通量与该位置上的分子扩散通量与该位置上A的浓度梯度成正的浓度梯度成正比，比例系数称为物质比，比例系数称为物质A在介质在介质B中的扩散系数中的扩散系数

9、2、菲克定律菲克定律（1）扩散通量：扩散通量：单位面积上单位时间内扩散传递的单位面积上单位时间内扩散传递的物质量物质量 ，单位：单位：kmol/(m2.s)B BBAdcJDdz （3 3）分子扩散系数间的关系分子扩散系数间的关系对于双组分物系：对于双组分物系：.ABcccconst试分析与傅立叶定律以及牛顿粘性定律的区别及试分析与傅立叶定律以及牛顿粘性定律的区别及联系联系du dy dtqdx dzdc dzdcBABAJJ 根据菲克定律：根据菲克定律：dzdcDJA ABAdzdcDB BABAABDD在双组分混合物中，组分在双组分混合物中，组分A在组分在组分B中的扩散中的扩散系数等于组分

10、系数等于组分B在组分在组分A中的扩散系数中的扩散系数二、气相中的稳定分子扩散二、气相中的稳定分子扩散1 1、等分子反向扩散等分子反向扩散（1 1）等分子反向扩散等分子反向扩散在有限时间内为稳态分子扩散在有限时间内为稳态分子扩散连通管内任一截面处连通管内任一截面处A A与与B B向相反方向扩散的分子数相向相反方向扩散的分子数相等，为等分子反向扩散等，为等分子反向扩散（2）传质通量传质通量传质通量传质通量NA：在任一固定的空间位置上：在任一固定的空间位置上，单位时间单位时间通过单位面积的通过单位面积的A物质量物质量。dzdcDJNA AAdzdp RTDAA ApcRT11, 0AAppz22,A

11、Appzz210AAPpAzAdpRTDdzN)(12AAAppRTDzN)(21AAAppzRTDN总体流动：总体流动：气相主体中组分气相主体中组分A 扩散到界面，通过界面进入液扩散到界面，通过界面进入液 相，界面左侧附近相，界面左侧附近p ，主体，主体 与界面产生压差，促使与界面产生压差，促使A、B混混 合气体由气相主体向界面处流合气体由气相主体向界面处流 动，此流动称为动，此流动称为总体流动总体流动。由。由 于组分于组分B不能通过相界面，当不能通过相界面，当B 随总体流动运动到界面后，又随总体流动运动到界面后，又 以分子扩散返回气相主体，其以分子扩散返回气相主体，其 传质通量为传质通量为

12、0。2、一组分通过另一停滞组分的扩散一组分通过另一停滞组分的扩散（1）一组分通过另一停滞组分的扩散一组分通过另一停滞组分的扩散过程分析过程分析 稳态等分子反向扩散稳态等分子反向扩散总体流动总体流动ABJJ AcNcBcNc设总体流动通量为设总体流动通量为N，则其中则其中A、B的传质通量分别为：的传质通量分别为：组分组分A因因分子扩散分子扩散和和总体流动总体流动所产生的传质通量所产生的传质通量NA为：为：组分组分B B不能通过气液界面，故不能通过气液界面，故NB=0=0（2 2）传质通量传质通量ANNNNBAAAA AAABd dAcccNJNDNczc zc ccDcNddAAAz=0，cA=

13、cA1 z=z，cA=cA21A2 AclnAccc zDcN21lnA A AppDpNzRTpp2211BABApppp1221BBAApppp122211lnAAB A BBBpppDpNzRT ppp12()AA BmDpppzRT pBmp p漂流因数漂流因数，无因次无因次反映总体流动对传质速率的影响反映总体流动对传质速率的影响ppBm，1Bmp p1212lnBBBB BmPPPPP漂流因数的大小反映了漂流因数的大小反映了总体流动对传质速率的影响程总体流动对传质速率的影响程度度，溶质的浓度愈大，其影响愈大。其值为总体流动，溶质的浓度愈大，其影响愈大。其值为总体流动使传质速率较单纯分

14、子扩散增大的倍数。使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。当混合气体中当混合气体中A的浓度较低时，即的浓度较低时，即pA很小时：很小时：Bmpp 1Bmpp总体流动可以忽略不计总体流动可以忽略不计三、分子扩散系数三、分子扩散系数分子扩散系数：单位浓度梯度下的扩散通量，单位分子扩散系数：单位浓度梯度下的扩散通量，单位为为m2/s。即：。即：AAd dJDc z 扩散系数反映了某组分在一定介质（气相或液相）扩散系数反映了某组分在一定介质（气相或液相）中的扩散能力，是物质特性常数之一。其值随物系中的扩散能力，是物质特性常数之一。其值随物系种类、温度、浓度或总压的不同而变化。种类、温度、浓度或总压的不同而

15、变化。一些常用物质的扩散系数一些常用物质的扩散系数 P313附录一附录一扩散系数的来源扩散系数的来源 实验测定实验测定 物理化学手册，化学工程手册等查阅物理化学手册，化学工程手册等查阅 经验或半经验公式估算经验或半经验公式估算1、气体中的扩散系数、气体中的扩散系数气体气体A在气体在气体B中（或中（或B在在A中）的扩散系数，可中）的扩散系数，可按马克斯韦尔按马克斯韦尔吉利兰（吉利兰（Maxwell-Gilliland）公式进）公式进行估算行估算31 52211233114.36 10()()ABABTMMD p vv 2、液体中的扩散系数液体中的扩散系数液体中溶质的扩散系数与物质种类液体中溶质的扩散系数与物质种类、温度温度、粘度粘度及浓度有关及浓度有关。对于很稀的非电解溶液对于很稀的非电解溶液，物质在液体中物质在液体中的扩散系数的扩散系数151/22 0.67.4 10() m /sABB BbATDMV【例例】有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端管口面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，上端有一股空气通过，5小时后，小时后，管内液面降到距管口管内液面降到距管口20.5mm，管内液体温度保持，管内液体温度保持293K，大气压为，大气