化工原理幻灯片-7传质

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1、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：

2、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,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）,（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

3、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,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，

4、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,（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,（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

5、系的特性,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,质量浓度定义式,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,物质的量浓度定义式,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,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,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

6、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,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,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,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

7、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,描述分子扩散过程的基本定律费克第一定律。,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,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

8、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

9、,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,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B的扩散,NB= 0,整理得,二、气体中的稳

10、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

11、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，可写出,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

12、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

13、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,练 习 题 目,思考题,作业题: 3、4、5,1.求解分子传质问题的基本方法是什么？ 2.“漂流因子”与总体流动有何关系？ 3.气体扩散系数与哪些因素有关？ 4.如何获得气体扩散系数与液体扩散系数？,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、

14、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。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,湍流 主体

15、,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

16、），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,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