化工原理：第七章 传质与分离过程概论

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：甲醇生产（精制） 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

2、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 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

3、 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 iii xyK/ 分配因

4、子 jiij KK / 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 平衡常数Ki 在平衡分离过程中，i组分在互成平衡的两相 中的组成关系用相平衡常数Ki表示（分配系数）： 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 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。

5、场分离 电 泳 热扩散 高梯度磁场分离 三、传质分离方法 3.分离方法的选择 分离方法选择的原则 三、传质分离方法 v 被分离物系的相态 v 被分离物系的特性 v 产品的质量要求 v 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 单位体积混合物中某组分的质量。 质量浓度定义式 V A m A 混合物的总质量浓度 N i i 1 总 kg /m3 密度 2.物质的量浓度 单位体积混合物中某组分的物质的量。 混合物的总物质的量浓度 N i i cc 1 总 V nA A ckmol /m3 一、

6、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 A A A M c M c 总 总 ii MxM 平均摩尔质量 一、质量浓度与物质的量浓度 1.质量分数 混合物中某组分的质量占混合物总质量的分数。 质量分数定义式 m m A A w 混合物的总质量分数 N i i w 1 1 二、质量分数与摩尔分数 2.摩尔分数 混合物中某组分的物质的量占混合物总物质的量的分数 n n x A A 混合物的总摩尔分数 1 1 i N i x n n y A A 1 1 i N i y 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 i i N i AA

7、A Mw Mw x / / 1 i i N i AA A Mx Mx w 1 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：混合物中某组分的质量与惰性组分质量 的比值。 质量比的定义式 A A A mm m X 质量比与质量分数的关系 A A A w w X 1 三、质量比与摩尔比 A A A X X w 1 摩尔比的定义式 A A A nn n X A A A nn n Y 摩尔比与摩尔分数的关系 A A A x x X 1 A A A X X x 1 液相 气相 三、质量比与摩尔比 2.摩尔比：混合物中某组分物质的量与惰性组分 物质的量的比值。 n在吸

8、收塔中用水吸收混于空气中的氨。已知入塔在吸收塔中用水吸收混于空气中的氨。已知入塔 混合气中氨含量为混合气中氨含量为10% (10% (质量质量% %，下同，下同) )，吸收后，吸收后 出塔气体中氨含量为出塔气体中氨含量为0.1%0.1%，试计算进、出塔气体，试计算进、出塔气体 中氨的摩尔比中氨的摩尔比Y Y1 1 、Y Y2 2。 n解：由式解：由式 分析：若混合物中某组分的摩尔分率很小时，摩尔比分析：若混合物中某组分的摩尔分率很小时，摩尔比 近似等于摩尔分率。近似等于摩尔分率。 例题例题 1 A A A Y Y Y 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.

9、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。 v 分子传质又称为分子扩散，简称为扩散 v分子传质在气相、液相和固相中均能发生 在二元混合物的分子扩散中，某组分的扩散 通量与其浓度梯度成正比费克第一定律。 dz dc DJ A ABA 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 dz dc DJ B BAB 及 DBA 组分B在组分A中的扩散系数，m2/s 0 dz dc dz dc BA 常数 总 BA ccc 对于

10、两组分扩散系统 BAAB DD 一、分子扩散现象与费克定律 微分得 故此得 0 BA JJJ 该式说明：在两组分扩散系统中，组分A、B的相互 扩散系数相等。 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。

11、 相界面 气相（AB）液相 S A N A J B J 主体 流动 0 B N A Ny B Ny m u AA A NyJN 0 BB NyJN B BB NyJ 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 dz dc DJN A AB AA 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

12、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 )( 21AA AB AA cc z D JN 12 zzz 当扩散系统处于低压时，气相可按理想气体混 合物处理，则 RT A A p c )( 21AA AB AA pp zRT D JN 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

13、体中的稳态分子扩散 对于组分A通过停滞组B的扩散 A AA AB AA A AB A N c c dz dc DNy dz dc DN 总 NB= 0 整理得 dz dc cc cD N A A AB A 总 总 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 = z2c 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 1 2 ln A A AB A cc cc z cD N 总 总总 1 2 ln A A AB A pp p

14、p zRT pD N 总 总总 或 由于扩散过程中总压不变 22AB ppp 总 11AB ppp 总 2112AABB pppp 1 2 12 21 ln B B BB AAAB A p p pp pp zRT pD N 总 二、气体中的稳态分子扩散 令 1 2 12 ln B B BB BM p p pp p )( 21AA BM AB A pp zpRT pD N 总 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 )( 21AA AB A pp zRT D N )( 21AA BM AB A pp zpRT pD N 总 相差 BM

15、pp / 总 BM pp / 总 飘流因 数 二、气体中的稳态分子扩散 1/ BM pp 总 BM pp 总 因为 故 1/ BM pp 总 AA JN BM pp / 总 A N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 )( 21AA AB A cc z D N 参照气体中的等分子反方向扩散过程，可写出 12 zzz 组分A在溶剂B中的扩散系数，m2/s AB D 三、液体中的稳态分子扩散 )( 21AA BM AB A cc zc cD N 总 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 )( 21AA BM AB A xx zx cD N 总 三、液体中的稳态分子扩散 1 2 ln 12 B B BM c c cc c BB 其中 1 2 ln 12 B B BM x x