第四章 传质分离基础

1、传质过程：传质过程：物质以扩散或其他方式从一处转移到另一处的过程物质以扩散或其他方式从一处转移到另一处的过程。第四章第四章 传传 质质 分分 离离 基基 础础按传质相间进行分类按传质相间进行分类 液液-固相传质：浸取、吸附固相传质：浸取、吸附 气气-固相传质：吸附固相传质：吸附 液液-液相传质：萃取液相传质：萃取 气气-液相传质：精馏，吸收液相传质：精馏，吸收传质过程的推动力：传质过程的推动力：浓度梯度的存在。浓度梯度的存在。 混合过程为自发过程，分离过程为非自发过程。分离操作洁净空气 或 氧气和氮气污染物(循环)原料分离操作反应过程产品分离操作循环杂质废气副产品分离操作洁净水废水污染物(循环

2、)4-1 传质分离过程 4-1.1 分离与人类的关系原料的预处理工业废气中的有害气体石油的常减压蒸馏海水的淡化自来水、纯净水人体内的肾小球生产和生活4-1.2 传质分离操作的种类液液萃取液体精馏气体吸收均相混合物的分离固体浸取液体结晶固体干燥过滤沉降非均相混合物的分离混合物分离操作4-2 传质过程分析 物质在气相或液相内的传递过程，传递的机理包括分子扩散和对流扩散两种形式。 4-2.1 双组份混合体系中的分子传递过程 由物质分子的微观随机运动而产生的扩散称为分子传质(或分子扩散)过程。经大量实验可知：分子扩散通量与物质的性质、浓度差及扩散距离等因素有关。在恒温恒压条件下，由两组分A、B组成的混

3、合物，流体内部由于浓度梯度引起A或B的分子扩散通量可以用费克(Fick)定律描述：费克扩散定律dAdGdldCDNAAABA0 ,dlTCdCdldTqPP)(牛顿粘性定律傅里叶导热定律dluddldu)(方程的数学形式类似方程的数学形式类似1.单方向扩散2.等物质量的反向稳态扩散 尽管传质过程有多种类型，但传质过程遵循一些共同的规律。尽管传质过程有多种类型，但传质过程遵循一些共同的规律。 (1)传质的方式与历程 单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实现的，常见的扩散方式有分子扩散和涡流扩散两种。前者物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓度处，物质在静止或滞流流体中的扩散便是这种情况；后者则

4、是因流体的湍动和涡流产生质点位移，使物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。实际上，湍流流动有湍流主体和层流底层之分，所以其中物质传递既靠涡流扩散也靠分子扩散，两者统称对流扩散。 无论哪种类型的均相混合物，要想将其分离成纯净或几乎为纯态物质，必须造成一个两相物系，利用原物系中各组分间某种特性的差异，使其中某个组分在两相间进行传质，所经历的步骤是：物质首先从一相扩散到两相界面的该相一侧，然后通过相界面进入另一相，最后从此相的界面向主体扩散。例如：气体吸收，气体吸附等。 (2)传质过程的方向和极限 分析氨和空气的气体混合物与水在一恒温、恒压的容器中进行两相接触的传质过程。易溶于水的氨会向液相传递，氨分

5、子跨过相界面进入水中，同时，水相中的氨分子也会有一部分返回到气相中。如两相的量一定，随着过程的进行，气相中的氨浓度会逐渐减小，由气相进入液相的氨分子的速率也逐渐减小，而液相中的氨浓度逐渐增加，由液相返回气相的氨分子的速率也逐渐增加。经过一段时间后，由气相进入液相的和液相返回气相的氨分子的速率会达到一致。同时，各相内氨分子的浓度由于扩散的作用也达到了均匀一致。此时，体系处于动态平衡状态，两相的浓度不再变化，从宏观上看，物质的传递已经停止。 如果保持相同的温度和压力，向容器中注入氨气和水，或者直接改变温度或压力，上述动态平衡将会被破坏，但再经过一定的时间后，体系又可达到新的动态平衡。 由此，我们可

6、得出相间传质和相际平衡所共有的几点规律。 一定条件下，处于非平衡状态的两相体系内组分会自发地进行旨在使体系的组成趋于平衡态的传递。经足够长的时间，体系最终将达到平衡状态，此时相间没有净的质量传递； 条件的改变可破坏原有的平衡状态。如改变后，条件保持恒定，一定时间后，体系又可达到新的平衡。平衡体系的独立变量数(或称自由度)由相律所决定；对于氨、空气和水的体系，有： f = k + 2 = 3 2 +2 = 3 在一定条件下(如：温度、压力)，两相体系必然存在着一个平衡关系。 相平衡关系主要依靠实验测定，很多体系的平衡数据可从有关手册中查到。还有许多描述两相之间浓度关系的方程，例如：亨利定律(He

7、nry)和拉乌尔定律(Raoult)等。 相间传质过程的方向与极限可用组分在一相中的实际浓度相间传质过程的方向与极限可用组分在一相中的实际浓度与另一相实际浓度所对应的平衡浓度的相对大小来判断。与另一相实际浓度所对应的平衡浓度的相对大小来判断。 若物质在一相(A相)实际浓度大于其在另一相(B相)实际浓度所对应的平衡浓度，则物质将由A相向B相传递； 若物质在A相实际浓度小于其在B相实际浓度所对应的平衡浓度，则传质过程向相反方向进行，即从B相向A 相传递； 若物质在A相实际浓度等于其在B相实际浓度所对应的平衡浓度，则无传质过程发生，体系处于平衡状态。 对上述的空气中的氨向水中传递的过程，若以pA表示

8、气相中氨的实际分压，p*A表示达到与所对应的液相实际浓度平衡时的分压；则：pAp*A时，氨从气相向液相传递；p*ApA时，氨从液相向气相转移；pA=p*A时，两相间无净的氨传递，体系达到平衡状态。(3)传质过程推动力与速率 相平衡关系指明了传质过程的方向，平衡是传质过程的极限，而组分在两相分配偏离平衡状态的程度便是传质过程的推动力。由于相组成的表示方法不同，推动力的形式便不一样，它可以是压力差、浓度差等等。上述空气中氨向水中传递过程的例子中，气相氨浓度用分压表示时，该过程推动力为p=pA p*A。 传质过程中，物质传递的快慢常以传质速率来表示，其定义为：单位时间内，单位相接触面积上被传递组分的

9、物质的量，单位为molm-2s-1。传质速率与传质推动力和传质阻力的大小有关，与其它过程速率一样，传质速率可以写为：传质阻力传质推动力传质速率 实际上，常把传质阻力看成是传质系数的倒数，即 传质速率 = 传质系数传质推动力这样，把速率问题转化为求取不同体系在不同条件下的传质系数。4-2.2 气液相传质的机理气液相传质的机理 1 2 3 气相主体气相主体液相主体液相主体气液相传质的三个阶段：气液相传质的三个阶段：物质从一相主体转移到两相界面的一侧；物质从一相主体转移到两相界面的一侧；物质从界面的一侧转移到另一相的一侧，并发生物质从界面的一侧转移到另一相的一侧，并发生 相应的物理化学变化；相应的物

10、理化学变化；物质再从另一相界面一侧转移到另一相的主体中。物质再从另一相界面一侧转移到另一相的主体中。 分子扩散：分子扩散： 在静止或层流流体内部，若某一组分存在浓度差，在静止或层流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子运动的结果使该组分由浓度较高处传递至浓度则因分子运动的结果使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处。较低处。4-2.3 单相中的物质扩散单相中的物质扩散物质在单相中的扩散方式：物质在单相中的扩散方式： 分子扩散分子扩散 对流扩散对流扩散 菲克定律菲克定律 分子扩散的速率与物质的性质、传质面积、浓度差分子扩散的速率与物质的性质、传质面积、浓度差和扩散距离有关，可写成下面的关系式：和扩

11、散距离有关，可写成下面的关系式：1 分子扩散分子扩散分子扩散的基本方程分子扩散的基本方程GA扩散组分扩散组分A的分子传质速率，的分子传质速率， kmol/ s； D 物质的物质的分子分子扩散系数，扩散系数，m2/s；A 传质面积，传质面积，m2。 负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿 着浓度降低的方向进行。着浓度降低的方向进行。 G 扩散物质扩散物质A的量，的量， kmol； 时间，时间，s； 式式 中：中： 组分在扩散方向上的浓度梯度，组分在扩散方向上的浓度梯度，kmol/(m3m)； ncddncDAGGAdd稳定情况下：稳定情况下：)(

12、21ccADGA式式 中：中：c1-c2 扩散组分的浓度差，扩散组分的浓度差， kmol/ m3； 扩散层的厚度，扩散层的厚度， m； 扩散系数及其影响因素扩散系数及其影响因素扩散系数的物理意义：扩散系数的物理意义：物质的特性常数之一；物质的特性常数之一；表示物质在介质中的扩散能力；表示物质在介质中的扩散能力；在扩散方向的单位距离内，扩散组分浓度降低一个单在扩散方向的单位距离内，扩散组分浓度降低一个单位时，单位时间内通过单位面积的物质量。位时，单位时间内通过单位面积的物质量。扩散系数的影响因素：扩散系数的影响因素：扩散组分本身的性质扩散组分本身的性质扩散组分所在的介质的性质扩散组分所在的介质的

13、性质温度：温度：t，D压力：对液体影响很小，对气体影响很大压力：对液体影响很小，对气体影响很大浓度：对液体影响很大，对气体影响很小浓度：对液体影响很大，对气体影响很小扩散系数的估算扩散系数的估算1)扩散组分扩散组分A在气体在气体B中的扩散系数：中的扩散系数：321/31/32B0.0015511()AABTDPMM D扩散系数扩散系数m2/hP气体总压强（大气压）气体总压强（大气压）MA、MB气体气体A、B的摩尔质量（的摩尔质量（g/mol)VA、VB气体气体A、B的摩尔体积（的摩尔体积（1摩尔物料在它摩尔物料在它的正常沸点下呈液态时的体积，以的正常沸点下呈液态时的体积，以cm3计）计） 如果

14、已知热力学温度如果已知热力学温度T0和压力和压力P0下的扩散系数下的扩散系数D0，则可求出任意温度则可求出任意温度T和压力和压力P下的扩散系数下的扩散系数D：320()ooPTDDp T 物质在液体中的扩散系数物质在液体中的扩散系数 ：101/31/307.710T=D 液液（）D液液物质在液体中的扩散系数物质在液体中的扩散系数cm2/sT热力学温度热力学温度K 液体的粘度（泊）液体的粘度（泊）V物质的摩尔体积物质的摩尔体积cm3/molv0液体的摩尔体积液体的摩尔体积cm3/mol2 对流扩散对流扩散对流扩散：对流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部存在浓度梯流体作湍流运动时，若流体内部存在浓

15、度梯度，流体质点会靠分子扩散和漩涡质点的强度，流体质点会靠分子扩散和漩涡质点的强烈混合和碰撞而进行传质，组分从高浓度向烈混合和碰撞而进行传质，组分从高浓度向低浓度方向传递低浓度方向传递(是分子扩散和涡流扩散的合是分子扩散和涡流扩散的合称）。称）。稳定情况下，对流扩散传质速率：稳定情况下，对流扩散传质速率：ncADGA或ncDAGNA1.1.双膜模型的基本论点（假设）双膜模型的基本论点（假设） （1）过程：）过程： 物质经过扩散，到达气物质经过扩散，到达气-液相接触面上；液相接触面上； 到达气到达气-液相接触面的物质溶于溶剂；液相接触面的物质溶于溶剂； 溶解的物质，从气溶解的物质，从气-液相接触

16、面上扩散到液相中。液相接触面上扩散到液相中。双膜模型也称为双膜阻力模型 4-2.4 相间传质相间传质相间对流传质三大模型相间对流传质三大模型：双膜模型双膜模型 溶质渗透模型溶质渗透模型 表面更新模型表面更新模型相间传质相间传质-双膜理论示意图双膜理论示意图扩散方向扩散方向气膜气膜液膜液膜相界面相界面气相主体气相主体液相主体液相主体扩散方向扩散方向（2）滞流膜层）滞流膜层 a 假设不管是气相还是液相，是层流还是湍流，假设不管是气相还是液相，是层流还是湍流，在气在气-液相接触面附近总有层流膜层存在。液相接触面附近总有层流膜层存在。 b 假设在气相和液相主体中浓度是均匀的，但是假设在气相和液相主体中

17、浓度是均匀的，但是界面两边有效膜层内界面两边有效膜层内(气膜和液膜气膜和液膜)存在浓度差，它是存在浓度差，它是传质阻力的根本所在。传质阻力的根本所在。(3)假设气假设气-液相界面上每一点的气相和液相是平衡的。液相界面上每一点的气相和液相是平衡的。双膜理论的缺点：双膜理论的缺点： 具有自由界面的两相流体系统，相界面不是固定不具有自由界面的两相流体系统，相界面不是固定不变的。当两相流速增大，湍流迅速增加，在相界面上会形变的。当两相流速增大，湍流迅速增加，在相界面上会形成众多漩涡，相界面由于被这些漩涡所冲刷和贯穿而大大成众多漩涡，相界面由于被这些漩涡所冲刷和贯穿而大大增加，从而严重影响稳定的滞流膜层。增加，