某些物质在正常沸点下的分子体积课件

《化工原理2》（下册）天大柴诚敬主编教材《化工原理2》天大柴诚敬主编教材通过本章学习，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通过本章学习，应掌握传质与分离过程的基学习目的第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工程问题：混合物分离7.1概述7.1.1传质分离过程第七章传质与分中药原料浸提液目的产物副产物分离过程一、分离过程在工程中的应用示例：中药提取。示例：炼油过程。原油目的产物副产物分离过程分离过程中药原料浸提液目的产物副产物分离过程一、分离过程在工程中的应概念：传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程（推动力为浓度差）。原因：体系中由于熵自动向最大值移动，即趋向均匀（如果各部分温度不均匀，会趋向一个平均温度，如果浓度不均匀，也会趋向一个平均浓度）。种类：相内传质和相际传质。一般须有流体存在。实际中常有：气-液系统；液-液系统；固-液系统之间的传质过程。传质的概念与分类概念：传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程（推二、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：过滤二、相际传质过程与分离分离非均相物系分离均相物系分离可通过机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空气＋氨水空气氨水示例：空气和氨分离吸二、相际传质过程与分离按分离原理：平衡分离：借助分离媒介（热能、溶解、吸附剂）使均相混合物变为两相，两相中，各组分达到某种平衡，以各组分在处于平衡的两相中分配关系的差异为依据实现分离。速率分离：借助推动力（压力、温度、点位差）的作用，利用各组扩散速度的差异，实现分离。三、传质分离方法按分离原理：三、传质分离方法相平衡状态（概念）：

——如气液相平衡在一定的温度和压力下,气液两相之间达到平衡状态时,两相组成之间的关系称为气液平衡关系.一定T和P状态:气相、液相组成动态稳定三、传质分离方法气相:yA,yB液相:xA,xBP1.平衡分离过程

相平衡状态（概念）：在一定的温度和压力下,气液两相之间达到平衡状态表示：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，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、传质分离方法平衡状态表示：平衡常数（分配系数）分配因子通常将三、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）

三、传质分离方法1.平衡分离过程（1）气液传质过程（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）单元操作过程。

蒸馏（精馏）

三、传质分离方法（2）汽液传质过程汽液传质过程是指物质在汽、液两（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（3）液液传质过程液液传质过程是指物质在两个（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（4）液固传质过程液固传质过程是指物质在液、固两相（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（5）气固传质过程气固传质过程是指物质在气2.速率分离过程

借助推动力（压力、温度、点位差）的作用，利用各组扩散速度的差异，实现分离。（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.速率分离过程（1）膜分离膜分离是指在选择性透过（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（2）场分离场分离是指在外场（电场、磁场等）作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

被分离物系的特性

产品的质量要求

经济程度

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7.1

概述第七章传质与分离过程概论7.1.2相组成的表示方法气相:yA,yB液相:xA,xBP单相两元混合物A,BP两元混合物7.1概述第七章传质与分离过程概论7.1.2相一、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密度两元混合物A,B体积VP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两元混合物A,B体积VP2.物质的量浓度混合物的总物质的量浓度kmol/m3一、质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两元混合物A,B体积VP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两元混合物A,B总质量mP1.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两元混合物A,B总摩尔数

nP2.摩尔分数混合物的总摩尔分数液相气相二、质量分数与摩尔质量分数与摩尔分数的关系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质量分数与摩尔分数的关系由质量分数由摩尔分数二、质量分数与1.质量比质量比的定义式质量比与质量分数的关系三、质量比与摩尔比混合物A,BA为过程变化组分总量也变化P1.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、质量比与摩四、分压与总压气体A压力Pa气体B压力Pb气体A+B总压P=Pa+Pb+=对气相混合物，组分分压也代表组分量，用分压计算常常很方便。四、分压与总压气体A气体B+=对气相混合物，组分分压也代表组第七章传质与分离过程概论传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程（推动力为浓度差）。7.2

质量传递的方式与描述与热量传递类似，质量传递方式有分子传质（扩散）和对流传质两种。第七章传质与分离过程概论传质是体系中由于物质浓度不均匀一、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。

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7.2.1分子传质（扩散）一、分子扩散现象与费克定律1.分子扩散现象由于分描述分子扩散过程的基本定律——费克第一定律。Kmol/(m2·

s)一、分子扩散现象与费克定律

2.费克(Fick)定律及AB（P)(P)描述分子扩散过程的基本定律——费克第一定律。Kmol/(在任一截面，A、B净扩散通量为零：一、分子扩散现象与费克定律微分得故此得JAA(P)B(P)

JB

在任一截面，A、B净扩散通量为零：一、分子扩散现象与费克定律1、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故此得等分子反方向扩散（两容器温度压力相同）结合理想气态方程，可得：1、等分子反方向扩散NA=－NB二、气体中的稳态分子扩散因此A组分B组分PAPB

分压

二、气体中的稳态分子扩散2.一组分通过另一停滞组分的扩散*

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。NB＝0Y

NAA组分B组分PAPB分压二、气体中的稳态分子扩散2.一——组分B的对数平均分压可推证得组分A传质通量为：——组分B的对数平均分压可推证得组分A传质通量为：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*1.等分子反方向扩散参照气体中的等三、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参照气体中的一组分通过另一停三、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对数平均摩尔分数三、液体中的稳态分子扩散其中停滞组分B停滞组分B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。（扩散通量=扩散系数×扩散推动力）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四、扩散系数估算气体扩散系数经验公式福勒公式

—

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、扩散系数估算气体扩散系数经验公式福勒公式—组分A、B四、扩散系数简单分子的扩散体积物质v/（cm3/mol）物质v/（cm3/mol）H27.07CO

18.90D26.70CO2

26.90He2.88N2O

35.90N217.90NH3

14.90O216.60H2O

12.70air20.10（CCl2F2）114.80Ar16.10(SF6)

69.70四、扩散系数简单分子的扩散体积物质v物质vH27.07C四、扩散系数原子的扩散体积元素

/（cm3/mol）元素

/（cm3/mol）C

16.50(Cl)

19.5H

1.98(S)

17.0O

5.48芳香环–20.2(N)

5.69杂环–20.2四、扩散系数原子的扩散体积元素

/（cm3/mol）元素四、扩散系数由福勒公式可知，气体扩散系数与成正比、与成反比。根据该关系，可得

—

、

下的扩散系数，m2/s；—

、

下的扩散系数，m2/s。四、扩散系数由福勒公式可知，气体扩散系数与四、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2.液体中的扩散系数液体中溶质的扩散四、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、扩散系数估算液体扩散系数经验公式威尔基公式—溶剂B四、扩散系数常见溶剂的缔合因子溶剂名称水甲醇乙醇苯非缔合溶剂缔合因子2.61.91.51.01.0四、扩散系数常见溶剂的缔合因子溶剂名称水甲醇乙醇苯非缔四、扩散系数某些物质在正常沸点下的分子体积物质分子体积/（cm3/mol）物质分子体积/（cm3/mol）空气29.9

H2O18.9H214.3H2S32.9O225.6NH325.8N231.2NO23.6Br253.2N2O36.4Cl248.4SO2

44.8CO30.7I271.5CO234.0四、扩散系数某些物质在正常沸点下的分子体积物质分子体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7.1概述第七章传质与分离过程概论7.2.1分

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、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1.涡流扩散由于流体质点的湍动和旋涡而形成的物质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2.涡流扩散通量方程—涡流扩散系数，m2/skmol/(m1.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√1.对流传质的类型运动流体与固体表面之间，或两个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流体与管壁间的浓度分布二、对流传质湍流流体2.对流传质的机理所谓对流传质的机理是指在传湍流主体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、对流传质湍流层流缓冲传质机理：分子传质传质机理：涡流传质为主浓度分布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/(m2·s·△c)kmol/(m2·

s)二、对流传质

—对流传质通量，kmol/(m2·s)

—壁面处流体浓度，kmol/m3

—流体主体平均浓度，kmol/m3湍流流体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7.1概述第七章传质与分离过程概论7.2.1分一、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），该过程由以下3步串联而成：①组分A从气相主体扩散到相界面；②在相界面上组分A由气相转入液相；③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设组分A从气相传递到液相一、相际间的对流传质过程

相际间的传质气相主体

液相主体

相界面溶解气相扩散

液相扩散

一、相际间的对流传质过程相际间的传质气相主体液相主体相二、相际间对流传质模型

相际传质机理：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。播放动画32：双膜模型二、相际间对流传质模型相际传质机理：惠特曼(Whi双膜模型的要点：

(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为zG和zL）的流体膜层（气膜和液膜）。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。(2)溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。无传质阻力。(3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。

气相主体

液相主体

相界面p

zGzLpi

ci

c

气膜液膜pb

cb

双膜模型的要点：(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界双膜理论将复杂的相际传质简单化了，该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；

由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度1和2以及界面上浓度pi和ci都难以确定；双膜理论主要适于有固定界面和系统速度不高的传质过程，因此也存在着较大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立；本书后续部分将以该理论为讨论问题的基础。

双膜理论将复杂的相际传质简单化了，该理论提出的双阻力概念，即依据双膜模型，组分A通过气膜、液膜的扩散通量方程分别为:二、相际间对流传质模型

气相主体

液相主体

相界面p

zGzLpi

ci

c

气膜液膜pb

cb

依据双膜模型，组分A通过气膜、液膜的扩散通量方程分别设对流传质速率方程分别为比较得气膜对流传质系数液膜对流传质系数二、相际间对流传质模型

气相主体

液相主体

相界面p

zGzLpi

ci

c

气膜液膜pb

cb

设对流传质速率方程分别为比较得气膜对流传质系数液膜对流传质根据双膜模型，导出

停滞膜模型的模型参数液膜厚度zL气膜厚度zG∝二、相际间对流传质模型

∝或

根据双膜模型，导出停滞膜模型液膜厚度z2.溶质渗透模型*

希格比(

Higbie

)于1935年提出，为非稳态模型。溶质渗透模型示意图二、相际间对流传质模型

播放动画33：溶质渗透模型2.溶质渗透模型*希格比(Higbie溶质渗透模型的要点①液面由无数微小的液体单元所构成，当气液两

相相互接触时，液相主体中的某些单元运动至

相界面便停滞下来。在气液未接触前，液体单

元中溶质的浓度和液相主体的浓度相等，接触

开始后，相界面处立即达到与气相平衡状态。②随着接触时间的延长，溶质A通过不稳态扩

散方式不断地向液体单元中渗透。二、相际间对流传质模型

溶质渗透模型的要点①液面由无数微小的液体单元所构成，当气液③

液体单元在界面处暴露的时间是有限的，经

过时间θc后，旧的液体单元即被新的液体单

元所置换而回到液相主体中去。在液体单元

深处，仍保持原来的主体浓度不变。④液体单元不断进行交换，每批液体单元在界

面暴露的时间θc都是一样的。二、相际间对流传质模型

③液体单元在界面处暴露的时间是有限的，经

过时间θ根据溶质渗透模型，可导出

二、相际间对流传质模型

设对流传质速率方程分别为根据溶质渗透模型，可导出二、相际间对流传比较可得

溶质渗透模型的模型参数暴露时间∝二、相际间对流传质模型

比较可得溶质渗透模型暴露时间∝二、相际间3.表面更新模型

*丹克沃茨(Danckwerts)于1951年提出，为非稳态模型。表面更新模型的要点①

溶质向液相内部传质为非稳态分子扩散过程。②

界面上液体单元有不同的暴露时间或称年龄，界面上各种不同年龄的液体单元都存在。③

不论界面上液体单元暴露时间多长，被置换的概

率是均等的。单位时间内表面被置换的分率称为

表面更新率，用符号S表示。二、相际间对流传质模型

3.表面更新模型*丹克沃茨(Danckwe根据表面更新模型，可导出二、相际间对流传质模型

设对流传质速率方程分别为根据表面更新模型，可导出二、相际间对流传质模型设对流传质速表面更新模型的模型参数表面更新率比较可得∝二、相际间对流传质模型

表面更新模型表面更新率比较可得∝二、相际间对流传质模型7.1

概述第七章传质与分离过程概论7.3.1传质设备的分类与性能要求7.2

质量传递的方式与描述7.3

传质设备简介7.1概述第七章传质与分离过程概论7.3.1传一、传质设备的分类

传质设备气液传质设备按所处理物系相态分类液液传质设备气固传质设备液固传质设备传质设备按两相的接触方式分类逐级接触式设备微分接触式设备按促使两相混合与接触动力分类传质设备无外加能量式设备有外加能量式设备一、传质设备的分类传质设备气液传质设备按所处理物系相态分类二、传质设备的性能要求

单位体积中，两相的接触面积应尽可能大对传质设备的基本要求两相分布均匀，避免或抑制沟流、短路及返混等

现象发生流体的通量大，单位设备体积的处理量大流动阻力小，运转时动力消耗低操作弹性大，对物料的适应性强结构简单，造价低廉，操作调节方便，运行安全

可靠二、传质设备的性能要求单位体积中，两相的接触面积应尽可能大7.1

概述第七章传质与分离过程概论7.3.1传质设备的分类与性能要求7.2

质量传递的方式与描述7.3

传质设备简介7.3.2典型的传质设备7.1概述第七章传质与分离过程概论7.3.1传一、板式塔

板式塔为逐级接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。板式塔的结构

1.壳体2.塔板3.溢流堰4.受液盘5.降液管板式塔液相连续相汽相分散相板式塔溶剂气体一、板式塔板式塔为逐级接触式的气液传质设备，它主要由二、板式塔筛孔塔板示意图

1.筛孔2.鼓泡层3.泡沫层4.降液管二、板式塔筛孔塔板示意图1.筛孔

填料塔为连续接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、液体分布器、填料支承板、塔填料、填料压板及液体再分布装置等部件构成。1.塔壳体；2.液体分布器；3.填料压板；4.填料；5.液体再分布器；6.填料支承板。填料塔结构示意图填料塔液相连续相气相分散相二、填料塔填料塔为连续接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体与板式塔相比，填料塔具有以下特点：生产能力大

侧线进料和出料较难压力降小，持液量小操作弹性大分离效率高造价较高易堵塞二、填料塔与板式塔相比，填料塔具有以下特点：生产能力大侧线进料和练习题目思考题1.传质分离过程有哪些类型?何为相平衡常数和分离因子?2.相组成有哪些表示方法，引出质量比和摩尔比有何意义?3.气体扩散系数与哪些因素有关？4.对流传质有哪些类型，其传质机理如何？5.双膜传质模型的要点？6.板式塔和填料塔的构造如何？练习题目思考题1.传质分离过程有哪些类型?何为相平衡学习指导本章重点掌握的内容传质分离方法相组成的表示方法质量传递的方式与描述分子传质（扩散）对流传质典型的传质设备学习指导本章重点掌握的内容传质分离方法相组成的表示方《化工原理2》（下册）天大柴诚敬主编教材《化工原理2》天大柴诚敬主编教材通过本章学习，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通过本章学习，应掌握传质与分离过程的基学习目的第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工程问题：混合物分离7.1概述7.1.1传质分离过程第七章传质与分中药原料浸提液目的产物副产物分离过程一、分离过程在工程中的应用示例：中药提取。示例：炼油过程。原油目的产物副产物分离过程分离过程中药原料浸提液目的产物副产物分离过程一、分离过程在工程中的应概念：传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程（推动力为浓度差）。原因：体系中由于熵自动向最大值移动，即趋向均匀（如果各部分温度不均匀，会趋向一个平均温度，如果浓度不均匀，也会趋向一个平均浓度）。种类：相内传质和相际传质。一般须有流体存在。实际中常有：气-液系统；液-液系统；固-液系统之间的传质过程。传质的概念与分类概念：传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程（推二、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：过滤二、相际传质过程与分离分离非均相物系分离均相物系分离可通过机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空气＋氨水空气氨水示例：空气和氨分离吸二、相际传质过程与分离按分离原理：平衡分离：借助分离媒介（热能、溶解、吸附剂）使均相混合物变为两相，两相中，各组分达到某种平衡，以各组分在处于平衡的两相中分配关系的差异为依据实现分离。速率分离：借助推动力（压力、温度、点位差）的作用，利用各组扩散速度的差异，实现分离。三、传质分离方法按分离原理：三、传质分离方法相平衡状态（概念）：

——如气液相平衡在一定的温度和压力下,气液两相之间达到平衡状态时,两相组成之间的关系称为气液平衡关系.一定T和P状态:气相、液相组成动态稳定三、传质分离方法气相:yA,yB液相:xA,xBP1.平衡分离过程

相平衡状态（概念）：在一定的温度和压力下,气液两相之间达到平衡状态表示：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，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、传质分离方法平衡状态表示：平衡常数（分配系数）分配因子通常将三、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）

三、传质分离方法1.平衡分离过程（1）气液传质过程（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）单元操作过程。

蒸馏（精馏）

三、传质分离方法（2）汽液传质过程汽液传质过程是指物质在汽、液两（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（3）液液传质过程液液传质过程是指物质在两个（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（4）液固传质过程液固传质过程是指物质在液、固两相（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（5）气固传质过程气固传质过程是指物质在气2.速率分离过程

借助推动力（压力、温度、点位差）的作用，利用各组扩散速度的差异，实现分离。（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.速率分离过程（1）膜分离膜分离是指在选择性透过（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（2）场分离场分离是指在外场（电场、磁场等）作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

被分离物系的特性

产品的质量要求

经济程度

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7.1

概述第七章传质与分离过程概论7.1.2相组成的表示方法气相:yA,yB液相:xA,xBP单相两元混合物A,BP两元混合物7.1概述第七章传质与分离过程概论7.1.2相一、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密度两元混合物A,B体积VP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两元混合物A,B体积VP2.物质的量浓度混合物的总物质的量浓度kmol/m3一、质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两元混合物A,B体积VP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两元混合物A,B总质量mP1.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两元混合物A,B总摩尔数

nP2.摩尔分数混合物的总摩尔分数液相气相二、质量分数与摩尔质量分数与摩尔分数的关系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质量分数与摩尔分数的关系由质量分数由摩尔分数二、质量分数与1.质量比质量比的定义式质量比与质量分数的关系三、质量比与摩尔比混合物A,BA为过程变化组分总量也变化P1.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、质量比与摩四、分压与总压气体A压力Pa气体B压力Pb气体A+B总压P=Pa+Pb+=对气相混合物，组分分压也代表组分量，用分压计算常常很方便。四、分压与总压气体A气体B+=对气相混合物，组分分压也代表组第七章传质与分离过程概论传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程（推动力为浓度差）。7.2

质量传递的方式与描述与热量传递类似，质量传递方式有分子传质（扩散）和对流传质两种。第七章传质与分离过程概论传质是体系中由于物质浓度不均匀一、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。

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7.2.1分子传质（扩散）一、分子扩散现象与费克定律1.分子扩散现象由于分描述分子扩散过程的基本定律——费克第一定律。Kmol/(m2·

s)一、分子扩散现象与费克定律

2.费克(Fick)定律及AB（P)(P)描述分子扩散过程的基本定律——费克第一定律。Kmol/(在任一截面，A、B净扩散通量为零：一、分子扩散现象与费克定律微分得故此得JAA(P)B(P)

JB

在任一截面，A、B净扩散通量为零：一、分子扩散现象与费克定律1、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故此得等分子反方向扩散（两容器温度压力相同）结合理想气态方程，可得：1、等分子反方向扩散NA=－NB二、气体中的稳态分子扩散因此A组分B组分PAPB

分压

二、气体中的稳态分子扩散2.一组分通过另一停滞组分的扩散*

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。NB＝0Y

NAA组分B组分PAPB分压二、气体中的稳态分子扩散2.一——组分B的对数平均分压可推证得组分A传质通量为：——组分B的对数平均分压可推证得组分A传质通量为：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*1.等分子反方向扩散参照气体中的等三、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参照气体中的一组分通过另一停三、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对数平均摩尔分数三、液体中的稳态分子扩散其中停滞组分B停滞组分B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。（扩散通量=扩散系数×扩散推动力）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四、扩散系数估算气体扩散系数经验公式福勒公式

—

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、扩散系数估算气体扩散系数经验公式福勒公式—组分A、B四、扩散系数简单分子的扩散体积物质v/（cm3/mol）物质v/（cm3/mol）H27.07CO

18.90D26.70CO2

26.90He2.88N2O

35.90N217.90NH3

14.90O216.60H2O

12.70air20.10（CCl2F2）114.80Ar16.10(SF6)

69.70四、扩散系数简单分子的扩散体积物质v物质vH27.07C四、扩散系数原子的扩散体积元素

/（cm3/mol）元素

/（cm3/mol）C

16.50(Cl)

19.5H

1.98(S)

17.0O

5.48芳香环–20.2(N)

5.69杂环–20.2四、扩散系数原子的扩散体积元素

/（cm3/mol）元素四、扩散系数由福勒公式可知，气体扩散系数与成正比、与成反比。根据该关系，可得

—

、

下的扩散系数，m2/s；—

、

下的扩散系数，m2/s。四、扩散系数由福勒公式可知，气体扩散系数与四、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2.液体中的扩散系数液体中溶质的扩散四、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、扩散系数估算液体扩散系数经验公式威尔基公式—溶剂B四、扩散系数常见溶剂的缔合因子溶剂名称水甲醇乙醇苯非缔合溶剂缔合因子2.61.91.51.01.0四、扩散系数常见溶剂的缔合因子溶剂名称水甲醇乙醇苯非缔四、扩散系数某些物质在正常沸点下的分子体积物质分子体积/（cm3/mol）物质分子体积/（cm3/mol）空气29.9

H2O18.9H214.3H2S32.9O225.6NH325.8N231.2NO23.6Br253.2N2O36.4Cl248.4SO2

44.8CO30.7I271.5CO234.0四、扩散系数某些物质在正常沸点下的分子体积物质分子体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7.1概述第七章传质与分离过程概论7.2.1分

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、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1.涡流扩散由于流体质点的湍动和旋涡而形成的物质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2.涡流扩散通量方程—涡流扩散系数，m2/skmol/(m1.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√1.对流传质的类型运动流体与固体表面之间，或两个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流体与管壁间的浓度分布二、对流传质湍流流体2.对流传质的机理所谓对流传质的机理是指在传湍流主体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、对流传质湍流层流缓冲传质机理：分子传质传质机理：涡流传质为主浓度分布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/(m2·s·△c)kmol/(m2·

s)二、对流传质

—对流传质通量，kmol/(m2·s)

—壁面处流体浓度，kmol/m3

—流体主体平均浓度，kmol/m3湍流流体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7.1概述第七章传质与分离过程概论7.2.1分一、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），该过程由以下3步串联而成：①组分A从气相主体扩散到相界面；②在相界面上组分A由气相转入液相；③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设组分A从气相传递到液相一、相际间的对流传质过程

相际间的传质气相主体

液相主体

相界面溶解气相扩散

液相扩散

一、相际间的对流传质过程相际间的传质气相主体液相主体相二、相际间对流传质模型

相际传质机理：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。播放动画32：双膜模型二、相际间对流传质模型相际传质机理：惠特曼(Whi双膜模型的要点：

(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为zG和zL）的流体膜层（气膜和液膜）。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。(2)溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。无传质阻力。(3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。

气相主体

液相主体

相界面p

zGzLpi

ci

c

气膜液膜pb

cb

双膜模型的要点：(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界双膜理论将复杂的相际传质简单化了，该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；

由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度1和2以及界面上浓度pi和ci都难以确定；双膜理论主要适于有固定界面和系统速度不高的传质过程，因此也存在着较大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立；本书后续部分将以该理论为讨论问题的基础。

双膜理论将复杂的相际传质简单化了，该理论提出的双阻力概念，即依据双膜模型，组分A通过气膜、液膜的扩散通量方程分别为:二、相际间对流传质模型

气相主体

液相主体

相界面p

zGzLpi

ci

c

气膜液膜pb

cb

依据双膜模型，组分A通过气膜、液膜的扩散通量方程分别设对流传质速率方程分别为比较得气膜对流传质系数液膜对流传质系数二、相际间对流传质模型

气相主体

液相主体

相界面p

zGzLpi

ci

c

气膜液膜pb

cb

设对流传质速率方程分别为比较得气膜对流传质系数液膜对流传质根据双膜模型，导出

停滞膜模型的模型参数液膜厚度zL气膜厚度zG∝二、相际间对流传质模型

∝或

根据双膜模型，导出停滞膜模型液膜厚度z2.溶质渗透模型*

希格比(

Higbie

)于1935年提出，为非稳态模型。溶质渗透模型示意图二、相际间对流传质模型

播放动画33：溶质渗透模型2.溶质渗透模型*希格比(Higbie溶质渗透模型的要点①液面由无数微小的液体单元所构成，当气液两

相相互接触时，液相主体中的某些单元运动至

相界面便停滞下来。