溶质渗透模型.ppt

1、化 工 原 理 2 （下 册）,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,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,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

2、；固-液系统之间的传质过程。,传质的概念与分类,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,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,按分离原理： 平衡分离：借助分离媒介（热能、溶解、吸附 剂）

3、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,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,1.平衡分离过程,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

4、组分在两相中的组成,三、传质分离方法,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

5、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,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）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

6、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,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,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,两元混合物,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

7、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,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。,第七章 传质与分离过程概论,传质是体系中由于物质浓

8、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。,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）,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,A B （P) (P),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

9、得,故此得,JA A(P) B (P) JB,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：,A组分,B组分,PA,PB,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。,NB0,Y,NA,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

10、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。,（扩散通量=扩散系数扩散推动力）,四、扩散系数,估算气

11、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,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；,

12、 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,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,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、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

13、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,流体与管壁间的浓度分布,二、对流传质,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,

14、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,对流传质通量，kmol/(m2s),壁面处流体浓度，kmol/m3,流体主体平均浓度，kmol/m3,7.1 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），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

15、。,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,气相主体,液相主体,相界面,溶解,气相扩散,液相扩散,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,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

16、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,zG,zL,pi,ci,c,气 膜,液 膜,pb,cb,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

17、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。,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,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,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,2.溶质渗透模型*,希格比( Hig

18、bie ) 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,溶质渗透模型的要点, 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。, 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, 液体单元在界面处暴露的时间是有限的，经 过时间c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

19、变。, 液体单元不断进行交换，每批液体单元在界 面暴露的时间c 都是一样的。,二、相际间对流传质模型,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,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,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, 溶质向液相内部传质为非稳态分子扩散过程。, 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。, 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

20、。,二、相际间对流传质模型,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,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,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,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,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