第7章传质与分离过程概论.

《化工原理》（下册）第七章传质与分离过程概论6第八章气体吸收14第九章蒸馏16第十章液-液萃取和液-固浸取2第十一章固体物料的干燥10第十二章其他分离方法2学时安排总学时54授课50期中考试2复习课4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物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质量传递过程，简称传质。在一相中发生的物质传递是单相传质，通过相界面的物质传递为相际传质。传质过程广泛运用于混合物的分离操作；它常与化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至成为化学反应的控制因素。掌握传质过程的规律，了解传质分离的工业实施方法，具有十分重要的意义。质量传递的起因是系统内存在化学势的差异，这种化学势的差异可以由浓度、温度、压力或外加电磁场等引起。原料反应产物目的产物副产物分离过程反应过程分离过程在化工生产中的应用示例：三氯甲烷的甲烷氯化的制备方法。示例：石油炼制过程中的常减压蒸馏。原料目的产物副产物分离过程7.1概述7.2质量传递的方式与描述7.3传质设备简介我们依据分离原理的不同，可以将传质与分离过程划分为平衡分离和速率分离两大类：一、平衡分离过程平衡分离指借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物变为两相体系，再以混合物中各组分处于平衡的两相中分配关系的差异为依据而实现分离的过程。不难看出，平衡分离属于相际传质过程。相际传质是我们后面重点学习讨论的内容。7.1概述7.1.1传质与分离方法气体吸收利用气体中各组分在液体溶剂中的溶解度不同，使易溶于溶剂的物质由气相传递到液相。相际间的传质过程，分为流体相间和流固相间的传质两类。1.流体相间的传质过程①气相-液相包括气体的吸收、气体的增湿、液体的蒸馏等单元操作（图7-1a、b、c）。增湿是将干燥空气与液相接触，水分蒸发进入气相。液体蒸馏是依据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点低的组分气化，达到分离的目的。①气相-固相固体的干燥（图7-1h）含有水分或其它溶剂的固体，与比较干燥的热气体相接触，被加热的湿分气化而离开固体进入气相，从而将湿分除去。②液相-液相在均相液体混合物中加入具有选择性的溶剂，系统形成两个液相（图7-1d）。2.流-固相间的传质过程气体吸附或脱附（图7-1f）气体吸附传递方向恰与固体干燥相反，它是气相某个或相间某些组分从气相向固相的传递过程；脱附是吸附的逆过程。结晶含某物质的过饱和溶液与同一物质的固相相接触时，其分子以扩散方式通过溶液到达固相表面，并析出使固体长大。②液相一固相包括结晶（或溶解）、液体吸附、浸取和离子交换等过程。（图7-1e、f、g）固体浸取是应用液体溶剂将固体原料中的可溶组分提取出来的操作。液体吸附是固液两相相接触，使液相中某个或某些组分扩散到固相表面并被吸附的操作。离子交换是溶液中阳离子或阴离子与称为离子交换剂的固相上相同离子的交换过程。相平衡常数和分离因子在平衡分离过程中，相平衡常数表示ｉ组分在两相中的组成关系，用Kｉ来表示：iiixyK/Ki大小取决于物系特性及操作条件i、j组分的Ki和Kj之比称为分离因子αｉjjiijKK/通常将K值大的作分子、小的为分母，故αｉj一般大于1.0。我们可以用分离因子的相对大小，判断平衡分离的难易程度，即αｉj值越大越容易分离。传质过程一般要涉及的两个主要问题是：相平衡和传递速率二、速率分离过程速率分离过程是指借助某种推动力（如压力差、温度差、电位差等）的作用，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。速率分离过程的特点是所处理的物料和产品通常属于同一相态，仅有组成的差异。速率分离过程主要分为膜分离和场分离两类。1.膜分离是指在选择性透过膜中利用各组分扩散速率的差异，而实现混合物分离的单元操作。主要有：超滤（UF）、纳滤（NF）、渗透与反渗透（RO）等，它们都是以压力差为推动力的膜分离过程。2.场分离是在外场（如电场、磁场）作用下，利用各组分扩散速率的差异而实现混合物分离的单元操作，如电泳、热扩散、高梯度磁场分离等。应该指出，能量消耗通常是制约传质分离过程单位产品成本的主要因素，因此降低能耗是传质分离研究的热点之一。而膜分离和场分离是新型分离操作，具有节能、环保等特点，有着较为广泛的应用前景，我们以后选择性地介绍膜分离和场分离的一些方法。三、分离方法的选择选择分离方法时主要考虑的因素：1.被分离物系的相态2.被分离物系的特性3.产品的质量要求4.经济程度7.1.2相组成的表示方法在传质过程中,为了分析问题与设计计算的方便,通常采用不同的组成表示方法。常用的组成表示方法有一、质量浓度与物质的量浓度二、质量分数与摩尔分数三、质量比与摩尔比一、质量浓度与物质的量浓度1.质量浓度VmAA3/mkgRTMpVMnVmAAAAAA指单位体积内的物质的质量，对A组分对气体混合物(在总压不太高时)中A组分的质量浓度为2.物质的量浓度指单位体积内的物质的量，对A组分VncAA33//mkmolmmol或RTpVncAAA对于气体混合物(在总压不太高时)，若其中组分A的分压为pA，则可由理想气体定律计算其摩尔浓度二、质量分数与摩尔分数1.质量分率质量分率为混合物中某组分的质量占总质量的分率或百分率，以符号ω表示。,,,mmmmmmCCBBAA11iCBA或对于混合物有多个组分组成时：2.摩尔分率,,,nnxnnxnnxCCBBAA指混合物中某组分的摩尔数占总摩尔数的分率或百分率。11iCBAxxxx或3.质量分率与摩尔分率的换算iiAAiiAAAMMMmMmxiiAAAMxnnMx三、质量比和摩尔比BAAmmXAAAX1AAAXX1若双组分物系由A、B两组分组成，则1.质量比质量比和质量分率的换算关系如下注意：教材中用X表示液相组成，Y表示气相组成。BAnnXxxX1XXx1摩尔比和摩尔分率的换算关系如下2.摩尔比7.2传质过程的方式、共性与描述单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实现的，物质在静止或层流流体中的扩散方式是分子扩散，它是物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓度处；物质在湍流流体中的传质方式是对流扩散，其包括涡流扩散和分子扩散，涡流扩散是因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。1.传质的方式与历程某组分在两相间（即相际）传质，步骤是：从一相主体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。补充：传质过程的方式与共性②条件的改变可破坏原有的平衡。其平衡体系的独立变量数由相律决定：f=k-φ+2f为独立变量数,k为组分数,φ为相数，“2”是指外界的温度和压力两个条件。2.传质过程的方向与极限相间传质和相际平衡的共有规律对稀溶液，气液两相的平衡关系遵循亨利(Henry)定律；理想溶液的气液相间符合拉乌尔(Raoult)定律。①一定条件下，处于非平衡态的两相体系内组分会自发地进行，使体系组成趋于平衡态的传递。③在一定条件下(如温度、压力)，两相体系必然有一个平衡关系。①若物质在一相中(A相)实际浓度大于其在另一相(B相)实际浓度所要求的平衡浓度，则物质将由A相向B相传递；PA＞PA*相间传质过程的方向和极限的判断：③若物质在A相实际浓度等于B相实际浓度所要求的平衡浓度，则无传质过程发生体系处于平衡状态。PA＝PA*②物质在A相实际浓度小于其在B相实际浓度所要求的平衡浓度，则传质过程向相反方向进行，即从B相向A相传递；PA＜PA*相平衡关系指明传质过程的方向，平衡是传质过程的极限，而组分浓度偏离平衡状态的程度便是传质过程的推动力。传质速率与传质推动力的大小有关，可以写为：传质速率＝传质阻力传质推动力即传质速率=传质系数×传质推动力3.传质过程推动力与速率物质传递的快慢以传质速率表示，定义为：单位时间内，单位相接触面上被传递组分的物质的量相间传质的每一步有各自的速率方程，称为分速率方程；整个过程速率方程为总速率方程，相应的有传质分系数和总系数之分。7.2.1分子传质（扩散）定义：单一相内、浓度差异下，分子的无规则运动造成的物质传递现象。1.分子扩散(moleculardiffusion)2.扩散通量扩散通量：是指在单位时间内单位面积上扩散传递的物质量，其单位为kmol/(m2·s),以J表示。一、分子扩散与费克定律3.费克定律(Fick’slaw)0BAJJJ在恒温恒压下，A在混合物中沿Z方向作稳定分子扩散时，其扩散通量与扩散系数及在扩散方向的浓度梯度成正比。dzdcDJAABA如图7-2所示的分子扩散现象，在任一截面，处于动态平衡中的物质A、B的净扩散通量为零，即：7-19dzdcDJBBAB7-207-18以下讨论双组分混合物中的一维稳定分子扩散1.等分子反向扩散pA1pA2pB2pB112FF’ABPP二、气体中的稳态分子扩散因为两容器内气体总压相同，所以接管内任一横截面上单位时间单位面积上向右传递的A分子数与向左传递的B分子数必定相等。这种情况称为等分子反向扩散。对任一截面FF’来说，根据费克定律，A的扩散通量为dzdcDJAABA同理，B的扩散通量为dzdcDJBBAB对于气体，在总压不太高的条件下，组分在气相中的摩尔浓度可用分压来表示。即RTpcRTpcBBAA,dzdpRTDJBBAB这两个通量方向相反，大小相等，若以A的传递方向(z)为正方向，则可写出下式BAJJ由于总压是常数，所以BAdpdp因此dzdpRTDJAABA因此BAABDD传质速率：在任一固定的空间位置上，单位时间内通过单位面积的A的物质量，称为A的传质速率,用NA表示。在等分子反向扩散中dzdpRTDdzdcDJNAABAAA将上式改写为AAdpRTDdzN扩散初、终截面处的积分限为11,AAppzz22,AAppzz1212zzppRTDNAAA12zz)(21AAAppRTDN积分后得到令同理，组分B的传质速率为)(21BBBBppRTDJNABNN0BANNN等分子反向扩散，通过接管中任一截面的净物质通量N为零。对于气体，在总压不太高的条件下2.一组分通过另一停滞组分的扩散(单向扩散)RTpCRTpCAAM,所以))((dzdpRTDpppNAAA在稳定状况下，NA＝常数，D、P、T也均为常数。对上式进行积分2121AAppAAzzAppdpRTpDdzN2112ln)(AAAppppzzRTpDN)(12zz12lnBBAppRTpDN令则因为截面1-1',2-2'上的总压相等，即pppppBABA22111221BBAApppp))((ln)()(ln21121221122112AABmBBBBAABBAABBAppppRTDppppRTpppDppppppRTpDN故则))((21AABmAppppRTDN令1212lnBBBBBmppppp─扩散初、终截面处组分B分压的对数平均值，kPa；─漂流因子，无因次。BmpBmppLAALALALCCDJN)(21LBBLBLBLCCDJN)(21对于液相中的等分子反向扩散，若总浓度为常数，同理可积分而得到组分A的传质速率：摩尔汽化潜热接近相等的二元混合物进行精馏操作时，在汽、液两相的接触过程中，易挥发的A组分由液相进入汽相的速率与难挥发的B组分从汽相进入液相的速率大体相同。因此，无论在汽相中，或者在液相中进行的传质过程都可视为等分子反向扩散三、液体中的稳态分子扩散1.等分子反向扩散2.一组分通过另一停滞组分的扩散(单向扩散)可溶组分(溶质)A；惰性组分B；平面2-2´为气液界面；厚度为δ的静止气层。三种流动:扩