化學(xué)工程基礎(chǔ)第4章傳質(zhì)分離基礎(chǔ)

1、 在含有兩個(gè)或兩個(gè)以上組分的混合體系中，若有濃度梯度存在，某以組分（或某些組分）將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)，該移動(dòng)過(guò)程稱(chēng)為傳質(zhì)過(guò)程 。 傳質(zhì)過(guò)程可以在單相中進(jìn)行，也可以是在兩相中進(jìn)行。 兩相間傳質(zhì)是分離過(guò)程的基礎(chǔ)1-1 分離與人類(lèi)的關(guān)系 一般的化學(xué)工業(yè)中，用于分離提純的設(shè)備投資在產(chǎn)品生產(chǎn)的整個(gè)工藝中占有較大的比例。例如，石油化學(xué)工業(yè)，分離單元操作的設(shè)備投資占總投資的50%90%，而且用于分離的操作費(fèi)用在生產(chǎn)成本中也占有相當(dāng)大的比重。1、傳質(zhì)分離過(guò)程 分離過(guò)程可分為機(jī)械分離和傳質(zhì)分離。 機(jī)械分離的對(duì)象是非均相的混合物料，利用該混合物中組分間的密度、尺寸等物性差異將其分離。（過(guò)濾、沉降、離心分離等

2、） 傳質(zhì)分離過(guò)程是針對(duì)各種均相混合物料的分離，如酒精與水德混合物的分離。混合物分離操作非均相混合物的分離沉降過(guò)濾均相混合物的分離氣體吸收液體精餾液液萃取 混合物因組分的濃度差引起的質(zhì)量傳遞，稱(chēng)為傳質(zhì)。 傳質(zhì)中某組分的濃度梯度產(chǎn)生了這種組分的驅(qū)動(dòng)力（推動(dòng)力）。 因?yàn)榧兘M分變成混合物是熵增加的自發(fā)過(guò)程，所以將混合物分離需要對(duì)體系做功。 實(shí)際工程中分離均相混合物采取的手段是：加入分離介質(zhì)（能量或溶劑），形成共存的但為不平衡的兩相，讓物質(zhì)在兩相間傳遞。 常見(jiàn)的傳質(zhì)分離操作：1、蒸餾 分離液體混合物的單元操作。 過(guò)程：對(duì)混合液加熱使混合液部分汽化造成不平衡的氣相和液相，利用各組分揮發(fā)性的差異，使揮發(fā)性大

3、的組分向氣相的凈傳遞，揮發(fā)性小的組分向液相的凈傳遞，將混合液分離。2、吸收與解吸 分離氣體混合物的操作單元。 利用各組分在同一溶劑中的溶解度不同，在混合氣體中加入某種溶劑，使溶解度大的組分向液相轉(zhuǎn)移。 如果在吸收過(guò)程中伴有化學(xué)反應(yīng)的，稱(chēng)為化學(xué)吸收。 被吸收的氣體從吸收劑中脫除的過(guò)程，稱(chēng)為解吸。3、液液萃取 分離液體混合物的單元操作。 在液體混合物種加入與其不想混溶的選定的溶劑，形成不平衡的液液兩相，利用各組分在兩液相中溶解度不同而分離固定的組分。 含萃取劑的相稱(chēng)為萃取相，含萃取劑較少的相稱(chēng)萃余相。4、吸附 當(dāng)某些固體多孔物質(zhì)與流體（氣體或液體）接觸時(shí)，流體中的某一或某些組分能以擴(kuò)散的方式從氣相

4、或液相進(jìn)入固相，附著于固體內(nèi)、外表面上形成單分子層或多分子層的過(guò)程，稱(chēng)為吸附。 被吸附的流體稱(chēng)為吸附質(zhì)，多空固體物質(zhì)稱(chēng)為吸附劑。 物理吸附；化學(xué)吸附。5、干燥 干燥指借熱能使物料中水分（或溶劑）汽化，并由惰性氣體帶走所生成的蒸汽而得到干燥固體的操作。6、膜分離 膜分離是以具有選擇性分離功能的材料膜為分離介質(zhì)，在膜的兩側(cè)存在一定能量差（壓力差、濃度差、電位差）作為動(dòng)力，各組分透過(guò)膜遷移率不同，從而達(dá)到分離的目的。7、熱擴(kuò)散 熱擴(kuò)散是利用溫度梯度引起的物質(zhì)擴(kuò)散以分離氣體或液體混合物的一種特別的方法。9擴(kuò)散方式擴(kuò)散方式分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散渦流擴(kuò)散渦流擴(kuò)散作用物作用物流體分子流體分子流體質(zhì)點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn)作用方

5、式作用方式熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)湍動(dòng)和旋渦湍動(dòng)和旋渦作用對(duì)象作用對(duì)象靜止、滯流靜止、滯流湍流湍流 推動(dòng)力推動(dòng)力 濃度差濃度差物質(zhì)傳遞物質(zhì)傳遞擴(kuò)散快慢？擴(kuò)散快慢？2 2、傳質(zhì)過(guò)程分析、傳質(zhì)過(guò)程分析10,AA zABdcJDdz 擴(kuò)散通量，擴(kuò)散通量，kmol/m2 s表表示示擴(kuò)擴(kuò)散散方方向向與與濃濃度度梯梯度度方方向向相相反反A 在在 B 中中的的擴(kuò)擴(kuò)散散系系數(shù)數(shù) m2/s費(fèi)克定律費(fèi)克定律 由上式可知，在總濃度c不變的情況下，只要流體中存在組分的濃度梯度，必然會(huì)產(chǎn)生分子擴(kuò)散。單位面積上單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量單位面積上單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量11JA = - JB對(duì)對(duì)A、B二元物系，二元物系，ABAAD

6、dpJRTdz 又又BABBDdpJRTdz P=pA+pB=Const. 雙組份混合物中氣體分子擴(kuò)散分為等物質(zhì)的量反向擴(kuò)散和單向擴(kuò)散。12dzdpRTDdzdcDJNAAAA)pp(RTzDN21AAA21BBBBppRTzDJN21BBBcczDN21AAAcczDNNA：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位固定：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位固定空間傳質(zhì)面積的物質(zhì)量，空間傳質(zhì)面積的物質(zhì)量，kmol/(m2 s)；積分：積分：組分組分B若為液相若為液相 DAB=DBA=D1314溶質(zhì)溶質(zhì)A相界面相界面溶劑溶劑S同時(shí)同時(shí)S不逆向通過(guò)（汽化）不逆向通過(guò)（汽化）如吸收：如吸收：（單向擴(kuò)散）（單向擴(kuò)散）對(duì)于截面對(duì)于截面F-F：AJ

7、,bAN15bBBcNJc Nb2. A、B做等分子反方向擴(kuò)散的傳遞運(yùn)動(dòng)做等分子反方向擴(kuò)散的傳遞運(yùn)動(dòng)3. 總體流動(dòng)加快了總體流動(dòng)加快了A的傳遞速度的傳遞速度1. 總體流動(dòng)總體流動(dòng)即即 JA= - JBNA=JA+Nb(cA/c)NB=JB+Nb(cB/c)Nb(cA/c)Nb(cB/c)B為停滯組分。為停滯組分。 =0ABcJc16AAAABcNJJcAAdppD p-pRT dz- -pDRTz21AAAppNlnppBB21ppDlnRTzp1AABpJpABABppJp171122ABABppppp122211()lnAABABBBppppDNRTz ppp122121()lnAABBB

8、BDpppppRTzpp 2121,lnmBBBBBppppp令令 1221AABBpppp18)pp(ppRTZDpplnRTZDpN21m12AABBBA 12ALAALsmDcNcczc與等摩爾相互擴(kuò)散相比多了一個(gè)因子與等摩爾相互擴(kuò)散相比多了一個(gè)因子p/pBm漂流因數(shù)。漂流因數(shù)。漂流因數(shù)反映總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響。漂流因數(shù)反映總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響。 p/pBm1 傳質(zhì)速率較大。傳質(zhì)速率較大。若若pA p/pBm ；反之；反之pA p/pBm11951.7521/31/3111.013 10()()ABABTMMDPVV75. 1122112TTppDD 分子擴(kuò)散系數(shù)分子擴(kuò)散系數(shù)D表

9、示物質(zhì)單位濃度梯度下、通過(guò)表示物質(zhì)單位濃度梯度下、通過(guò)單位面積上的擴(kuò)散速率，是物質(zhì)的傳遞性質(zhì)。單位面積上的擴(kuò)散速率，是物質(zhì)的傳遞性質(zhì)。20 固體中的擴(kuò)散系數(shù)需靠實(shí)驗(yàn)確定。固體中的擴(kuò)散系數(shù)需靠實(shí)驗(yàn)確定。對(duì)于很稀的非電解質(zhì)溶液（溶質(zhì)對(duì)于很稀的非電解質(zhì)溶液（溶質(zhì)A+溶劑溶劑S），其擴(kuò)散系數(shù)），其擴(kuò)散系數(shù)常用常用Wilke-Chang公式估算：公式估算：212112TDDT21dzdcDJAEAB dzdcDDJAEAB 湍流：湍流：DE占主要地位占主要地位。層流：層流：D占主要地位；占主要地位； 依靠流體內(nèi)部漩渦的強(qiáng)烈混合而引起的物質(zhì)傳遞稱(chēng)依靠流體內(nèi)部漩渦的強(qiáng)烈混合而引起的物質(zhì)傳遞稱(chēng)為渦流擴(kuò)散。為渦

10、流擴(kuò)散。22TTWtWt熱流體熱流體冷流體冷流體pApAicAicA氣相氣相液相液相 T t G LE二、有效膜模型二、有效膜模型（1）單相內(nèi)對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程）單相內(nèi)對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程231）靠近相界面處層流內(nèi)層：傳質(zhì)機(jī)理僅為分子擴(kuò)散，）靠近相界面處層流內(nèi)層：傳質(zhì)機(jī)理僅為分子擴(kuò)散， 溶質(zhì)溶質(zhì)A的濃度梯度較大，的濃度梯度較大，pA隨隨z的變化較陡。的變化較陡。 2）湍流主體：渦流擴(kuò)散遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散，）湍流主體：渦流擴(kuò)散遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散， 溶質(zhì)濃度均一化，溶質(zhì)濃度均一化，pA隨隨z的變化近似為水平線(xiàn)。的變化近似為水平線(xiàn)。 3）過(guò)渡區(qū)：分子擴(kuò)散）過(guò)渡區(qū)：分子擴(kuò)散+渦流擴(kuò)散，渦流擴(kuò)散， pA隨隨z的變化逐漸平

11、緩。的變化逐漸平緩。（2 2）有效膜模型）有效膜模型 單相對(duì)流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力全部集中在一層虛單相對(duì)流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力全部集中在一層虛擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴(kuò)散擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴(kuò)散 。243單相對(duì)流傳質(zhì)速率方程單相對(duì)流傳質(zhì)速率方程（1 1）氣相對(duì)流傳質(zhì)速率方程）氣相對(duì)流傳質(zhì)速率方程)p(ppRTDpNiAAGBmGA 有效膜厚有效膜厚G-E到相界面的垂直距離到相界面的垂直距離)iAAGGApp(kNBmGGpRTDpk25以分壓差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)以分壓差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù) （給質(zhì)系數(shù)），（給質(zhì)系數(shù)）， kmol/（m2skPa）。）。 Gk=傳質(zhì)

12、系數(shù)傳質(zhì)系數(shù)吸收的推動(dòng)力吸收的推動(dòng)力 AN若推動(dòng)力以氣相摩爾分率表示：若推動(dòng)力以氣相摩爾分率表示：)(AiyyykNyk以氣相摩爾分率表示推動(dòng)力的氣相給質(zhì)系數(shù)，以氣相摩爾分率表示推動(dòng)力的氣相給質(zhì)系數(shù)， kmol/（m2s）；）； pypAGiipypAGpkky26（2）液相對(duì)流傳質(zhì)速率方程）液相對(duì)流傳質(zhì)速率方程)(AxxkNix)cc(kNALiALALLSmLD ckcLckkxkL以液相組成摩爾濃度表示推動(dòng)力的液相以液相組成摩爾濃度表示推動(dòng)力的液相給質(zhì)系數(shù)，給質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2skmol/m3）；）； xk以液相組成摩爾分率表示推動(dòng)力的液相以液相組成摩爾分率表示推動(dòng)力的液相給質(zhì)系數(shù)，給質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）；）； 給質(zhì)系數(shù)給質(zhì)系數(shù)=f (雷諾數(shù)、流體物性、