(化工原理)第6章：質(zhì)量傳遞過程基礎(chǔ)課件

1、(化工原理)第6章：質(zhì)量傳遞過程基礎(chǔ)空氣水乙醇監(jiān)測(cè)乙醇濃度監(jiān)測(cè)乙醇濃度液相主體 相界面 氣相主體 單相傳質(zhì) 界面揮發(fā) 單相傳質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)6.2.1 傳質(zhì)的基本方式分子熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)為：從濃度高處向濃度低處傳遞從微觀上看，分子作隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)，從宏觀上看，相內(nèi)濃度均衡是自發(fā)的6.2 均相混合物內(nèi)的質(zhì)量傳遞6.2.1 傳質(zhì)的基本方式依靠分子熱運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量傳遞方式稱為分子擴(kuò)散6.2.1 傳質(zhì)的基本方式在理論上，化學(xué)勢(shì)表象為濃度大量質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)和漩渦的擾動(dòng)混合這種依靠質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)、混合的質(zhì)量傳遞方式稱為渦流擴(kuò)散湍流流動(dòng)也伴隨著分子擴(kuò)散對(duì)于固體、靜止的流體和作層流流動(dòng)的流體內(nèi)部分子擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散同時(shí)存在以渦流擴(kuò)散

2、為主對(duì)于湍流流動(dòng)的流體內(nèi)分子擴(kuò)散單獨(dú)存在擴(kuò)散存在的前提條件：存在濃度差6.2.2 組分運(yùn)動(dòng)速度和傳質(zhì)通量 在僅存在分子擴(kuò)散的均相體系里，沿流體流動(dòng)方向上取某一靜止平面，面積為A：靜止平面ui uuki單位體積的量通過靜止平面的量通過靜止平面的體積ui-第i組分的速度，m/s u-混合體系的平均速度，m/suki-第i組分的分子擴(kuò)散速度，m/sNi- 單位時(shí)間單位面積i組分通過靜止平面的量，kmol/(m2s)ci- i組分的濃度，kmol/m3=通常將單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積上的量稱為傳質(zhì)通量uki移動(dòng)平面靜止平面ui u-以平均速度通過靜止平面的量-以擴(kuò)散速度通過移動(dòng)平面的量-擴(kuò)散通量Ni-

3、i 組分通過靜止平面的傳質(zhì)通量6.2.3分子擴(kuò)散的數(shù)學(xué)描述當(dāng)濃度差消失時(shí)，宏觀的傳質(zhì)通量為零，但微觀的分子熱運(yùn)動(dòng)繼續(xù)，系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。 費(fèi)克定律 表明：分子擴(kuò)散速率正比于濃度梯度，與濃度梯度方向相反。即：分子在單相內(nèi)隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)為：從濃度高處向濃度低處傳遞 分子擴(kuò)散通量可用費(fèi)克定律描述D分子擴(kuò)散系數(shù)，與系統(tǒng)溫度、壓力及組份有關(guān)，物性常數(shù)雙組份一維穩(wěn)態(tài)傅立葉定律牛頓粘性定律費(fèi)克定律 D 分子擴(kuò)散系數(shù) 單向分子擴(kuò)散的數(shù)學(xué)描述 A溶于液相 B完全不溶于液相 液相不揮發(fā)氣相主體液相主體相界面總體流動(dòng)：在壓力差的作用下，單相主體向界面移動(dòng)稱為總體 流動(dòng)，總體流動(dòng)造成A，B向同一方

4、向移動(dòng)。組分A在 x 軸方向上總的傳質(zhì)通量為：組分B在x軸方向上總的傳質(zhì)通量為：組分A在 x 軸方向上總的傳質(zhì)通量為：氣相主體液相主體相界面 單向擴(kuò)散示意圖于是：所以：表明：對(duì)于有總體流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散過程，兩組分的分子 擴(kuò)散通量數(shù)值相等而方向相反。對(duì)于理想氣體稱為漂流因子反應(yīng)總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)通量的影響當(dāng)A濃度很低，漂流因子近似為1，總體流動(dòng)影響可忽略不計(jì)半透膜p=101.3kPa，T=298KD=2.310-5m2/sNH3+N2p1NH3=25kPap2NH3=5kPa0.2m12關(guān)于D6.2.4 渦流擴(kuò)散 渦流擴(kuò)散通量表示方法，借助于費(fèi)克定律。De渦流擴(kuò)散系數(shù)，不僅和物性有關(guān)，而且與流動(dòng)狀

5、況有關(guān)。 空氣水乙醇監(jiān)測(cè)乙醇濃度監(jiān)測(cè)乙醇濃度液相主體 相界面 氣相主體 單相傳質(zhì) 界面揮發(fā) 單相傳質(zhì)傳質(zhì)速率：傳質(zhì)通量質(zhì)量傳遞的極限：濃度相等，相平衡6.3 相際間質(zhì)量傳遞6.3.2 相際傳質(zhì)與相平衡關(guān)系過程的極限：氣、液相平衡。相間表觀傳遞速率為零相平衡關(guān)系：各組成在各相之間的濃度關(guān)系純組分在該溫度、壓力下逸度氣液相平衡（7.2）液相主體氣相主體yxyixiA6.3.3 對(duì)流傳質(zhì)氣相主體 相界面 液相主體 單相傳質(zhì) 界面溶解 單相傳質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散速率，既有分子擴(kuò)散又有渦流擴(kuò)散。傳質(zhì)過程非常復(fù)雜，很難在理論上進(jìn)行數(shù)學(xué)描述采用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行描述氣相主體yyi氣相主體 相界面 停滯膜模型 模型要點(diǎn)：相界

6、面處存在一層虛擬的停滯膜;膜外為流體流動(dòng)的湍流區(qū)； 停滯膜非常薄，膜內(nèi)無物質(zhì)累積， 為穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散 ； 對(duì)流傳質(zhì)阻力全部集中于停滯膜內(nèi)相界面氣相主體 停滯膜模型 基于停滯膜模型，可以利用分子擴(kuò)散理論描述對(duì)流傳質(zhì)問題。 傳質(zhì)速率方程對(duì)于氣相對(duì)于液相kL：液膜傳質(zhì)系數(shù)kG：氣膜傳質(zhì)系數(shù)則有：令 ky=pkG kx=c0kL式中：ky 以氣相mol分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)； kx 以液相mol分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的液膜傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)系數(shù) k=f (D,u,d )經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式很多，但普遍偏差較大主要通過實(shí)驗(yàn)獲得（1） 相際傳質(zhì)的雙膜模型 液相主體氣相主體yxyixip或c液膜氣膜A距離 z 相際傳質(zhì)雙膜模型

7、O 氣液相間有穩(wěn)定的相界面。 相界面兩側(cè)各有一停滯膜（虛擬膜或者有效膜），膜內(nèi)的傳質(zhì)以分子擴(kuò)散方式進(jìn)行。 傳質(zhì)阻力全部集中在虛擬膜內(nèi)，膜外相主體中高度湍流傳質(zhì)阻力為零，即無濃度梯度。 相界面上氣液處于平衡狀態(tài)，無傳質(zhì)阻力存在。6.3.4 總傳質(zhì)速率方程 對(duì)氣相：對(duì)液相： 氣膜和液膜傳質(zhì)速率方程（2）總傳質(zhì)速率方程 雙組份雙組份 總傳質(zhì)速率方程 根據(jù)相際傳質(zhì)的雙膜模型：亨利定律相界面氣相主體 停滯膜模型停滯膜模型相際傳質(zhì)的雙膜模型 液相主體氣相主體yxyixip或c液膜氣膜A距離 z 相際傳質(zhì)雙膜模型O同理，可推出：其中：6.3.7 相際傳質(zhì)速率分析 氣相阻力控制過程 溶解度很大（易溶） 稱為氣

8、膜控制過程 。此時(shí): 說明: 氣膜控制，增加氣相流率，kG 提高，加快吸收過程。 增加液相流速，效果不明顯。 液膜阻力控制過程 溶解度小（難溶） 此時(shí):稱為液膜控制過程；說明: 液膜控制，增加液相流率，kL增加，加快傳質(zhì)，有利吸收。 雙膜阻力聯(lián)合控制 兩者阻力均不可忽略， 如中等溶解度氣體的吸收。 6.3.8 傳質(zhì)單元法和平衡級(jí)法傳質(zhì)設(shè)備 填料塔微分接觸式設(shè)備；填料塔y逐漸減少x逐漸增加板式塔板式塔逐級(jí)接觸式設(shè)備。6.3.1 相際傳質(zhì)的應(yīng)用（1）氣體吸收以及氣體增濕、減濕過程（2）精餾過程（3）液液萃取過程（4）干燥過程（5）液固傳質(zhì)，浸取、結(jié)晶、吸附、離子交換7. 蒸餾7.1 概述7.1.1

9、 蒸餾在工業(yè)中的應(yīng)用蒸餾：依據(jù)均相混合物中各組分揮發(fā)能力的差異，對(duì)均相混合物進(jìn)行分離的單元操作均相混合物分離化工生產(chǎn)中處于重要位置 自然界資源大多是混合物 化學(xué)反應(yīng)常常是可逆反應(yīng)，主反應(yīng)、附反應(yīng)間二甲苯對(duì)二甲苯催化劑間二甲苯鄰二甲苯催化劑主反應(yīng)附反應(yīng)蒸餾在工業(yè)上的應(yīng)用 1）石油煉制工業(yè) (原油 汽油、煤油、柴油等）； 2）石油化工工業(yè)（石油裂解氣等分離）； 3）化工（甲醇工藝的提純）； 4）食品加工及醫(yī)藥生產(chǎn)。蒸餾：均相混合物分離的常用單元操作蒸餾 純度是產(chǎn)品的重要指標(biāo)綠源精細(xì)化工有限公司沈陽化工廠采購(gòu)混合三氯苯，單價(jià)5000元/噸（2001年）品名1,2,3三氯苯1,2,4三氯苯1,3,5三

10、氯苯組成23%73%2%價(jià)格4萬元12萬元8萬元純度98.599.597用途二氯對(duì)氨基苯酚外銷3,5二氯溴苯價(jià)格 9.84萬元/噸依據(jù)：利用液體混合物中各組分在一定溫度下?lián)]發(fā)能力的差異。混合物中較易揮發(fā)的組分易揮發(fā)組分A混合物中較難揮發(fā)的組分難揮發(fā)組分B例：乙醇水溶液 直接獲得需要的產(chǎn)品，不需外加其它組分 應(yīng)用廣泛、歷史悠久、技術(shù)成熟 能耗大，是否采用的主要因素蒸餾過程的分類操作流程連續(xù)蒸餾間歇蒸餾蒸餾過程的分類蒸餾方式簡(jiǎn)單蒸餾平衡蒸餾精餾精餾ABAB雙組份 多組分精餾ABAB加壓 常壓 減壓 乙醇-水0.3MPaABAB134108常壓ABAB100780.05MPaABAB8161單元操作

11、能耗6070總成本2030我國(guó)：純度不高能耗高煉油（中石油70kg標(biāo)油/噸，美國(guó)30標(biāo)油/噸）乙烯680萬大卡/噸，美350合成氨單耗高50蒸餾：均相混合物分離的常用單元操作7.2氣液相平衡過程的極限：氣、液相平衡。相間表觀傳遞速率為零相平衡關(guān)系：各組成在各相之間的濃度關(guān)系 7.2.1 氣、液相平衡的自由度對(duì)于雙組分物系的氣液平衡：即雙組分物系氣、液相平衡的自由度為2。對(duì)多組分物系的氣、液相平衡的自由度為組分?jǐn)?shù)C。對(duì)于2組分相平衡：F=2規(guī)定溫度 T 、 壓力P：汽相組成 y、液相組成 x規(guī)定溫度 T 、汽相組成y ：壓力P、液相組成 x規(guī)定液相組成 x 、 壓力P：汽相組成 y、溫度 T 自

12、由度：為了完全確定某系統(tǒng)的狀態(tài)所需要的獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)。 相律7.2.3 理想體系的氣、液相平衡關(guān)系理想體系：氣相符合道爾頓（Dalton）分壓定律； 液相全部濃度范圍內(nèi)服從拉烏爾（Raoult）定律。道爾頓（Dalton）分壓定律拉烏爾（Raoult）定律 （1）平衡常數(shù)法可由Antoine公式確定：理想體系的氣、液相平衡關(guān)系表示方法每組常數(shù)有一定的壓力適應(yīng)范圍 （1）平衡常數(shù)法理想體系的氣、液相平衡關(guān)系表示方法 （1）平衡常數(shù)法理想體系的氣、液相平衡關(guān)系表示方法 （1）平衡常數(shù)法理想體系的氣、液相平衡關(guān)系表示方法相關(guān)方程泡點(diǎn)：液體混合物處于某壓力下開始沸騰的溫度，稱為在這壓力下的泡點(diǎn)。露點(diǎn)：

13、氣體混合物處于某壓力下開始冷凝的溫度，稱為在這壓力下的露點(diǎn)。輸入： p xiTb初值 pi0 Kiyi, =yi-1N輸出：Tb, xi, yi結(jié)束YTb=Tb-fn/fn計(jì)算步驟：泡點(diǎn)計(jì)算露點(diǎn)計(jì)算 給定系統(tǒng)的操作壓力以及氣相組成yi時(shí)。輸入： p yitd初值 pi0 Kixi, =xi-1N輸出：td, xi, yi結(jié)束YTb=Tb-fn/fn討論1 混合液泡點(diǎn)與壓強(qiáng)的關(guān)系例苯甲苯混合液為理想溶液，含苯30，甲苯70。質(zhì)量分?jǐn)?shù)求在總壓為109.86kPa、5.332kPa下的泡點(diǎn)解得 t = 100同理 5.332kPa下，t = 20組成一定，泡點(diǎn)和總壓有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系提高混合物泡點(diǎn)：加壓

14、；反之減壓（2）相圖 溫度-組成圖（t-x-y）x (y)t/t-xt-yp=101.3kPatFFGtGECxCDyDtEIJtItJx001.01001108090苯-甲苯溫度-組成圖 曲線 t-x 表示恒定壓力下，飽和液體組成與泡點(diǎn)的關(guān)系， 稱為飽和液體線或泡點(diǎn)曲線。 曲線t-y表示恒定壓力下，飽和蒸氣的組成和露點(diǎn)的關(guān)系， 稱為飽和蒸氣線或露點(diǎn)曲線。 在t-x 線下方為過冷液相區(qū)。 在t-y 線上方為過熱氣相區(qū)。 在兩線之間為兩相共存區(qū)，即氣、液相平衡區(qū)。圖線說明：從過冷液體至過熱氣體的變化過程說明：（1）部分汽化和部分冷凝均可起到分離作用；（2）全部汽化和全部冷凝沒有分離作用；（3）不

15、斷的部分汽化和冷凝可使分離程度不斷提高；（4）蒸餾操作應(yīng)處于汽液兩相區(qū)內(nèi)。二元混合物與純液體的差別：（1） 泡點(diǎn)與濃度有關(guān)，其值在A，B組分沸點(diǎn)范圍之內(nèi)。（2）總組成相同，其泡點(diǎn)和露點(diǎn)（冷凝點(diǎn)）溫度不同。壓力對(duì)溫度組成圖的影響 氣、液平衡組成的 x-y 圖標(biāo)繪：略去溫度坐標(biāo)，依x-y 的對(duì)應(yīng)關(guān)系做圖 ，得x-y圖。說明：（1）組成均以易揮發(fā)組分的組成表示，故曲線位于對(duì)角線上方（2）平衡線上不同點(diǎn)代表一個(gè)氣、液平衡狀態(tài)，即對(duì)應(yīng)一組 x、y、t，且y (或x) 越大，t 愈低。（3）平衡線距對(duì)角線越遠(yuǎn)，物系越易分離。（4）壓力增加，平衡線靠近對(duì)角線。（4）用相對(duì)揮發(fā)度表示的氣液平衡關(guān)系在混合物中各

16、組分間揮發(fā)能力的差異定義為相對(duì)揮發(fā)度。 a）揮發(fā)度理想體系：二元物系通常以難揮發(fā)組分為基準(zhǔn)理想體系： （1）平衡常數(shù)法理想體系的氣、液相平衡關(guān)系表示方法t/t-xt-yp=101.3kPatFFGtGECxCDyDtEIJtItJx001.01001108090苯-甲苯溫度-組成圖二元物系通常以難揮發(fā)組分為基準(zhǔn) 相平衡方程。說明： 表示了物系分離的難易程度， 遠(yuǎn)離1，物系易分離， 1 或 =1，則該物系不能用普通的蒸餾方法分離。 對(duì)于非理想物系， 不能作為常數(shù)處理。 或用相對(duì)揮發(fā)度表示的氣液平衡關(guān)系 相平衡常數(shù)與相對(duì)揮發(fā)度的關(guān)系 溫度對(duì)的影響 溫度， 各組分蒸汽壓，蒸汽壓之比變化緩慢， 故相對(duì)

17、揮發(fā)度ih隨溫度變化緩慢，在一定溫度范圍內(nèi)， 可由其平均值代替。常壓下苯、甲苯的相對(duì)揮發(fā)度隨溫度的變化壓力對(duì)相平衡的影響P ，t ，對(duì)分離不利， P，t ，對(duì)分離有利 。 故蒸餾壓力的選擇，優(yōu)先考慮采用常壓操作，只在特殊情況下采用加壓（處理量增加，塔徑不夠）或減壓（熱敏性物料）。例已知：2.47，x0.2，求 y？1.47，x0.2，求 y？ 越大越好討論1 對(duì)分離的影響 討論2 總壓對(duì)的影響 例苯甲苯混合液為理想溶液，含苯30，甲苯70。質(zhì)量分?jǐn)?shù)求在總壓為109.86kPa、5.332kPa下的泡點(diǎn)同理 5.332kPa下，t = 20總壓越高，相對(duì)揮發(fā)度越小t = 100討論3 濃度對(duì)影響

18、 例常壓精餾塔分離苯甲苯混合液，塔頂苯95，塔底苯5摩爾分?jǐn)?shù)求塔頂、塔底的相對(duì)揮發(fā)度t = 81.3塔底塔頂t = 115塔操作中對(duì)相對(duì)揮發(fā)度的影響有兩個(gè)因素：操作壓力，塔壓降不大液體組成，影響不大例已知：物系2.47，溶液x0.2，求 泡點(diǎn)組成y？溶液組成（0.2，0.8），第一個(gè)氣泡組成（0.38，0.62）混合氣y0.2，求露點(diǎn)組成氣相組成（0.2，0.8），第一個(gè)氣泡組成（0.092，0.908）0.20.380.092x yt泡點(diǎn)線 露點(diǎn)線 （0.2，0.8）（0.2，0.8）（0.38，0.62）（0.092，0.908）稀溶液的氣液相平衡（1）氣液相平衡關(guān)系 若理想溶液、壓力不高、溫度恒定亨利定律m享利常數(shù)享利定律的其他表示法 濃度的表示