化学工程基础第3章.

中国人民大学化学系第三章传质分离过程中国人民大学化学系第3章传质分离过程概述非均相物系分离：沉降，过滤，固体的干燥等均相物系分离：气-液相：吸收和蒸馏液-液相：萃取液-固相：结晶中国人民大学化学系第3章传质分离过程概述物质以扩散的方式迁移叫做物质传递过程或称传质过程所有均相物系分离过程和部分非均相物系分离都涉及到相间传质，因此又称为传质分离过程中国人民大学化学系3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.1传质过程的机理（一）单相中物质的传递物质在单相中的扩散有分子扩散和对流扩散两种1.分子扩散静止流体中的扩散层流流体中垂直于流动方向的扩散固体中的扩散(半导体掺杂，渗碳，渗铝)中国人民大学化学系分子扩散速率：单位时间内通过主体内某一界面的物质的量-1-12-3-32-1Fickddmols,kmolsm:molm,kmolm:m/::msNcDAnNAcnNAD分分分费克()定律：分子扩散速率正比于传质面积和浓度在扩散方向上的梯度:分子扩散速率，:传质面积，扩散组分的浓度，扩散方向上的坐标，扩散通量扩散系数，3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系dddd()d()dddd()d()ddddpppNcDAnuuuyyycTcTQTqaSncnn分传递通量正比与各自的浓度梯度依靠分子热运动传递3.1.传质过程的机理及传质设备费克定律：牛顿粘性定律：傅里叶定律：中国人民大学化学系分子扩散系数D是物质的特性常数，表示物质在介质中的扩散能力。扩散组分的性质组分所在的介质温度压力3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系053/21/31/33/2001/31/304.361011()7.710-15()ABABTDpvvMMpTDDpTTDvv液=扩散组分A在气体B中的扩散系数3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系2.对流扩散分子扩散：在浓度差推动力的作用下，由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象对流扩散：依靠流体微团携带物质运动进行的扩散对流传质：流体中的组分向固体壁或相界面扩散及其相反过程（1）对流传质机理3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系2.对流扩散有浓度梯度的区域称为传质边界层或流体膜。对流体膜可以进行合理简化：假设全部扩散阻力集中在一层虚拟厚度的膜内，流体主体与界面之间的对流传质等效于虚拟膜内的分子扩散，因此常把流体的对流传质称为膜传质（1）对流传质机理3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系12ee12-1-1e-3-312-1Fick:mols,kmols:m:molm,kmolm:msDNAccDkNkAccNcck由定律积分可以得到定态对流传质速率方程：令，有对流传质速率，虚拟膜厚度或扩散距离，主体与界面浓度差，膜传质系数或传质分系数，3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系等分子反向传质：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。物质有宏观移动，一组份扩散，另一组份反向等量扩散，保证总浓度不变。单向传质：设A、B组分的气体混合物与液体接触，在相界面处，只有组分A可溶于液相，而组分B不溶于液相。A溶于液相，留下空缺，混合气体向液相表面递补，A、B分子递补运动成为“总体流动”。B称为停滞组分。3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系（2）对流传质系数的准数关联式3.1.传质过程的机理及传质设备（3）柯尔本的j因子类似率中国人民大学化学系（二）相间传质流-固相间传质：单相传质-相变-单相传质的过程气-液相传质3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系1.气-液相传质机理（1）双膜理论物质扩散到气-液界面后溶于溶剂再扩散到液相中气-液界面分别有存在浓度差的层流有效膜气-液界面上气相-液相互相平衡3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系对于具有自由相界面的气-液系统．在界面上的湍流不会减弱，因而界面上没有稳定的流体膜存在；在湍流程度很高时在界面上产生旋涡，传质主要靠旋涡进行；此时传质系数主要决定于流体力学条件，而与流体性质的关系极小。（2）界面动力状态理论3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系（3）溶质渗透-表面更新理论溶质渗透理论：液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完全的混合,使液体的浓度均匀化,在t时间内,液相中发生的不再是定态的扩散过程,而是非定态的扩散过程.表面更新理论：液体在流动过程中表面不断更新,即不断地有液体从主体转为界面而暴露于气相中,这种界面不断更新使传质过程大大强化,其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处,现通过表面更新,深处的液体就有机会直接与气体接触以接受传质.3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系2.气-液相传质速率方程iiii**,:*:**:GLGLGLGLNkppkccApckkNKppKccAKKpcpcc根据双膜理论，溶质依次通过气膜和液膜的传质通量：:界面处气相分压；:界面处液相浓度；，:气膜、液膜传质系数用通式表示：推动力传质通量=传质系数推动力=阻力传质推动力可以用气-液相总推动力表示：分别为气相总传质系数和液相总传质系数能与液相(主体)浓度平衡的气相分压，即与平衡能与气相(主体*pcp)分压平衡的液相浓度，即与平衡3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系iiiiiii*:****,11111**GLLGLGGLGLLGLGLcccHHpppNkppkHpHpHkppAppppkHkKkHkHKHKKkkNKAppKcc（溶质的溶解度常数）总推动力为气相推动力和液相推动力之和气膜和液膜的阻力分别为1/和1/则传质总阻力为：同理可得：，因此有总速率方程可写为：3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系3.1.2气液相传质设备传质接触面，湍流强度、传质推动力连续接触式：填料塔，湍球塔分级接触式：板式塔•生产能力大•分离效率高•操作弹性大•流体阻力小•结构简单、造价低、运行可靠**GLNKAppKcc3.1.传质过程的机理及传质设备要求中国人民大学化学系（一）填充塔1.填料塔特点：结构简单，流体阻力小填料选择：陶瓷、木材、钢填料要求：较大比表面积，浸润性好，自由空间大，密度小，机械强度高，价格便宜3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系中国人民大学化学系2.湍球塔特点：在上升高速气流的冲力、液体的浮力和自身重力等各种力的相互作用下，球形填料悬浮起来形成湍动旋转和相互碰撞，引起气、液的密切接触，有效地进行传质、传热。优点：气速高、处理能力大、气液分布比较均匀、结构简单且不易被堵塞。缺点：小球较易变形和破裂，只适于传质单元数（或理论板数）不多的操作过程。3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系（二）板式塔板塔式：塔内装有一层层的塔板(或称塔盘)，气体以鼓泡、喷射方式通过液相时，形成气泡、液滴、泡沫等乳浊状态，为传质提供了很大的相界面，且表面不断更新，因此具有很高的传质效率。气-液的传质、传热过程是在各个塔板上进行的。型式：泡罩塔，筛板塔，浮阀塔和浮舌塔。3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系塔板钻有许多均勾分布的小孔，形似筛孔，所以称为筛板。液体的溢流及塔板上液面的调节借助于溢流管。液体经溢流装置逐级下降，与通过筛孔吹入液层的气体呈错流接触。鼓泡层、泡沫层、雾沫层雾沫夹带液泛1.筛板塔3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系2.泡罩塔气体是以鼓泡的方式通过塔板上的液层进行物质交换和热交换的3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系3.浮阀塔分离效率高、允许变动的操作范围广、节约金属等优点．生产能力大、塔板压力降小，能处理较脏、粘的物料等特点。而且构造较泡罩塔简单、效率比泡罩塔高。3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系3.浮舌塔在塔板上用浮动舌片代替浮阀。气流主要以喷射方式斜穿液层，气-液相处于一种近乎乳化的泡沫状态，因此传质效率非常高。3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系（三）喷射式传质装置喷射吸收器采用气-液并流操作，流速不受限制。这样不仅可提高生产能力，而且高速气流也易将液滴打碎乳化，造成很大的接触面和强烈的湍动，从而大大提高传质效果。3.1.传质过程的机理及传质设备中国人民大学化学系3.2液体的精馏蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发度的差别，使液体混合物部分汽化并随之使蒸气部分冷凝，从而实现其所含组分的分离易挥发组分难挥发组分间歇蒸馏连续蒸馏简单蒸馏平衡蒸馏精馏特殊精馏常压加压减压中国人民大学化学系3.2.1双组分溶液的气-液平衡2,FCtpyxpxytxy平衡体系的自由度温度:压强:一组分在气液相的组成:（一）相律和组成相律:平衡体系中组分数、相数和自由度数之间关系3.2液体的精馏中国人民大学化学系（二）理想溶液气-液相平衡关系的基本算式****;,;,,AAABBBABABAAABBBAABBABABABppxppxpppppyppyyppypppxpxyypppp拉乌尔定律：道尔顿定律：对理想溶液：3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏苯-甲苯甲醇-乙醇烃类同系物中国人民大学化学系（三）气-液平衡相图3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏中国人民大学化学系非理想溶液:恒沸点和恒沸组成（三）气-液平衡相图3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏中国人民大学化学系（四）相对挥发度和气-液平衡关系()(),()()()()ln;()()ln()ln()ln()()lngliiTTABABABgliTiTgglliiTiTiTiTigliiTiTigliiTiTiuuiRTiippxxuupuuRTuuRTxppuRTuRTxppuupxRTppex挥发度：某组分在两相中的化学势相等：3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏中国人民大学化学系（四）相对挥发度和气-液平衡关系**/////////1,11/111AAABBBAAAABBBBAAAAABBBBBAABABAAAAAApxpxpxppxppxyxpxyxyxxxyyxyxyx相对挥发度：对理想溶液：若平衡气体为理想气体：由于，所以（气-液平衡方程）3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏中国人民大学化学系（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏中国人民大学化学系（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算1.由正常沸点估算任意温度时纯组分的饱和蒸气压VbVV2*1*212**12125*2288dln1,lnd8811ln8811lglg2.3038811lg(1.01310)lg2.303bbbbHTHHPPCTRTRTTppRTTTppRTTTpRTT特鲁顿规则：克拉修斯克拉贝龙公式：3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏中国人民大学化学系2.相对挥发度的估算0*0**00***888811ln1888811ln188lnlnln88ln88lg2.303bbbAAAAbAbbbBBBBbBbbAABBABbbABbbABTTTppRTTRTTTTppRTTRTTTppppppRTT