化工基础教案

1第四章传质分离基础1.学习目的与要求通过本章学习，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。2.本章重点掌握的内容：（1）传质分离方法（2）相组成的表示方法（3）质量传递的方式与描述（4）典型的传质设备3.本章的难点：分子传质过程中“总体流动”概念的理解，传质模型的建立和描述。4.本章教学时数分配授课学时数6学时4.1概述4.1.1传质分离过程一、分离过程在化工中的应用二、相际传质过程与分离分离过程：1.非均相物系分离可通过机械方法分离，易实现分离。2.均相物系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。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：相际传质过程是均相物系分离的依据。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。（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。（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。（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，它主要包括结晶（或溶解）、液体吸附（或脱附）、浸取等单元操作过程。（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。采用平衡分离方法判别的依据：2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。2.速率分离过程（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。超滤反渗透渗析电渗析（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的差异，而实现混合物分离的单元操作过程。电泳热扩散高梯度磁场分离3.分离方法的选择分离方法选择的原则：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4.1.2相组成的表示方法一、质量浓度与物质的量浓度1.质量浓度2.物质的量浓度质量浓度与物质的量浓度的关系VAmANii1总VnAAcNiicc1总Mc总总iiMxMNi1AAAMciiixyK/jiijKK/3二、质量分数与摩尔分数1.质量分数2.摩尔分数质量分数与摩尔分数的关系三、质量比与摩尔比1.质量比质量比与质量分数的关系2.摩尔比摩尔比与摩尔分数的关系4.2质量传递的方式与描述4.2.1分子传质（扩散）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。mmAAwNiiw11nnxAAnnyAA11iNix11iNiyiiNiAAAMwMwx//1iiNiAAAMxMxw1AAAmmmXAAAwwX1AAAXXw1AAAnnnXAAAnnnYAAAxxX1AAAXXx14图4-1分子扩散现象如图4-1所示，用一块隔板将容器分为左右两室，两室中分别充入温度及压力相同，而浓度不同的A、B两种气体。设在左室中，组分A的浓度高于右室，而组分B的浓度低于右室。当隔板抽出后，由于气体分子的无规则热运动，左室中的A、B分子会窜入右室，同时，右室中的A、B分子亦会窜入左室。左右两室交换的分子数虽相等，但因左室A的浓度高于右室，故在同一时间内A分子进入右室较多而返回左室较少。同理，B分子进入左室较多返回右室较少，其净结果必然是物质A自左向右传递，而物质B自右向左传递，即两种物质各自沿其浓度降低的方向传递。上述扩散过程将一直进行到整个容器中A、B两种物质的浓度完全均匀为止，此时，通过任一截面物质A、B的净的扩散通量为零，但扩散仍在进行，只是左、右两方向物质的扩散通量相等，系统处于扩散的动态平衡中。2.费克(Fick)定律描述分子扩散过程的基本定律—费克第一定律。DAB—组分A在组分B中的扩散系数，m2/s3.总体流动现象设由A、B组成的二元气体混合物，其中A为溶质，可溶解于液体中，而B不能在液体中溶解。这样，组分A可以通过气液相界面进入液相，而组分B不能进入液相。由于A分子不断通过相界面进入液相，在相界面的气相一侧会留下“空穴”。根据流体连续性原则，混合气体会自动地向界面递补，这样就发生了A、B两种分子并行向相界面递补的运动，这种递补运动就形成了混合物的总体流动。二、气体中的稳态分子扩散1.等分子反方向扩散设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则称为等分子反方向扩散。对于等分子反方向扩散在两组分扩散系统中，组分A与组分B的相互扩散系数相等。应予指出，费克定律只适用于由于分子无规则热运动而引起的扩散过程。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。通过气液相界面组分A的传质通量应等于由于分子扩散所形成的扩散通量与由于总dldcDNAABA0,)(21AAABAccDNl)(21AAABAppRTlDN5体流动所形成的总体流动通量的和。此时，由于组分B不能通过相界面，当组分B随总体流动运动到相界面后，又以分子扩散形式返回气相主体中，故组分B的传质通量为零，该过程如图片4-2所示。图4-2扩散的同时伴有混合物的总体流动时各传质通量的关系如上所述，若在扩散的同时伴有混合物的总体流动，则组分A的传质通量为三、液体中的稳态分子扩散1.等分子反方向扩散2.一组分通过另一停滞组分的扩散四、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10-4~10-5m2/s范围内。估算气体扩散系数经验公式福勒公式由福勒公式可知，气体扩散系数与T1.75成正比、与P总成反比。根据该关系，可得)(21AABMABAppRTlppDN总1212lnBBBBBMppppp)(21AABMABAcclccDN总)(21AABMABAxxlxcDN总12ln12BBBMcccccBB12ln12BBBMxxxxxBB23/13/12/175.15])()[()11(10013.1BABAABvvpMMTD总75.112211AB2AB))((TPPDDT总，总，)(`21AAABAccDNl62.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10-9~10-10m2/s范围内。威尔基公式4.2.2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。涡流扩散在湍流流体中发生；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.涡流扩散通量方程应予指出，在湍流流体中，虽然有强烈的涡流扩散，但分子扩散是时刻存在的。但涡流扩散的通量远大于分子扩散的通量，一般可忽略分子扩散的影响。还应指出，分子扩散系数DAB是物质的物理性质，它仅与温度、压力及组成等因素有关；而涡流扩散系数则与流体的性质无关，它与湍动的强度、流道中的位置、壁面粗糙度等因素有关。因此，涡流扩散系数较难确定二、对流传质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统称为对流传质。对流传质的速率不仅与质量传递的特性因素（如扩散系数）有关，而且与动量传递的动力学因素（如流速）等密切相关。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。3.对流传质速率方程描述对流传质的基本方程，与描述对流传热的基本方程，即牛顿冷却定律相对应，可采用下式表述上式称为对流传质速率方程，其中的对流传质系数kL是以浓度差定义的。浓度差还可以采用其它单位，譬如采用摩尔分率、分压（气相中）等表示。因此，根据不同的浓度差表示法，可以定义出相应的多种形式的对流传质系数。对流传质速率方程既适用于流体作层流运动的情况，也适用于流体作湍流运动的情况，只不过是在两种情况下kL的数值不同而已。一般而论，kL与界面的几何形状、流体的物性、流型以及浓度差等因素有关，其中流型的影响最为显著。kL的确定方法与对流传热系数的确定方法类似。6.0152/1)(104.7bABBABVTMDdldcAMAEN)(AbAiLAcckN74.2.3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：①组分A从气相主体扩散到相界面；②在相界面上组分A由气相转入液相；③组分A由相界面扩散到液相主体。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”。二、相际间对流传质模型对于相际间的对流传质问题，其传质机理往往是非常复杂的。为使问题简化，通常对对流传质过程作一定的假定，即所谓的吸收机理，亦称为传质模型。多年来，一些学者对吸收机理作了大量的研究工作，提出了多种传质模型，其中最具代表性的是双膜模型，溶质渗透模型和表面更新模型。1.双膜模型(停滞膜模型)惠特曼(Whiteman)于1923年提出，最早提出的一种传质模型。图4-3双膜模型示意图停滞膜模型的要点：①当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞膜—气膜和液膜，溶质A经过两膜层的传质方式为分子扩散。②在气液相界面处，气液两相处于平衡状态，无传质阻力。③在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流体强烈湍动，各处浓度均匀一致，无传质阻力。双膜模型把复杂的相际传质过程归结为两种流体停滞膜层的分子扩散过程，依此模型，在相界面处及两相主体中均无传质阻力存在。这样，整个相际传质过程的阻力便全部集中在两个停滞膜层内。因此，双膜模型又称为双阻力模型。停滞膜模型的模型参数：气膜厚度zG；液膜厚度zL。2.溶质渗透模型希格比(Higbie)于1935年提出，为非稳态模型。8图4-4溶质渗透模型示意图溶质渗透模型的要点：①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。②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。③液体单元在界面处暴露的时间是有限的，经过时间θc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变。④液体单元不断进行交换，每批液体单元在界面暴露的时间θc都是一样的。溶质渗透模型的模型参数：暴露时间θc。应予指出，溶质渗透模型更能准确地描述气液间的对流传质过程，但该模型的模型参数θc求算较为困难，使其应用受到一定的限制。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：①溶质向液相内部传质为非稳态分子扩散过程。②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。③不论界面上液体单元暴露时间多长，被置换的概率是均等