化学工程基础第4章-传质分离基础

第四章传质分离基础在含有两个或两个以上组分的混合体系中，若有浓度梯度存在，某以组分（或某些组分）将由高浓度区向低浓度区移动，该移动过程称为传质过程。传质过程可以在单相中进行，也可以是在两相中进行。两相间传质是分离过程的基础1-1分离与人类的关系一般的化学工业中，用于分离提纯的设备投资在产品生产的整个工艺中占有较大的比例。例如，石油化学工业，分离单元操作的设备投资占总投资的50%~90%，而且用于分离的操作费用在生产成本中也占有相当大的比重。1、传质分离过程1-2传质分离操作的种类分离过程可分为机械分离和传质分离。机械分离的对象是非均相的混合物料，利用该混合物中组分间的密度、尺寸等物性差异将其分离。（过滤、沉降、离心分离等）传质分离过程是针对各种均相混合物料的分离，如酒精与水德混合物的分离。混合物分离操作非均相混合物的分离沉降过滤均相混合物的分离气体吸收液体精馏液液萃取混合物因组分的浓度差引起的质量传递，称为传质。传质中某组分的浓度梯度产生了这种组分的驱动力（推动力）。因为纯组分变成混合物是熵增加的自发过程，所以将混合物分离需要对体系做功。实际工程中分离均相混合物采取的手段是：加入分离介质（能量或溶剂），形成共存的但为不平衡的两相，让物质在两相间传递。常见的传质分离操作：1、蒸馏分离液体混合物的单元操作。过程：对混合液加热使混合液部分汽化造成不平衡的气相和液相，利用各组分挥发性的差异，使挥发性大的组分向气相的净传递，挥发性小的组分向液相的净传递，将混合液分离。2、吸收与解吸分离气体混合物的操作单元。利用各组分在同一溶剂中的溶解度不同，在混合气体中加入某种溶剂，使溶解度大的组分向液相转移。如果在吸收过程中伴有化学反应的，称为化学吸收。被吸收的气体从吸收剂中脱除的过程，称为解吸。3、液液萃取分离液体混合物的单元操作。在液体混合物种加入与其不想混溶的选定的溶剂，形成不平衡的液液两相，利用各组分在两液相中溶解度不同而分离固定的组分。含萃取剂的相称为萃取相，含萃取剂较少的相称萃余相。4、吸附当某些固体多孔物质与流体（气体或液体）接触时，流体中的某一或某些组分能以扩散的方式从气相或液相进入固相，附着于固体内、外表面上形成单分子层或多分子层的过程，称为吸附。被吸附的流体称为吸附质，多空固体物质称为吸附剂。物理吸附；化学吸附。5、干燥干燥指借热能使物料中水分（或溶剂）汽化，并由惰性气体带走所生成的蒸汽而得到干燥固体的操作。6、膜分离膜分离是以具有选择性分离功能的材料—膜为分离介质，在膜的两侧存在一定能量差（压力差、浓度差、电位差）作为动力，各组分透过膜迁移率不同，从而达到分离的目的。7、热扩散热扩散是利用温度梯度引起的物质扩散以分离气体或液体混合物的一种特别的方法。9一、双组份混合体系中的分子传质过程流体中物质扩散的基本方式：分子扩散：物质依靠分子运动从浓度高的地方转移到浓度低的地方。扩散方式分子扩散涡流扩散作用物流体分子流体质点作用方式热运动湍动和旋涡作用对象静止、滞流湍流扩散：物质在单一相内的传递过程推动力浓度差物质传递扩散快慢？2、传质过程分析10,AAzABdcJDdz扩散通量，kmol/m2s表示扩散方向与浓度梯度方向相反A在B中的扩散系数m2/s费克定律由上式可知，在总浓度c不变的情况下，只要流体中存在组分的浓度梯度，必然会产生分子扩散。单位面积上单位时间内扩散传递的物质量111、等物质量反向稳态扩散JA=-JB如精馏对A、B二元物系，ABAADdpJRTdz又BABBDdpJRTdzP=pA+pB=Const.双组份混合物中气体分子扩散分为等物质的量反向扩散和单向扩散。12dzdpRTDdzdcDJNAAAA)pp(RTzDN21AAA21BBBBppRTzDJN21BBBcczDN21AAAcczDN传质速率（或传质通量）NA：单位时间通过单位固定空间传质面积的物质量，kmol/(m2s)；积分：组分B若为液相DAB=DBA=D13分压pA、pB沿扩散路径z的变化为直线函数14（二）一组分通过另一停滞组分的扩散溶质A相界面溶剂S同时S不逆向通过（汽化）如吸收：（单向扩散）对于截面F-F’：传质通量扩散通量AJ总体流动造成的传质通量,bAN(bulkflow)154.总体流动与B的扩散运动方向相反bBBcNJcNb2.A、B做等分子反方向扩散的传递运动3.总体流动加快了A的传递速度1.总体流动即JA=-JBNA=JA+Nb(cA/c)NB=JB+Nb(cB/c)Nb(cA/c)Nb(cB/c)B为停滞组分。=0ABcJc16AAAABcNJJcAAdppDp-pRTdz-积分得：pDRTz21AAAppNlnppBB21ppDlnRTzp1AABpJpABABppJp171122ABABppppp由于122211()lnAABABBBppppDNRTzppp122121()lnAABBBBDpppppRTzppB组分在界面与主体间的对数平均分压2121,lnmBBBBBppppp令1221AABBpppp18)pp(ppRTZDpplnRTZDpN21m12AABBBA12ALAALsmDcNcczc与等摩尔相互扩散相比多了一个因子p/pBm——漂流因数。漂流因数反映总体流动对传质速率的影响。p/pBm1传质速率较大。若pAp/pBm；反之pAp/pBm≈1193、分子扩散系数计算：实验数据（表4-1及表4-2）气体中的D：半经验公式，福勒（Fuller）提出51.7521/31/3111.01310()()ABABTMMDPVV75.1122112TTppDD分子扩散系数D表示物质单位浓度梯度下、通过单位面积上的扩散速率，是物质的传递性质。202液体中的D计算：经验公式固体中的扩散系数需靠实验确定。对于很稀的非电解质溶液（溶质A+溶剂S），其扩散系数常用Wilke-Chang公式估算：212112TDDT21dzdcDJAEABDE——涡流扩散系数。非物性常数，与湍动程度有关，且与流体质点所处位置有关，很难测定。湍流流体中进行涡流扩散的同时，也存在着分子扩散。dzdcDDJAEAB湍流：DE占主要地位。2、对流扩散层流：D占主要地位；D——扩散系数。在温度压力不变时为常数依靠流体内部漩涡的强烈混合而引起的物质传递称为涡流扩散。22TTWtWt热流体冷流体pApAicAicA气相液相TtGLE二、有效膜模型（1）单相内对流传质过程231）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的变化较陡。2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水平线。3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的变化逐渐平缓。（2）有效膜模型单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散。243．单相对流传质速率方程（1）气相对流传质速率方程)p(ppRTδDpNiAAGBmGA有效膜厚δG----E到相界面的垂直距离)iAAGGApp(kNBmGGpRTDpk25——以分压差表示推动力的气相传质分系数（给质系数），kmol/（m2·s·kPa）。Gk=传质系数×吸收的推动力AN若推动力以气相摩尔分率表示：)(AiyyykNyk——以气相摩尔分率表示推动力的气相给质系数，kmol/（m2·s）；∵pypAGiipypAGpkky26（2）液相对流传质速率方程)(AxxkNix)cc(kNALiALALLSmLDckcLckkxkL——以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相给质系数，kmol/（m2·s·kmol/m3）；xk——以液相组成摩尔分率表示推动力的液相给质系数，kmol/（m2·s）；给质系数=f(雷诺数、流体物性、界面状况）2、两相间的传质模型pApAicAicA气相液相GLE特点：（1）呈湍流流动的两流体接触面的两侧，分别存在着流体的有效膜层，溶质以稳态分子扩散方式通过这两个膜层，膜层的厚度随流体的流动状态而变化；（2）两流体间的传质阻力都集中在两个膜层内，膜层以外的两相流体主体，不存在浓度梯度；（3）在两相接触的界面上，两相达到平衡状态。