第7章传质与分离过程概论课件.ppt

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1、化 工 原 理（下 册）,第七章 传质与分离过程概论 6 第八章 气体吸收 14 第九章 蒸馏 16 第十章 液-液萃取和液-固浸取 2 第十一章 固体物料的干燥 10第十二章 其他分离方法 2,学 时 安 排,总学时 54,授课 50,期中考试 2,复习课 4,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。,学习目的与要求,第七章 传质与分离过程概论,物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质量传递过程，简称传质。在一相中发生的物质传递是单相传质，通过相界面的物质传递为相际传质。,传质过程广泛运用于混合物的分离操作；它常与

2、化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至成为化学反应的控制因素。掌握传质过程的规律，了解传质分离的工业实施方法，具有十分重要的意义。,质量传递的起因是系统内存在化学势的差异，这种化学势的差异可以由浓度、温度、压力或外加电磁场等引起。,原料,反应产物,目的产物,副产物,分离过程,反应过程,分离过程在化工生产中的应用,示例：三氯甲烷的甲烷氯化的制备方法。,示例：石油炼制过程中的常减压蒸馏。,原料,目的产物,副产物,分离过程,7.1 概述,7.2 质量传递的方式与描述,7.3传质设备简介,我们依据分离原理的不同，可以将传质与分离过程划分为平衡分离和速率分离两大类：一、平衡分离过程 平衡分离指借助分离媒

3、介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物变为两相体系，再以混合物中各组分处于平衡的两相中分配关系的差异为依据而实现分离的过程。不难看出，平衡分离属于相际传质过程。相际传质是我们后面重点学习讨论的内容。,7.1 概述,7.1.1 传质与分离方法,气体吸收 利用气体中各组分在液体溶剂中的溶解度不同，使易溶于溶剂的物质由气相传递到液相。,相际间的传质过程，分为流体相间和流固相间的传质两类。,1.流体相间的传质过程,气相-液相 包括气体的吸收、气体的增湿、液体的蒸馏等单元操作（图7-1a、b、c）。,增湿 是将干燥空气与液相接触，水分蒸发进入气相。液体蒸馏 是依据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点低

4、的组分气化，达到分离的目的。,气相-固相 固体的干燥（图7-1h）含有水分或其它溶剂的固体，与比较干燥的热气体相接触，被加热的湿分气化而离开固体进入气相，从而将湿分除去。,液相-液相 在均相液体混合物中加入具有选择性的溶剂，系统形成两个液相（图7-1d）。,2.流-固相间的传质过程,气体吸附或脱附（图7-1f）气体吸附传递方向恰与固体干燥相反，它是气相某个或相间某些组分从气相向固相的传递过程；脱附是吸附的逆过程。,结晶 含某物质的过饱和溶液与同一物质的固相相接触时，其分子以扩散方式通过溶液到达固相表面，并析出使固体长大。,液相一固相 包括结晶（或溶解）、液体吸附、浸取和离子交换等过程。（图7-

5、1e、f、g）,固体浸取 是应用液体溶剂将固体原料中的可溶组分提取出来的操作。液体吸附 是固液两相相接触，使液相中某个或某些组分扩散到固相表面并被吸附的操作。离子交换 是溶液中阳离子或阴离子与称为离子交换剂的固相上相同离子的交换过程。,相平衡常数和分离因子,在平衡分离过程中，相平衡常数表示组分在两相中的组成关系，用K来表示：,Ki大小取决于物系特性及操作条件,i、j组分的Ki和Kj之比称为分离因子j,通常将K值大的作分子、小的为分母，故j一般大于1.0。我们可以用分离因子的相对大小，判断平衡分离的难易程度，即j值越大越容易分离。,传质过程一般要涉及的两个主要问题是：相平衡和传递速率,二、速率分

6、离过程,速率分离过程是指借助某种推动力（如压力差、温度差、电位差等）的作用，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。速率分离过程的特点是所处理的物料和产品通常属于同一相态，仅有组成的差异。速率分离过程主要分为膜分离和场分离两类。1.膜分离是指在选择性透过膜中利用各组分扩散速率的差异，而实现混合物分离的单元操作。主要有：超滤（UF）、纳滤（NF）、渗透与反渗透（RO）等，它们都是以压力差为推动力的膜分离过程。2.场分离是在外场（如电场、磁场）作用下，利用各组分扩散速率的差异而实现混合物分离的单元操作，如电泳、热扩散、高梯度磁场分离等。,应该指出，能量消耗通常是制约传质分离过程单位产品

7、成本的主要因素，因此降低能耗是传质分离研究的热点之一。而膜分离和场分离是新型分离操作，具有节能、环保等特点，有着较为广泛的应用前景，我们以后选择性地介绍膜分离和场分离的一些方法。,三、分离方法的选择选择分离方法时主要考虑的因素：1.被分离物系的相态2.被分离物系的特性3.产品的质量要求4.经济程度,7.1.2相组成的表示方法,在传质过程中,为了分析问题与设计计算的方便,通常采用不同的组成表示方法。常用的组成表示方法有一、质量浓度与物质的量浓度二、质量分数与摩尔分数三、质量比与摩尔比,一、质量浓度与物质的量浓度 1.质量浓度,指单位体积内的物质的质量，对A组分,对气体混合物(在总压不太高时)中A

8、组分的质量浓度为,2.物质的量浓度,指单位体积内的物质的量，对A组分,对于气体混合物(在总压不太高时)，若其中组分A的分压为pA，则可由理想气体定律计算其摩尔浓度,二、质量分数与摩尔分数,1.质量分率,质量分率为混合物中某组分的质量占总质量的分率或百分率，以符号表示。,对于混合物有多个组分组成时：,2.摩尔分率,指混合物中某组分的摩尔数占总摩尔数的分率或百分率。,3.质量分率与摩尔分率的换算,三、质量比和摩尔比,若双组分物系由A、B两组分组成，则,1.质量比,质量比和质量分率的换算关系如下,注意：教材中用X表示液相组成，Y表示气相组成。,摩尔比和摩尔分率的换算关系如下,2.摩尔比,7.2传质过

9、程的方式、共性与描述,单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实现的，物质在静止或层流流体中的扩散方式是分子扩散，它是物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓度处；物质在湍流流体中的传质方式是对流扩散，其包括涡流扩散和分子扩散，涡流扩散是因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。,1.传质的方式与历程,某组分在两相间（即相际）传质，步骤是：从一相主体扩散到两相界面的该相一侧，然后通过相界面进入另一相，最后从此相的界面向主体扩散。,补充：传质过程的方式与共性,条件的改变可破坏原有的平衡。其平衡体系的独立变量数由相律决定：f=k-+2f为独立变量数,k为组分数,为相数，“2

10、”是指外界的温度和压力两个条件。,2.传质过程的方向与极限,相间传质和相际平衡的共有规律,对稀溶液，气液两相的平衡关系遵循亨利(Henry)定律；理想溶液的气液相间符合拉乌尔(Raoult)定律。,一定条件下，处于非平衡态的两相体系内组分会自发地进行，使体系组成趋于平衡态的传递。,在一定条件下(如温度、压力)，两相体系必然有一个平衡关系。,若物质在一相中(A相)实际浓度大于其在另一相(B相)实际浓度所要求的平衡浓度，则物质将由A相向B相传递；PA PA*,相间传质过程的方向和极限的判断：,若物质在A相实际浓度等于B相实际浓度所要求的平衡浓度，则无传质过程发生体系处于平衡状态。PA PA*,物质

11、在A相实际浓度小于其在B相实际浓度所要求的平衡浓度，则传质过程向相反方向进行，即从B相向A相传递；PA PA*,相平衡关系指明传质过程的方向，平衡是传质过程的极限，而组分浓度偏离平衡状态的程度便是传质过程的推动力。,传质速率与传质推动力的大小有关，可以写为：,即 传质速率=传质系数传质推动力,3.传质过程推动力与速率,物质传递的快慢以传质速率表示，定义为：单位时间内，单位相接触面上被传递组分的物质的量,相间传质的每一步有各自的速率方程，称为分速率方程；整个过程速率方程为总速率方程，相应的有传质分系数和总系数之分。,7.2.1分子传质（扩散）,定义：单一相内、浓度差异下，分子的无规则运动造成的物

12、质传递现象。,1.分子扩散(molecular diffusion),2.扩散通量,扩散通量：是指在单位时间内单位面积上扩散传递的物质量，其单位为kmol/(m2s),以J 表示。,一、分子扩散与费克定律,3.费克定律(Ficks law),在恒温恒压下，A在混合物中沿Z方向作稳定分子扩散时，其扩散通量与扩散系数及在扩散方向的浓度梯度成正比。,如图7-2所示的分子扩散现象，在任一截面，处于动态平衡中的物质A、B的净扩散通量为零，即：,7-19,7-20,7-18,以下讨论双组分混合物中的一维稳定分子扩散,1.等分子反向扩散,二、气体中的稳态分子扩散,因为两容器内气体总压相同，所以接管内任一横截

13、面上单位时间单位面积上向右传递的A分子数与向左传递的B分子数必定相等。这种情况称为等分子反向扩散。,对任一截面FF来说，根据费克定律，A的扩散通量为,同理，B的扩散通量为,对于气体，在总压不太高的条件下，组分在气相中的摩尔浓度可用分压来表示。即,这两个通量方向相反，大小相等，若以A的传递方向(z)为正方向，则可写出下式,由于总压是常数，所以,因此,因此,传质速率：在任一固定的空间位置上，单位时间内通过单位面积的A的物质量，称为A的传质速率,用NA表示。在等分子反向扩散中,将上式改写为,扩散初、终截面处的积分限为,积分后得到,令,同理，组分B的传质速率为,等分子反向扩散，通过接管中任一截面的净物

14、质通量N为零。,对于气体，在总压不太高的条件下,2.一组分通过另一停滞组分的扩散(单向扩散),所以,在稳定状况下，NA常数，D、P、T也均为常数。对上式进行积分,令,则,因为截面1-1,2-2上的总压相等，即,故,则,令,扩散初、终截面处组分B分压的对数平均值，kPa；漂流因子，无因次。,对于液相中的等分子反向扩散，若总浓度为常数，同理可积分而得到组分A的传质速率：,摩尔汽化潜热接近相等的二元混合物进行精馏操作时，在汽、液两相的接触过程中，易挥发的A组分由液相进入汽相的速率与难挥发的B组分从汽相进入液相的速率大体相同。因此，无论在汽相中，或者在液相中进行的传质过程都可视为等分子反向扩散,三、液

15、体中的稳态分子扩散,1.等分子反向扩散,2.一组分通过另一停滞组分的扩散(单向扩散),可溶组分(溶质)A；惰性组分B；平面2-2为气液界面；厚度为的静止气层。,三种流动:,扩散流JA；扩散流JB；总体流NM；,同理可得,扩散初、终截面处溶剂浓度的对数平均值，mol/m3；漂流因子，无因次。,漂流因子大于1；单向扩散速率大于分子扩散速率；A的浓度很低时，单向扩散速率近似等于分子扩散速率。,讨论：,四、扩散系数,物质的扩散系数是物质的一种传递属性；同一种物质在不同的混合物中其扩散系数不同；扩散系数受温度、压力及混合物中组分的浓度的影响。气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；液体中的扩散，浓度的影响不可

16、忽略，压力的影响不 显著。,实验测定；资料及手册中查得；经验或半经验的公式进行估算。,来源,1.组分在气体中的扩散系数,福勒（Fuller)半经验公式估算,误差一般不超过10%；可用于常温及高温，但不适用于低温；组成的变化对其影响也很小；一般为10-5-10-4m2/s；与压力成反比，与温度的1.75次方成正比。,（7-41）式中符号的意义见13页,(7-41),2.组分在液体中的扩散系数,威尔基（Wilke-Chomg）等人提出的估算公式,组分在液体中的扩散系数比在气体中的小得多；与温度成正比，与粘度成反比；一般为10-9m2/s。,式（7-43）适用于低分子量的非电解质在很稀溶液中的扩散系

17、数的计算。,(7-43),式中符号的意义见14页,1.涡流扩散(Eddy Diffusion)流体质点在浓度梯度方向上的脉动所造成的物质向浓度降低方向的传递称为涡流扩散。,涡流扩散通量可借用费克定律的形式来表达，即,涡流扩散系数不是物性常数;涡流扩散系数与流体的湍动程度有关;涡流扩散系数随位置(离稳定界面的距离)等条件而变。,涡流扩散通量和涡流扩散系数，kmol/m2s，m2s。,7.2.2涡流扩散与对流传质,湍流流体中在进行涡流扩散的同时、也存在分子扩散，总扩散通量应为两者之和，即,流动的流体与壁面(或相界面)之间的物质传递称为对流传质。当流体是湍流流动时，对流传质是涡流扩散与分子扩散共同作

18、用的结果。对流传质是相间物质传递的基础。,2.对流传质(Convection Mass Transfer),对流传质过程分析：,层流底层 分子扩散过渡区 分子扩散和涡流扩散湍流主体 分子扩散和涡流扩散,将壁面与流体主体间的对流传质作为通过厚度为L的层流膜层内的分子扩散来计算。这种处理对流传质的简化物理图像，称为膜模型。,膜模型：,图7-6,若进行的是单向扩散：,液相,气相,实际上对流传质速率依靠实验来测定，并仿照对流传热，将对流传质速率写成传质系数与推动力的乘积形式，即,界面与液相间的传质,界面与气相间的传质,传质系数,对于等分子反向扩散，则有,说明：,对流传质系数和对流传热系数类似，取决于物

19、系的性质、流动状况等因素，一般不能通过左侧公式计算，需通过实验测定，或通过经验公式计算。,注：7.2.3相际间的传质在第八章吸收中讲,7.3 塔设备简介,传质过程有共同的规律，也有通用的传质设备。气体吸收和液体精馏两种气液传质过程通常在塔设备内进行。提供气、液两相充分接触的机会。,根据塔内气液接触部件的结构型式，分为填料塔与板式塔两大类。,（1）填料塔,填料塔 结构如图所示,圆筒形,内装填料 液体由上往下流动时，由于塔壁处阻力较小而向塔壁偏流，使填料不能全部润湿，导致气液接触不良，影响传质效果，称之为塔壁效应。,长期的研究，开发出许多性能优良的填料，如图是几种填料的形状。,拉西环优点是结构简单

20、、制造方便、造价低廉，缺点是气液接触面小，沟流及塔壁效应较严重，气体阻力大，操作弹性范围窄等。鞍形(弧鞍和矩鞍)填料像马鞍形的填料，不易形成大量的局部不均匀区域，空隙率大，气流阻力小。鞍环填料综合了鞍形填料液体分布性好和环形填料通量大的优点，是目前性能最优良的散装填料。,波纹填料由许多层高度相同但长短不等的波纹薄板组成，整砌结构，流体阻力小，通量大、分离效率高，不适合有沉淀物、易结焦和粘度大的物料，装卸、清洗较困难，造价也高。金属丝网价格昂贵用于要求高,产量不大操作。,它是气、液两相在多孔床层中逆向流动的复杂过程。受填料层压降,液泛气速,持液量,气液分布等影响.空塔气速是指按空塔计算得到的气体

21、线速度。下图为不同喷淋密度下，单位高度填料层的压降p/H与空塔气速u的关系图。,填料塔内的流体力学状况,L=0，即气体通过干填料层时pHu呈直线关系，直线的斜率为1.82.0，表明pH与u的1.82次方呈正比，气流状态为湍流。,气速增大至某值时，液体流动受到两相流体间摩擦力的阻碍，填料层的持液量随气速的增加而增加，此现象称拦液现象。将开始拦液的转折点称载点，载点对应的空塔气速称载点气速。,超过载点气速后，p/Hu关系线斜率加大，填料层内的液流分布和表面润湿程度均大有改变，两相湍动程度加剧，塔内持液量不断增多，液体充满整个塔空间，导致压降急剧升高。液体由分散相变为连续相，气体由连续相变为分散相，

22、以鼓泡状通过液层,把液体带出塔顶，塔操作不稳定，此现象称液泛。开始发生液泛的转折点为泛点，相应的空塔气速称泛点气速。,影响泛点气速的因素有填料特性、流体物性、气液的流量等。实际操作气速常取泛点气速的 5085。,塔板的结构 板式塔的壳体为圆筒形，里面装有若干块水平的塔板。,（2）板式塔,塔板上的气液两相流动有错、逆流之分，如图所示。,塔板的结构型式有,a泡罩塔板 构造如图示。泡罩塔板有较好的操作弹性，结构复杂、造价高，尤其是气体流径曲折，塔板压降大、液泛气速低、生产能力小。,b浮阀塔板 浮阀塔板是泡罩塔的改进型，如图。,浮阀塔生产能力与操作弹性大、板效率高、塔板阻力小、结构简单、造价低等优点，

23、但浮阀对材料的抗腐蚀性要较高，采用不锈钢制造。,c.舌形塔板 如下图所示。舌形孔的典型尺寸为：20，R=25mm，A25mm。,舌形塔板结构简单、不易堵塞。液体流动阻力小。对负荷波动的适应能力较差，气相夹带较严重。,d筛孔塔板 结构简单、造价低廉、气体压降小、生产能力较大；缺点是操作弹性范围较窄，小孔筛板易堵塞。,舌形塔板,e导向筛板 如图,a.气液接触状态 孔速较低时,气体以鼓泡形式通过液层，板上气液两相呈鼓泡接触，图(a)；随孔速的增大气泡的数量而增加,气泡表面连成一片发生合并与破裂,板上液体以泡沫形式存在于气泡之中,但液体为连续相,气体为分散相,即泡沫接触图5(b)；孔速继续增大,气体从

24、孔口喷出,液体由连续相变为分散相,气体则由分散相变为连续相，即喷射接触，图。,板式塔上流体力学状况,塔板形式多样，下面介绍塔板上气液接触状态、漏液、雾沫夹带、液泛等流体力学规律。,b漏液 气体通过筛孔的速度较小时，气体通过筛孔的动压不足以阻止板上液体的流下，液体会直接从孔口落下，这种现象称为漏液。正常操作时，一般控制漏液量不大于液体流量的10。,d液泛 气速增大，气体通过塔板的压降也增大，降液管内的液面相应地升高；板上液体将无法顺利流下，造成淹塔，即液泛。,c雾沫夹带 板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象称为雾沫夹带。雾沫夹带量主要与气速和板间距有关，其随气速的增大和板间距的减小而增加。应控

25、制夹带量不超过0.1kg(液体)/kg(干气体)。,对塔设备的要求：气液负荷大，即单位塔截面处理物料量大，生产能力大；传质效率高，达到规定分离要求的塔高较低；操作稳定，物料量在相当范围内变化时不致引起传质效率显著变动；气体通过塔时阻力小，以适应减压操作或节省动力；结构简单，易加工制造，维修方便，耐腐蚀，不堵塞。,（3）填料塔与板式塔的比较,填料塔结构简单,直径小,气体通过阻力小,处理有腐蚀性的物料好,在压降小的真空蒸馏系统和液气比大的方面操作有优势；板式塔生产能力和操作弹性大,塔效率稳定利于放大.,吸收操作一般用填料塔；精馏操作采用板式塔。,7.4 分离过程的研究重点,随着世纪的到来，分离技术

26、和设备的发展日新月异，其研究重点有：1.现代分离科学理论的研究；2.新型分离设备的研究；3.绿色分离技术的研究；4.分离过程强化技术的研究；5.分离过程的模拟和优化。,小 结,传质过程有单相传质和相间传质之分，有流体相间和流固相间传质两类。工业中常见的传质操作有吸收、精馏、干燥、萃取、吸附、离子交换、结晶等。它们遵循一些共同的传质规律，亦具有各自操作的特点，在实际分析中采用的方法也不尽相同，于本章的学习中应悉心体会其实质。,填料塔和板式塔是实现吸收和精馏操作的场所，它提供了气液两相接触的表面。填料和塔板是塔设备的核心构件，在很大程度上决定着填料塔和板式塔的性能。优良的塔设备应具备效率高、阻力小、通量大、操作稳定等特点。,