下载文档原格式
蒸馏是根据沸点不同来分离物质的方法，将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同的特性，实现分离目的的单元操作。
蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。
1.1 精馏(Rectification)精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的液体混合物分离操作。
典型的精馏设备是连续精馏装置，包括精馏塔、再沸器、冷凝器等。
精馏塔供气液两相接触进行相际传质，位于塔顶的冷凝器使蒸气得到部分冷凝,部分凝液作为回流液返回塔顶,其余馏出液是塔顶产品。
位于塔底的再沸器使液体部分气化，蒸气沿塔上升，余下的液体作为塔底产品。
进料加在塔的中部,进料中的液体和上塔段来的液体一起沿塔下降,进料中的蒸气和下塔段来的蒸气一起沿塔上升。
在整个精馏塔中，气液两相逆流接触，进行相际传质。
液相中的易挥发组分进入气相，气相中的难挥发组分转入液相。
对不形成恒沸物的物系，只要设计和操作得当，馏出液将是高纯度的易挥发组分，塔底产物将是高纯度的难挥发组分。
进料口以上的塔段，把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓，称为精馏段；进料口以下的塔段，从下降液体中提取易挥发组分,称为提馏段。
两段操作的结合,使液体混合物中的两个组分较完全地分离，生产出所需纯度的两种产品。
当使n组分混合液较完全地分离而取得n个高纯度单组分产品时，须有n-1个塔。
精馏之所以能使液体混合物得到较完全的分离，关键在于回流的应用。
回流包括塔顶高浓度易挥发组分液体和塔底高浓度难挥发组分蒸气两者返回塔中。
气液回流形成了逆流接触的气液两相，从而在塔的两端分别得到相当纯净的单组分产品。
塔顶回流入塔的液体量与塔顶产品量之比，称为回流比，它是精馏操作的一个重要控制参数，它的变化影响精馏操作的分离效果和能耗。
1.2 闪蒸(Flash Distillation)闪蒸是水在一定压力下加热到一定温度，然后注入下级压力较低的容器中，突然扩容使部分水气化为蒸气的过程。
吸 收Absorption吸收与精馏一样同属于质量传递（即体系分离前后组成回发生变化），吸收(absorption)是依据不同组分在溶剂中溶解度不同，让混合气体与适当的液体溶剂相接触，使气体中的一个或几个组分溶解于溶剂中形成溶液，难以溶解的组分保留在气相中,从而达到混合气体初步分离的操作。
本章首先介绍传质学的基础知识，通过三传的对比分析，突出质量传递与动量传递、能量传递在研究方法上的可类比性；最终达到在工程实践中合理地设计及在实际操作中进行调节与控制。
第一节 传质学基础1.1 混合物组成的表示方法混合物组成表示法质量分率a(w) mA/ m 无因次摩尔分率x nA/n 无因次体积分率xv V A/V 无因次摩尔浓度cA nA/V mol/m3质量浓度cA mA/ V kg/m3摩尔比X(Y) nA/nB 无因次混合物组成换算关系a~x ∑=ii i i M a M a x // xv~x ∑⋅⋅=i i i v i i i v M x M x x //ρρ思考：a~ xv 的关系例1 已知乙醇的浓度cA 为546kg/m3，求乙醇在水溶液中的质量分数、摩尔分数和摩尔比及溶液密度。
已知纯乙醇、水的密度为780kg/m3和1000 kg/m3。
解：取1 m3溶液作为基准，则乙醇含量为546 kg ， 乙醇体积为546/780=0.700m3， 乙醇摩尔数为546/46=11.87kmol ；水的体积为0.300 m3，水的质量为0.30×1000=300 kg ，水的摩尔数为300/18=16.67kmol ；乙醇的质量分数a=546/(546+300)=0.645；乙醇的摩尔分数x=11.87/(11.87+16.67)=0.410；乙醇的摩尔比 X=11.87/16.67=0.712；该乙醇溶液密度ρ=546+300=846 kg/m31.2 扩散现象与分子扩散速率计算质的现象称。
湍流扩散（涡流扩散）：碰撞混合，而进行传质的现象。
第七章 吸 收Absorption吸收与精馏一样同属于质量传递（即体系分离前后组成回发生变化），吸收(absorption)是依据不同组分在溶剂中溶解度不同，让混合气体与适当的液体溶剂相接触，使气体中的一个或几个组分溶解于溶剂中形成溶液，难以溶解的组分保留在气相中,从而达到混合气体初步分离的操作。
本章首先介绍传质学的基础知识，通过三传的对比分析，突出质量传递与动量传递、能量传递在研究方法上的可类比性；最终达到在工程实践中合理地设计及在实际操作中进行调节与控制。
第一节 传质学基础1.1 混合物组成的表示方法混合物组成表示法质量分率a(w) m A / m 无因次摩尔分率x n A /n 无因次体积分率x v V A /V 无因次摩尔浓度c A n A /V mol/m 3质量浓度c A m A / V kg/m 3摩尔比X(Y) n A /n B 无因次混合物组成换算关系a~x ∑=ii i i M a M a x // x v ~x ∑⋅⋅=i i i v i i i v M x M x x //ρρ思考：a~ x v 的关系例1 已知乙醇的浓度c A 为546kg/m 3，求乙醇在水溶液中的质量分数、摩尔分数和摩尔比及溶液密度。
已知纯乙醇、水的密度为780kg/m 3和1000 kg/m 3。
解：取1 m 3溶液作为基准，则乙醇含量为546 kg ， 乙醇体积为546/780=0.700m 3， 乙醇摩尔数为546/46=11.87kmol ；水的体积为0.300 m 3，水的质量为0.30×1000=300 kg ，水的摩尔数为300/18=16.67kmol ；乙醇的质量分数a=546/(546+300)=0.645；乙醇的摩尔分数x=11.87/(11.87+16.67)=0.410；乙醇的摩尔比 X=11.87/16.67=0.712；该乙醇溶液密度ρ=546+300=846 kg/m 31.2 扩散现象与分子扩散速率计算分子扩散：由浓度（或温度）不均引起，依靠微观分子运动产生传质的现象称。
湍流扩散（涡流扩散）：发生在湍流体中依靠质点宏观不规则运动的碰撞混合，而进行传质的现象。
湍流时分子扩散依然存在,只是此时湍流扩散效果更为显著。
对流传质：湍流主体与相界面间的传质。
1.2.1 分子扩散与Fick 定律分子扩散的规律类似于热传导，即扩散速率与浓度梯度成正比。
费克定律(Fick ’s law)dz dc D J A A -= 式中J A ——A 组分在z 方向上的扩散通量kmol/m 2·s;c A ——A 组分的摩尔浓度kmol/m 3；D ——A 组分在A 、B 的混合物中扩散时的扩散系数m 2/s ，要理解为D AB ，是物理性质参数。
“—”——表示散沿着浓度降低方向进行。
对气体RTp V n c A A A == dzdp RT D J A A -= 式中p A ——Pa ；T ——K ；R ——气体常数，等于8314 J/(kmol·K) ；“—”——表示散沿着浓度降低方向进行。
涡流扩散通量dzdc D J A e A -= 式中D e ——涡流扩散系数，m 2/s ， D e 不是物性常数，它是由流体的动力状况决定的，比D 要复杂得多。
1.2.2 分子扩散速率计算1)等摩尔扩散图示：p A + p B =p=常数，有 dzdp dz dp B A -=， J A = -J B传（质）递速率N A ：在任一固定的空间位置垂直于扩散方向的截面上，单位时间内通过单位截面积的A 的净物质量，称为A 的传递速率，以N A 表示。
N A 与J A 的区别J A 是单位时间内通过单位截面积的组分由分子扩散传递的A 物质的量单位都是kmol/m 2·s;）在等摩尔逆向扩散中zd dp RT D dz dc D J N A A A A -=-== 扩散为稳定过程，N A 应为常数。
因而dp A /dz 也是常数，故p A ~z 呈线性关系,如图 (b)所示 。
将上式分离变量， ⎰⎰-=210A A c c A z A dc z D dz N从而传递速率为：对气体：⎰⎰-=210A A p p A z A dp RT D dz N2)单向扩散图示：特点：在气液界面上，有组分A 向液相溶解，无B 物质从液体中向气相扩散。
过程分析：A 向液相溶解，界面附近A 浓度降低，分压力减小。
即界面附近的气相总压力比气相主体的总压力稍微低一点，将有A 、B 混合气体从主体向界面移动，称为整体移动。
由此带来的扩散速率用N M 表示，对双组分体系N M =N AM +N BM则即（A ） N B =N BM +J B =0即 J B =–N BM而 P=p A +p B =C=常数dzdp dz dp B A -= J A =–J B所以 N BM = J A （B ）N A =J A +N AM由（A ）、（B ）两式可得：A BA A J p p N )1(+= （C ） dz dp p p RT D N AB A A )1(+-=dz dp p p p RT D A A --= （D ） 将(D)式在Z=0，p A =p A1与Z=Z ，p A =p A2之间进行积分。
AA p p Z A p p dp RT Dp dZ N A A -⎰-=⎰210 对于稳定吸收过程，N A 为定值，操作条件一定，D 、p 、T 均为常数，积分得：12ln A A A p p p p RTZ Dp N --= 因 p=p A1+p B1=p A2+p B2，将上式改写为：式中 1212/ln B B B B Bm p p p p p -= 为组分B 分压力的对数平均值。
对液体则：式中 1212/ln B B B B Bm c c c c c -=为组分B 浓度的对数平均值。
此式即为所推导的单方向扩散时的传质速率方程式，式中p /p Bm 总是大于l ，称为“漂流因子”或“移动因子”。
单方向扩散的传质速率N A 比等摩尔逆向扩散时的传质速率J A 大。
这是因为在单方向扩散时除了有分子扩散，还有混合物的整体移动所致。
p/p Bm 值越大，表明整体移动在传质中所占分量就越大。
当气相中组分A 的浓度很小时，各处p B 都接近于p 即p/p Bm 接近于1，此时整体移动便可忽略不计，可看作等摩尔逆向扩散。
1.2.3 扩散系数分子扩散系数D 是物质的物性常数之一，表示物质在介质中的扩散能力。
扩散系数随介质的种类、温度、浓度及压力的不同而不同。
气体扩散系数一般在0.1~1.0cm 2/s 之间。
在数量级上要比液体中的扩散系数大105倍左右。
但是由于液体的摩尔浓度比气体大得多，所以使得二者扩散通量的差别并不如此悬殊，一般气体的扩散通量比液体高出100倍数量级。
对一定的气体物系，扩散系数与压强成正比，而与温度的1.5次方成正比，即：5.1000)()(T T p p D D ⋅= 根据此式可由已知温度T 0，压强p 0下的扩散系数D 0推算出温度为T ，压强为p 时的扩散系数D 。
液体的扩散系数与温度、粘度有关，一般可用下列经验公式表示，即：μμ000⋅=T T D D 根据此式可由已知温度T 0，粘度µ0下的扩散系数D 0，推算出温度为T ，粘度µ时的扩散系数D 。
例2 有一10cm 高的烧杯内装满乙醇，问在1atm 及25℃的室温下全部蒸干约需多少天?假设量筒口上方空气中乙醇蒸气分压为0。
若室温升高至35℃，问全部蒸干约需多少天? 已知25℃和35℃下乙醇的饱和蒸气压分别为60mmHg 和100 mmHg 。
分析：此题属非稳定单向扩散问题.解决非稳定问题是在对扩散至某一时刻τ(液面将高度Z 处)的瞬间，利用单向扩散传质速率方程，然后利用质量衡算建立微分式，最后划定边界条件积分得所需时间τ.解:如图所示，设τ时刻液面下降高度为Z p B1=760mmHg ，p A1=p-p B1=0 p B2=760-60=700 mmHg ，p A2=60mmHg=7.997kP a mmHg p p p p p B B B B Bm 59.729700/760ln 700760/ln 1212=-=-= 25℃乙醇在空气中的D=1.19×10-5m 2/s ，R=8.314 kJ/(kmol·K) ZZ p p p p RTZ D N A A Bm A 85211000.4)0997.7)(59.729760(298314.81019.1)(--⨯=-⨯⨯⨯=-= N A =4.00×10-8/Z (A)dτ时间内，液面高度降低dZ ，在此微元时间内，认为N A 保持不变，则物料衡算得N A ·A·dτ=A·dZ·ρ/M将（A ）式代入上式得：4.00×10-8dτ=780/46·Z·dZ (B)式中：A 为蒸发面积m 2，ρ为乙醇密度780 m 3/s ，M 为乙醇分子量；(B)式积分得 Z 2=4.718×10-9τ+C (C)边界条件：τ=0，Z=0；τ=τ，Z=0.1 mτ=2.16×106（s ）≈24.5 (天)当室温升至35℃时，p B2=760-100=660 mmHg ，p A2=100mmHg=13.13kP ammHg p p p p p B B B B Bm 8.708700/760ln 700760/ln 1212=-=-=D=D 0(T/T 0)1.5=1.19×10-5(308/298)1.5=1.25 m 2/sZZ N A 851097.6)013.13)(8.708760(308314.81025.1--⨯=-⨯⨯⨯= 同理积分得 Z 2=8.219×10-9τ+Cτ=1.217×106（s ）≈14 (天)1.3 对流传质与相间传质1.3.1 对流传质湍流主体与相界面间的传质称为对流扩散，湍流流体中的传质过程，既有分子扩散又有涡流扩散。
这种扩散现象要比分子扩散复杂得多。
dzdc D D J A E A )(+-= 式中D ——分子扩散系数，温度、压力不变时为常数，m 2/sD E ——涡流扩散系数，不是物理性质参数，是随流体流动状态及位置而变化的变量，m 2/s由于D E 是随流动状态等而变化的参数，故研究对流传质较为复杂，在这里着重介绍广泛使用的有效膜模型，揭示质量传递速率的基本方程式，阐明传质与传热过程在研究方法上的类比性。
1） 单相内对流扩散的有效膜模型有人将复杂的对流传质过程作如下简化处理，提出“有效膜”模型。
