传质与分离工程复习.43页PPT

吸附分离法的应用实例
空气分离
利用分子筛作为吸附剂， 将空气中的氧气和氮气分 离，得到高纯度的氧气和 氮气。
工业废气处理
利用活性炭等吸附剂对工 业废气中的有害气体进行 吸附，净化空气。
发酵液处理
利用活性炭或硅胶作为吸 附剂，从发酵液中提取有 用物质，如抗生素等。
03
膜分离法
膜分离法的原理
膜分离法是一种利用半透膜作为选择性障碍层，使物质得以分离或提纯的方法。
吸附剂的种类和特性
活性炭
活性炭是一种常用的吸附剂， 具有高比表面积、多孔结构和 良好的吸附性能，可用于多种
物质的分离。
硅胶
硅胶是一种无机吸附剂，具有 耐高温、抗氧化、化学稳定性 好的特点，常用于石油、化工 等领域。
沸石
沸石是一种天然矿物，具有规 则的孔道结构和可调的孔径， 可用于气体分离和催化剂载体 。
其它传质分离方法课 件
目 录
• 传质分离方法简介 • 吸附分离法 • 膜分离法 • 泡沫分离法 • 其他传质分离方法
01
传质分离方法简介
传质分离方法的定义和重要性
定义
传质分离方法是指通过物质传递 过程，将混合物中的不同组分进 行分离的方法。
重要性
传质分离是工业生产中必不可少 的环节，对于提高产品质量、降 低能耗和提高生产效率具有重要 意义。
结晶分离法
总结词
利用物质在结晶状态下的性质差异进行分离的方法。
详细描述
结晶分离法是一种基于晶体结构的传质分离方法，通过 控制结晶条件使不同物质形成不同晶体，从而实现分离 。结晶分离法具有较高的分离效果和选择性，适用于分 离具有明显晶体结构差异的物质，如盐类、金属氧化物 等。结晶分离法需要严格控制结晶条件，如温度、浓度 、搅拌等，以获得最佳的分离效果。

Mi
Mi
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
XA mA mB
质量比和质量分率的换算关系如下
A XA 1 A
XA A 1 X A
2.摩尔比
nA X nB
摩尔比和摩尔分率的换算关系如下
x X 1 x
X x 1 X
注意：教材中用X表示液相组成，Y表示气相组成。
②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
①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。 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p A N A ( )( ) p p A RT dz
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
pD p dp A N A z dz p RT p pA
z2
1 A2 A1
NA
传质推动力 传质速率＝ 传质阻力
即 传质速率=传质系数×传质推动力 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）
一、分子扩散与费克定律
1.分子扩散(molecular diffusion) 定义：单一相内、浓度差异下，分子的无规则 运动造成的物质传递现象。 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/(m2·s),以J 表示。

萃取：选择性系数β
7.1 概 述 (Introduction)
6. 分离方法的选择 分离的可行性 是否能分离
物料的物理化学性质 是否好分离 生产的处理规模 是否分离快
投资及运行的经济性 是否成本低 安全与环保 是否环保
发展趋势 1）传统分离技术改造： 如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。
2）新型分离过程开发：
浓度梯度成正比。 扩散面
dC A J A D AB dZ
DAB─A的扩散系数，m2/s Z
7.2 分子扩散与对流扩散
二、双组分混合物中的一维稳定分子扩散 1. 等分子反向扩散
pA1
A B F
pA2
pB1 1
P
pB2 2
P
F’
7.2 分子扩散与对流扩散
对任一截面FF’来说，根据费克定律，A的扩散 通量为: dC A
速率分离
7.1 概 述 (Introduction)
(1)气(汽)－液接触传质过程 精馏：利用液体混合物中各组分饱和蒸汽压或沸点 或挥发性的差异而将各组分分离开来; 吸收：利用气体混合物中的各组分在某种溶剂中的 溶解度不同而将各组分分离开来; 增（减）湿：不饱和气相与温度比它高的热水接触 为增湿；含水蒸气的饱和湿气体与温度比它低的冷 水接触为减湿。
缺点：造价较高，易堵塞 难清洗。
7.1 概 述 (Introduction)
（二）板式塔
7.2 分子扩散与对流扩散
分子扩散 传质机理 对流传质
一、分子扩散与费克定律
1.分子扩散(molecular diffusion) 定义：单一相内、在有浓度差异存在的条件下， 分子的无规则运动造成的物质传递现象。
mC mA mB wA , wB , wC , m m m

固液传质广泛应用于环境 保护、矿石提取和食品加 工等领域，用于分离和回 收物质。
3 液液传质的应用
液液传质广泛应用于制药、化工和生物工程等领域，用于提纯和分离物质。
固液传质
1 固体在液体中的传质 2 萃取法和析出法
固体通过溶解、渗透和吸 附等方式在液体中传递， 常涉及固液表面交互作用。
萃取法通过溶剂将溶质从 固体中萃取出来，析出法 通过沉降或结晶将溶质从 液体中析出。
3 固液传质的应用
化工传质复习
化工传质复习，通过本课件将详细介绍传质的基本概念和过程，包括传质速 率公式、分子扩散传质、对流传质、质量传递系数、气液传质、液液传质和 固液传质等内容。
传质的基本概念和过程
1 传质的定义
传质是指物质在不同相之间的传递过程，包括分子扩散、对流传质和固液传质。
2 传质过程的三种形式
传质可通过分子扩散、对流和固液接触过程来实现。
3 传质速率公式及影响因素
传质速率可由菲克定律表示，影响因素包括浓度差、温度、接触面积和传质系数等。
分子扩散传质
1 分子扩散传质的定义
分子扩散传质是指物质分子通过自由运动的 方式在不同相之间传递的过程。
2 扩散速率及影响因素
分子扩散速率受浓度差、温度、分子间相互 作用力和扩散距离等因素的影响。
3 Ogston模型和Wilke-Chang模型
3 弥散系数和Schmidt数
弥散系数是描述对流传质能力的参数， Schmidt数表示流体传质和质量传递的比例。
4 层流和湍流传输
层流传输指流体分层且顺序排列传质；湍流 传输指流体混合不均匀，传质速率更快。
质量传递系数
1 质量传递系数的定义
质量传递系数是表征物质传递速率的参数，描述了传质过程中的阻力和质量传输效率。

将过程所产生的废物最大限度地回收和
循环使用。
产品
原
料
1
1
1
废
物 2
废
物 2
排除
2
1—单元过程；2—处理
实现分离与再循环系统使废物最小化的方法： ●废物直接再循环
例：废水
●进料提纯
例：氧化反应采用纯氧
●除去分离过程中加入的附加物质
例：共沸剂、萃取剂
●附加分离与再循环系统
例：分离废物中的有效物，循环使用
●加氢重整后得到：轻油 非芳烃 苯 甲苯 二甲苯 高级芳烃
目的产物为 对二甲苯
● 特点：
邻二甲苯 间二甲苯 对二甲苯
沸点℃ 熔点72
138.351 13.263
● 涉及到分离过程：精馏：4、7、8 萃取：5、6 结晶：10
目的产 物
总 结：
●降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、 回收利用率、循环利用率；
●开发和采用新技术、新工艺、改善生产操作条 件，以控制和消除污染；
●采用生产装置的闭路循环技术；
●处理生产中的副产物和废物，使之减少和消除 对环境的危害；
●研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的 “三废”治理技术。
闭路循环系统：
ESA）
改变原溶 液的相对 挥发度
以苯酚作溶 剂由沸点相 近的非芳烃 中分离芳烃 ；以醋酸丁 酯作共沸剂 从稀溶液中 分离醋酸。
返回
1.2.2 速率分离过程
膜分离 场分离
速率分离:
利用溶液中不同组分在某 种推动力（浓度差、压力差、 温度差、电位差等）作用下， 经过某种介质（半透膜）时 的传质速率（透过率、迁移 率、扩速率）差异而实现分 离。
吸
相态 介： 理： 用：

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。
二、相际间对流传质模型
依据双膜模型，组分A通过气膜、液膜的扩散 通量方程分别为
Dp
NA
AB 总
RTzG pBM
( p Ab
pAi )
NA
D
AB
zL
c总 c
一、涡流扩散现象
2.涡流扩散通量方程 描述涡流扩散通量的方程为
J
e A
M
dcA dz
kmol/(m2·s )
—涡流扩散系数，m2/s M
涡流扩 散的类型
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—对流传质。
对流 传质
√
强制对流传质 自然对流传质
一、相际间的对流传质过程
相际间的传质
二、相际间对流传质模型
1.双膜模型
惠特曼(Whiteman)
于1923年提出，最早提出
的一种传质模型。
pb
停滞膜模型
（双阻力模型）
cb
播放动画32：双膜模型
双膜模型示意图
二、相际间对流传质模型
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。
训练才能有所收获，取得成效。 9、骄傲自大、不可一世者往往遭人轻视； 10、智者超然物外
强制层流传质
强制湍流传质√
二、对流传质
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。

反渗透
渗 析
点渗析
三、传质分离方法
（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
场分离
热扩散 高梯度磁场分离
三、传质分离方法
钕铁硼永磁场
磁化精馏实验装置
三、传质分离方法
3.分离方法的选择 分离方法选择的考虑因素

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
第七章 传质与分离过程概论
7.1 概述 7.1.1 传质分离过程 7.1.2 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 质量浓度定义式
A
mA
V
N
kg /m3
密度
混合物的总质量浓度

总

i 1
i
一、质量浓度与物质的量浓度
二、相际传质过程与分离
均相物系的分离方法 均相物系 某种过程 两相物系
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
实现均相物系的分离 相际传质过程
均相物系分离
二、相际传质过程与分离
示例：空气和氨分离 空气
水
吸 收 塔
空气＋氨 氨水
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。
ij Ki / K j
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。
三、传质分离方法

16
吸收过程的传质机理
等分子反向扩散、单向扩散、涡流扩散及速率方程
吸收过程传质模型及传质速率表达
掌握有效膜模型要点，总传质速率方程
气相：N A＝ p pe
1 Kg
K g p pe K y ( y ye )
液相：N A＝
ce c
1 Kl
Kl ce c K x ( xe x)
33
基本干燥过程计算

干燥过程的物料衡算
干燥产品量G2；水分蒸发量W；新鲜空气的消耗量

热量衡算
预热器的热量恒算Qp：
Qp＝L（I1－I0）
干燥器的热量恒算QD：
重点是绝热干燥过程的热量恒算： I1=I2
34

干燥时间的计算
恒速段干燥时间的计算；降速段干燥时间的计算
Gc X1 X c 1 SUc
最小液气比的计算
Y1 Y2 L V min Y1 m X 2
重点是出塔浓度、溶剂用量、填料层高度的计算
20
填料层高度的计算
dY Z KY Y2 Y Ye
Y1
V
Z
L K X

X1
X2
dX Xe X
传质单元高度的确定
H OG
V K Y
ye
xe 1 ( 1 )xe
11
实际塔板数和塔板效率
全塔效率
ET=NT/NP

单板效率，默弗里（Murphree）效率
E mV y n y n 1 xn 1 xn E mL y n * y n 1 xn 1 xn *
【思考】
精馏塔中第n-1, n, n+1块实际板板效率小于1。与Yn相平衡的 液相浓度Xn*，则Xn* Xn。与X n+1相平衡的汽相浓度 Y* n+1，则Y* n+1 Yn+1。

1.质量分数
质量分数定义式
wA
mA m
混合物的总质量分数
N
wi 1
i 1
二、质量分数与摩尔分数
2.摩尔分数 摩尔分数定义式
xA
nA n
液相
yA
nA n
气相
混合物的总摩尔分数
N
xi 1
i 1
N
yi 1
i1
二、质量分数与摩尔分数
质量分数与摩尔分数的关系
由质量分数 求摩尔分数
xA
wA / M A
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
播放动画31：分子扩散现象
一、分子扩散现象与费克定律
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。
及
边界条件
(1) z = z1 cA = cA1 ( pA= pA1 ） (2) z = z2 c A= cA2 ( pA= pA2 ）
一组分通过另一 停滞组分的扩散
二、气体中的稳态分子扩散
求解可得
NA
Dc
AB 总
z
ln
c
总
cA2
c
总
c A1
或
NA
Dp
AB 总
RTz
ln
p
总
p
总
pA2 p A1
二、气体中的稳态分子扩散
简单分子的扩散体积
v
/（cm3/mol）
7.07
物质
CO
v /（cm3/mol）

起运动时的导数，又称Laplace （拉普拉斯）导数。
D
D
ux
x
uy
y
uz
z
25
在进行微分能量衡算时，可采用拉格朗日方法。根 据热力学第一定律：
热力学能的变化=外界输入微元的热量+外界对微元做的功
其中外界对微元做的功可以用表面应力对微元做的 功表示。得到以焓表示的能量方程（拉普拉斯算 子）。
9
10
平衡分离过程的基础是相平衡。对于一个含n个组分、P个相的系统， 当其温度、压力和各组分的浓度不再变化时，即达到了平衡。一般地， 把相平衡定义为各组分在各相中的化学势µ或逸度ƒ(物质迁移时的推动
力或逸散能力 )相等：
（1-3）
或
fia fib fiP
(i 1,2,3,, n)
（1-4）
12
1.2.4 速率分离过程
速率分离过程是指借助某种推动力，如浓度差、压力差、 温度差、电位差等作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下， 利用各组分扩散速度的差异而实现混合物的分离操作。这类过 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 的差别。
Miscible 易混合1的3 ；
速率分离可分为膜分离和场分离两大类。
场分离的基础是粒子的迁移速度差，因此，产生速度 差的场强成为分离中的重要因素。电渗析、静电除尘 器等；
另一方面，即使有足够的速度差，若速度太小，实现 分离所需要的场的面积就很大，使分离失去实用价值。
此外，分离所需的能量W是作用力F与移动距离L的乘 积。若想减少能耗，就要尽量使用较小的力，尽量缩 短移动的距离，而后者等价于使场的几何厚度变薄， 这就是膜的物理概念。
对固体，若无内热源，摩擦热又可以忽略不计，简 化为用于热传导的普遍化方程——Fourier第二定律：

a
AV V
A
同理摩尔浓度：
C
n A
xn A
x
C
AV V
A
C n 混合物的总摩尔浓度。 V
对于气体混合物
np C A A
A V RT
c
m A
Mn AA
Mp AA
AV
V
RT
气体混合物的总摩尔浓度为：
Cn p V RT np
y A A An P
• 气体混合物的摩尔比可用分压比表达如下：
Y
n A
•p
4 相际传质过程
界面
气 组分 相 主 体
组分
液
相
主
体
相际传质示意图
二 相组成的表示方法
• 1 质量分率(工程制用重量分率)和摩尔分率 • 某组分的质量占总质量的分率或百分率. • 对含A、B、C、…..的均相混合物有
a
m A
,a
m B
,
a
m C
,........
A mB mC m
a a a ...... 1
终点： 浓度差为〇
扩散快慢？
➢扩散通量：
单位面积上单位时间内扩散传递的物 质量，单位为kmol/(m2•s); • 影响因素: • 物质性质 浓度差 扩散距离 等有关
➢ 费克(Fick)定律：扩散通量与浓度梯度成正比。
对于组分A
N
D
dcA
dc A
浓度梯度
A,0
AB dl dl
气体 N
D AB
注意！传质速率方程式有多种形式（浓度的表示方法有多 种 传质推动力和相应的传质系数）。传质比传热更复杂。
• 作业 • 1.2.3.4