传质分离过程原理

dc A —组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m dz
； DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。
负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿
着浓度降低的方向进行
对于气体扩散：
dC A N A J A D dZ D dp A NA RT dZ
nA pA C A V RT
mA wA m
摩尔分率：在混合物中某组分的摩尔数 占混合物总摩尔数的分率。
气相：
nA 液相： x A n
nA yA n
yA yB y N 1
xA xB x N 1
质量分率与摩尔分率的关系：
nA mwA / M A xA n mwA / M A mwB / M B mwN / M N wA /M A wA /M A wB /M B wN /M N
JA NMcA/c
到界面溶解于溶剂中，造
成界面与主体的微小压差
NA
，
使得混合物向界面处的流 动。 （2）总体流动的特点：
总体流 动NM NMcB/c
JB
1
2
1）因分子本身扩散引起的宏观流动。 2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔 分率。
N MA
cA NM c
N MB
cB NM c
p Bm
——漂流因数，无因次
Sm
漂流因数意义：其大小反映了总体流动对传质速率的影 响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子
扩
散增大的倍数。 漂流因数的影响因素：
p p Bm 1
c cSm
1
浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。

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
kL

DL
L
c csm
N A p A1 p A 2
1

推动力 阻力
kG
N A cA1 cA 2
1

推动力 阻力
kL
过 程 进 行 的 速 率
推动力 阻力
显然，若流体气体中的湍流愈激烈Re，则δ ，传质阻力也 愈小，即1/k。
传质速率方程式能否用于计算？ (cA1-cA2)可求，但k=?（同传热的，k取决于流体物性、流动 状况等因素）实验测定经验公式（下一章）。
RT p p dl A
利用边界条件积分后
因整体流动而产生的传递速率分别为 :
N

D
ln
p p Ai

Dp ln Bi
N
N cA 和N
N
c B
A,M
Mc
B,M
Mc
A RTl p p RTl p
A1
B1
由于 p pA1 pB1 pA2 pB2 pA1 pA2 pB2 pB1
对流扩散
N D D dcA
AB
E dz
层流：D占主要地位； 湍流：DE占主要地位。
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。 D——扩散系数。在温度压力不变时为Const.
对流传质
膜模型
c cA1 F
层流底层 （DE ≈ 0，分子扩散）
作用物
流体分子
流体质点
作用方式

为共沸剂 Te<T<Ta<Tb， e-b和e-a均不形成共沸物。 e的加入使三角相图分为两个蒸 馏区域。 a、b分别位于不同区域，均为稳 定节点。
纯组分a、b作为不同精馏塔的 釜液采出。
.
选择中间沸点，并且与低沸点组分生成最低共沸物的物质 为共沸剂
Ta<Te<Tb， e-a生成最低共沸物T2<Ta。
xβ
若 xF < xα < xβ ，则应在1塔进料 物料衡算时，二塔塔釜多了一项水蒸气流量S。
假设1塔精馏段气相流量为V1液 相流量为L1。
在1塔精馏段的第n块塔板及2塔 釜出口之间作物料横算：
V1SL1B2
S
V 1y n 1 S L 1 x n B 2 x B 2
所以得1塔精馏段操作线方程：
yn1V L1 1xnV B1 2xB2
S (33)5
V1
.
假设1塔提馏段气相流量为V1’液 相流量为L1’。
在1塔提馏段的第n块塔板及1塔 塔釜出口之间作物料横算：
L'1V1' B1
L '1xnV 1'yn1B 1xB 1
S
所以得1塔提馏段操作线方程：
yn1V L1'1' xnV B11' xB1(332)
定节点。
.
2）a、b形成最高共沸物的情况 选择比原共沸温度更高的沸点且不形成共沸物的物质为共
沸剂
T2<Te， e-b和e-a均不形成共沸物。
e的加入使三角相图分为两个蒸 馏区域。
a、b分别位于不同区域，均为不 稳定节点。
纯组分a、b作为不同精馏塔的塔 顶馏出液采出。
纯组分e作为塔釜液采出。

●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： 将过程所产生的废物最大限度地回收和循环 使用。
原 料 产品 1 废 物 1 废 物 1
2
2
2
排除
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
超滤（UF）：
目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大 分子分级。
进料
胶体大分子
溶剂、水
推动力：压力差（100～1000kPa）
传递机理：筛分
反渗透（RO）：
目的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。
进料
溶质、盐 溶剂、水
推动力：压力差（1000～10000kPa） 传递机理：扩散模型
渗析（D）：
先修课程：
物理化学、化工热力学、化工原理
同时进行的课程：
化工工艺学、化工过程分析与模拟
教材：
刘家祺 主编.传质分离过程.高等教育出版社,2005.
参考书：
邓修，吴俊生.化工分离工程. 科学出版社，2000.
陈洪纺 刘家祺.化工分离过程。化学工业出版社, 1995.
刘家祺 主编. 分离过程。化学工业出版社, 2002.
第7章 分离过程的节能优化与集成
第1章 绪论
1.1 概述 1.2 分离因子 1.3 分离过程的集成化 1.4 过程开发及方法 1.5 分离方法的选择
第1章 绪论
基本要求： 1)了解分离操作在化工生产中的重要性; 2)熟悉分离过程的分类; 3)掌握分离因子的概念及意义; 4)了解分离方法的选择;

X=0.894 78.15℃
t
121.9℃
X=0.383
负偏差
x y
x y
y
y
x
x
19
挥发度与相对挥发度
挥发度：表示某种溶液易挥发的程度。 若为纯组分液体时，通常用其当时温度下饱和蒸 气压PA°来表示。 若为混合溶液时，各组分的挥发度，则用它在一 定温度下蒸气中的分压和与之平衡的液相中该组 分的 摩尔分数之比来表示， vA = pA / xA vB = pB / xB
演示
37
xn
xn 1 yn 1 yn
第四节 双组分连续精馏计算
38
物料衡算
F—原料(液)摩尔流量，kmol/h； D—馏出液摩尔流量，kmol/h； W—釜残液摩尔流量，kmol/h； 总物料衡算 易挥发组分的物料衡算
D xD F xF
F D W
D F ( xF xW ) xD xW
xn 1
n 1
yn xn yn 1
n
n 1
T-x(y) 图
t 假设蒸汽和液体充分接触，并在离 n 1 开第 n 层板时达到相平衡，则 yn 与 xn t n t n 1 平衡，且yn>yn+1，xn<xn-1。
这说明塔板主要起到了传质作用， 使蒸汽中易挥发组分的浓度增加， 同时也使液体中易挥发组分的浓度 减少。
t5 t4 t3 t2 t1
E D
C
B A
x（y）
温度-组成图（ t-x-y 图）
12
上述的两条曲线将tx-y图分成三个区域。
液相线以下的区域 代表未沸腾的液体, 称为液相区 气相线上方的区域 代表过热蒸气,称为 过热蒸气区； 二曲线包围的区域 表示气液同时存在, 称为气液共存区。

平衡分离过程（举例） 借助分离媒介（热能、溶剂、吸附剂）使均 相混合物系统变为两相体系，再以各组分在 平衡两相分配关系的差异为依据而实现分离。 属于相际传质过程。
速率分离过程（举例）
借助某种推动力（温度差、压力差、电位差） 的作用，利用各组分扩散速率的差异来实现混 合物分离的单元操作过程。物料和产品属同一 相态，仅有组成差别。
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 费克(Fick)定律 混合物的总体流动
J A D AB dc A dz
等分子反方向扩散（无总体流动）
一组分通过另一停滞组分的扩散（有总体流动）
NA
D
AB 总
p

RTzp BM
( p A1 p A2 )
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 双膜模型
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。 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。

xn1
xn
En yn
多级错流萃取流程示意图
多级错流萃取的总溶剂用量为各级溶剂用量 之和，当各级溶剂用量相等时，达到一定的分离 程度所需的总溶剂用量最少。
二、多级错流萃取的计算
1. B与 S部分互溶物系 已知： 原料量 F
原料组成 xF
各级萃取剂用量 Si
规定：最终萃余相组成 xn
计算： 萃取级数 n
Y1 YS
B S
(
X
1
X
F
)
二、多级错流萃取的计算
第 n 级作溶质 A的质量衡算
Yn
YS
B S (Xn
X n1 )
操作线方程Байду номын сангаас
斜率 过点
直角坐标图图解法
B S
( X n1,YS )
Y1
Y2 Y3
YS
N
M
斜率 –B/S
L
X3 X2
X1
XF
X n计算 ≤ X n规定
n=3
多级错流萃取直角坐标图图解计算
三角形相图图解法
F
xF
R1
R2
M1 M2
E1 E2
E3
多级错流萃 取三角形相 图图解计算
R3
M3
x x n计算 ≤ n规定
S1 S2 S3
n=3
二、多级错流萃取的计算
2. B与 S不互溶物系 (1) 直角坐标图解法
设 S S1 S2 • • • Sn 第 1 级作溶质 A的质量衡算
BX F SYS BX1 SY1 整理得
二、多级错流萃取的计算
(2) 解析法
设平衡关系为 Y KX
第一级的相平衡关系为
Y1 KX1

3. 单向扩散传质速率方程
Dc dc A NA = − c − c A dz
在气相扩散
pA cA = RT
c = p
——微分式 微分式
RT
dp A Dp NA = − RT ( p − pA ) dz
∫
z
0
Dp dpA N A dz = ∫ − pA1 RT ( p - pA )
pA2
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第七章 传质过程导论
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第七章 传质过程导论
目的： 了解传质的重要性； 目的：1、了解传质的重要性； 2、掌握相组成的多种表示方法； 掌握相组成的多种表示方法； 3、掌握扩散原理； 掌握扩散原理； 4、掌握三种传递之类比； 掌握三种传递之类比； 5、了解传质设备。 了解传质设备。 重点：扩散原理（分子扩散，稳定、不稳定扩散， 重点：扩散原理（分子扩散，稳定、不稳定扩散，等摩 尔相互扩散，单向扩散，涡流扩散，对流扩散） 尔相互扩散，单向扩散，涡流扩散，对流扩散） 的理解，掌握相互间之差别。 的理解，掌握相互间之差别。 难点：相组成的表示；扩散原理。 难点：相组成的表示；扩散原理。
（1）因分子本身扩散引起的宏观流动。 ）因分子本身扩散引起的宏观流动。 在总体流动中方向相同， （2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于 ） 、 在总体流动中方向相同 cB 摩尔分数。 摩尔分数。 N = N c A N MB = N M MA M c c
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第二节 相组成的表示方法
6.1.2.相组成表示法
1．质量分率与摩尔分率 质量分率：在混合物中某组分的质量占 混合物总质量的分率。
wA
=
mA m
摩尔分率：在混合物中某组分的摩尔数
占混合物总摩尔数的分率。
气相： 液相：
yA
=
nA n
xA
=
nA n
yA + yB + ⋅⋅⋅yN = 1
xA + xB + ⋅⋅⋅xN = 1
期中考试及试卷分析 第九章 蒸馏
第十章 简单的介绍干燥
课程实习 停课进行课程设计 期末复习
第七章 传质与分离过程概论
重点：传质分离方法的选择 相组成的表示方法 相之间对流传质模型 各种传质机理和传质方式的理解 传质设备的基本类型和性能要求
难点：双膜理论 溶质渗透理论 表面更新理论
第一节 概述
• 7.1.1 传质分离方法
依据分离原理不同，传质分为两种
平衡分离
速率分离
平衡分离过程系借助分离 媒介（如热能、溶剂、吸 附剂等）使均相混合物系 统变为两相体系，再以混 合物中各组分在处于平衡 的两相中分配关系的差异 为依据而实现分离。根据 两相状态的不同，平衡分 离过程可分为如下几类：
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、电位差等的作用，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。
平衡分离
（1）气液传质过程 （2）液液传质过程 （3）液固传质过程 （4）气固传质过程
在平衡分离过程中， 组分在两相中的组成关系常用分配 系数（又称相平衡比）来表示，即