传质与分离过程概论课件

2019/4/19,1,化工原理 CAI课件,苏州大学材化学部 2012年2月 制作人:王文丰,2019/4/19,2,化工原理教学互动邮箱： szdxwwf163.com 教的互动资料在邮箱中网盘上 登录密码：sdhg2012,2019/4/19,3,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,2019/4/19,4,第七章 传质与分离过程概论,7.1 概述 7.1.1 传质与分离方法 7.1.2 相组成的表示方法 7.2 质量传递的方式与描述 7.2.1 分子传质（扩散） 7.2.2 对流传质 7.2.3 相际间的传质 7.3 传质设备简介 7.3.1 传质设备的分类与性能 要求 7.3.2 典型的传质设备,2019/4/19,5,7.1 概述,7.1.1 传质分离过程,第七章 传质与分离过程概论,2019/4/19,6,原料,反应产物,目的产物,副产物,分离过程,反应过程,一、分离过程在化工中的应用,示例：三氯甲烷的制备。,示例：炼油过程。,原料,目的产物,副产物,分离过程,2019/4/19,7,二、相际传质过程与分离,分离 过程,非均相物系分离,均相物系分离,可通过机械方法分离，易实现分离。,不能通过简单的机械方法分离，需通过某种物理（或化学）过程实现分离，难实现分离。,例 气固分离：沉降,液固分离：过滤,2019/4/19,8,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,2019/4/19,9,空气氨,水,空气,氨水,示例：空气和氨分离,吸 收 塔,二、相际传质过程与分离,2019/4/19,10,三、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。,吸收 （脱吸）,增湿 （减湿）,2019/4/19,11,（2）汽液传质过程,汽液传质过程是指物质在汽、液两相间的转移，该汽相是由液相经过汽化而得，它主要包括蒸馏（或精馏）单元操作过程。,蒸馏 （精馏）,三、传质分离方法,2019/4/19,12,（3）液液传质过程,液液传质过程是指物质在两个不互溶的液相间的转移，它主要包括液体的萃取等单元操作过程 。,萃取,三、传质分离方法,2019/4/19,13,（4）液固传质过程,液固传质过程是指物质在液、固两相间的转移，它主要包括结晶（或溶解）、液体吸附（或脱附）、浸取等单元操作过程。,结晶（溶解）,吸附（脱附）,浸取,三、传质分离方法,2019/4/19,14,（5）气固传质过程,气固传质过程是指物质在气、固两相间的转移，它主要包括气体吸附（或脱附）、固体干燥等单元操作过程。,干燥,吸附 （脱附）,三、传质分离方法,2019/4/19,15,平衡常数（分配系数）,分配因子,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。,xi、yi分别表示组分在两相中的组成,三、传质分离方法,2019/4/19,16,2.速率分离过程,（1）膜分离,膜分离是指在选择性透过膜中，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。,膜分离,超 滤,反渗透,渗 析,点渗析,三、传质分离方法,2019/4/19,17,（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。,场分离,电 泳,热扩散,高梯度磁场分离,三、传质分离方法,2019/4/19,18,三、传质分离方法,磁化精馏实验装置,钕铁硼永磁场,2019/4/19,19,3.分离方法的选择,分离方法选择的原则,三、传质分离方法,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,2019/4/19,20,7.1 概述,7.1.1 传质分离过程,第七章 传质与分离过程概论,7.1.2 相组成的表示方法,2019/4/19,21,一、质量浓度与物质的量浓度,1.质量浓度,质量浓度定义式,混合物的总质量浓度,kg /m3,密度,2019/4/19,22,2.物质的量浓度,混合物的总物质的量浓度,kmol /m3,一、质量浓度与物质的量浓度,物质的量浓度定义式,2019/4/19,23,质量浓度与物质的量浓度的关系,平均摩尔质量,一、质量浓度与物质的量浓度,2019/4/19,24,1.质量分数,质量分数定义式,混合物的总质量分数,二、质量分数与摩尔分数,2019/4/19,25,2.摩尔分数,混合物的总摩尔分数,液相,气相,二、质量分数与摩尔分数,摩尔分数定义式,2019/4/19,26,质量分数与摩尔分数的关系,由质量分数 求摩尔分数,由摩尔分数 求质量分数,二、质量分数与摩尔分数,2019/4/19,27,1.质量比,质量比的定义式,质量比与质量分数的关系,三、质量比与摩尔比,2019/4/19,28,摩尔比的定义式,摩尔比与摩尔分数的关系,液相,气相,三、质量比与摩尔比,2.摩尔比,2019/4/19,29,作 业 题,书上P22 习题1、2,2019/4/19,30,7.1 概述,第七章 传质与分离过程概论,7.2.1 分子传质（扩散）,7.2 质量传递的方式与描述,2019/4/19,31,一、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,2019/4/19,32,描述分子扩散过程的基本定律费克定律。,kmol/(m2· s ),费克定律,DAB 组分A在组分B中的扩散系数，m2/s,一、分子扩散现象与费克定律,2.费克(Fick)定律,及,DBA 组分B在组分A中的扩散系数，m2/s,2019/4/19,33,对于两组分扩散系统,一、分子扩散现象与费克定律,微分得,故此得,2019/4/19,34,3.总体流动现象,示例：用水吸收空气中的氨,一、分子扩散现象与费克定律,设由A、B组成的二元气体混合物，其中 A为溶质，可溶解于液体中，而B不能在液体中溶解。这样，组分A可以通过气液相界面进入液相，而组分 B不能进入液相。由于 A分子不断通过相界面进入液相，在相界面的气相一侧会留下“空穴”。根据流体连续性原则，混合气体会自动地向界面递补，这样就发生了A、B 两种分子并行向相界面递补的运动，这种递补运动就形成了混合物的总体流动。,2019/4/19,35,一、分子扩散现象与费克定律,2019/4/19,36,二、气体中的稳态分子扩散,设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则称为等分子反方向扩散。,1.等分子反方向扩散,气相 相界面 液相,易挥发组分,NA,NB,难挥发组分,蒸馏操作,2019/4/19,37,对于等分子反方向扩散,NA=NB,二、气体中的稳态分子扩散,因此得,N=NA+NB=0,故此得,等分子反方向扩散,2019/4/19,38,(1) z = z1,边界条件,cA = cA1 ( pA = pA1 ）,(2) z = z2,cA = cA2 ( pA = pA2 ）,二、气体中的稳态分子扩散,求解得,2019/4/19,39,当扩散系统处于低压时，气相可按理想气体混合物处理，则,二、气体中的稳态分子扩散,据此得,2019/4/19,40,设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A为扩散组分，组分B为不扩散组分（称为停滞组分），组分A通过停滞组分B进行扩散。,吸收操作,液相 相界面 气相,溶质,NA,NB0,惰性组分B,2.一组分通过另一停滞组分的扩散,二、气体中的稳态分子扩散,2019/4/19,41,对于组分A通过停滞组B的扩散,NB= 0,整理得,二、气体中的稳态分子扩散,N=NA+NB=NA,2019/4/19,42,(1) z = z1,边界条件,cA = cA1 ( pA= pA1 ）,(2) z = z2,c A= cA2 ( pA= pA2 ）,二、气体中的稳态分子扩散,一组分通过另一 停滞组分的扩散,2019/4/19,43,二、气体中的稳态分子扩散,求解可得,或,2019/4/19,44,由于扩散过程中总压不变,二、气体中的稳态分子扩散,2019/4/19,45,令,据此得,组分 B 的对数平均分压,二、气体中的稳态分子扩散,2019/4/19,46,比较,反映了总体流动对传质速率的影响,相差,飘流因数,二、气体中的稳态分子扩散,2019/4/19,47,因为,故,总体流动影响,无总体流动,二、气体中的稳态分子扩散,2019/4/19,48,三、液体中的稳态分子扩散,1.等分子反方向扩散,参照气体中的等分子反方向扩散过程，可写出,组分A在溶剂B中的扩散系数，m2/s,2019/4/19,49,三、液体中的稳态分子扩散,参照气体中的一组分通过另一停滞组分的扩散过程，可写出,2.一组分通过另一停滞组分的扩散,或,2019/4/19,50,三、液体中的稳态分子扩散,其中,停滞组分 B 对数平均物质的量浓度,停滞组分 B 对数平均摩尔分数,2019/4/19,51,四、扩散系数,1.气体中的扩散系数,通常，扩散系数与系统的温度、压力、浓度以及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关，只是温度及压力的函数。气体扩散系数可从有关资料中查得，某些双组分气体混合物的扩散系数列于附录一中。气体中的扩散系数，其值一般在 m2/s 范围内。,2019/4/19,52,四、扩散系数,估算气体扩散系数经验公式,福勒公式, 组分A、B的摩尔质量，kg/kmol；, 组分A、B的分子扩散体积，cm3/mol。,2019/4/19,53,四、扩散系数,简单分子的扩散体积,2019/4/19,54,四、扩散系数,原子的扩散体积,2019/4/19,55,四、扩散系数, 、 下的扩散系数，m2/s；, 、 下的扩散系数，m2/s。,2019/4/19,56,四、扩散系数,2.液体中的扩散系数,液体中溶质的扩散系数不仅与物系的种类、温度有关，而且随溶质的浓度而变。液体中的扩散系数可从有关资料中查得，某些低浓度下的二组元液体混合物的扩散系数列于附录一中。液体中的扩散系数，其值一般在 m2/s 范围内。,2019/4/19,57,四、扩散系数,估算液体扩散系数经验公式,威尔基公式, 溶剂 B 的摩尔质量，kg/kmol；, 溶质在正常沸点下的分子体积，cm3/mol。, 溶剂 B 的黏度，Pa · s；, 溶剂 B 的缔合因子；,2019/4/19,58,四、扩散系数,常见溶剂的缔合因子,2019/4/19,59,四、扩散系数,某些物质在正常沸点下的分子体积,2019/4/19,60,作 业 题,书上P22习题: 3、4、5,2019/4/19,61,7.1 概述,第七章 传质与分离过程概论,7.2.1 分子传质（扩散）,7.2 质量传递的方式与描述,7.2.2 对流传质,2019/4/19,62,1.涡流扩散,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。,涡流扩散在湍流流体中发生,一、涡流扩散现象,在涡流扩散中时刻存在分子扩散,涡流扩散的通量远大于分子扩散的通量,2019/4/19,63,2.涡流扩散通量方程,涡流扩散系数，m2/s,kmol/(m2· s ),一、涡流扩散现象,描述涡流