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化工原理幻灯片-7传质

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    • 1、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,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,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,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,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,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,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

      2、(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),(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,(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,(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,(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,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,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

      3、,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,(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,三、传质分离方法,磁化精馏实验装置,钕铁硼永磁场,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,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,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,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,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,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,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,质量分数与摩尔分数的关系,由

      4、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,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,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,练 习 题 目,思考题,作业题: 1、2,1.传质分离过程有哪些类型? 2.何为相平衡常数和分离因子? 3.选择分离方法应主要考虑哪些因素? 4.相组成有哪些表示方法,引出质量比和摩尔比有 何意义?,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,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,描述分子扩散过程的基本定律费克第一定律。,kmol/(m2 s ),费克第 一定律,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,对于两组分扩散系统,一、分子扩散现

      5、象与费克定律,微分得,故此得,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。,一、分子扩散现象与费克定律,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,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,(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

      6、得,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,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,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,(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,二、气体中的稳态分子扩散,求解可得,或,由于扩散过程中总压不变,二、气体中的稳态分子扩散,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,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,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,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

      7、散过程,可写出,组分A在溶剂B中的扩散系数,m2/s,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,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,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。,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。,四、扩散系数,简单分子的扩散体积,四、扩散系数,原子的扩散体积,四、扩散系数, 、 下的扩散系数,m2/s;, 、 下的扩散系数,m2/s。,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

      8、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。,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;,四、扩散系数,常见溶剂的缔合因子,四、扩散系数,某些物质在正常沸点下的分子体积,练 习 题 目,思考题,作业题: 3、4、5,1.求解分子传质问题的基本方法是什么? 2.“漂流因子”与总体流动有何关系? 3.气体扩散系数与哪些因素有关? 4.如何获得气体扩散系数与液体扩散系数?,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,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,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,描述涡流扩散通量的方程为,涡流

      9、扩散通量,1.对流传质的类型,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。,二、对流传质,对流 传质,自然对流传质,强制层流传质,强制湍流传质,强制对流传质,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。,层流内层,缓冲层,湍流中心,湍流流体,流体与管壁间的浓度分布,二、对流传质,湍流 主体,层流 内层,缓冲 层,传质机理:分子传质,传质机理:涡流传质为主,浓度分布:为一陡峭直线,传质机理,浓度分布:为一渐缓曲线,浓度分布:为一平坦曲线,分子传质,涡流传质,在与壁面垂直的方向上分为三层,二、对流传质,2.对流传质速率方程,描述对流传质的基本方程对流传质速率方程。,对流传质系数,kmol/(m2sc),kmol/(m2 s ),二、对流传质,对流传质 速率方程,对流传质通量,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,7.2.3 相际间的传质,一、相际间的对流传质过程,设组分 A从气相传递到液相(如吸收),该过程由以下3步串联而成:, 组分A从气相主体扩散到相界面;, 在相界面上组分A由气相转入液相;, 组分A由相界面扩散到液相主体。,一般来说,相界面上组分A从气相转入液相的过程很快,相界面传质阻力可以忽略。因此,相际间传质的阻力主要集中在气相和液相中。若其中一相传质阻力较另一相大得多,则另一相传质阻力可以忽略,此种传质过程即称之为“该相控制”。,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。,停滞膜模型 (双阻力模型),双膜模型示意图,播放动画32:双膜模型,停滞膜模型的要点, 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

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