化工基础教案

第四章 传质分离基础

1. 学习目的与要求

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。 2. 本章重点掌握的内容： （1）传质分离方法 （2）相组成的表示方法 （3）质量传递的方式与描述 （4）典型的传质设备 3. 本章的难点：

分子传质过程中―总体流动‖概念的理解，传质模型的建立和描述。 4. 本章教学时数分配 授课学时数6学时 4.1 概述

4.1.1 传质分离过程

一、分离过程在化工中的应用 二、相际传质过程与分离 分离过程：

1.非均相物系分离

可通过机械方法分离，易实现分离。 2.均相物系分离

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。

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：相际传质过程是均相物系分离的依据。 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。 （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。 （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 。 （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。 （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。 采用平衡分离方法判别的依据：

1

平衡常数（分配系数） Ki?yi/xi分配因子 ?ij?Ki/Kj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。 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。 超滤 反渗透 渗析 电渗析

（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 热扩散

高梯度磁场分离 3.分离方法的选择 分离方法选择的原则： 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

4.1.2 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

NmA ??????A总i?1i V2.物质的量浓度 nA cA?V N c??ci总i?1

质量浓度与物质的量浓度的关系

? 总c? 总M

N

M?i?xM?1i i?

cA?A MA 2

二、质量分数与摩尔分数 1.质量分数 NmA?wi?1 wA?i?1m

2.摩尔分数 nAnAyA? xA?nn

N Nxi?1?y?1?i i?1i?1

质量分数与摩尔分数的关系

xAMAwA/MA wA?NxA?N

?xiM?wi/M iii?1i?1

三、质量比与摩尔比 1.质量比 mAX? Am?mA

质量比与质量分数的关系

wAXA X?wA?A 1?wA1?XA2.摩尔比 nAnAX?YA? An?nAn?nA

摩尔比与摩尔分数的关系

X?xAXAx?AA 1?xA1?XA

4.2 质量传递的方式与描述 4.2.1 分子传质（扩散） 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。

3

图4-1 分子扩散现象

如图4-1所示，用一块隔板将容器分为左右两室，两室中分别充入温度及压力相同，而浓度不同的A、B两种气体。设在左室中，组分A的浓度高于右室，而组分B的浓度低于右室。当隔板抽出后，由于气体分子的无规则热运动，左室中的A、B分子会窜 入右室，同时，右室中的A、B分子亦会窜入左室。左右两室交换的分子数虽相等，但因左室A的浓度高于右室，故在同一时间内A分子进入右室较多而返回左室较少。同理，B 分子进入左室较多返回右室较少，其净结果必然是物质A自左向右传递，而物质B自右向左传递，即两种物质各自沿其浓度降低的方向传递。上述扩散过程将一直进行到整个容器中A、B两种物质的浓度完全均匀为止，此时，通过任一截面物质A、B的净的扩散通量为零，但扩散仍在进行，只是左、右两方向物质的扩散通量相等，系统处于扩散的动态平衡中。 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。 dcAN??D A,0ABdl

DAB —组分A在组分B中的扩散系数，m2/s 3.总体流动现象

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。 二、气体中的稳态分子扩散 1.等分子反方向扩散

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。 对于等分子反方向扩散

DD

NA?AB(pA1?pA2)NA?AB(cA1?cA2)

RTll

在两组分扩散系统中，组分A与组分B的相互扩散系数相等。应予指出，费克定律只适用于由于分子无规则热运动而引起的扩散过程。 2.一组分通过另一停滞组分的扩散

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。

通过气液相界面组分 A的传质通量应等于由于分子扩散所形成的扩散通量与由于总

4

体流动所形成的总体流动通量的和。此时，由于组分B不能通过相界面，当组分B随总体流动运动到相界面后，又以分子扩散形式返回气相主体中，故组分 B的传质通量为零，该过程如图片4-2所示。

图4-2 扩散的同时伴有混合物的总体流动时各传质通量的关系

如上所述，若在扩散的同时伴有混合物的总体流动，则组分A的传质通量为

Dp pB2?pB1AB总NA?(pA1?pA2)pBM?

pB2RTlpBM ln三、液体中的稳态分子扩散 pB11.等分子反方向扩散 `DAB

NA?(cA1?cA2) l2.一组分通过另一停滞组分的扩散

cB2?cB1D?c

cBM? NA?AB总(cA1?cA2)c lcBMlnB2c

B1D?c AB总xB2?xB1N?(x?x) AA1A2xBM?lxBMx

lnB2四、扩散系数

x1.气体中的扩散系数 B1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10-4~10-5m2/s 范围内。 估算气体扩散系数经验公式

1.013?10?5T1.75(1?1)1/2 MAMBD?福勒公式

p[(?vA)1/3?(?vB)1/3]2AB 总由福勒公式可知，气体扩散系数与T1.75成正比、与P总成反比。根据该关系，可得

P总，1T21.75 D?DAB1()() AB2PT总，21

5

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cpat.html