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《化工传质》课程读书报告

化工传质领域的最新研究进展

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目录

1.化工传质分离过程概述·································1 2.化工传质领域的最新研究进展···························1 2.1 中空纤维透析膜的传质研究与模型分析···············1 2.1.1传质模型的建立 2.1.2结论

2.1.3中空纤维透析膜的发展预期与研究展望

2.2超声场作用下的强化传质研究进展····················3 2.2.1 超声强化传质机理 2.2.2超声强化膜分离传质过程 2.2.3超声强化生化传质与分离过程

2.3电磁场作用下的强化传质研究进展····················4 2.3.1电场强化传质 2.3.2磁场强化传质 2.3.3电磁场强化传质

2.4微尺度下液-液流动与传质特性的研究进展··············5 2.4.1液-液互溶两相流体传质 2.4.2液-液互不相溶两相流体传质

2.5微孔扩散器在气液传质过程中的研究进展···············7 3.总结···················································7 参考文献················································8

1 化工传质分离过程概述

传质分离过程是一类以质量传递为主要理论基础、用于各种均相混合物分离的单元操作。按物理化学原理，工业传质分离过程可以分为平衡分离和速率分离两大类[1]。

（1）平衡分离过程 平衡分离过程系借助分离媒介（如热能、溶剂和吸附剂），使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。根据两相的状态的不同，平衡分离过程可分为如下几类：①气液传质过程，如吸收（或脱吸）、气体的增湿和减湿；②汽液传质过程，如液体的蒸馏和精馏；③液液传质过程，如萃取；④液固传质过程，如结晶（或溶解）、浸取、吸附（脱附）、离子交换、色层分离、参数泵分离等；⑤气固传质过程，如固体干燥、吸附（脱附）等。

（2）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，仅有组成上的差别。速率分离过程可分为两大类：①膜分离。利用选择性透过膜分割组成不同的两股流体，如超过滤、反渗透、渗析和电渗析等。②场分离。如电泳、热扩散、高梯度磁力分离等。

膜分离与场分离的区别是：前者用膜分隔两股流体，后者则是不分流的。不同类型的速率分离过程，分别应用不同的设备，并采用不同的方法进行设计计算和操作控制。

传质分离过程的能量消耗，常构成单位产品能耗的主要部分，因此降低传质分离过程的能耗，受到全球性普遍重视。膜分离和场分离是一类新型的分离操作，由于其具有节约能耗、不破坏物料、不污染产品和环境等突出优点，在稀溶液、生化产品及其他热敏性物料分离方面，有着广阔的应用前景。研究和开发新的分离方法和传质设备，优化传统传质分离设备的设计和操作，不同分离方法的集成化，化学反应和分离过程的有机偶合，都是值得重视的发展方向。

2 化工传质领域的最新研究进展

2.1 中空纤维透析膜的传质研究与模型分析[2]

2.1.1 传质模型的建立 血液透析是急慢性肾功能衰竭患者的重要肾脏替代治疗方式。现有市售的血液透析膜对透析中的溶质都有较好的渗透性, 然而关于透析过程中溶质传递方面的研究却很少。胡相华等人根据质量守恒定律和双膜理论建立了一个中空纤维透析膜传质模型，使用中小分子代表物质对市面上常见的三种透析膜材料（三醋酸纤维膜、聚醚砜膜、聚砜膜）透析器进行测试，并使用该传质模型计算总传质系数和纤维膜的扩散系数，分析纤维膜传质性能与纤维膜材料/ 结构特性之间的相互关系，为中空纤维膜制备过程中的材料选择、结构优化设计等提出了参考性建议。

透析过程中血液与透析液中物质交换的主要原理是弥散和对流。在一定温度下，溶质与溶剂有特定扩散系数，即使溶质在不均匀的两相间被半透膜相隔，溶质也能通过半透膜，从高浓度溶液向低浓度方向运动。中空纤维膜两侧的液体流动情况如图1 所示。

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图1 透析过程中的液体流向示意图

当溶质由血液侧通过透析膜向透析液侧传递时，溶质扩散过程受到的总传质阻力为血液侧的阻力、膜阻力和透析液侧的阻力三部分阻力之和，相应的也可理解为，总传质系数受到溶质的膜传质系数、血液侧传质系数、透析液侧传质系数三方面因素影响，即：

1111 ???K总hmhBhD其中K总—总传质系数；hm—溶质的膜传质系数；hB—溶质的血液侧传质系数；hD—溶质的透析液侧传质系数。

结合费克定律和舍伍德方程,最后求得传质过程方程式为:

M = K总·A·ΔClg

其中： M—传质质量流率，kg/s ；A—膜面积，m2 ；ΔClg—溶质的传质推动力，kg/m3。

设Cb1和 Cb2分别为纤维膜血液通道进出口处溶质浓度，Cd2和Cd1分别为纤维膜外侧透析液通道进出口处溶质浓度（参见图1），则传质推动力ΔClg可通过纤维膜进出口的溶质对数平均浓度计算。质量流率又可通过通道的进出口溶质浓度和体积流率V计算：

M = (Cb1 –Cb2)Vb= (Cd1 –Cd2)Vd

2.1.2 结论 根据质量守恒定律和双膜理论建立了一种中空纤维透析膜的传质模型，并通过实验测试计算得到三种不同材质纤维膜的膜扩散系数Dm和传质过程的总传质系数K总。通过模型分析和实验测试结果可得如下结论：

（1）对于小分子代表物质和中分子代表物质表现出统一的规律：聚醚砜膜的膜扩散系数最高，与聚砜膜的扩散系数比较接近，而三醋酸纤维膜则相对较低。这说明排除膜面积、纤维管径、纤维厚度、孔隙率等纤维膜物理几何参数的差别影响因素，就膜本身的材料特性而言，聚醚砜膜和聚砜膜代表的聚合物膜的总体传质表现优于醋酸纤维素膜。

（2）由传质模型可分析得出，当其他条件（溶质的血液侧阻力、透析液侧阻力）保持不变时，中空纤维膜的传质阻力与膜的厚度呈正比例关系。由此可以推知，制备中空纤维透析膜时，在膜材料相同的前提下，尽量减小空心纤维膜的厚度，将有利于溶质的传递，从而

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有利于提高透析效率和缩短透析时间。

（3）在比较三醋酸纤维素膜、聚醚砜膜和聚砜膜的总传质系数时，对于分子量较大的物质，在考虑膜壁厚产生的阻力的同时，不能忽略膜孔径大小产生的阻力影响，最终的溶质总传质系数是膜孔径产生的阻力与膜壁厚产生的阻力两方面共同作用的影响结果。 2.1.3 中空纤维透析膜的发展预期与研究展望 由实验结果可以看出，纤维膜的厚度是纤维膜对溶质的总传质系数K总的重要影响因素，未来可考虑分析研究如何调整成膜制备液的成分以及成膜条件，以获得最优化的纤维膜厚度，提高透析膜的透析治疗效果。同时可以预见，从溶质传递的角度看，未来聚合膜比纤维素类膜具有更广阔的发展空间。此外，中空纤维膜的生物相容性是评价膜优劣性的重要指标，由于条件所限，本文中未对所使用的三醋酸纤维膜、聚醚砜膜和聚砜膜进行生物相容性实验。未来可考虑对不同的纤维膜材料的生物相容性进行评价，完善和补充对纤维膜材料的综合评价。 2.2 超声场作用下的强化传质研究进展

2.2.1 超声强化传质机理 当超声波在液体中传播时，超声波与液体之间的相互作用主要依靠其空化现象。所谓超声空化现象，是指液体中微小空化泡（真空泡或含气体和蒸汽的气泡）在声波作用下的振荡、生长、收缩直至崩溃的一系列过程。空化泡崩溃时，形如一个局部过热点，在极短时间内（＜10μs），在泡内产生5000K 的高温和50MPa的高压，并伴生强烈的冲击波和速度达110m/s 左右的微射流。超声波的这种空化作用给媒介带来巨大的机械效应、热效应、光效应和活化效应。空化现象的机械效应、热效应、光效应和活化效应对化工传质过程的作用称之为化工传质效应。

气-液非均相体系中，气、液界面处空化崩溃的湍动效应、微扰效应以及冲击波作用一方面使滞流底层减薄，另一方面使滞流底层发生局部湍动，改变了此层内基本无涡流扩散只靠分子扩散的状况。结果是阻力减小，加速相际间的传质速率，减小传质单元高度，从而节省设备投资，或提高单位体积设备的生产能力。

在液-液非均相体系中，如萃取、乳化等并不像气-液体系一样具有稳定的相界面，传质主要是依靠漩涡扩散和分子扩散，并有赖于相界面不断地快速更新。超声空化气泡的振荡及其体积大小呈周期性的变化，可在相界面处起到混合和乳化的作用，尤其是在液-液面处空化核的崩溃闭合产生的湍动效应和微扰效应对混合与乳化起的作用更为显著，过程的运动得到强化，并且超声场的介入有时可改变原有的相界面平衡关系，提高过程的收率。

对于固液分散系统，传统的方式是通过搅拌使固体粒子悬浮起来，通过提高搅拌速度来增大颗粒传质系数，但是，一旦颗粒完全悬浮后，其强化效果不再明显。在超声辐照下空化现象的湍动效应使颗粒振荡和高速碰撞，微射流和冲击波对边界层和颗粒表面的清洗可形成表面蚀斑和边界层空洞，颗粒边界层减薄，同时边界层内的扩散得以强化，整个传质过程的速度增加，另外表面侵蚀、破碎等作用以及活化和聚能效应可加速界面上的化学反应，也使物质分子与颗粒固体分子间的结合键（如氢键）断裂。总之，超声波对由化学反应控制的过程有加速反应的能力，对由传递控制的过程有加速物质传递的能力[3]。

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2.2.2 超声强化膜分离传质过程 膜分离技术有原理简单、不污染分离物、后处理简便等优点，自七十年代以来发展极为迅速。但是，为了更加高效、节能，人们致力于研究物质透过膜的效率，希望在不改变膜性质的前提下，提高期盼透过物质的量。

在超声空化作用下，溶液介质产生微小空泡和气泡，这些小气泡在声场作用下发生振荡、扩大收缩，以至发生内爆。由于液体较耐压(分子间距难以再缩小)，而抗张程度则较差—范德华力小于超声作用力。空化作有常伴随发生强大的冲击波，或在固体界面外产生微射流，它可引起液体内的宏观湍动和固体颗粒的高速冲撞，使边界层减薄，增大传质效率，而微扰作用可能使膜层中的微孔扩散得以强化，微射流对固体表面还有剥离作用和凹蚀效果，更新活性表面，便可增加传质的有效面积。

超声作用主在提高那些在一般情况下能在体系透过物质的透过效率，对于针对水透过的逆渗透来说，则可以明显提高逆渗秀的透水率；对于整个溶液的透析过程，超声波则进一步提高时间效率；而对于某种物质，如果一般情况下为部分透过，显示出溶质透过效率在超声波作用下高于溶剂的提高效率，即溶质的提高更为显著。还与膜性质、被分离物质以及外加条件有关。影响膜逆渗透的内外因素还很多，超声在膜渗透上作用的其他方面，如: 超声场的频率变化，超声强度，膜种类的差异等，都有待进一步研究[4]。

2.2.3 超声强化生化传质与分离过程 超声波在生化传质与分离技术中的应用主要有以下几方面：（1）天然成分提取。提取天然有效成分的过程是将其从组织细胞中释放出来，空化作用产生的极大压力造成生物细胞壁及整个生物体破裂，而且整个破碎过程在瞬间完成，同时超声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散及溶解。被浸提的物质在被破碎瞬间生物活性保持不变，同时提高破碎速度和提取率。研究结果表明，超声波对百香果果核中植物油的提取起到强化作用，而且不改变产品的品质。超声作用还可激活某些酶与细胞参与的生理化学过程，通过改变反应物的质量传输机制，提高酶的活性，加速细胞新陈代谢过程。超声提取的优点表现在缩短提取时间、降低提取温度、减少提取物杂质含量。超声细胞破碎提取技术早已在生化实验室中广泛使用。（2）固-液萃取。超声强化固-液萃取应用于从中药中提取生产水杨酸、氯化黄连素、岩白菜宁等药物成分。（3）液-液萃取。超声波的空化作用所引起的界面效应增加了两相间的接触面积，而空化崩溃时冲击波引起的湍动效应消除了两相交界的阻滞，从而增加了液-液萃取速率[5]。超声空化作用可以提高物质在两液相间的传质，从而加速物质在两相中的分配，提高萃取率，缩短萃取时间，还可减少萃取剂用量从而简化萃取过程。研究结果表明，超声辅助液液萃取具有操作简便、快速、节能、萃取效率高、重现性好等特点。

2.3 电磁场作用下的强化传质研究进展[6]

目前研究表明，利用电磁场进行强化传质具有易控、省时、高效等特点，因此外场作用下强化传质的研究引起了许多实验与理论研究者的兴趣。目前国内外对外场作用下强化传质机理的研究还不够成熟，处于实验摸索阶段。若在外场作用下的强化传质机理研究能取得突破性的进展，即把握外场强化传质的规律，则对特定的物质就可以根据所得结论选择合适强

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度的外场进行强化传质，达到提高效率、节省能耗的目的。因此对外场强化传质机理的研究有利于基础理论的深入并为实验与生产提供指导。本文作者对电磁场作用下强化传质的一些研究进展作了比较详细地叙述，对实验与理论成果进行了总结。

2.3.1 电场强化传质 在实验中，可以利用不同形式的电场实现质量传递的强化，如交变电场、脉冲电场、静电场和非均匀电场。不同电场的作用可能会在传质效率、能耗等方面产生差异。对悬浮于电介质液体中的电介质气泡或液滴施加一个均匀稳定的电场时，就会在界面聚积电荷，电场与这些电荷的相互作用形成的切应力产生一个环流，这一环流会使气泡与周围液体之间的传热传质得到强化。

我国学者研究了静电场对液-液体系相间传质动力学特性的影响。研究表明，无表面活性剂时，不同方向的静电场均显著加速传质过程，正向静电场增幅达到114％，外加静电场是通过相界面微乳液的双电层结构影响相界面传质过程的。不同方向的电场对传质的影响不同，说明了电场与带电粒子之间相互作用力的不同，所以静电场下的强化传质过程具有一定的方向性[7]。研究表明，交变电场、脉冲电场和静电场都能使体系的传质得到强化，虽然它们的强化传质效果存在差异，具体的传质机理也不完全相同，但本质上都是通过电场与带电物质的相互作用产生的力来实现强化传质的。

2.3.2 磁场强化传质 和电场强化传质一样，磁场也能够在传质方面起到很好的强化作用。目前主要有磁性流化床质量传递、电极电解过程、磁性颗粒的传质等方面的报道。实验表明，磁场强度、频率和方向等因素都会影响质量传递的效果。在磁场强化传质过程中，磁场强度和频率是影响传质效果的重要因素，但它们对传质影响的具体规律还不是十分清楚，这方面仍然需要从分子动力学层次上进行深入地研究。

2.3.3 电磁场强化传质 目前关于电磁场强化传质的研究主要集中在微波方面，如微波辅助萃取技术。微波辅助萃取技术是20世纪90年代兴起的一种具有广泛应用前景的提取技术，它也是目前外场强化传质研究的热点之一。应用微波进行强化传质的实验与理论研究报道较多，也较全面。

以上3种强化传质方式都能使一些传质过程得到强化，但它们还存在许多不同之处，比如在传质对象和传质机理等方面是有区别的。在传质的对象方面：电场强化传质主要是针对那些带有一定电荷的物质，磁场强化传质则主要针对那些磁性颗粒，而电磁场强化传质对带电物质和磁性物质都能进行强化，对一些极性分子的扩散也有很好的强化作用。所以电磁场强化传质的应用更加广泛，这也是电磁场强化传质的优点之一。在传质的机理方面：电场强化传质一般是由于电场梯度的出现，对物质产生了力的作用，增大了质量扩散通量；磁场强化传质可能的机理是磁场对磁性颗粒产生了一个转矩，从而导致颗粒的大量运动，增强了磁性颗粒的扩散；电磁场强化传质是由于电磁场与物质的相互作用，改变了物质的活性，降低了传质过程的活化能，使分子的迁移更容易进行。 2.4 微尺度下液-液流动与传质特性的研究进展[8]

微化学工程是现代化学工程学科的前沿，主要研究微时空尺度下流体流动、传热、传质

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现象与反应规律。与大尺度通道内的液-液两相流体流动过程相比，微尺度下的两相流体界面张力、液-固表面张力、黏性力等表面力成为控制因素，致使其流动复杂性增加，对流动、传质过程现象和机理的研究仍有待深入和发展。

2.4.1 液-液互溶两相流体传质 化学工业中一个至关重要的过程就是液-液互溶两相流体的混合-反应耦合问题,尤其涉及瞬时或快速复杂反应过程,其目的产物选择性、产品质量和反应体系的稳定性与反应流体间的混合均匀程度密切相关,即混合效果决定了产物的最终分布。混合的本质是通过某些方式使两种或多种流体微团间距离缩短和增加其接触概率的过程,即两流体接触面积增加的过程,且混合过程中流体微团尺度与反应器/混合器的特征尺度紧密相关。与传统反应器相比,在特征尺度为数十至数百微米量级的微通道反应器内,流体微团特征尺度可减小2～3个量级,可认为与湍流混合过程中的Kolmogoroff尺度处于同一量级或更小,此时流体微团的介观变形和分子扩散成为影响混合效果的主要因素。同时,空间尺度的限域效应使流体混合过程极为复杂,对该过程的全面解析和定量描述将为微混合器/微反应器的结构优化设计与操作提供理论与工程指导。

微化工系统的内部通道尺寸通常在几十微米到数百微米,一般情况下Re较小,处于层流状态,黏性力的影响占主导地位,难以利用湍流方式强化流体间的混合,因此分子扩散成为影响混合效果的重要因素。若通过减小通道尺寸减小扩散路径,则会为操作过程和加工带来极大困难。实际上,混合的终极目标是在最短时间内、以能耗最少的流动方式使两股流体产生最大的比相界面积,为此需要采取一定的措施,如使流体界面发生拉伸、折叠,以减小扩散距离和混合时间,进而达到强化混合、传质的目的。

2.4.2 液-液互不相溶两相流体传质 当分散相液滴尺寸大于通道特征尺寸时,在分散相液滴与连续相液膜或通道壁面的剪切作用下,液滴内部产生内循环流动,使液滴边界层厚度和扩散距离减小,同时增加了表面更新速度和比相界面积,最终导致传质过程的强化。当分散相液滴尺寸小于通道特征尺寸时,液滴在微通道内的流动基本不受通道尺寸的影响,属于非受限空间内的流动问题,与上面论述的受限空间内流动过程中的液滴相比,此时分散相液滴体积较小,而比相界面积则较大,故这种内循环流动对传质的影响更为显著。

有关微尺度下液-液体系传质过程的研究大多局限在定性描述上,缺乏定量研究的实验数据,主要是由于实验过程中分析难度较大。原因在于：微通道内液-液两相的持液量较少,难于在短时间内获得分析所需样品量；两相流体开始接触时流动状况较为复杂,造成对此处传质过程的分析难度加大；取样时间远大于料液在微通道内的停留时间,造成端效应较大。

微化工技术作为一个多学科交叉的新兴研究领域,其内涵、原理、目标和研究内容需要不断充实和完善,尚有许多基本的科学问题需要深入研究:①液-液互溶两相流体混合机制与检测技术,如接触原理、界面吸/放热的影响规律、先进的检测技术等；②互不相溶两相流体流动状态形成机制和传质过程,如传质过程中复杂界面的形成与转变过程等；③液-液互不相溶两相流体的原位分离问题,如通道壁面性质的调控、通道构型的优化等；④基于系统体积与压降最小化的约束条件,对适于液相体系的多通道多片组合式微反应器的结构进行优化,为

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以生产为目的的微反应器的结构设计、放大与集成、制造等奠定理论基础；⑤拓展液-液两相体系在萃取、乳化、快速强放热反应、纳米材料和催化剂制备等方面的应用,以推进其工业化进程。微化学工程与技术是21世纪化学工程领域的共性基础与关键攻关技术,其发展将为传统化学工业带来重大影响——增强化工过程安全性,促进过程强化和化工系统小型化,提高能源、资源利用效率,达到节能降耗之目的。 2.5 微孔扩散器在气液传质过程中的研究进展[9]

多年来，科学工作者主要从两方面来强化传质过程：一方面，改变液体状况，如采用超重力技术。此技术使液体在填料层中高分散、高湍动、强混合，填料的有效比表面积大大提高，最终使液相体积传质系数KLA增大。另一方面，改变气体状况，如微孔扩散技术。此技术的核心是微孔扩散器，它将气体扩散成微小气泡，大大增大了气液接触面积，缩短了扩散路径，降低了混合时间，使传质过程得到强化。

相比于同类技术，微孔扩散器展现了独特的优越性，以微孔扩散器为核心的微孔扩散技术具有传质效率高、混合性能好、无传动部件、易于设计、操作和维护简单、方便可靠等优点。最大限度地提高单位体积设备的传质通量、降低投资成本和操作费用，实现低耗高效的工业生产，是当今社会化学工业及其相关产业的一种发展趋势。微孔扩散器作为一种相间传质强化的装置，正好符合这种发展趋势的要求。

然而，微孔扩散器的孔径较小，会导致出现阻力较大、易堵塞等问题。今后，微孔扩散器主要的研究方向可以概括为以下几方面:（1）研究相关措施，减少甚至克服微孔扩散器的缺点，如制备孔径分布更均匀的微孔扩散器，对其进行表面改性，严格控制气体中尘埃粒度等。（2）将微孔扩散技术与搅拌、喷射等其他技术相结合，加强气液两相的湍动程度，强化传质。（3）深入研究微孔扩散过程中气液两相流动特性及气泡传质理论，为实验室研究及工程放大建立理论基础。总之，研究微孔扩散器的最终目的就是使微孔扩散技术在较低的能耗下达到较高的传质效率，扩展应用领域，实现工业化，走可持续发展道路。

3 总结

化工传质原理及化工传质设备在化工、石油、轻工、冶金、食品、医药、环保等工业部门都有很大应用。并且进行过大量的研究，积累了丰富的操作经验和资料。但在进一步深入研究这些过程的机理和传质规律，开发高效的传质设备,研究和掌握它们的放大规律,改进设备的设计计算方法等方面，仍有许多工作要做。传质分离过程的能量消耗,常构成单位产品能耗的主要部分,因此降低传质分离过程的能耗，受到普遍重视。膜分离和场分离是一类新型的分离操作，在处理稀溶液和生化产品的分离、节约能耗、不污染产品等方面，已显示出它们的优越性。研究和开发新的分离方法，各种分离方法联合使用以提高效益，以及利用化学反应来进行分离等都是很值得重视的发展方向。

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References

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