陈桂传质分离基础第4章

4、吸附 当某些固体多孔物质与流体（气体或液体）接 触时，流体中的某一或某些组分能以扩散的方式从 气相或液相进入固相，附着于固体内、外表面上形 成单分子层或多分子层的过程，称为吸附。 被吸附的流体称为吸附质，多空固体物质称为 吸附剂。 物理吸附；化学吸附。 5、干燥 干燥指借热能使物料中水分（或溶剂）汽化， 并由惰性气体带走所生成的蒸汽而得到干燥固体 的操作。
1-2 传质分离操作的种类
分离过程可分为机械分离和传质分离。 机械分离的对象是非均相的混合物料，利用该 混合物中组分间的密度、尺寸等物性差异将其分离。 （过滤、沉降、离心分离等） 传质分离过程是针对各种均相混合物料的分离， 如酒精与水的混合物的分离。
非均相混合物的分离
沉降
过滤 气体吸收
混合物分离操作
均相混合物的分离
液体精馏 液液萃取
混合物因组分的浓度差引起的质 量传递，称为传质。 传质中某组分的浓度梯度产生了 这种组分的驱动力（推动力）。
因为纯组分变成混合物是熵增加的自发过 程，所以将混合物分离需要对体系做功。 实际工程中分离均相混合物采取的手段是： 加入分离介质（能量或溶剂），形成共存的但为 不平衡的两相，让物质在两相间传递。
（3）扩散物质从界面向主体扩散。
组分 以用水来吸收空气与氨气 气 混合气中的氨为例 单相传质 相际传质 相 主 体
界面 组分 液 相 主 体
相际传质示意图
物质在气相或液相内的传递过程，传递机理包括分子扩散和 对流扩散两种形式
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2-1、双组分混合体系中的分子传质过程
扩散：物质在单一相内的传递过程 流体中物质扩散的基本方式：
如果在吸收过程中伴有化学反应的，称为化学吸收。 被吸收的气体从吸收剂中脱除的过程，称为解吸。
3、液液萃取 分离液体混合物的单元操作。 在液体混合物种加入与其不想混溶的选定的溶剂， 形成不平衡的液液两相，利用各组分在两液相中溶 解度不同而分离固定的组分。 含萃取剂的相称为萃取相，含萃取剂较少的相 称萃余相。
传质分离过程：依靠物质从一相到另一相传递过程， 叫传质分离过程。 传质分离过程的依据：依据混合物中各组分在 两相间平衡分配不同。
传质过程可以在单相中进行，也可以 是在两相中进行。 两相间传质是分离过程的基础
1、传质分离过程
1-1 分离与人类的关系 一般的化学工业中，用于分离提纯 的设备投资在产品生产的整个工艺中占 有较大的比例。例如，石油化学工业， 分离单元操作的设备投资占总投资的 50%~90%，而且用于分离的操作费用在 生产成本中也占有相当大的比重。
注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性 常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关 。
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在传质设备中液体的流动主要是湍流，物质传递主 要是涡流扩散，同时也有分子扩散，其传质通量为：
1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分子扩散，
溶质A的浓度梯度较大，pA随l的变化较陡。
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常数
3、扩散系数 如果没有数据可查，可用有关的半经验公式。 1.气体A在气体B中的扩散系数，可用FSG公式：
依下式可以从已知的温度和压力时气体物系的扩散系 数来推算温度为T和压力为P时该物系的扩散系数：
2、对流扩散
(1) 涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部存在浓度梯 度，流体质点便会靠质点的无规则运动，相互碰撞和混合，组 分从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。
气膜层
单方向扩散
单方向传质过程中： 1、分子扩散NA，0：物质的浓度差 2、总体流动NA，M：压强差引起的宏观运动
组分A的传质通量为分子扩散通量和总体流动中组分A 的传质通量之和。
组分B的传质通量为零
组分A的传质通量计算公式中：
根据等物质的量反向定常态扩散有：
积 分:
有
所以
pB,m惰性组分B在相界面和气相 主体间的对数平均分压
在稳态下，传质速率为常数，分离变量，对上式积分得
对于理想气体：
2. 单方向扩散
以气体吸收为例说明： （1）总体流动（NA,M）： 因溶质Ａ扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小 压差，使得混合物向界面处的流动。
（2）总体流动的特点： 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 A,0 DAB
dc A dl
单位面积上单位时间内扩散传递的物质量
由上式可知，在总浓度c不变的情况下，只要流 体中存在组分的浓度梯度，必然会产生分子扩散。
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双组份混合物中气体分子扩散分为等物质的 量反向扩散和单向扩散。
1、等物质量反向稳态扩散 如精馏
A
T
cM
cA1 cB1 B
P
cA2 cB2
到相界面的垂直距离。
p
层流层 过渡层 湍流主体
G Q 相界面
pA
pA,i
O
l' lG
l
由气相主体到界面的扩散相当于通过厚 度为lG的有效膜层的分子扩散。
对液相也有：
仿照传热学中的牛顿冷却定律的形式，可得：
2、两相间的传质模型
相际对流传质三大模型：双膜模型、 溶质渗透模型 、表
面更新模型
双膜模型
得
若用推动力与阻力之比来表示，则上式可改写为：
其中：
讨 论
1）与等物质的量反向扩散的传质通量计算式相比 较，上面的式子多了
漂流因数意义：
漂流因子的影响因素： 浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。
低浓度，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。
所以漂流因子的大小直接反映了总体流动在传质中 所占分量的大小，即漂流因子体现了总体流动对传质速 率的影响.
如苯和甲苯的混合物体系，因为它们彼此的摩尔 气化潜热相近，所以对该混合物进行蒸馏操作时，若 有1mol 的难发挥组分（甲苯）从气相向气、液两相界 面扩散，则必然伴随有近1mol 的易挥发组分（苯）从 相界面向气相主体扩散。
（2）等分子反向扩散传质速率方程 传质速率定义： 任一固定的空间位置上，某组分A在单位时间内通过单位 面积的物质总量，称为A的传质通量，记作NA, kmol/(m2·s) 。 在单纯的等物质的量反向定常态扩散过程中，组分的传质 通量即与分子扩散通量相等：
第四章 传质分离基础
基本要求： 了解传质分离操作的不同种类 掌握传质过程的机理，单相传质速度的计算 掌握相际传质理论双膜理论 4-1 传质分离过程Байду номын сангаас述
4-2 传质过程机理
在含有两个或两个以上组分的混合体系 中，若有浓度梯度存在，某以组分（或某些 组分）将由高浓度区向低浓度区移动，该移 动过程称为传质过程 。
2．双膜模型的基本论点（假设）
（1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存
在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩
散方式通过气膜和液膜。 （2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力。 （3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以 涡流扩散的形式传质。 双膜模型也称为双膜阻力模型
特点： （1）呈湍流流动的两流体接触面的两侧， 分别存在着流体的有效膜层，溶质以稳态分 子扩散方式通过这两个膜层，膜层的厚度随 流体的流动状态而变化； （2）两流体间的传质阻力都集中在两个 膜层内，膜层以外的两相流体主体，不存在 浓度梯度； （3）在两相接触的界面上，两相达到平 衡状态。
6、膜分离 膜分离是以具有选择性分离功能的材料—膜 为分离介质，在膜的两侧存在一定能量差（压力 差、浓度差、电位差）作为动力，各组分透过膜 迁移率不同，从而达到分离的目的。
7、热扩散 热扩散是利用温度梯度引起的物质扩散以分 离气体或液体混合物的一种特别的方法。
第二节 传质过程机理
传质过程： （1）扩散物质由一相主体扩散到两相界面； （2）在界面上的扩散物质从一相进入另一相；
扩散方式 作用物 作用方式 分子扩散 流体分子 热运动 涡流扩散 流体质点 湍动和旋涡
作用对象
静止、滞流
湍流
分子扩散：
在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分 子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处， 这种现象称为分子扩散。 推动力 浓度差 物质传递
费克(Fick)定律
常见的传质分离操作：
1、蒸馏 分离液体混合物的单元操作。 过程：对混合液加热使混合液部分汽化造成不平衡 的气相和液相，利用各组分挥发性的差异，使挥发性 大的组分向气相的净传递，挥发性小的组分向液相的 净传递，将混合液分离。 2、吸收与解吸 分离气体混合物的操作单元。 利用各组分在同一溶剂中的溶解度不同，在混合气 体中加入某种溶剂，使溶解度大的组分向液相转移。
T
P
cM
1
2
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等物质的量反向扩散
传质速率（或传质通量）NA：单位时间通过单位固定 空间传质面积的物质量，kmol/(m2s)；
等分子反向扩散：
任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。
总压一定，各处的总浓度相等
两点说明： 1、对于理想气体：
2、 DAB=DBA
等物质的量反向分子扩散现象多发生在两个组分 的摩尔气化潜热相近的蒸馏操作中。
2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓
度均一化，pA随l的变化近似为水平线。 3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随l的变化逐渐 平缓。 其传质通量为：
（2）有效膜模型
单相对流传质的传质阻力全部集中在一 层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分
子扩散 。
有效膜厚lG由层流内层浓度梯度线延长线 与流体主体浓度线相交于一点G，则厚度lG为G