化学工程基础第4章传质分离基础分析

推动力 浓度差物质传递 扩散快慢？
费克定律
表示扩散方向与浓度梯度方向相反
J A,z
DAB
dcA dz
A 在 B 中的扩散系数 m2/s
扩散通量，kmol/m2s
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。
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3、分子扩散系数
分子扩散系数D表示物质单位浓度梯度下、通过 单位面积上的扩散速率，是物质的传递性质。
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由于
p pA1 pB1 pA2 pB2
pA1 pA2 pB2 pB1
NA
pD RTz
( pA1 pB2
pA2 pB1
) ln
pB2 pB1
D
p
RTz
pB2
pB1
( pA1
pA2 )
ln pB2
令
pBm
pB2 pB1 ln pB2
pB1
,
B组分在界面与主体间的对数平均分压
以分离气体或液体混合物的一种特别的方法。
2、传质过程分析
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一、双组份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：
扩散方式 作用物
作用方式 作用对象
分子扩散 流体分子 热运动 静止、滞流
涡流扩散 流体质点 湍动和旋涡
湍流
➢ 分子扩散：物质依靠分子运动从浓度高的地 方转移到浓度低的地方。
第四章 传质分离基础
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 。
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。
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。
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
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，如酒精与水德混合物的分离。
沉降
混合物分离操作
非均相混合物的分离
过滤 气体吸收
均相混合物的分离
D RT
dpA dz
积分：
D NA RTz (pA1 pA2 )
组分B 若为液相
D
NB
JB
RTz
pB1 pB2
D
N A z cA1 cA2
D NB z cB1 cB2
分压pA、 pB 沿扩散路径z的变化为直线函数
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（二）一组分通过另一停滞组分的扩散（单向扩散）
如吸收：
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。
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。
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，
4. 总体流动与B的扩散运动方向相反
NB=JB+Nb(cB/c) =0 B为停滞组分。
Nb
c cB
JB
c cB
JA
NA
JA
cA cB
JA
1
pA pB
来自百度文库
JA
pA pB pB
JA
-
p
p - pA
D RT
dpA dz
积分得： NA
pD RTz
ln p pA2 p pA1
pD ln pB2 RTz pB1
pB1
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NA
Dp ln pB2 RTZ pB1
D RTZ
p pBm
(p A1
pA2 )
NAL
D z
L
c csm
cA1
cA2
与等摩尔相互扩散相比多了一个因子p/pBm——漂流因数。 漂流因数反映总体流动对传质速率的影响。
p/pBm>1 传质速率较大。 若pA p/pBm；反之pA p/pBm≈1
溶质A
相界面
溶剂S
同时S不逆向通过（汽化）
对于截面F-F’：
扩散通量J A 传质通量
总体流动造成的传质通量 N A,b (bulk flow)
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1. 总体流动
Nb
Nb(cA/c) Nb(cB/c)
2. A、B做等分子反方向扩散的传递运动
即 JA= - JB
3. 总体流动加快了A的传递速度 NA=JA+Nb(cA/c)
含萃取剂的相称为萃取相，含萃 取剂较少的相称萃余相。
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。
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。
1、等物质量反向稳态扩散 如精馏
JA = - JB
又
JA
DAB RT
dpA dz
JB
DBA RT
dpB dz
对A、B二元物系，
P=pA+pB=Const.
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DAB=DBA =D 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)；
NA
JA
D
dcA dz