第四章 传质分离基础..
第4章传质基础副本
在气相中，用分压表示组分的含量
Dp N A RTl G pB,m ( p A p A,i )
在液相中，用摩尔浓度表示组分的 含量
NA
D lL
cM cB,m
(c A,i
cA)
lG，lL虽为虚构膜层厚度，但也有其物理意义。流体的湍 动越强烈，层流越薄，膜层厚度越小，传质阻力小，传
质通量大。
习题
三、传质的速度与通量
相界面
气相（A＋B） 液相 S
N A,0
主体 N A, m 流动 N B, m
NA NB 0
N B,0
示例：用水吸收空气中的氨
物料系统内的分子扩散是由物 质浓度（或分压）差引起的分 子微观运动；总体流动是因系 统内流体主体与相界面处存在 总压差引起的流体流动的宏观 运行，其起因还是分子扩散。 总体流动是一种分子扩散的伴 生现象。在总体流动的流体中 组分A和组分B的量与各自在混 合气体中的分压成正比。
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：
估算在20℃和1.013×10-5Pa下CO2在空气中的扩散系数。 解：设A组分为CO2，B组分为空气
ΣVA = 26.9×10-6m3.Mol-1 ΣVB =20.1×10-6m3.Mol-1 Mr，A=44 Mr，B=29 T=273+20=293K
相界面 pi
水 液相主体
液相（乙醇-水）
传质方向 Ci
CL
蒸馏
空气+氨气 吸收
§ 2 传质过程机理 --------物质从一相主体通过相界面向另一相
主体的扩散
分离
均 相 非 均
混 相
合物 混合物
加 入 另 外 一 种 物 质 作 为分 离 剂 方 法加 入 能 量
化学工程基础第4章 传质分离基础
Dp NA (pAG pA i ) RTδ G pBm
NA kG ( pAG pAi )
Dp kG RT G pBm
24
k G——以分压差表示推动力的气相传质分系数 （给质系数）， kmol/（m2· s· kPa）。
N A =传质系数×吸收的推动力
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。
N A k x ( xi x)
k x ckL
kL——以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相
给质系数，kmol/（m2· s· kmol/m3）；
k x——以液相组成摩尔分率表示推动力的液相
给质系数，kmol/（m2· s）；
给质系数=f (雷诺数、流体物性、界面状况）
26
2、两相间的传质模型
若推动力以气相摩尔分率表示：
N A k y ( y yi )
k y——以气相摩尔分率表示推动力的气相给质系数，
kmol/（m2· s）；
∵
pAG py
pAi pyi
k y pkG
25
（2）液相对流传质速率方程
NA kL ( cAi cAL )
DL c kL L cSm
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。
化学工程基础：第四章 传质过程
NA
pA,1 pA,2 RTZp Bm
推动力 阻力
Dp
单方向扩散的传质速率与溶质的分压差成正比，与 温度、扩散距离和惰性组分的对数平均分压成反比
若用组分浓度代替分压
Dc
NA
Z
cBm
(c A1
cA2)
cBm
cB,2 ln
cB,1 cB,2
cB.1
▪一般说来，液相中的扩散速度远远小于气相中的扩散 速度。
2.单向扩散及速率方程
单方向扩散：A.B双组 分气体混合物，如果 组分A溶解于液相，而 组分B不溶，那么吸收 过程是组分A的单方向 扩散
图4
界面 图5
总体流动：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，促使混合气体向界面流动,流动通量表示为 NM
对于组分B:在整体流动时，使相界 面上组分B的浓度增加，导致组分B 从相界面向流体主体作反方向扩散
因引起质量的传递
联通管中的传质速率就等于
分子扩散通量，根据费克定律
N A,0
DAB
dcA dz
N B,0
DBA
dcB dz
定常态扩散条件下，双组分混合物系各处总浓度相等，即
cM cA cB const
若分子扩散发生在两组分气相混合物或两组分性质相似
的液相混合物时
DAB DBA D
cM cA cB const
水，最初水面离上端管口的距离为0.125m，迅速向
上部横管中通入干燥的空气（空气流量达到足以保
证被测气体在管口的分压大致为零）压力为
101.3kPa。实验中测得经290h后，管中的水面离上
端管口距离增加到0.150m，求水蒸气在空气中的扩
散系数
化工原理整理
38、局部阻力损失计算：当量长度法（hf’=λ e
π (d 1 +d 2 )
2 π (d 2 2 −d 1 )
=d2-d1
;A 为流道截面积，m2 , ,L 为流体浸润周边长度总
u2 2
l u2
d 2g
） 、阻力系数法(hf’=ξ )
系数；只有温度大于 400°C 时，才发生明显的辐射传热量，低温时一般可忽略；只要物体温度高于绝对零度，就会发 射各种波长的电磁波。 7、热平衡方程： 无相变：Φ=qm,hcp,h(T1-T2)=p,c（T2’-T1’）有相变：Φ=qm,hr= p,c（T2’-T1’）,r 为饱和蒸汽 的冷凝潜热，J·Kg-1 8、热流量方程: 热交换器（又称换热器） ：实现传热过程的设备。以热流量（又称传热速率）Φ 表示换热器的换热 能力 Φ=KA∆tm。 （Φ 为热流量，W;K 为传热系数，W·m-2·K-1;A 为传热面积，m2） 9、面积热流量（又称热流密度） ：q= ,单位 W·m-2 10、傅里叶定律：q=-λ
δb λ
13、圆筒壁的稳态热传导：Φ=
=
∑∆T ∑
δ λA 1 λ
2π L(T 1 −T n +1 ) ∑ ln
r i+1 ri
=
总推动力 总热阻
∆T。
表示对流传热膜系数的特征数 表示物性影响的特征准数 表示自然对流影响的特征数
17、热能自热流体经过间壁传向冷流体的过程称为“热交换”或“传热” 18、总热流量方程：Φ=
������������������������ ������������
流。 11、流体的黏性：流体流动时，往往产生阻碍流体流动的内内摩擦力的流动特性，衡量流体黏性大小的物理量，称 为黏度。 12、牛顿黏性定律： F=μA 13、运动黏度 v=
第四章 分离纯化
第四章分离纯化中药分离纯化工艺是利用中药化学、现代分离技术、工程学等原理对中药中有效成分的提取分离过程进行研究，建立适合于工业化生产的中药提取分离纯化方法，是研究制药工业（过程）中中药分离与纯化的技术学科。
中药分离纯化工艺是制药工程学的一个重要的组成部分，属于中药现代化生产的关键技术。
研究内容包括分离纯化技术的基本原理、工艺流程、设备及应用等。
一、分离纯化的基本原理机械分离的对象是非均相物系，根据物质的大小、密度的差异进行分离，如过滤、重力沉降和离心沉降等。
传质分离的对象主要是均相物系，其特点是有质量传递现象发生。
传质分离又分输送分离和扩散分离两种。
输送分离根据溶质在外力的作用下产生的差异实现分离，又称速度分离法，其传质推动力主要有压力差、电位梯度和磁场梯度等，如超虑、反渗透、电渗析、电泳和磁场等。
扩散分离传质推动力为偏离平衡态的浓度差，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离子交换等。
二、中药分离纯化在制药过程中的作用中药制药的生产过程一般包括两个阶段。
第一阶段为将基本的原材料中药通过提取而获得含有目标药物成分的混合物。
即为根据中药提取工艺对中药材进行初步提取，获得含有药物成分的粗品。
第二阶段通常称为生产的下游加工过程。
该过程主要是采用适当的分离技术，将中草药粗品中的药物成分进行分离纯化，使其成为高纯度的、符合药品标准的原料药。
中药制药的原料药生产与化工生产存在明显的三大差别：第一，中草药粗品中的药物成分含量很低，而杂质含量却很高，并且杂质往往与目的产物有相识的结构，很难分离。
第二，药物成分的稳定性通常较差，有些中药的活性成分对温度、酸碱度都十分敏感，易失活分解，使分离纯化方法的选择受到很大限制。
第三，原料药的产品质量要求，特别是对产品所含杂质的种类及其含量要求比有机化工产品严格得多，因为它是直接涉及人类健康和生命的特殊商品。
三、中药分离纯化在中药现代化生产中的意义国家明确了中药发展的战略方向和思路，提出“科教兴业”的战略主体目标，为了让西方医药界接受中药，增强中药在国际市场上的竞争地位，主要途径是：以中医药理论为指导，采用先进的技术，实现中药生产的现代化。
传质分离过程_绪论
WHY
Why Separate?
WHY
一般化工生产过程：
煤 石油 天然气 生物质
化 工 原 料 反应 分离
产 品
一、分离过程的地位
化工生产
反应（Reactive） 分离 萃取物 （Extractive Natural raw material） 配制（Formulation） 分离
分离
例1：乙烯水合生产乙醇
分离因子与1的偏离程度表示组分之间分离的难易程度。
当αij＝1时，两组分在两产品中的含量相同，无法实现分 离； 当αij接近1时，两组分在两产品中的含量相近，难以实现 分离； 当αij远离1时，两组分在两产品中的含量差别大，容易实 现分离。
减压
液体
挥发度 海水淡化生 （蒸汽压） 产纯水；吸 有较大差 收液的解吸。 别
精 馏
原料 相态： 汽、液 或汽液 混合物
分离媒介： 热量，有时 用机械功
同上
石油裂解气 的深冷分离； 苯、甲苯、 二甲苯的分 离。
V
吸 收 蒸 出
萃 取 或 共 沸 精 馏
原料 分离媒 相态： 介：
MSA
分离原 工业应 理： 用：
二、分离过程在清洁工艺中
的地位与作用
清洁工艺：生产工艺和防治污染有机的结 合，将污染物减少或消灭在工艺过程中。
——面向21世纪社会和经济可持续发展 的重大课题。
化学工业污染来源：
未回收的原料 未回收的产品 有用和无用的副产
原料中的杂质
工艺的物料省耗
废物最小化？
清洁工艺终合考虑：
●
合理的原料选择；
● 反应路径的清洁化； ● 物料分离技术的选择； ● 确定合理的流程和工艺参数。
化工基础 第四章 传质过程.
注意！传质速率方程式有多种形式（浓度的表示方法有多 种 传质推动力和相应的传质系数）。传质比传热更复杂。
• 作业 • 1.2.3.4
kL
DL
L
c csm
N A p A1 p A 2
1
推动力 阻力
kG
N A cA1 cA 2
1
推动力 阻力
kL
过 程 进 行 的 速 率
推动力 阻力
显然，若流体气体中的湍流愈激烈Re，则δ ，传质阻力也 愈小，即1/k。
传质速率方程式能否用于计算？ (cA1-cA2)可求，但k=?（同传热的，k取决于流体物性、流动 状况等因素）实验测定经验公式（下一章）。
RT p p dl A
利用边界条件积分后
因整体流动而产生的传递速率分别为 :
N
D
ln
p p Ai
Dp ln Bi
N
N cA 和N
N
c B
A,M
Mc
B,M
Mc
A RTl p p RTl p
A1
B1
由于 p pA1 pB1 pA2 pB2 pA1 pA2 pB2 pB1
对流扩散
N D D dcA
AB
E dz
层流：D占主要地位； 湍流：DE占主要地位。
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Const.
对流传质
膜模型
c cA1 F
层流底层 （DE ≈ 0，分子扩散）
作用物
流体分子
流体质点
作用方式
[工学]化学工程基础-第五章---传质基础-控制
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•
b. 场分离：如电泳，热扩散，离心分离等.
• 特点：所处理的物料和产品通常属于同一相
•
态，仅有组成的差别。
第十页，共54页。
5.2 传质过程机理
• 5.2.1 单相中的传质
• 5.2.1.1 分子扩散 • （1）如果在流体内部存在某一组分的浓度差，由于
物质分子的无规则运动，该组分将从较高浓度处向较 低浓度处转移，直至流体内部达到浓度均匀为止，这 种物质传递现象称为分子扩散。
• 由于气体处于静止状态，没有整体流动，有
NA,0 NB,0
•即
NA,0DAB ddA clDBA ddB cl
第十八页，共54页。
5.2.1 单相中的传质
• 可得：
DABDBA
• 可见，
• (1) 对于两组份气体混合物，组分A在介质B中扩散系数 等于组分B在介质A中的扩散系数。
• (2) 对于液体混合物，由于总浓度一般不是常数，所以 扩散系数不存在上述关系。
d ( T ) 温度梯度
• 费克定律：
dc A
dl
浓度梯度
dl
• 三个定律在形式上具有相似性，流体内的动量、热量和 质量传递速率均与相应量的梯度成正比。
• 动量传递应存在速度梯度，热量传递应存在温度梯度， 质量传递应存在浓度梯度。
第十五页，共54页。
5.2.1 单相中的传质
• （4）对组分B， • 扩散通量为：
第八页，共54页。
5.1.2 传质分离操作分类
• (3) 相间传质过程以达到相平衡为极限，但两相的平衡 需要经过相当长的时间才能建立。
• 在实际操作中，相际接触的时间一般是有限的，但 一相迁移到另一相物质的量决定于传质过程的速率。
传质分离过程原理PPT课件
D
D
ux
x
uy
y
uz
z
25
在进行微分能量衡算时，可采用拉格朗日方法。根 据热力学第一定律：
热力学能的变化=外界输入微元的热量+外界对微元做的功
其中外界对微元做的功可以用表面应力对微元做的 功表示。得到以焓表示的能量方程（拉普拉斯算 子）。
9
10
平衡分离过程的基础是相平衡。对于一个含n个组分、P个相的系统， 当其温度、压力和各组分的浓度不再变化时，即达到了平衡。一般地， 把相平衡定义为各组分在各相中的化学势µ或逸度ƒ(物质迁移时的推动
力或逸散能力 )相等：
（1-3）
或
fia fib fiP
(i 1,2,3,, n)
（1-4）
12
1.2.4 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 的差别。
Miscible 易混合1的3 ；
速率分离可分为膜分离和场分离两大类。
场分离的基础是粒子的迁移速度差，因此，产生速度 差的场强成为分离中的重要因素。电渗析、静电除尘 器等；
另一方面，即使有足够的速度差，若速度太小，实现 分离所需要的场的面积就很大，使分离失去实用价值。
此外，分离所需的能量W是作用力F与移动距离L的乘 积。若想减少能耗，就要尽量使用较小的力，尽量缩 短移动的距离，而后者等价于使场的几何厚度变薄， 这就是膜的物理概念。
对固体，若无内热源，摩擦热又可以忽略不计，简 化为用于热传导的普遍化方程——Fourier第二定律：
化工基础第四章传质过程课件
a
AV V
A
同理摩尔浓度：
C
n A
xn A
x
C
AV V
A
C n 混合物的总摩尔浓度。 V
对于气体混合物
np C A A
A V RT
c
m A
Mn AA
Mp AA
AV
V
RT
气体混合物的总摩尔浓度为：
Cn p V RT np
y A A An P
• 气体混合物的摩尔比可用分压比表达如下：
Y
n A
•p
4 相际传质过程
界面
气 组分 相 主 体
组分
液
相
主
体
相际传质示意图
二 相组成的表示方法
• 1 质量分率(工程制用重量分率)和摩尔分率 • 某组分的质量占总质量的分率或百分率. • 对含A、B、C、…..的均相混合物有
a
m A
,a
m B
,
a
m C
,........
A mB mC m
a a a ...... 1
终点： 浓度差为〇
扩散快慢？
➢扩散通量：
单位面积上单位时间内扩散传递的物 质量，单位为kmol/(m2•s); • 影响因素: • 物质性质 浓度差 扩散距离 等有关
➢ 费克(Fick)定律：扩散通量与浓度梯度成正比。
对于组分A
N
D
dcA
dc A
浓度梯度
A,0
AB dl dl
气体 N
D AB
注意！传质速率方程式有多种形式（浓度的表示方法有多 种 传质推动力和相应的传质系数）。传质比传热更复杂。
• 作业 • 1.2.3.4
《化工传质与分离过程》课件-01
《化工传质》
《化工传质与分离过程》
教学安排
一、学时安排
绪论
1 总学时 48
第1章 传质过程基础
5 授课 40
第2章 气体吸收 第3章 蒸馏 第4章 气液传质设备
d A
dz
JA
D AB
dc A dz
kg/(m2·s ) 质量基准 kmol/(m2·s ) 摩尔基准
DAB —分子扩散系数，m2/s
二、对流传质
1.对流传质的概念 (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 ❖ 在涡流扩散中时刻存在分子扩散
影响平时成绩。 （3）累计欠作业1/3者取消考试资格。 （4）点名或抽查累计3次未到者取消考试资格。 （5）讲授内容和顺序与教材不完全相同，请认真
做听课笔记。
教学安排
七、参考教材 （1） 夏 清, 陈常贵. 化工原理. 天津: 天津大学出
版社, 2005 （2） 蒋维钧等.化工原理.北京:清华大学出版社,
分离过程
非均相物系分离
可通过机械方法分离，易实现分离。
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。
二、相际传质过程与分离
均相物系的分离方法
某种过程
均相物系
两相物系
实现均相物系的分离
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
气相
第4章液液传质分离过程ppt课件
由于固体的饱和蒸气压非常低，所以用来校正纯固体的饱和蒸气压
的逸度系数值近乎等于1；因固体的摩尔体积通常很小，在压力变化
为几十兆帕范围内，Poynting因子积分值通常不超过2；因此，决定
增强因子E的大小的主要因素是高压流体混合物中溶质2的逸度系数。
经热力学推导可得：
RT ln ˆ2
v
p n2
T,v,n j
-44.5
96.8
22.5
0.05
152.0
27.98
36.3
解：对于活塞流,塔高H 活塞流=（HTU）ox（NTU）ox ，将已知数据代入式 （4-39）：
4 0.9144 1
1
0.5
H
119(0.9144 / H ) 0.5 (1/ 4) 50(0.9144 / H ) 1 0.5 (1/ 4)
该方程为非线形方程，用迭代方法求解H = 5.26 m 效率 =（HTU）ox（NTU）ox / H = 4×0.9144 / 5.26 ×100 % = 69.5 %
超临界流体
通常物质有三种状态，如果提高温度和压力，会出现液体与 气体界面消失的现象，该点称为临界点。 超临界流体是指物质的温度和压力分别超过其临界温度（TC） 和临界压力（ PC ）的流体，处于临界点状态的物质可实现 从液态到气态的连续状态。 例如：水的温度和压力升高到临界（T=374.3℃， P=22.05MPa）以上时，就会处于一种既不同于水，也不同 于液态和固态的新的流体态-超临界态，该状态水即称之为 超临界水。
1
1
(3 1
140)
Ue U N (U1 1) 0.25 0.5 (3 141)
对比：
吸 收 与 蒸 出
化工分离过程重点
化工分离过程重点1、相平衡：指混合物或溶液形成若干相，这些相保持着物理平衡而共存的状态，从热力学上看，整个物系的自由焓处于最小的状态；从动力学看，相间表观传递速率为零。
2、区域熔炼：是根据液体混合物在冷凝结晶过程中组分重新分布的原理，通过多次熔融和凝固，制备高纯度的金属、半导体材料和有机化合物的一种提纯方法。
3、独立变量数：一个量改变不会引起除因变量以外的其他量改变的量。
4、反渗透：是利用反渗透膜选择性地只透过溶剂（通常是水）的性质，对溶液施加压力克服溶液的渗透压，使溶剂从溶液中透过反渗透膜而分离出来的过程。
5、相对挥发度：溶液中的易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比。
6、理论板：是一个气、液两相皆充分混合而且传质与传热过程的阻力皆为零的理想化塔板。
7、清晰分割：若馏出液中除了重关键组分外没有其他的重组分，而釜液中除了轻关键组分外没有其他轻组分，这种情况为清晰分割。
8、全塔效率：完成给定任务所需要的的理论塔板数与实际塔板数之比。
默弗里板效率：实际板上的浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比。
9、泡点：在一定压力下，混合液体开始沸腾，即开始有气泡产生时的温度。
露点：在一定压力下，混合气体开始冷凝，即开始出现第一个液滴时的温度。
10、设计变量：设计分离装置中需要确定的各个物理量的数值，如进料流率，浓度、压力、温度、热负荷、机械工的输入（或输出）量、传热面大小以及理论塔板数等。
这些物理量都是互相关联、互相制约的，因此，设计者只能规定其中若干个变量的数值，这些变量称设计变量。
简答题：1、分离操作的重要意义答：分离操作一方面为化学反应提供符合质量要求的原料，清除对反应或者催化剂有害的杂质，减少副反应和提高收率；另一方面对反应产物起着分离提纯的作用，已得到合格的产品，并使未反应的反应物得以循环利用。
此外，分离操作在环境保护和充分利用资源方面起着特别重要的作用。
2、精馏塔的分离顺序答：确定分离顺序的经验法：1）按相对挥发度递减的顺序逐个从塔顶分离出各组分；2）最困难的分离应放在塔序的最后；3）应使各个塔的溜出液的摩尔数与釜液的摩尔数尽量接近；4）分离很高回收率的组分的塔应放在塔序的最后；5）进料中含量高的组分尽量提前分出。
《化工传质与分离过程》第一章传质过程基础
主体
组分A的主体流动质量通量
流动 通量
Au
A[
1
(
Au
A
BuB
)]
aA
(nA
nB
)
组分B的主体流动质量通量
BuaB (n A nB )
三、传质的速度与通量
组分A的主体流动摩尔通量
cAum
cA[
1 C
(cAuA
cBuB )]
xA(N
A
NB
)
组分B的主体流动摩尔通量
cBum xB (N A NB )
主体 NxA um
流动 NxB
NA NB 0
动现象。
示例：用水吸收空气 中的氨
JB
NA
J
A
Nx
A
NB
J
B
Nx
B
0
J Nx
B
B
第一章 传质过程基础
1.1 质量传递概论与传质微分方程 1.1.1 质量传递概论 1.1.2 传质微分方程
一、传质微分方程的推导
1.质量守恒定律表达式 采用欧拉方法推导
混合物的主体流动速度即为平均速度
u＝ uf （um＝ uf ）
三、传质的速度与通量
组分A的扩散速度
udA = uA－ u udA = uA－ um
组分B的扩散速度
udB = uB－ u udB = uB－ um
质量基准 摩尔基准
质量基准 摩尔基准
三、传质的速度与通量
组分A的扩散质量通量
j A A (u A u)
第一章 传质过程基础
1.1 质量传递概论与传质微分方程 1.1.1 质量传递概论
一、混合物组成的表示方法 二、质量传递的基本方式 三、传质的速度与通量 1. 传质速率与传质通量 2. 传质速度的表示方法
化工传质与分离过程
化工传质与分离过程化工传质与分离过程指的是在化工行业中，通过传质过程和分离过程实现物质的转移和分离操作。
传质过程是指物质在不同相（包括气相、液相和固相）之间的传递过程，分离过程则是将混合物中的不同组分进行分离的过程。
本文将对传质与分离过程的基本原理以及常用的传质与分离技术进行详细介绍。
一、传质过程传质过程主要包括质量传递和能量传递两个方面，其中质量传递是指物质在不同相之间的传递过程，能量传递是指通过传质过程实现能量的转移。
传质过程的基本原理为溶质在物理力场的作用下从高浓度处向低浓度处传递，经典的传质过程有扩散、对流和反应等。
1.扩散：扩散是指溶质由高浓度处向低浓度处自发传递的过程，其主要原理是在浓差梯度作用下，溶质由高浓度区域经过空间的携带和碰撞，向低浓度区域移动，直到达到平衡。
扩散过程可以分为分子扩散、界面扩散和体扩散等。
2.对流：对流是指溶质在流体介质中由于流场的存在而引起的传递过程。
对流传质主要分为强迫对流和自然对流两种类型。
强迫对流是通过外加的外力使得流体产生不均匀速度场，从而引起的传质；自然对流则是由于温度和密度的差异，引起流体的密度变化，进而形成流体的自然循环。
3.反应：反应传质是指传质过程中 beginspace 同时 Beginspace 进行化学反应的传质过程。
在反应传质过程中，溶质通过扩散或对流到达反应界面，参与反应之后再分散到溶液中。
传质过程的研究对于理解物质转移和分离过程的机理、改进传质分离过程的性能和优化操作条件具有重要的意义。
二、分离过程分离过程是指将混合物中的不同组分分离出来的操作过程，常用的分离技术有凝固、蒸馏、萃取、吸附和膜分离等。
以下将详细介绍其中的几种分离技术。
1.凝固：凝固是指物质由液体状态转变为固体状态的过程。
这种分离方法常用于分离固体颗粒和溶液之间的混合物，通过凝固可以将溶液中的固体颗粒分离出来。
2.蒸馏：蒸馏是一种利用物质的沸点差异进行分离的方法。
通过加热混合液体，使其中沸点较低的组分先从液体中蒸发出来，然后再冷凝成液体，从而实现分离不同沸点组分的目的。
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杂质 原料 分离操作 废气 反应过程 循环 副产品 分离操作 产品
废水 分离操作 洁净水
污染物(循环)
4-1 传质分离过程
4-1.1 分离与人类的关系
人体内的肾小球 自来水、纯净水 海水的淡化 石油的常减压蒸馏 工业废气中的有害气体 原料的预处理
(2)传质过程的方向和极限
分析氨和空气的气体混合物与水在一恒温、恒压的容器中进行 两相接触的传质过程。易溶于水的氨会向液相传递，氨分子跨过相 界面进入水中，同时，水相中的氨分子也会有一部分返回到气相中。 如两相的量一定，随着过程的进行，气相中的氨浓度会逐渐减小， 由气相进入液相的氨分子的速率也逐渐减小，而液相中的氨浓度逐 渐增加，由液相返回气相的氨分子的速率也逐渐增加。经过一段时 间后，由气相进入液相的和液相返回气相的氨分子的速率会达到一 致。同时，各相内氨分子的浓度由于扩散的作用也达到了均匀一致。 此时，体系处于动态平衡状态，两相的浓度不再变化，从宏观上看， 物质的传递已经停止。 如果保持相同的温度和压力，向容器中注入氨气和水，或者直 接改变温度或压力，上述动态平衡将会被破坏，但再经过一定的时 间后，体系又可达到新的动态平衡。 由此，我们可得出相间传质和相际平衡所共有的几点规律。
①一定条件下，处于非平衡状态的两相体系内组分会自发地 进行旨在使体系的组成趋于平衡态的传递。经足够长的时间，体 系最终将达到平衡状态，此时相间没有净的质量传递； ②条件的改变可破坏原有的平衡状态。如改变后，条件保持 恒定，一定时间后，体系又可达到新的平衡。平衡体系的独立变 量数(或称自由度)由相律所决定；对于氨、空气和水的体系，有： f=k–Ф+2 = 3 – 2 +2 = 3 ③在一定条件下(如：温度、压力)，两相体系必然存在着一 个平衡关系。 相平衡关系主要依靠实验测定，很多体系的平衡数据可从有 关手册中查到。还有许多描述两相之间浓度关系的方程，例如： 亨利定律(Henry)和拉乌尔定律(Raoult)等。
(3)传质过程推动力与速率 相平衡关系指明了传质过程的方向，平衡是传质过程的极限， 而组分在两相分配偏离平衡状态的程度便是传质过程的推动力。 由于相组成的表示方法不同，推动力的形式便不一样，它可以是 压力差、浓度差等等。上述空气中氨向水中传递过程的例子中， 气相氨浓度用分压表示时，该过程推动力为Δp=pA – p*A。 传质过程中，物质传递的快慢常以传质速率来表示，其定义 为：单位时间内，单位相接触面积上被传递组分的物质的量，单 位为mol· m-2· s-1。传质速率与传质推动力和传质阻力的大小有关， 与其它过程 传质分离操作的种类
沉降 过滤 固体干燥 非均相混合物的分离 液体结晶 固体浸取 气体吸收 均相混合物的分离 液体精馏 液液萃取
混合物分离操作
4-2 传质过程分析
物质在气相或液相内的传递过程，传递的机理包括分子扩散 和对流扩散两种形式。 4-2.1 双组份混合体系中的分子传递过程 由物质分子的微观随机运动而产生的扩散称为分子传质(或分 子扩散)过程。经大量实验可知：分子扩散通量与物质的性质、浓 度差及扩散距离等因素有关。在恒温恒压条件下，由两组分A、B 组成的混合物，流体内部由于浓度梯度引起A或B的分子扩散通量 可以用费克(Fick)定律描述： 方 dC A dG A 程 N A,0 DAB 费克扩散定律 dl dA 的 数 du d ( u ) 牛顿粘性定律 学 dl dl 形 dT d ( CPT ) 式 q 傅里叶导热定律 dl CP dl 类 似
第四章 传 质 分 离 基 础
混合过程为自发过程， 分离过程为非自发过程。
传质过程：物质以扩散或其他方式从一处转移到另一处的过程。
液-固相传质：浸取、吸附 气-固相传质：吸附 按传质相间进行分类 液-液相传质：萃取 气-液相传质：精馏，吸收 传质过程的推动力：浓度梯度的存在。
洁净空气 或 氧气和氮气 分离操作
1.单方向扩散
2.等物质量的反向稳态扩散
尽管传质过程有多种类型，但传质过程遵循一些共同的规律。
(1)传质的方式与历程
单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实现的，常见 的扩散方式有分子扩散和涡流扩散两种。前者物质靠分子运动从高 浓度处转移到低浓度处，物质在静止或滞流流体中的扩散便是这种 情况；后者则是因流体的湍动和涡流产生质点位移，使物质由高浓 度处转移到低浓度处的过程。实际上，湍流流动有湍流主体和层流 底层之分，所以其中物质传递既靠涡流扩散也靠分子扩散，两者统 称对流扩散。 无论哪种类型的均相混合物，要想将其分离成纯净或几乎为纯 态物质，必须造成一个两相物系，利用原物系中各组分间某种特性 的差异，使其中某个组分在两相间进行传质，所经历的步骤是：物 质首先从一相扩散到两相界面的该相一侧，然后通过相界面进入另 一相，最后从此相的界面向主体扩散。例如：气体吸收，气体吸附 等。
相间传质过程的方向与极限可用组分在一相中的实际浓度 与另一相实际浓度所对应的平衡浓度的相对大小来判断。
①若物质在一相(A相)实际浓度大于其在另一相(B相)实际 浓度所对应的平衡浓度，则物质将由A相向B相传递；
②若物质在A相实际浓度小于其在B相实际浓度所对应的平 衡浓度，则传质过程向相反方向进行，即从B相向A 相传递； ③若物质在A相实际浓度等于其在B相实际浓度所对应的平 衡浓度，则无传质过程发生，体系处于平衡状态。 对上述的空气中的氨向水中传递的过程，若以pA表示气相 中氨的实际分压，p*A表示达到与所对应的液相实际浓度平衡时 的分压；则：pA>p*A时，氨从气相向液相传递；p*A>pA时，氨 从液相向气相转移；pA=p*A时，两相间无净的氨传递，体系达 到平衡状态。