第四章 传质分离基础..

生产和生活
4-1.2 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
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*wenku.baidu.com>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。
(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， 与其它过程速率一样，传质速率可以写为：
(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。
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
污染物(循环)
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
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。