传质与分离过程概述
传质分离过程原理
传质分离过程原理传质分离是一种利用不同物质在物理性质或化学性质上的差异而对其进行分离的工艺。
它在化工、制药、食品等领域中得到广泛应用。
传质分离过程主要包括溶剂萃取、吸附、膜分离等方法，以下将详细介绍这几种方法的原理。
1.溶剂萃取。
溶剂萃取是一种通过溶剂对待分离物进行组分分布的过程。
它利用不同物质在溶剂中的溶解度差异，通过调整操作条件来实现物质的分离。
溶剂萃取的原理是将混合物溶解在适宜的溶剂中，然后加入萃取剂与混合物中的组分发生反应，形成混合物中不同组分的溶剂萃取化合物。
通过不同的操作条件，如温度、压力、pH值等来实现物质的分离。
溶剂萃取广泛应用于分离提纯金属离子、有机物等。
2.吸附。
吸附是一种利用吸附剂对待分离物进行吸附和解吸过程的分离方法。
其原理是根据不同物质在吸附剂表面的吸附性能差异，通过将混合物通过吸附剂来实现物质的分离。
吸附剂常用的有活性炭、分子筛等。
吸附分离的过程通常包括两个阶段，即吸附阶段和解吸阶段。
在吸附阶段，混合物通过吸附剂时，各个组分根据其在吸附剂表面的亲和力发生吸附，并在吸附剂上形成吸附相；在解吸阶段，通过改变操作条件，如温度、压力等，使被吸附的物质从吸附剂上解吸到溶液中，从而实现物质的分离。
3.膜分离技术。
膜分离是利用半透膜对混合物中组分进行分离的方法。
半透膜是一种具有选择性传递性能的材料，可以选择性地传递其中一种或几种组分，而阻止其他组分通过。
常用的膜分离技术包括渗透膜、离子交换膜和渗流膜等。
膜分离的原理主要包括渗透压差、电荷排斥和分子筛效应。
在渗透压差方面，通过通过半透膜形成的渗透压差来实现物质的传递与分离；在电荷排斥方面，通过半透膜上的电荷作用来实现电荷相同的离子的分离；在分子筛效应方面，通过半透膜上的孔径大小来实现分子大小的分离。
综上所述，传质分离是一种通过利用不同物质在物理性质或化学性质上的差异实现物质的分离的过程。
不同的传质分离方法有着不同的原理，通过调整操作条件来实现物质的分离。
传质分离过程
传质分离过程1.分离过程可以定义为借助于物理、化学、电学推动力实现从混合物中选择性的分离某些成分的过程。
2.分离过程可分为机械分离和传质分离两大类。
机械分离的对象是两相以上的混合物。
传质分离过程用于各种均相混合物的分离。
特点是有能量传递现象发生。
3.传质分离过程分为平衡分离过程和速率分离过程。
4.相平衡的准则为各相的温度、压力相同，各组分的逸度也相等。
5.相平衡的表示方法有相图、相平衡常数、分离因子。
6.维里方程用来计算气相逸度系数。
7.闪蒸是连续单级蒸馏过程。
8.指定浓度的组分成为关键组分，其中易挥发的成为轻关键组分，难挥发的成为重关键组分。
9.若溜出液中除了重关键组分外没有其他重组分，而釜液重除了轻关键组分外没有其他轻组分，这种情况称为清晰分割。
10.多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别可以归纳为：在多组分精馏中，关键组分的浓度分布有极大值；非关键组分通常是非分配的，即重组分通常仅出现在釜液中，轻组分仅出现在溜出液中；重、轻非关键组分分别在进料板下、上形成接近恒浓的区域；全部组分均存在于进料板上，但进料板浓度不等于进料浓度。
塔内各组分的浓度分布曲线在进料板处是不连续的。
11.最小回流比是在无穷多塔板数的条件下达到关键组分预期分离所需要的回流比。
12.特殊精馏分为萃取精馏（加入的组分称为溶剂）、共沸精馏、加盐精馏。
13.气体吸收是气体混合物一种或多种溶质组分从气相转移到液相的过程。
解吸为吸收的逆过程，即溶质从液相中分离出来转移到气相的过程。
14.吸收过程按溶质数可以分为单组分吸收和多组分吸收；按溶质与液体之间的作用性质可以分为物理吸收和化学吸收；按吸收温度状况可以分为等温吸收和非等温吸收。
15.吸收的推动力是气相中溶质的实际分压与溶液中溶质的平衡蒸气压力之差。
16.难溶组分即轻组分一般只在靠近塔顶的几级被吸收，而在其余级上变化很小。
易溶组分即重组分主要在塔底附近的若干级上被吸收，而关键组分才在全塔范围内被吸收。
化工原理下册课件第七章-传质与分离过程概论-------------课件
③ 在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流 体强烈湍动，各处浓度均匀一致，无传质阻力。
二、相际间对流传质模型
依据双膜模型，组分A通过气膜、液膜的扩散 通量方程分别为
Dp
NA
AB 总
RTzG pBM
( p Ab
pAi )
NA
D
AB
zL
c总 c
一、涡流扩散现象
2.涡流扩散通量方程 描述涡流扩散通量的方程为
J
e A
M
dcA dz
kmol/(m2·s )
—涡流扩散系数，m2/s M
涡流扩 散的类型
运动流体与固体表面之间，或两个有限互溶的
运动流体之间的质量传递过程—对流传质。
对流 传质
√
强制对流传质 自然对流传质
一、相际间的对流传质过程
相际间的传质
二、相际间对流传质模型
1.双膜模型
惠特曼(Whiteman)
于1923年提出，最早提出
的一种传质模型。
pb
停滞膜模型
（双阻力模型）
cb
播放动画32：双膜模型
双膜模型示意图
二、相际间对流传质模型
停滞膜模型的要点
① 当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳 定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞 膜—气膜和液膜，溶质A经过两膜层的传质方式 为分子扩散。
训练才能有所收获，取得成效。 9、骄傲自大、不可一世者往往遭人轻视； 10、智者超然物外
强制层流传质
强制湍流传质√
二、对流传质
2.对流传质的机理
所谓对流传质 的机理是指在传质 过程中，流体以哪 种方式进行传质。 研究对流传质速率 需首先弄清对流传 质的机理。
第七章__传质与分离过程概论
对流传质速率方程为： NA=kL(cAi-cAo） 比较可得：
3、表面更新模型 表面更新模型的要点： ① 该模型同样认为溶质向液相内部的传质为非稳态 分子扩散过程； ②否定表面上的流体单元有相同的暴露时间，而认为 液体表面是由具有不同暴露时间（或称“年龄”）的液面 单元所构成。 为此，丹克沃茨提出了年龄分布的概念，即界面上各 种不同年龄的液面单元都存在，只是年龄越大者，占据的 比例越小； ③不论界面上液面单元暴露时间多长，被置换的概率 是均等的。单位时间内表面被置换的分率称为表面更新率， 用符号S表示。
②随着接触时间的延长，溶质A通过不稳态扩散方式 不断地向流体单元渗透。 ③流体单元在界面处暴露的时间是有限的，经过时间 后θc，旧的流体单元即被新的流体单元所置换而回到液 相主体中去。在流体单元深处，仍保持原来的主体浓度不 变。 ④流体单元不断进行交换，每批流体单元在界面暴露 的时间都是一样的。
按照溶质渗透模型，溶质 A在流体单元内进行的是一 维不稳态扩散过程，可导出组分A的传质通量为：
JA-组分A的扩散质量通量（即单位时间内，组分A通 过与扩散方向相垂直的单位面积的质量），kg/(m2·s)； DAB-组分A在组分B中的扩散系数，m2/s； dcA-组分A扩散方向的质量浓度梯度，(kg/m3)/m。
该式表示在总质量浓度不变的情况下，由于组分A （B）的质量浓度梯度所引起的分子传质通量，负号表明 扩散方向与梯度方向相反，即分子扩散朝着浓度降低的方 向进行。 费克第一定律仅适用于描述由于分子传质所引起的传 质通量，但一般在进行分子传质的同时，各组分的分子微 团常处于运动状态，故存在组分的运动速度。为了更全面 地描述分子扩散，必须考虑各组分之间的相对运动速度以 及该情况下的扩散通量等问题。
上述扩散过程将一直进行到整个容器中A、B两种物质 的浓度完全均匀为止，此时，通过任一截面物质A、B的净 的扩散通量为零，但扩散仍在进行，只是左、右两方向物 质的扩散通量相等，系统处于扩散的动态平衡中。 J=JA+JB=0 （7-18）
3.传质分离过程
精馏
气-液相通过一块塔板, 同时发生一次部分气 化和部分冷凝过程。当它们经过 多块塔板后, 即同时进行了多次部分气化和 部分冷凝的过程, 最后在塔顶气相中获得较 纯的易挥发组分, 在塔底液相中可获得较纯 的难挥发组分, 使混合液达到所要求的分离 程度
(二) 精馏装置及流程
原料液经预热到指定 温度后, 加入精馏塔内 某一块塔板上, 该塔板 称为加料板。加料板 将塔分成两部分: 上部 进行着蒸气中易挥发 组分的增浓, 称为精馏 段; 下部( 包括加料板) 进行着液体中难挥发 组分的提浓, 称为提馏 段。操作时, 连续地从 再沸器取出部分液体 作为塔底产品( 见釜残 液) , 部分液体气化, 产 生上升蒸气, 依次通过 各层塔板。塔顶蒸气 进入冷凝器中后被全 部冷凝, 并将部分冷凝 液送回塔顶作为回流 液, 其余部分经冷却器 后被送出作为塔顶产 品(馏出液) 。
传质分离过程
Mass transfer and separation process
Dr.潘传艺
Mass transfer and separation process
化工生产过程中的原料、中间产物、粗产品几乎都是多组分混合物, 这些物 料都需要通过一定的处理过程进行分离和纯化。 (1 ) 分离过程的种类 均相homogeneous phase物系的分离, 必须使某种组分形成新相或迁移到 另一相。根据涉及的相态主要可分为气-液相的如吸收和蒸馏, 液-液相的如萃 取, 气-固相的如吸附, 固-液相的如结晶等等。蒸馏过程又可分为简单蒸馏和 精馏等。非均相物系的分离主要包括沉降、过滤和固体的干燥等单元操作。 随着生产的发展, 对分离技术的要求越来越高, 出现了一些新型特殊分离方法, 如膜分离membrane separation technique 、超临界萃取supercritical extraction technique等, 分离技术的开发和应用有了长足的发展。,. (2 ) 传质分离过程 物质以扩散的方式迁移叫做物质传递过程或称传质过程。所有均相物系分离 过程和一些非均相物系分离(如干燥) 都涉及到相间传质, 因此又称为传质分 离过程。除此之外, 反应器中的混合和非均相反应过程中都存在传质问题, 因 此传质过程也是化学反应工程学的基础。
第7章传质与分离过程概论
则
令
pBm
pB 2 pB1 p ln B 2 pB1
D p NA ( )( p A1 p A2 ) RT pBm
p Bm
─扩散初、终截面处组分B分压的对数平均值，kPa； ─漂流因子，无因次。
p p Bm
例题
如图所示，氨气(A)与氮气(B)在长0.1m的直
径均匀的联接管中相互扩散。总压p=101.3kPa,温 度T=298K，点1处pA1=10.13kPa、点2处
如图7-2所示的分子扩散现象，在任一截面，处于动 态平衡中的物质A、B的净扩散通量为零，即：
J JA JB 0
3.费克定律(Fick’s law)
7-18
在恒温恒压下，A在混合物中沿Z方向作稳定分 子扩散时，其扩散通量与扩散系数及在扩散方向的 浓度梯度成正比。
dc A J A D AB dz
物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质
量传递过程，简称传质。在一相中发生的物质传递是单
相传质，通过相界面的物质传递为相际传质。 质量传递的起因是系统内存在化学势的差异，这种 化学势的差异可以由浓度、温度、压力或外加电磁场等 引起。 传质过程广泛运用于混合物的分离操作；它常与化 学反应共存，影响着化学反应过程，甚至成为化学反 应的控制因素。掌握传质过程的规律，了解传质分离
的工业实施方法，具有十分重要的意义。
7.1 概述
7.2 质量传递的方式与描述
7.3传质设备简介
7.1概述
7.1.1传质分离方法
我们依据分离原理的不同，可以将传质分离过程 分为平衡分离和速率分离两大类： 一、平衡分离过程 平衡分离指借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附 剂等）使均相混合物变为两相体系，再以混合物中 各组分处于平衡的两相中分配关系的差异为依据而 实现分离的过程。 不难看出，平衡分离属于相际传质过程。相际传 质是我们后面重点学习讨论的内容。
传质分离名词解释
传质分离名词解释
传质分离是一种用于分离混合物组分的过程，其基本原理是通过不同组分的传质速率差异来实现分离。
传质分离的过程可以分为以下几个步骤：
1.吸附：将混合物溶液加入到传质分离器内，混合物中的某些组分会被吸附到固定相表面上。
2.传质：将移动相（溶剂）通过固定相，移动相中的组分因为与固定相的亲和性不同而有不同的传质速率。
3.脱附：移动相带走了部分组分，离开固定相后，这些组分会逐渐被分离出来。
如果需要分离多个组分，则需要进行多次传质过程，每次使用不同的移动相。
常见的传质分离方法包括：
1.气相色谱（Gas Chromatography，GC）：适用于分离挥发性有机化合物，利用化合物在固定相表面的亲和力不同来实现分离。
2.液相色谱（Liquid Chromatography，LC）：适用于分离不挥发性有机化合物和生物大分子等，通过液相将混合物分离成不同的组分。
3.电泳（Electrophoresis）：适用于分离大分子，如DNA、RNA和蛋白质等。
该方法利用大分子在电场中的运动速度差异实现分离。
传质分离方法的选择取决于需要分离的混合物的性质和要求。
传质分离在化学、生物学、制药等领域有广泛的应用。
第5章吸收-传质与分离过程的基本概念及吸收系数
少倍？
kYa V0.8
气体流量增加20%
8
z HOG NOG
V
HOG KY a
解： (1)回收率变为多少？
NOG
1 1 S
ln1
S Y1
Y2
Y2 Y2
S
原工况下： S m 1.18 0.56 L V 2.1
NOG
1 1 S
ln1
S 1
1
S
1
1 0.56
ln1
0.56
1
1 0.95
11
解：∵
Y1
y1 1 y1
0.05 1 0.05
0.0527
Y2
y2 1 y2
0.0263 1 0.0263
0.00264
X1
61.2 / 58 (1000 61.2)
/ 18
0.02023
X2 0
Y1* 2X1 2 0.02023 0.04046 Y2* 0
∴ ΔY1 Y1 Y1* 0.0527 0.04046 0.01224
解①水的用量：
100/ 32 y1 (11000) / 22.4 0.07
0.07 Y1 1 0.07 0.0753
Y2 Y1(1 ) 0.0753 (1 0.98) 0.00151 X 2 0
5
习题课
X1
0.67
X
* 1
0.67
0.0753 1.15
0.0439
1000
1000
学习目的 与要求
通过本章学习，应掌握吸收的基本概念和吸收过 程的平衡关系与速率关系；掌握低浓度气体吸收的计 算方法；了解传质与分离过程的基本概念及吸收系数 的获取途径、解吸过程的概念。
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z
丙酮
解
NA
Dp ln RTz
pB2 pB1
单位面积液面汽化的速率用液面高度变化的速率：
dnA dmA A dVA A A dz A dz Ad M A Ad AM A d AM A d M A d
A dz Dp ln pB2 M A d RTz pB1
质量分数与摩尔分数的关系
由质量分数 求摩尔分数
xA
wA / M A
N
wi
i 1
/
M
i
由摩尔分数 求质量分数
wA
xAM A
N
i 1
xi
M
i
三、质量比与摩尔比
1.质量比
XA
mA m mA
质量比与质量分数的关系
XA
wA 1 wA
wA
XA 1 XA
2.摩尔比
XA
nA n nA
1
1
1
)2
D
MA MB
1
p(vA 3
vB
1 3
)2
2、液体中的扩散系数 液体中溶质的扩散系数与物质种类、温度、粘度
及浓度有关。对于很稀的非电解溶液，物质在液体中 的扩散系数
D 'AB
7.4 1015 (M B )1/2
T
V 0.6 B bA
m2 /s
【例】有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液 面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，5小时后， 管内液面降到距管口20.5mm，管内液体温度保持 293K，大气压为100kPa，此条件下，丙酮的饱和蒸 气压为24kPa。求丙酮在空气中的扩散系数。
场分离
电泳 热扩散 高梯度磁场分离
钕铁硼永磁场 磁化精馏实验装置
3. 分离方法的选择
分离方法选择的原则
被分离物系的相态 被分离物系的特性 产品的质量要求 经济程度
7.1.2 相组成的表示方法
一、质量浓度与物质的量浓度
1.质量浓度 密度
A
mA
V
kg /m3
混合物的总质量浓度
（2）传质通量
传质通量NA：在任一固定的空间位置上，单位时间 通过单位面积的A物质量。
NA
J
A
D
dc A dz
D dpA RT dz
z1 0, pA pA1
z2 z, pA pA2
NA
z
dz
0
D RT
dp PA2
p A1
A
NAz
D RT
( pA2
பைடு நூலகம்
p A1 )
液相
YA
n
nA nA
气相
摩尔比与摩尔分数的关系
X xA A 1 xA
xA
XA 1 XA
7.2 质量传递的方式与描述 7.2.1 分子扩散与菲克定律
一、分子扩散与菲克定律
1、分子扩散：一相内部有浓度差异的条件下，由于 分子的无规则热运动而造成的物质传递现象
A
B
2、菲克定律 （1）扩散通量：单位面积上单位时间内扩散传递的 物质量 ，单位：kmol/(m2.s) （2）菲克定律(Fick’s law)
分子扩散系数是物质的传递性质，其数值可从三种 途径获得。在用经验关联式估其物性数值时，明确 关联式的适用范围，了解物性的影响因素及校正关 系是重要的。
对流传质包括分子扩散和涡流扩散。由于流体的流 动，尤其是涡流的混合作用，大大强化了传质过程。
引入有效膜模型后，虽然使对流传质过程的数学描 述得以简化，但由于有效膜厚度及界面浓度难以测 定，工程计算问题并未得到解决。
1、双膜理论two-film theory(惠特曼Whitman，1923) （1）相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界 面上没有传质阻力，气液两相处于平衡状态。 （2）界面两侧分别存在着两层很薄的停滞膜：气膜 和液膜，气液两相间的传质为通过两停滞膜内的分 子扩散过程。 （3）膜外的气液相主体中，流体强烈湍动，溶质的 浓度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力 集中在两层膜内。
NA
D zRT
( pA1
pA2 )
cA
pA RT
2、一组分通过另一停滞组分的扩散
（1）一组分通过另一停滞组分的扩散 总体流动：气相主体中组分A 扩散到界面，通过界面进入液 相，界面左侧附近p ↓ ，主体 与界面产生压差，促使A、B混 合气体由气相主体向界面处流 动，此流动称为总体流动。由 于组分B不能通过相界面，当B 随总体流动运动到界面后，又 以分子扩散返回气相主体，其 传质通量为0。
7.2.3 相际间的传质
一、相际间的对流传质
(1) 溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)； (2) 溶质在界面上溶解(通过界面的传质)； (3) 溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。
相界面 气相主体 液相主体
溶解
气相扩散 液相扩散
二、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
离1时，便可采用平衡分离过程使均相混合物得以
分离，越大越容易分离。
四、速率分离过程
1、膜分离
在选择性透过膜中，利用各组分扩散速度的差异， 而实现混合物分离的单元操作过程
膜分离
超滤 反渗透 渗析 电渗析
2、场分离
在外场（电场、磁场等）作用下，利用各组分扩散 速度的差异，而实现混合物分离的单元操作过程
δb
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 。
湍流主体：涡流 扩散，浓度分布 为一平坦曲线
缓冲层：分子扩散 +涡流扩散，浓度 分布为一渐缓曲线
主体平均cAb 湍流中心cAf
流体与管壁间的浓度分布
2.对流传质速率方程 描述对流传质的基本方程
N
A
k
L
(c
Ai
c )
Ab
kmol/(m2·s )
结晶（溶解） 吸附（脱附）
浸取
4、气固传质过程 指物质在气、固两相间的转移 主要包括气体吸附（或脱附）、固体干燥等单元 操作过程
吸附（脱附）
干燥
平衡常数（分配系数）
Ki yi / xi
分离因子
xi、yi分别表示组
分在两相中的组成
ij Ki / K j
通常将K值大的当作分子，故一般大于1。当偏
氨水
三、平衡分离过程 1、气液传质过程 物质在气、液两相间的转移，主要包括气体的吸收 （或脱吸）、气体的增湿（或减湿）、蒸馏（或精 馏）等单元操作过程。
吸收（脱吸） 增湿（减湿） 蒸馏（精馏）
2、液液传质过程
指物质在两个不互溶的 液相间的转移，主要包 括液体的萃取等单元操 作过程 。
萃取
3、液固传质过程 指物质在液、固两相间的转移 主要包括结晶（或溶解）、液体吸附（或脱附）、 浸取等单元操作过程
液－固分离：过滤 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。
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
相际传质过程
均相物系分离
例：空气和氨分离 空气 水
吸 收 塔 空气＋氨
RT
z2
z
2 0
M A p ln pB2 2
pB1
790 58
8.314 293 100 ln 100
0.02052 0.0112 2 18000
1105 m2/s
76
7.2.2 对流传质
一、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
一些常用物质的扩散系数 – P313附录一
扩散系数的来源 – 实验测定 – 物理化学手册，化学工程手册等查阅 – 经验或半经验公式估算
1、气体中的扩散系数 气体A在气体B中（或B在A中）的扩散系数，可
按马克斯韦尔—吉利兰（Maxwell-Gilliland）公式进 行估算
3
4.36 105T 2 (
过程分析 •稳态等分子反向扩散
JA JB
•总体流动
设总体流动通量为N，则其中
A、B的传质通量分别为：
N cA
N cB
c
c
（2）传质通量
组分B不能通过气液界面，故NB=0
N NA NB NA
组分A因分子扩散和总体流动所产生的传质通量NA为：
NA
JA
N cA c
DAB
dcA dz
NA
cA c
NA
Dc c cA
dcA dz
z=0，cA=cA1 z=z，cA=cA2
NA
Dc z
ln
c cA2 c cA1
NA
Dp zRT
ln
p p
pA2 pA1
pA1 pB1 pA2 pB2 pA1 pA2 pB2 pB1
NA
Dp zRT
涡流扩散的速率远远大于分子扩散
总扩散通量：
J
(D
DE )
dc A dz
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。 处理方法：与对流传热过程类似