传质分离过程原理

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1.3.2 总衡算方程 进行总衡算的空间范围称为控制体，此控制体的界面称为控制面。 进行总衡算的基本定律是物料守恒定律，其方程为： 输入的流率-流出的流率=累积的速率 其中累积的速率也包括由化学反应生成的速率。这一总的表达式看似 简单，实际上却变化无穷，它是我们分析和解决问题的基础 。 进行总衡算一般用欧拉方法，即固定控制体的体积及控制面，对控制 体或控制面进行衡算。对于任意一个体积为V，控制面的总面积为A 的空间控制体，有多个进出口，以u为流过微圆面积dA的流体流速， ρ为其密度，流速方向与dA的法线交角为α，则ρu通常称为质量通量 （kg/m2.s)，通用的总质量衡算方程（净质量流率+质量积累流率） 为： d u cos dA dV 0 d V A
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1.2 常见分离过程

1.2.1 分离程度的表示 分离效率一般用产品组成之间的比例关系表示。 分离效率的指标：选择性系数，截留率。 二元体系的选择性系数（分离因子）可定义为两个组分（组分i， j）在两相（y，x）中的浓度之比，或两个组分的相平衡常数（mi， mj）之比：
ij mi / mj yi y j y x yi 1 xi / i / i ，xi x j 1,y i y j 1 xi x j y j xj 1 yi xi
或 （1-4） 相平衡从热力学的角度阐明了分离能够进行的程度，同时也指出了相平 衡分离进行的限度。目前研究较多的是气-液、气-固、液-液、液-固四 类相平衡。 通常可以从以下几方面着手来强化分离。 （1）增大界面面积 （2）充分利用相平衡 （3）多级操作
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fi a fi b fi P
粘性流体柏努里方程式变为下式则可计算压头和压头损失 ： 式中各项单位m，其中ΔZ、Δu2/2g、Δp/ρg分别为位压头、动压 头和静压头，He为输送机械的有效压头，Hf则为压头损失。
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1.3.3 微分衡算方程

源自文库

若需对空间的某一点作深入的研究，则应作微分衡算。在 流动的流体内取一个边长分别为dx、dy和dz的微元立方体， 作质量衡算得： ( u x ) ( u y ) ( u z ) 0 x y z 这就是著名的连续性方程。用同样的方法进行微分动量衡 算，最终得到适用于不可压缩流体的Navier-Stokes方程： Du 1 Fg p v2 u D 方程中的Du/Dτ为随体导数，其意义为观察者随流体质点一 起运动时的导数，又称Laplace （拉普拉斯）导数。 D ux u y uz D x y z



分离CO2促进传递膜
反渗透膜
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重力场分离：重力沉降 离心力场分离：离心分离机 电磁场分离：静电除尘 筛分：分离筛 钕铁硼永磁场 过滤：滤布 微滤（Microfiltration，简称MF） 超滤（Ultrafiltration，简称UF） 渗透汽化（Pervaporation，简称PV） 渗析（D）、气体渗透（GS）、反渗透（RO） 凝胶电泳（Gel Electrophoresis, GE)和电渗析（ED） 纳滤（Nanofiltration，简称NF）
（1-1）
x和y分别为两相的浓度（摩尔分率）。
比如：当离子交换达到平衡时，两种反荷离子（counter ion，与交换 剂表面电荷符号相反的交换性离子） 在离子交换剂中的浓度比与在溶 液中的浓度比的比值称为选择性系数，式中，y，x分别为反荷离子在 离子交换剂和溶液中的平衡浓度分率，下标A，B分别表示反荷离子A和 反荷离子B。选择性系数是离子交换剂的重要特性参数之一，它反映对 一种离子亲和力的大小，当αBA>1时，离子A优先交换，当αBA<1时，离 子B优先交换。
传质分离过程原理
马双忱
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1.1 分离过程综述(Seperation)



在生产中遇到的分离问题是各式各样的，可以将待 分离物系分为均相混和物和非均相混和物两大类。 非均相混和物——机械分离或称水力学分离：过滤， 沉降，离心分离等，如烟气中粉尘的分离。 均相混和物——须引入或产生另一相。一般属于传 质分离过程，常伴有动量和热量传递，如烟气中SO2 的脱除,即是气相中引入液相完成的。
2t 2t 2t t 2 a t 2 2 2 y z x

式中，α —热扩散率，它等于λ/（ρcp）。
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分子扩散与Fick第一定律： 当体系内含有一个以上的组分，且存在浓度差时，即发生分子 扩散，它是由浓度梯度而引起的，不依靠宏观混合作用而发生 的质量传递现象。描述分子扩散的基本定律是Fick第一定律：
(i 1,2,3, , n)
（1-3）




1.2.3 反应分离过程 能用于分离的反应有可逆反应、不可逆反应和分解 反应三类。 能够对所分离的组分进行选择性可逆反应的物质称 为可逆反应体，一般为液体或固体，在反应达到平 衡后还要进行逆向反应，使反应体再复活。如化学 吸收、化学萃取、离子交换等。 在不可逆反应分离中，比较常见的是反应结晶，再 将晶体分离，例如石灰石法烟气脱硫。 分解反应分离是利用分解反应使有害物质分解为无 害物质而除去的方法，这种方法多数需要催化剂。 例如烟气脱硝。

对于物料流入的质量流量为qm1 (kg/h) ，流出的质量流量为qm2的容器， 总物料衡算方程为： dm qm1 qm 2 d
如果物料为混合物，则除了总物料衡算以外，还可以对每一个组分进 行衡算。但对于一个含n个组分的体系，总共只有n个独立方程。
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通用的总能量衡算方程为：
d uE cosdA d A
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Pressure driven processes
MF ∆P= 10-300 kPa UF 50-500 kPa NF RO 0.5-1.5 MPa 0.5-1.5 MPa
High molecular substances, viruses Bacteria, parasites, particles Mid-size organic substances, multiple charged ions 寄生虫
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根据两相状态不同, 平衡分离过程可分为如下几类。 气液传质过程 : 如吸收、气体的增湿和减湿 汽液传质过程 : 如液体的蒸馏和精馏 液液传质过程 : 如萃取 液固传质过程 : 如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分 离、参数泵分离等 气固传质过程 : 如固体干燥、吸附等
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借助于流体在填充柱内的流向同某个明 显影响平衡关系的热力学参数（温度、 压力或酸度等）同步地作周期变化，实 现气体或液体混合物组分间的分离，是 一种属于传质分离过程的新分离技术。 参数泵分离能在小设备内连续操作，使 溶质在填充柱两端的浓度比达到很高的 数值。此分离技术目前尚处于实验室试 验阶段。 往复运动的活塞推送流体混合物在床内 作往复运动，活塞运动的方向与进入夹 套的冷热流体作同步变化： 床内流体向上运动时通热水,吸附质在较 高温度下脱附下来,被流体带往较高处； 流体向下运动时通冷水，吸附质在较低 温度下被吸附。由于当流体上行时带至 高处的吸附质在流体下行过程中被吸附， 不能随流体返回原处，因此，每一个循 环都使吸附质在柱内的位置有所升高。 经过若干周期后，几乎所有的吸附质都 从底槽迁至顶槽，从而达到很高的分离 程度。 (类似于POPs的蚱蜢效应）
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速率分离过程常用截留率表达分离的效果， 其定义为某一组分i被截留的百分率： xiF xip xip （1-2）
Ri xiF 1 xiF
x可以是摩尔分数、质量分数等，xiF为截流 前i组分浓度，xip为截流后i组分浓度。
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1.2.2 平衡分离过程
平衡分离过程系借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相 混合物系统变为两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相 中不等同的分配为依据而实现分离。 分离媒介可以是能量媒介（ESA）或物质媒介（MSA），有时也可 以两种同时应用。
MF - UF - NF 20 Low molecular substances, single charged ions
1.3 描述传递过程的常规方法



1.3.1 分离过程设计和优化的一般方法 逐级放大法和数学模型法 逐级放大法：用一系列规模从小到大的设备做试验， 以试验结果为依据，对过程的操作条件、设备型式、 技术可行性和技术经济效果进行逐级放大，最终确定 生产设备的尺寸和操作条件。 数学模型法：将复杂过程分解，应用物理或化学规律 建立数学模型，然后用计算机进行分析求解或求数值 解，最后用中间试验结果验证模型的可靠性。
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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： a b i i
iP
(i 1,2,3, , n)
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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 易混合的； 13
速率分离可分为膜分离和场分离两大类。 1、膜分离 膜分离是利用液体中各组分对膜渗透速率的差别而实现 组分分离的单元操作。膜可以是固态或液态，所处理的流体 可以是气体或液体，过程的推动力可以是压力差、浓度差或 电位差。
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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）。
DH Dp 2 t q D D

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：
Adherent 追随，应用
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粒子在各种物理场中会受到场力的作用而发生移动， 利用这一特性实现分离的操作不涉及相间的平衡，常 称为场分离过程。

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。 利用可以产生此速度差的材料构成具有某种机能的非 均一场，这就是膜。（膜的另一种定义） 17
EdV Q W
V
式中 E——单位质量流体的总能量（J/kg)； Q——由环境输入的热速率（J/s）； W——对环境作功的速率（J/s）。 通用的总能量衡算方程物理含义：
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流体柏努里方程（Bernoulli）：定态流动过 程的总能量衡算式，也是流动系统热力学第 一定律表达式。静压能（pv）的概念：为把 1kg流体送入系统所需要的功，又称流动功。
空气 水
吸 收 塔
空气＋氨
氨水
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大多数传质分离过程的分离基础是被分离组分在两 个不同相中的分配，这类分离过程被称为平衡分离 过程。如蒸馏、物理吸收、萃取等。 另一类分离过程是靠不同组分在某种推动力（如压 差、电动势差、浓度差、重力等）的作用下通过某 种介质（如半透膜）的速率不同而达到分离，被称 为速率分离过程或场分离过程。如沉降、离心分离、 电泳、过滤、膜分离、电磁分离等。 此外还有一些分离过程是借助于化学反应来实现分 离，这类分离过程称为反应分离过程，如离子交换、 化学吸收。