第四章传质分离基础教材ppt课件

第四章第四章 传质分离基础传质分离基础1 传质分离过程传质分离过程传质分离操作的种类传质分离操作的种类混合物分离操作混合物分离操作非均相混合物的分离非均相混合物的分离（机械分离）（机械分离）均相混合物的分离均相混合物的分离（传质分离）（传质分离）沉降沉降过滤过滤气体吸收气体吸收液体精馏液体精馏液液萃取液液萃取化工生产中常见的传质分离操作化工生产中常见的传质分离操作蒸馏（精馏）蒸馏（精馏）吸收与解吸吸收与解吸液液萃取液液萃取吸附吸附干燥干燥膜分离膜分离热扩散热扩散2 传质过程分析传质过程分析分子扩散分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存：在静止或滞流流体内部，若某一组分存 在浓度差，则因分子无规则的热运动使在浓度差，则因分子无规则的热运动使 该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。这种现象称为分子扩散。2-1 双组份混合体系中的分子传质过程双组份混合体系中的分子传质过程扩散通量扩散通量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 面积扩散的物质量，面积扩散的物质量，J表示，表示，kmol/(m2s)。菲克定律菲克定律：温度、总压一定，组分：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一在扩散方向上任一 点处的扩散通量与该处点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。的浓度梯度成正比。NA,0组分组分A扩散通量（扩散速率），扩散通量（扩散速率），mol/（m2s）；）；组分组分A在扩散方向在扩散方向l上的浓度梯度（上的浓度梯度（mol/m3）/m；Addcl DAB组分组分A在在B组分中的扩散系数，组分中的扩散系数，m2/s。负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿 着浓度降低的方向进行着浓度降低的方向进行 AA,0ABddcNDl 理想气体：理想气体：RTpcAA AddclAd1dpRTl=ABAA,0ddDpNRTl 分子扩散两种形式分子扩散两种形式：等物质的量反向扩散，单向扩散：等物质的量反向扩散，单向扩散（组分（组分A通过静止组分通过静止组分B的扩散）。的扩散）。NANBT PpA2pB2T PpA1pB1121.等摩尔逆向扩散等摩尔逆向扩散等物质的量反向扩散：任一截面处两个组分的扩散等物质的量反向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。速率大小相等，方向相反。ABAA,0ddDpNRTl BABB,0ddDpNRTl BpppA总压一定总压一定 Addpl=Bddpl NA,0=NB,0 DAB=DBA=D 等物质的量反向扩散等物质的量反向扩散传质通量传质通量（传质速率方程）传质速率方程）传质通量定义：任一固定的空间位置上，传质通量定义：任一固定的空间位置上，单位时间单位时间 内通过单位面积的物质量，记作内通过单位面积的物质量，记作N,mol/(m2 s)。NA=AA,0ddpDNRTl 气相：气相：AA1A2()DNcclN NA A=AA,0ABddcNDl AA1A2()DNppRTl液相：液相：讨论讨论1 1）21AAAppN2 2）组分的浓度与扩散距离）组分的浓度与扩散距离z z成直线关系。成直线关系。3 3）等分子反方向扩散发生在）等分子反方向扩散发生在蒸馏蒸馏过程中。过程中。p pp pB1B1p pA1A1p pA2A2p pB2B2扩散距离扩散距离l0 0lp p12NA0NB0NMcA/cNMcB/cNMNA（1）整体移动：因溶质扩散）整体移动：因溶质扩散 到界面溶解于溶剂中，造到界面溶解于溶剂中，造 成界面与主体的微小压差，成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流使得混合物向界面处的流 动。动。（2 2）整体移动的特点：）整体移动的特点：1）因分子本身扩散引起的宏观流动。）因分子本身扩散引起的宏观流动。2）A、B在整体移动中方向相同，流动速度正比于摩在整体移动中方向相同，流动速度正比于摩尔尔 分率。分率。2.单方向扩散（组分单方向扩散（组分A通过静止组分通过静止组分B的扩散）的扩散）,cNNcAA MM,cNNcBB MMAA,0A,MA,0,AAABB MBBcdcc dcNNNNNDDcdlcdl BB,0B,MB,MB,00BdcNNNNNDdl AAAddcDcNccl 微分式微分式,NcNcBA MAB MAAddAAAAdccdccDcDDdlccdlccl 在气相扩散在气相扩散 RTpcAA RTpc AAAd()dpDpNRT ppl B2AB1lnpDpNRTlp积分式积分式AA1A2Bm()DpNppRTlp积分式积分式B1B2B1B2Bmlnppppp B2B1BmB2B1lncccccAA1A2Bm()DcNcclc积分式积分式液相：液相：（4）讨论）讨论1）组分）组分A的浓度与扩散距离的浓度与扩散距离l为指数关系为指数关系 Bmpp2）Bmcc、漂流因子漂流因子，无因次无因次 漂流因子意义漂流因子意义：其大小反映了整体移动对传质速率的影：其大小反映了整体移动对传质速率的影 响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩 散增大的倍数。散增大的倍数。1Bm ppBm1cc漂流因子的影响因素：漂流因子的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。，总体流动的影响小。3）单向扩散体现在）单向扩散体现在吸收吸收过程中。过程中。扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映 某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常 数之一；数之一；D，m2/s。D的影响因素：的影响因素：A、B、T、P、浓度、浓度D的来源：查手册；半经验公式；测定的来源：查手册；半经验公式；测定3、分子扩散系数、分子扩散系数（1）气相中的）气相中的D范围：范围：10-510-4m2/s 经验公式经验公式 D pDTpTDpTfD )(75.1，（2）液相中的）液相中的D范围：范围：10-1010-9m2/s D DTTDTfD )(，2-2 对流传质过程（对流扩散）对流传质过程（对流扩散）涡流扩散：流体作涡流扩散：流体作湍流运动湍流运动时，若流体内部时，若流体内部 存在浓度梯度，流体质点便会靠存在浓度梯度，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。向传递，这种现象称为涡流扩散。AAddEEcNDl 涡流扩散通量：涡流扩散通量：AEN涡流扩散速率，涡流扩散速率，kmol/(m2s)；eD涡流扩散系数，涡流扩散系数，m2/s。注意注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性：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常数，其值与流体流动状态及所处的位置有 关关。总扩散通量：总扩散通量：AAddecN(DD)l TTWtWt热流体热流体冷流体冷流体pAGpAicAicAL气相气相液相液相zTztlGlLE单相内对流传质的单相内对流传质的有效膜模型有效膜模型单相内对流传质过程单相内对流传质过程1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分 子扩散，溶质子扩散，溶质A的浓度梯度较大，的浓度梯度较大，pA随随l的的 变化较陡。变化较陡。2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，溶质浓度均一化，pA随随l的变化近似为水的变化近似为水 平线。平线。3）过渡区：分子扩散）过渡区：分子扩散+涡流扩散，涡流扩散，pA随随l的的 变化逐渐平缓。变化逐渐平缓。有效膜模型有效膜模型 单相对流传质的传质单相对流传质的传质阻力阻力全部集中在一层全部集中在一层虚虚拟的膜拟的膜层内，膜层内的传质形式层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散仅为分子扩散。有效膜厚有效膜厚lG由层流内层浓度梯度线延长线与流由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点体主体浓度线相交于一点E，则厚度，则厚度lG为为E到相界到相界面的垂直距离。面的垂直距离。AAGAiGBmDpN(pp)RTl p )(iAAGGAppkN GGBmDpkRTl p 以分压差表示推动力的气膜传质分系数，以分压差表示推动力的气膜传质分系数，kmol/（m2skPa）。）。Gk=传质系数传质系数吸收的推动力吸收的推动力 AN气相传质速率方程气相传质速率方程气相对流传质速率方程有以下几种形式：气相对流传质速率方程有以下几种形式：)(iAAGGAppkN )(AiyyykN yk以气相摩尔分率表示推动力的气膜传以气相摩尔分率表示推动力的气膜传 质分系数，质分系数，kmol/（m2s）；）；各气相传质分系数之间的关系：各气相传质分系数之间的关系：pyp AGiipyp AGpkky 带入上式带入上式)(iAAGGAppkN 与与)(AiyyykN 比较比较AAiALLBm()D cNccl c)(ALiALAcckN LLBmD ckl c 液相传质速率方程有以下几种形式：液相传质速率方程有以下几种形式：)(AxxkNix )(ALiALAcckN 液相传质速率方程液相传质速率方程kL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜 对流传质分系数，对流传质分系数，kmol/（m2skmol/m3）；）；xk以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜 对流传质分系数，对流传质分系数，kmol/（m2s）；）；各液相传质分系数之间的关系：各液相传质分系数之间的关系：Lckkx 注意：注意：对流传质系数对流传质系数=f(操作条件、流动状态、物性）操作条件、流动状态、物性）2-3 两相间的传质模型两相间的传质模型相际对流传质三大模型：双膜模型相际对流传质三大模型：双膜模型 溶质渗透模型溶质渗透模型 表面更新模型表面更新模型（1）双膜理论双膜理论pAGpAicAicAL气相气相液相液相lGlLE双膜模型的基本论点（假设）双膜模型的基本论点（假设）（1）气液两相存在一个）气液两相存在一个稳定的相界面稳定的相界面，界面两侧存，界面两侧存 在稳定的在稳定的气膜和液膜气膜和液膜。膜内为。膜内为层流层流，A以以分子扩分子扩 散散方式通过气膜和液膜。方式通过气膜和液膜。（2）相界面相界面处两相达平衡，处两相达平衡，无扩散阻力无扩散阻力。（3）有效）有效膜以外膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以主体中，充分湍动，溶质主要以 涡流扩散涡流扩散的形式传质。的形式传质。双膜模型也称为双膜模型也称为双膜阻力双膜阻力模型模型