化工原理授课提纲 7.传质与分离过程概述 §7.传质与分离过程概述 §71概述 传质过程 1.单相传质过程 在气相或液相中的物质传递 推动力:浓度差△C1 宏观上一分子或流体质点由于浓度的不同引起的迁移 微观上一分子的热运动产生的扩散 热力学基础一熵增加过程为自发过程。 平衡:体系内浓度均匀 2.多相传质过程 推动力:接触的两相不平衡 微观上一某相内分子的热运动引起物质具有离开相的趋向与分子之间作用力使分子保持 在相内的趋向的不平衡产生分子宏观离开或进入此相 平衡:两相达到相平衡 微观上一分子离开或进入某相的量相同一一动态平衡 (1)吸收 原理:气体分子在溶剂中溶解度差异气体 液体 气体液体 机理:气相传质→相界面→液相传质 B 过程:吸收十解吸 (2)蒸馏 原理:混合物中各组分挥发程度差异 相界面 相界面 机理:如图 图7-1:吸收机理 图7-2:蒸馏机理 组分B气相传质→相界面→液相传质 组分A液相传质→相界面→气相传质 轻组分A与重组分B的相对传质 (3)萃取 液体B液体S 原理:溶质在不同溶剂中溶解度差异 机理:如图, 溶质A:液相传质→相界面→液相传质 (4)干燥 相界面 原理:湿分在气固两相中分压的差异 图7-3:萃取机理 化学工程与工艺专业本科用
化工原理授课提纲 7. 传质与分离过程概述 化学工程与工艺专业本科用 7-1 §7. 传质与分离过程概述 §7.1. 概述 一. 传质过程 1. 单相传质过程 在气相或液相中的物质传递 z 推动力：浓度差 ∆Ci 宏观上 — 分子或流体质点由于浓度的不同引起的迁移； 微观上 — 分子的热运动产生的扩散； 热力学基础 — 熵增加过程为自发过程。 z 平衡：体系内浓度均匀 2. 多相传质过程 推动力：接触的两相不平衡 微观上 — 某相内分子的热运动引起物质具有离开相的趋向与分子之间作用力使分子保持 在相内的趋向的不平衡产生分子宏观离开或进入此相。 平衡：两相达到相平衡 微观上 — 分子离开或进入某相的量相同 ——动态平衡。 (1) 吸收 z 原理：气体分子在溶剂中溶解度差异 z 机理：气相传质→相界面→液相传质 z 过程：吸收＋解吸 (2) 蒸馏 z 原理：混合物中各组分挥发程度差异 z 机理：如图, 组分 B 气相传质→相界面→液相传质 组分 A 液相传质→相界面→气相传质 ～轻组分 A 与重组分 B 的相对传质 (3) 萃取 z 原理：溶质在不同溶剂中溶解度差异 z 机理：如图, 溶质 A：液相传质→相界面→液相传质 (4) 干燥 z 原理：湿分在气固两相中分压的差异 图7-1：吸收机理 图7-2：蒸馏机理 图7-3：萃取机理 气体 液体 A 相界面 气体 液体 B A 相界面 液体 B 液体 S A 相界面
化工原理授课提纲 7.传质与分离过程概述 机理:如图, 热:气相传热→固体导热→湿分汽化 气体 湿分:固体内部扩散→气相传质 (5)结晶~液固传质及平衡 热 (6)吸附~气固传质及平衡 湿份 多相传质过程特点 单相传质+相界面传质 相界面 图7-4:干燥机理 过程终点:相平衡 相组成表示法 1.质量分率与摩尔分率 质量分率:a=m/mm=∑m1每一相中∑a=1 某组分的质量占总质量的分率或百分比。 摩尔分率:x=nnn=∑n1∑x=1 某组分的摩尔数占总摩尔数的分率或百分比。 质量分率与摩尔分率的换算 n=m/M=aim/M m=∑n=m∑a/M a m 2M∑ m=n; MiXnMi xnM xnM xM 2.质量比与摩尔比 某组分对另一组分的质量或摩尔数之比。 质量比 摩尔比:X=n4/n a ·浓度换算:a= I+ x 化学工程与工艺专业本科用
化工原理授课提纲 7. 传质与分离过程概述 化学工程与工艺专业本科用 7-2 z 机理：如图, 热：气相传热→固体导热→湿分汽化 湿分：固体内部扩散→气相传质 (5) 结晶～液固传质及平衡 (6) 吸附～气固传质及平衡 z 多相传质过程特点： 单相传质＋相界面传质 过程终点：相平衡 二. 相组成表示法 1. 质量分率与摩尔分率 z 质量分率：ai=mi/m m=∑mi 每一相中 ∑ai=1 某组分的质量占总质量的分率或百分比。 z 摩尔分率：xi=ni/n n=∑ni ∑xi=1 某组分的摩尔数占总摩尔数的分率或百分比。 z 质量分率与摩尔分率的换算： ni=mi/Mi=aim/Mi n=∑ni=m∑ai/Mi x n n a m M m a M a M a M i i i i i i i i i i == = ∑ ∑ mi=niMi=xinMi ai= m m x nM x nM x M x M i ii i i i i i i = = ∑ ∑ 2. 质量比与摩尔比 某组分对另一组分的质量或摩尔数之比。 z 质量比：a m m A B = z 摩尔比：X=nA/nB z 浓度换算：a m m m m a a a a A B A B = == 1− → a a a = 1+ X= n n n n x x x x A B A B = = 1− → x X X = 1+ 图7-4：干燥机理 气体 固体 热 湿份 相界面
化工原理授课提纲 7.传质与分离过程概述 3.浓度:单位体积中物质量(包括质量和摩尔量) 质量浓度 摩尔浓度:C=" kmol/3 浓度换算: Ci=mi/v=aim/v=aip C=n/=xm/=xC(C=m→混合物的总摩尔浓度kmol/m3) 对于气体混合物: Ci=n/l-p /RT C=m/=Mmn∥=MD/RT 见Ps页 §7.2.扩散原理 单相传质:分子传质→分子扩散 涡流传质→涡流扩散 费克定律 主要讨论二元体系,即双组分扩散。 1.分子扩散 推动力:浓度差△AC 宏观上一分子以一定的速度由高浓度向低浓度区移动 微观上一分子的热运动 热力学基础一熵增过程。 ·阻力:扩散距离ΔZ、扩散横截面积S、分子特性、介质特性、P、T 2.费克定律Fck于1855年在实验的基础上总结的 当流体主体静止或层流流动时,组分A在与流动方向相垂直方向上扩散 J4=-D kmol/m--s 其中:J4~扩散通量 Da~A在B中扩散的扩散系数m2/s 影响因素:A、B分子特性、P、T 负号‘’~A的扩散方向与浓度梯度相反 气相扩散:设7=常数、理想气体 CA→p/RT 化学工程与工艺专业本科用
化工原理授课提纲 7. 传质与分离过程概述 化学工程与工艺专业本科用 7-3 3. 浓度：单位体积中物质量(包括质量和摩尔量) z 质量浓度： ci= m V i kg/m3 z 摩尔浓度：C n V i i = kmol/m3 z 浓度换算： ρ = m/V = ∑ci ( i =A、B、…) ci = mi/V =aim/V = aiρ Ci=ni/V=xin/V=xiC (C=n/V→混合物的总摩尔浓度,kmol/m3 ) 对于气体混合物： Ci= ni/V=pi/RT ci= mi/V =Mini/V =Mi pi/RT …… 见 P5 页。 §7.2. 扩散原理 单相传质：分子传质→ 分子扩散 涡流传质→ 涡流扩散 一. 费克定律 主要讨论二元体系,即双组分扩散。 1. 分子扩散 z 推动力：浓度差 ∆Ci 宏观上 — 分子以一定的速度由高浓度向低浓度区移动； 微观上 — 分子的热运动； 热力学基础 — 熵增过程。 z 阻力：扩散距离 ∆Z、扩散横截面积 S、分子特性、介质特性、P、T 2. 费克定律 Fick 于 1855 年在实验的基础上总结的 当流体主体静止或层流流动时,组分 A 在与流动方向相垂直方向上扩散 J D dC dZ A AB A = − kmol/m2 -s 其中： JA ～ 扩散通量; DAB～A 在 B 中扩散的扩散系数 m2 /s ; ～影响因素：A、B 分子特性、P、T; 负号‘-’～A 的扩散方向与浓度梯度相反。 气相扩散：设 T=常数、理想气体 CA =pA/RT
化工原理授课提纲 7.传质与分离过程概述 DaR dp rt dz 费克定律与傅立叶定律、牛顿粘性定律相似,与傅立叶定律不同之处在于导热过程介质相对 静止,而扩散过程分子迁移 维稳定分子扩散 维扩散:双向扩散~精馏 相界面 单向扩散~吸收、萃取… 等摩尔相互扩散 汽相液相 (1)物理模型 B 如图,在气相或液相取一体系 设:P、T一定 C PAl, CAL 且为连续稳态过程。 pB2, CB2 PBI, CBI 那么有: P=PaI+PBI=Pa2+PB2PA+PB 或 JB C=CaI+CBI=Ca+CB2=Ca+CB (2)数学模型 图7-5:等摩尔相互扩散 扩散通量与系数 相对于体系内任一截面S NEJA-JB=-NB 其中:负号表示A、B分子通过S面扩散方向相反,故S面被称为分子对称面,假如不符合上 式,将有主体流动存在。 而 那么:DB=DB产D仅取决于A、B分子特性及温度、压力 传质速率:对于稳定地、仅包含分子扩散的等摩尔双向传质过程有: 即:N=-D 化学工程与工艺专业本科用
化工原理授课提纲 7. 传质与分离过程概述 化学工程与工艺专业本科用 7-4 J D RT dp dZ A AB A = − 费克定律与傅立叶定律、牛顿粘性定律相似,与傅立叶定律不同之处在于导热过程介质相对 静止,而扩散过程分子迁移。 二. 一维稳定分子扩散 一维扩散：双向扩散 ～ 精馏 单向扩散 ～ 吸收、萃取… 1. 等摩尔相互扩散 (1) 物理模型 如图,在气相或液相取一体系 设：P、T 一定 且为连续稳态过程。 那么有： P=pA1+pB1 = pA2+pB2 =pA+pB 或 C=CA1+CB1=CA2+CB2=CA+CB 则： dC dZ dC dZ A B = − (2) 数学模型 z 扩散通量与系数： 相对于体系内任一截面 S J D dC dZ A AB A = − J D dC dZ B BA B = − NA=JA=–JB=–NB 其中：负号表示 A、B 分子通过 S 面扩散方向相反,故 S 面被称为分子对称面，假如不符合上 式，将有主体流动存在。 而： dC dZ dC dZ A B = − 那么：DAB=DBA=D 仅取决于 A、B 分子特性及温度、压力。 传质速率：对于稳定地、仅包含分子扩散的等摩尔双向传质过程,有： 即：NA=–D dC dZ A NA NA NB NB Z pA1,CA1 pB1,CB1 pA2,CA2 pB2,CB2 JB S JA B A 汽相 液相 相界面 图7-5：等摩尔相互扩散
化工原理授课提纲 7.传质与分离过程概述 积分:N4dZ=-DdC 得: 4I-CA2 D 同样:NB=(CB2CB1) 对于气相代入状态方程,有 RTZ ( PA1-Pa) RTZ 2.单向扩散 相界面 (1)扩散与总体流动 气相液相 如图,气相中只有A组分才能进入液相。当气液两相开始接触 时,靠近相界面的气相中的A分子首先溶解进液相形成浓度 梯度dCdz,同时形成反向浓度梯度-dCz,那么产生了气N 相中的扩散J及√/l。由于靠近相界面的气相中A、B组分进 JB 行相反的扩散,使总压降低在Z的两端产生微小压差AP,那么 形成传质方向上的总体流动N 图7-6:单向扩散机理 N' NxA N'B=NxB N P P 相界面 N’=P△Ng PI 气相液相 那么A组分的传质速率为 A B N'B=Jla(连续稳定过程) (2)气体单向扩散 PAL,CA pA2, CA2 如图:假设连续稳定过程且P、T恒定。 pBL CE p2, CB2 在S面附近取dZ(浓度变化的方向上) NEJ+N'FJ+PAN'B PA D JB 中4,PAD中 pa rt dz Z 假设在任意截面处都有:P=pA+Pn= constant 图7-7:单向扩散 化学工程与工艺专业本科用
化工原理授课提纲 7. 传质与分离过程概述 化学工程与工艺专业本科用 7-5 积分： ∫ ∫ = − 2 1 d d 0 A A C C A Z NA Z D C 得：NA= D Z (CA1-CA2) 同样：NB= D Z (CB2-CB1) 对于气相代入状态方程,有： NA= D RTZ (pA1–pA2) NB= D RTZ (pB2–pB1) 2. 单向扩散 (1) 扩散与总体流动 如图,气相中只有 A 组分才能进入液相。当气液两相开始接触 时,靠近相界面的气相中的 A 分子首先溶解进液相,形成浓度 梯度 dCA/dZ, 同时形成反向浓度梯度-dCB/dZ, 那么产生了气 相中的扩散 JA及-JB。由于靠近相界面的气相中 A、B 组分进 行相反的扩散,使总压降低,在 Z 的两端产生微小压差∆P,那么 形成传质方向上的总体流动 N。 N=N'A+N'B N'A=NxA N'B =NxB B A B A B A p p x x N N = = ′ ′ N'A= B A p p N'B 那么,A 组分的传质速率为： NA=JA+N'A N'B= -JB(连续稳定过程) (2) 气体单向扩散 如图：假设连续稳定过程且P、T 恒定。 在 S 面附近取 dZ (浓度变化的方向上)。 NA=JA+N'A=JA+ B A p p N'B = JA– B A p p JB =– dZ dp RT D p p dZ dp RT D B B A A + 假设在任意截面处都有：P=pA+pB=constant NA JA N'A N N' B JB 气相 液相 相界面 图7-6: 单向扩散机理 A,B A N NA JB Z pA1,CA1 pB1,CB1 pA2,CA2 pB2,CB2 JB S N+JA 气相 液相 相界面 图7-7：单向扩散