溶質(zhì)滲透模型

1、《化 工 原 理 2 》（下 冊）,天大 柴誠敬 主編教材,通過本章學習，應掌握傳質(zhì)與分離過程的基本概念和傳質(zhì)過程的基本計算方法，為以后各章傳質(zhì)單元操作過程的學習奠定基礎。,學習目的與要求,第七章 傳質(zhì)與分離過程概論,7.1 概述,7.1.1 傳質(zhì)分離過程,第七章 傳質(zhì)與分離過程概論,工程問題：混合物分離,概念：傳質(zhì)是體系中由于物質(zhì)濃度不均勻而發(fā)生的質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程（推動力為濃度差）。原因：體系中由于熵自動向最大值

2、移動，即趨向均勻（如果各部分溫度不均勻，會趨向一個平均溫度，如果濃度不均勻，也會趨向一個平均濃度）。種類：相內(nèi)傳質(zhì)和相際傳質(zhì)。 一般須有流體存在。實際中常有：氣-液系統(tǒng)；液-液系統(tǒng)；固-液系統(tǒng)之間的傳質(zhì)過程。,傳質(zhì)的概念與分類,二、相際傳質(zhì)過程與分離,分離過程,,非均相物系分離,均相物系分離,可通過機械方法分離，易實現(xiàn)分離。,不能通過簡單的機械方法分離，需通過某種物理（或化學）過程實現(xiàn)分離，難實現(xiàn)分離。,例 氣－固分離：沉

3、降,液－固分離：過濾,均相物系的分離方法,均相物系,,某種過程,兩相物系,根據(jù)不同組分在各相中物性的差異，使某組分從一相向另一相轉(zhuǎn)移：相際傳質(zhì)過程,,實現(xiàn)均相物系的分離,相際傳質(zhì)過程,,均相物系分離,二、相際傳質(zhì)過程與分離,,,,,,,空氣＋氨,水,空氣,氨水,示例：空氣和氨分離,吸收塔,二、相際傳質(zhì)過程與分離,按分離原理： 平衡分離：借助分離媒介（熱能、溶解、吸附 劑）使均相混合物變?yōu)閮上?，兩相中，各組分達到某種平衡，以各組分在

4、處于平衡的兩相中分配關系的差異為依據(jù)實現(xiàn)分離。 速率分離 ：借助推動力（壓力、溫度、點位差）的作用，利用各組擴散速度的差異，實現(xiàn)分離。,三、傳質(zhì)分離方法,相平衡狀態(tài)（概念）： ——如氣液相平衡,在一定的溫度和壓力下,氣液兩相之間達到平衡狀態(tài)時, 兩相組成 之間的關系稱為氣液平衡關系.,一定T和P,狀態(tài): 氣相、液相組成 動 態(tài)穩(wěn)定,三、傳質(zhì)分離方法,1.平衡分離過程,平衡狀態(tài)表示：平衡常數(shù)（分配系

5、數(shù)）,分配因子,通常將K值大的當作分子，故一般大于1。當偏離1時，便可采用平衡分離過程使均相混合物得以分離，越大越容易分離。,xi、yi分別表示組分在兩相中的組成,三、傳質(zhì)分離方法,三、傳質(zhì)分離方法,1.平衡分離過程,（1）氣液傳質(zhì)過程,氣液傳質(zhì)過程是指物質(zhì)在氣、液兩相間的轉(zhuǎn)移，它主要包括氣體的吸收（或脫吸）、氣體的增濕（或減濕）等單元操作過程。,吸收（脫吸）,增濕（減濕）,（2）汽液傳質(zhì)過程,汽液傳質(zhì)過程是指物質(zhì)在汽、液兩相間的轉(zhuǎn)

6、移，該汽相是由液相經(jīng)過汽化而得，它主要包括蒸餾（或精餾）單元操作過程。,蒸餾（精餾）,三、傳質(zhì)分離方法,（3）液液傳質(zhì)過程,液液傳質(zhì)過程是指物質(zhì)在兩個不互溶的液相間的轉(zhuǎn)移，它主要包括液體的萃取等單元操作過程 。,萃取,三、傳質(zhì)分離方法,（4）液固傳質(zhì)過程,液固傳質(zhì)過程是指物質(zhì)在液、固兩相間的轉(zhuǎn)移，它主要包括結晶（或溶解）、液體吸附（或脫附）、浸取等單元操作過程。,結晶（溶解）,吸附（脫附）,浸取,三、傳質(zhì)分離方法,（5）氣固傳質(zhì)過程,

7、氣固傳質(zhì)過程是指物質(zhì)在氣、固兩相間的轉(zhuǎn)移，它主要包括氣體吸附（或脫附）、固體干燥等單元操作過程。,干燥,吸附（脫附）,三、傳質(zhì)分離方法,2.速率分離過程 借助推動力（壓力、溫度、點位差）的作用，利用各組擴散速度的差異，實現(xiàn)分離。,（1）膜分離,膜分離是指在選擇性透過膜中，利用各組分擴散速度的差異，而實現(xiàn)混合物分離的單元操作過程。,膜分離,,超 濾,反滲透,滲 析,點滲析,三、傳質(zhì)分離方法,（2）場分離,場分離

8、是指在外場（電場、磁場等）作用下，利用各組分擴散速度的差異，而實現(xiàn)混合物分離的單元操作過程。,場分離,,電 泳,熱擴散,高梯度磁場分離,三、傳質(zhì)分離方法,3.分離方法的選擇,分離方法選擇的原則,三、傳質(zhì)分離方法,被分離物系的相態(tài),被分離物系的特性,產(chǎn)品的質(zhì)量要求,經(jīng)濟程度,7.1 概述,第七章 傳質(zhì)與分離過程概論,7.1.2 相組成的表示方法,,,兩元混合物,一、質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度,1.質(zhì)量濃度,質(zhì)量濃度定義式,混合物

9、的總質(zhì)量濃度,kg /m3,密度,2.物質(zhì)的量濃度,混合物的總物質(zhì)的量濃度,kmol /m3,一、質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度,物質(zhì)的量濃度定義式,質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度的關系,平均摩爾質(zhì)量,一、質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度,1.質(zhì)量分數(shù),質(zhì)量分數(shù)定義式,混合物的總質(zhì)量分數(shù),二、質(zhì)量分數(shù)與摩爾分數(shù),2.摩爾分數(shù),混合物的總摩爾分數(shù),液相,氣相,二、質(zhì)量分數(shù)與摩爾分數(shù),摩爾分數(shù)定義式,質(zhì)量分數(shù)與摩爾分數(shù)的關系,由質(zhì)量分數(shù)求摩爾分數(shù),由摩爾分數(shù)求質(zhì)

10、量分數(shù),二、質(zhì)量分數(shù)與摩爾分數(shù),1.質(zhì)量比,質(zhì)量比的定義式,質(zhì)量比與質(zhì)量分數(shù)的關系,三、質(zhì)量比與摩爾比,摩爾比的定義式,摩爾比與摩爾分數(shù)的關系,液相,氣相,三、質(zhì)量比與摩爾比,2.摩爾比,四、分壓與總壓,氣體A壓力Pa,氣體B壓力Pb,氣體A+B總壓P= Pa+Pb,+,=,對氣相混合物，組分分壓也代表組分量，用分壓計算常常很方便。,第七章 傳質(zhì)與分離過程概論,傳質(zhì)是體系中由于物質(zhì)濃度不均勻而發(fā)生的質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程（推動力為濃度差

11、）。,7.2 質(zhì)量傳遞的方式與描述,與熱量傳遞類似，質(zhì)量傳遞方式有分子傳質(zhì)（擴散）和對流傳質(zhì)兩種。,一、分子擴散現(xiàn)象與費克定律,1.分子擴散現(xiàn)象,由于分子的無規(guī)則熱運動而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象——分子傳質(zhì)。,分子傳質(zhì)又稱為分子擴散，簡稱為擴散,分子傳質(zhì)在氣相、液相和固相中均能發(fā)生,播放動畫31：分子擴散現(xiàn)象,7.2.1 分子傳質(zhì)（擴散）,描述分子擴散過程的基本定律——費克第一定律。,Kmol / (m2· s ),一、分子擴散

12、現(xiàn)象與費克定律,2.費克(Fick)定律,及,A B （P) (P),,在任一截面，A、B凈擴散通量為零：,一、分子擴散現(xiàn)象與費克定律,微分得,故此得,JA A(P) B (P) JB,,,,1、等分子反方向擴散,NA=－NB,二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散,因此得,N=NA+NB=0,故此得,等分子反方向擴散（兩容器溫度壓力相

13、同）,結合理想氣態(tài)方程，可得：,,,,,,,,A組分,B組分,,,,,PA,PB,分壓,,二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散,2.一組分通過另一停滯組分的擴散*,設由A、B兩組分組成的二元混合物中，組分A為擴散組分，組分B為不擴散組分（稱為停滯組分），組分A通過停滯組分B進行擴散。,NB＝0,,Y,NA,,——組分 B 的對數(shù)平均分壓,可推證得組分A傳質(zhì)通量為：,三、液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散*,1.等分子反方向擴散,參照氣體中的等分子反方向擴散過程，

14、可寫出,—組分A在溶劑B中的擴散系數(shù)，m2/s,三、液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散,參照氣體中的一組分通過另一停滯組分的擴散過程，可寫出,2.一組分通過另一停滯組分的擴散,或,三、液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散,其中,停滯組分 B對數(shù)平均物質(zhì)的量濃度,停滯組分 B對數(shù)平均摩爾分數(shù),四、擴散系數(shù),1.氣體中的擴散系數(shù),通常，擴散系數(shù)與系統(tǒng)的溫度、壓力、濃度以及物質(zhì)的性質(zhì)有關。對于雙組分氣體混合物，組分的擴散系數(shù)在低壓下與濃度無關，只是溫度及壓力的函數(shù)。氣

15、體擴散系數(shù)可從有關資料中查得，某些雙組分氣體混合物的擴散系數(shù)列于附錄一中。氣體中的擴散系數(shù)，其值一般在 m2/s 范圍內(nèi)。,（擴散通量=擴散系數(shù)×擴散推動力）,四、擴散系數(shù),估算氣體擴散系數(shù)經(jīng)驗公式,,福勒公式,,— 組分A、B的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；,— 組分A、B的分子擴散體積，cm3/mol。,四、擴散系數(shù),,簡單分子的擴散體積,,四、擴散系數(shù),,原子的擴散體積,,,四、擴散系數(shù),,,,—

16、 、 下的擴散系數(shù)，m2/s；,— 、 下的擴散系數(shù)，m2/s。,四、擴散系數(shù),2.液體中的擴散系數(shù),液體中溶質(zhì)的擴散系數(shù)不僅與物系的種類、溫度有關，而且隨溶質(zhì)的濃度而變。液體中的擴散系數(shù)可從有關資料中查得，某些低濃度下的二組元液體混合物的擴散系數(shù)列于附錄一中。液體中的擴散系數(shù)，其值一般在 m2/s 范圍內(nèi)。,四、擴散系數(shù),估算液體擴散系數(shù)經(jīng)驗公式,,威爾基公式,,— 溶劑 B 的摩爾質(zhì)量，

17、kg/kmol；,— 溶質(zhì)在正常沸點下的分子體積，cm3/mol。,— 溶劑 B 的黏度，Pa · s；,— 溶劑 B 的締合因子；,四、擴散系數(shù),常見溶劑的締合因子,,,四、擴散系數(shù),某些物質(zhì)在正常沸點下的分子體積,,,7.1 概述,第七章 傳質(zhì)與分離過程概論,7.2.1 分子傳質(zhì)（擴散）,7.2 質(zhì)量傳遞的方式與描述,7.2.2 對流傳質(zhì),1.渦流擴散,由于流體質(zhì)點的湍動和旋渦而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象—渦流擴散。,

18、渦流擴散在湍流流體中發(fā)生,一、渦流擴散現(xiàn)象,在渦流擴散中時刻存在分子擴散,渦流擴散的通量遠大于分子擴散的通量,2.渦流擴散通量方程,—渦流擴散系數(shù)，m2/s,kmol/(m2· s ),一、渦流擴散現(xiàn)象,描述渦流擴散通量的方程為,渦流擴散通量,1.對流傳質(zhì)的類型,運動流體與固體表面之間，或兩個有限互溶的運動流體之間的質(zhì)量傳遞過程—對流傳質(zhì)。,二、對流傳質(zhì),對流傳質(zhì),,自然對流傳質(zhì),,強制層流傳質(zhì),強制湍流傳質(zhì),√,強制對流傳

19、質(zhì),√,2.對流傳質(zhì)的機理,所謂對流傳質(zhì)的機理是指在傳質(zhì)過程中，流體以哪種方式進行傳質(zhì)。研究對流傳質(zhì)速率需首先弄清對流傳質(zhì)的機理。,層流內(nèi)層,緩沖層,湍流中心,流體與管壁間的濃度分布,二、對流傳質(zhì),湍流主體,,層流內(nèi)層,緩沖層,傳質(zhì)機理：分子傳質(zhì),傳質(zhì)機理：渦流傳質(zhì)為主,,,濃度分布：為一陡峭直線,傳質(zhì)機理,濃度分布：為一漸緩曲線,,濃度分布：為一平坦曲線,,分子傳質(zhì),渦流傳質(zhì),在與壁面垂直的方向上分為三層,二、對流傳質(zhì),2.對流

20、傳質(zhì)速率方程,描述對流傳質(zhì)的基本方程—對流傳質(zhì)速率方程。,—對流傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·s·△c),kmol/(m2· s ),二、對流傳質(zhì),—對流傳質(zhì)通量，kmol/(m2·s),—壁面處流體濃度，kmol/m3,—流體主體平均濃度，kmol/m3,7.1 概述,第七章 傳質(zhì)與分離過程概論,7.2.1 分子傳質(zhì)（擴散）,7.2 質(zhì)量傳遞的方式與描述,7.2.2 對流傳質(zhì),7.2.

21、3 相際間的傳質(zhì),一、相際間的對流傳質(zhì)過程,設組分 A從氣相傳遞到液相（如吸收），該過程由以下3步串聯(lián)而成：,① 組分A從氣相主體擴散到相界面；,② 在相界面上組分A由氣相轉(zhuǎn)入液相；,③ 組分A由相界面擴散到液相主體。,一般來說，相界面上組分A從氣相轉(zhuǎn)入液相的過程很快，相界面?zhèn)髻|(zhì)阻力可以忽略。因此，相際間傳質(zhì)的阻力主要集中在氣相和液相中。若其中一相傳質(zhì)阻力較另一相大得多，則另一相傳質(zhì)阻力可以忽略，此種傳質(zhì)過程即稱之為“該相控制”。,一

22、、相際間的對流傳質(zhì)過程,相際間的傳質(zhì),,,,,氣相主體,液相主體,相界面,,,,,,,溶解,氣相擴散,液相擴散,二、相際間對流傳質(zhì)模型,相際傳質(zhì)機理：1.雙膜模型,惠特曼(Whiteman) 于1923年提出，最早提出的一種傳質(zhì)模型。,播放動畫32：雙膜模型,,雙膜模型的要點：,(1) 相互接觸的兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側各存在著一個很?。ǖ刃Ш穸确謩e為 zG和 zL）的流體膜層（氣膜和液膜）。溶質(zhì)以分子擴散方式通過此兩膜

23、層。,(2) 溶質(zhì)在相界面處的濃度處于相平衡狀態(tài)。無傳質(zhì)阻力。,(3) 在膜層以外的兩相主流區(qū)由于流體湍動劇烈，傳質(zhì)速率高，傳質(zhì)阻力可以忽略不計，相際的傳質(zhì)阻力集中在兩個膜層內(nèi)。,,,,,氣相主體,液相主體,相界面,,,,,,,p,,,,,zG,zL,,,,,pi,ci,c,氣膜,液膜,pb,cb,,雙膜理論將復雜的相際傳質(zhì)簡單化了，該理論提出的雙阻力概念，即認為傳質(zhì)阻力集中在相接觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計的概念，在傳質(zhì)過

24、程的計算中得到了廣泛承認，仍是傳質(zhì)過程及設備設計的依據(jù)； 由此理論所得的傳質(zhì)系數(shù)計算式形式簡單，但等效膜層厚度 ?1 和 ?2 以及界面上濃度 pi 和 ci 都難以確定；雙膜理論主要適于有固定界面和系統(tǒng)速度不高的傳質(zhì)過程，因此也存在著較大的局限性，例如對具有自由相界面或高度湍動的兩流體間的傳質(zhì)體系，相界面是不穩(wěn)定的，因此界面兩側存在穩(wěn)定的等效膜層以及物質(zhì)以分子擴散方式通過此兩膜層的假設都難以成立；本書后續(xù)部分將以該理論為討

25、論問題的基礎。,依據(jù)雙膜模型，組分A通過氣膜、液膜的擴散通量方程分別為:,二、相際間對流傳質(zhì)模型,設對流傳質(zhì)速率方程分別為,比較得,氣膜對流傳質(zhì)系數(shù),液膜對流傳質(zhì)系數(shù),二、相際間對流傳質(zhì)模型,根據(jù)雙膜模型，導出,停滯膜模型的模型參數(shù),液膜厚度 zL,氣膜厚度 zG,,∝,二、相際間對流傳質(zhì)模型,∝,或,2.溶質(zhì)滲透模型*,希格比( Higbie )于1935年提出，為非穩(wěn)態(tài)模型。,溶質(zhì)滲透模型示意圖,二、相際間對流傳質(zhì)模型,播放

26、動畫33：溶質(zhì)滲透模型,溶質(zhì)滲透模型的要點,① 液面由無數(shù)微小的液體單元所構成，當氣液兩 相相互接觸時，液相主體中的某些單元運動至 相界面便停滯下來。在氣液未接觸前，液體單 元中溶質(zhì)的濃度和液相主體的濃度相等，接觸 開始后，相界面處立即達到與氣相平衡狀態(tài)。,② 隨著接觸時間的延長，溶質(zhì) A通過不穩(wěn)態(tài)擴 散方式不斷地向液體單元中滲透。,二、相際間對流傳質(zhì)模型,③ 液體單元在界面處暴露的時間

27、是有限的，經(jīng) 過時間θc后，舊的液體單元即被新的液體單 元所置換而回到液相主體中去。在液體單元 深處，仍保持原來的主體濃度不變。,④ 液體單元不斷進行交換，每批液體單元在界 面暴露的時間θc 都是一樣的。,二、相際間對流傳質(zhì)模型,根據(jù)溶質(zhì)滲透模型，可導出,二、相際間對流傳質(zhì)模型,設對流傳質(zhì)速率方程分別為,比較可得,溶質(zhì)滲透模型的模型參數(shù),暴露時間,,∝,二、相際間對流傳質(zhì)模型,3.表面更新模型 *,丹克

28、沃茨(Danckwerts) 于1951年提出，為非穩(wěn)態(tài)模型。,表面更新模型的要點,① 溶質(zhì)向液相內(nèi)部傳質(zhì)為非穩(wěn)態(tài)分子擴散過程。,② 界面上液體單元有不同的暴露時間或稱年齡，界 面上各種不同年齡的液體單元都存在。,③ 不論界面上液體單元暴露時間多長，被置換的概 率是均等的。單位時間內(nèi)表面被置換的分率稱為 表面更新率，用符號S 表示。,二、相際間對流傳質(zhì)模型,根據(jù)表面更新模型，可導出,二、相際間對流傳質(zhì)模型,設對流傳

29、質(zhì)速率方程分別為,表面更新模型的模型參數(shù),表面更新率,,比較可得,∝,二、相際間對流傳質(zhì)模型,7.1 概述,第七章 傳質(zhì)與分離過程概論,7.3.1 傳質(zhì)設備的分類與性能要求,7.2 質(zhì)量傳遞的方式與描述,7.3 傳質(zhì)設備簡介,一、傳質(zhì)設備的分類,傳質(zhì)設備,,氣液傳質(zhì)設備,按所處理物系相態(tài)分類,液液傳質(zhì)設備,氣固傳質(zhì)設備,液固傳質(zhì)設備,傳質(zhì)設備,,按兩相的接觸方式分類,逐級接觸式設備,微分接觸式設備,按促使兩相混合與接觸動力

30、分類,傳質(zhì)設備,,無外加能量式設備,有外加能量式設備,二、傳質(zhì)設備的性能要求,單位體積中，兩相的接觸面積應盡可能大,對傳質(zhì)設備的基本要求,兩相分布均勻，避免或抑制溝流、短路及返混等 現(xiàn)象發(fā)生,流體的通量大，單位設備體積的處理量大,流動阻力小，運轉(zhuǎn)時動力消耗低,操作彈性大，對物料的適應性強,結構簡單，造價低廉，操作調(diào)節(jié)方便，運行安全 可靠,7.1 概述,第七章 傳質(zhì)與分離過程概論,7.3.1 傳質(zhì)設備的分類與性能要求,7

31、.2 質(zhì)量傳遞的方式與描述,7.3 傳質(zhì)設備簡介,7.3.2 典型的傳質(zhì)設備,一、板式塔,板式塔為逐級接觸式的氣液傳質(zhì)設備，它主要由圓柱形殼體、塔板、溢流堰、降液管及受液盤等部件構成。,板式塔的結構,1. 殼體2. 塔板3. 溢流堰4. 受液盤5. 降液管,板式塔,,液相,連續(xù)相,汽相,分散相,二、板式塔,篩孔塔板示意圖,1. 篩孔2. 鼓泡層3. 泡沫層4. 降液管,填料塔為連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設備，它主要由圓

32、柱形殼體、液體分布器、填料支承板、塔填料、填料壓板及液體再分布裝置等部件構成。,1.塔殼體；2.液體分布器；3.填料壓板；4.填料；5.液體再分布器；6.填料支承板。,填料塔結構示意圖,填料塔,,液相,連續(xù)相,氣相,分散相,二、填料塔,與板式塔相比，填料塔具有以下特點：,生產(chǎn)能力大,側線進料和出料較難,壓力降小，持液量小,操作彈性大,分離效率高,造價較高,易堵塞,二、填料塔,練 習 題 目,思考題,1.傳質(zhì)分離過程有哪些類