化学工程基础第4章传质分离基础分析
第4章传质基础副本
在气相中，用分压表示组分的含量
Dp N A RTl G pB,m ( p A p A,i )
在液相中，用摩尔浓度表示组分的 含量
NA
D lL
cM cB,m
(c A,i
cA)
lG，lL虽为虚构膜层厚度，但也有其物理意义。流体的湍 动越强烈，层流越薄，膜层厚度越小，传质阻力小，传
质通量大。
习题
三、传质的速度与通量
相界面
气相（A＋B） 液相 S
N A,0
主体 N A, m 流动 N B, m
NA NB 0
N B,0
示例：用水吸收空气中的氨
物料系统内的分子扩散是由物 质浓度（或分压）差引起的分 子微观运动；总体流动是因系 统内流体主体与相界面处存在 总压差引起的流体流动的宏观 运行，其起因还是分子扩散。 总体流动是一种分子扩散的伴 生现象。在总体流动的流体中 组分A和组分B的量与各自在混 合气体中的分压成正比。
依下式可以从已知的温度和压力时气体物系的扩散系 数来推算温度为T和压力为P时该物系的扩散系数：
估算在20℃和1.013×10-5Pa下CO2在空气中的扩散系数。 解：设A组分为CO2，B组分为空气
ΣVA = 26.9×10-6m3.Mol-1 ΣVB =20.1×10-6m3.Mol-1 Mr，A=44 Mr，B=29 T=273+20=293K
相界面 pi
水 液相主体
液相（乙醇-水）
传质方向 Ci
CL
蒸馏
空气+氨气 吸收
§ 2 传质过程机理 --------物质从一相主体通过相界面向另一相
主体的扩散
分离
均 相 非 均
混 相
合物 混合物
加 入 另 外 一 种 物 质 作 为分 离 剂 方 法加 入 能 量
化学工程基础：第四章 传质过程
NA
pA,1 pA,2 RTZp Bm
推动力 阻力
Dp
单方向扩散的传质速率与溶质的分压差成正比，与 温度、扩散距离和惰性组分的对数平均分压成反比
若用组分浓度代替分压
Dc
NA
Z
cBm
(c A1
cA2)
cBm
cB,2 ln
cB,1 cB,2
cB.1
▪一般说来，液相中的扩散速度远远小于气相中的扩散 速度。
2.单向扩散及速率方程
单方向扩散：A.B双组 分气体混合物，如果 组分A溶解于液相，而 组分B不溶，那么吸收 过程是组分A的单方向 扩散
图4
界面 图5
总体流动：因溶质Ａ扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与 主体的微小压差，促使混合气体向界面流动,流动通量表示为 NM
对于组分B:在整体流动时，使相界 面上组分B的浓度增加，导致组分B 从相界面向流体主体作反方向扩散
因引起质量的传递
联通管中的传质速率就等于
分子扩散通量，根据费克定律
N A,0
DAB
dcA dz
N B,0
DBA
dcB dz
定常态扩散条件下，双组分混合物系各处总浓度相等，即
cM cA cB const
若分子扩散发生在两组分气相混合物或两组分性质相似
的液相混合物时
DAB DBA D
cM cA cB const
水，最初水面离上端管口的距离为0.125m，迅速向
上部横管中通入干燥的空气（空气流量达到足以保
证被测气体在管口的分压大致为零）压力为
101.3kPa。实验中测得经290h后，管中的水面离上
端管口距离增加到0.150m，求水蒸气在空气中的扩
散系数
化学工程基础复习资料总结
《化学工程基础》复习资料化学与化工学院应用化学专业彭梦杰0815020219 第二章、流体流动与输送1、连续性假定：化学工程中所研究的液体流动规律，不论是液体分子的微观运动，还是流涕在生产装置内的整体机械运动，它都是由无数流体质点所组成的连续介质，因此可以取大量流体分子组成的微团为流体运动质点，并以这样的质点为研究对象。
2、理想流体：无黏性、在流动中不产生摩擦阻力的流体。
3、相对密度：物质密度与4℃纯水密度之比，用符号d表示，量纲为一。
4、平均密度：各组分密度与其相对体积分数乘积之和。
5、流体静力学方程应用：U行管压差计、微差压差计、液位计、液封。
6、流量：单位时间内通过导管任意横截面积的流体量为流量。
7、流速：单位时间内流体在导管内流过的距离称为流速。
8、流速的选择：建设投资费用和运行操作费用综合考虑经济流速。
9、稳态流动：在流体流动系统内，任一空间位置上的流量、流速、压力和密度等物理参数，只随空间位置的改变而改变，而不随时间变化的流动。
10、层流：管中流动流体的质点只沿管轴方向平行流动，而不作垂直于管轴的径向扰动。
（或称滞留）11、湍流：管中流动流体的质点相互扰混，使六题质点的流动速率和方向呈现不规则变化，甚至形成涡流。
（或称紊流）12、黏性：流体流动时，往往产生阻碍流体流动的内摩擦力的流动特性。
13、黏度：一般由实验测定，与压强关系不大，但受温度影响。
液体的黏度随温度的升高而减小，气体的黏度随温度的升高而增大。
单位1P=100cP=0.1Pa·s=0.1N·s·m-214、运动黏度：流体黏度μ与密度ρ之比，符号用ν表示，单位m2·s-115、边界层：壁面附近流速变化较大的区域，u=0~99%u，流动阻力主要集中在此区域。
16、主流区：流苏基本不变化，u≥98%u，流动阻力可忽略。
17、稳定段长度L：流体流动从管道入口开始形成边界层起直到发展到边界层在管道中心汇合为止的长度。
传质分离过程_绪论
WHY
Why Separate?
WHY
一般化工生产过程：
煤 石油 天然气 生物质
化 工 原 料 反应 分离
产 品
一、分离过程的地位
化工生产
反应（Reactive） 分离 萃取物 （Extractive Natural raw material） 配制（Formulation） 分离
分离
例1：乙烯水合生产乙醇
分离因子与1的偏离程度表示组分之间分离的难易程度。
当αij＝1时，两组分在两产品中的含量相同，无法实现分 离； 当αij接近1时，两组分在两产品中的含量相近，难以实现 分离； 当αij远离1时，两组分在两产品中的含量差别大，容易实 现分离。
减压
液体
挥发度 海水淡化生 （蒸汽压） 产纯水；吸 有较大差 收液的解吸。 别
精 馏
原料 相态： 汽、液 或汽液 混合物
分离媒介： 热量，有时 用机械功
同上
石油裂解气 的深冷分离； 苯、甲苯、 二甲苯的分 离。
V
吸 收 蒸 出
萃 取 或 共 沸 精 馏
原料 分离媒 相态： 介：
MSA
分离原 工业应 理： 用：
二、分离过程在清洁工艺中
的地位与作用
清洁工艺：生产工艺和防治污染有机的结 合，将污染物减少或消灭在工艺过程中。
——面向21世纪社会和经济可持续发展 的重大课题。
化学工业污染来源：
未回收的原料 未回收的产品 有用和无用的副产
原料中的杂质
工艺的物料省耗
废物最小化？
清洁工艺终合考虑：
●
合理的原料选择；
● 反应路径的清洁化； ● 物料分离技术的选择； ● 确定合理的流程和工艺参数。
化工基础 第四章 传质过程.
注意！传质速率方程式有多种形式（浓度的表示方法有多 种 传质推动力和相应的传质系数）。传质比传热更复杂。
• 作业 • 1.2.3.4
kL
DL
L
c csm
N A p A1 p A 2
1
推动力 阻力
kG
N A cA1 cA 2
1
推动力 阻力
kL
过 程 进 行 的 速 率
推动力 阻力
显然，若流体气体中的湍流愈激烈Re，则δ ，传质阻力也 愈小，即1/k。
传质速率方程式能否用于计算？ (cA1-cA2)可求，但k=?（同传热的，k取决于流体物性、流动 状况等因素）实验测定经验公式（下一章）。
RT p p dl A
利用边界条件积分后
因整体流动而产生的传递速率分别为 :
N
D
ln
p p Ai
Dp ln Bi
N
N cA 和N
N
c B
A,M
Mc
B,M
Mc
A RTl p p RTl p
A1
B1
由于 p pA1 pB1 pA2 pB2 pA1 pA2 pB2 pB1
对流扩散
N D D dcA
AB
E dz
层流：D占主要地位； 湍流：DE占主要地位。
DE——涡流扩散系数。非物性常数，与湍动程度有关，且与流体 质点所处位置有关，很难测定。 D——扩散系数。在温度压力不变时为Const.
对流传质
膜模型
c cA1 F
层流底层 （DE ≈ 0，分子扩散）
作用物
流体分子
流体质点
作用方式
第四章 传质分离基础..
杂质 原料 分离操作 废气 反应过程 循环 副产品 分离操作 产品
废水 分离操作 洁净水
污染物(循环)
4-1 传质分离过程
4-1.1 分离与人类的关系
人体内的肾小球 自来水、纯净水 海水的淡化 石油的常减压蒸馏 工业废气中的有害气体 原料的预处理
(2)传质过程的方向和极限
分析氨和空气的气体混合物与水在一恒温、恒压的容器中进行 两相接触的传质过程。易溶于水的氨会向液相传递，氨分子跨过相 界面进入水中，同时，水相中的氨分子也会有一部分返回到气相中。 如两相的量一定，随着过程的进行，气相中的氨浓度会逐渐减小， 由气相进入液相的氨分子的速率也逐渐减小，而液相中的氨浓度逐 渐增加，由液相返回气相的氨分子的速率也逐渐增加。经过一段时 间后，由气相进入液相的和液相返回气相的氨分子的速率会达到一 致。同时，各相内氨分子的浓度由于扩散的作用也达到了均匀一致。 此时，体系处于动态平衡状态，两相的浓度不再变化，从宏观上看， 物质的传递已经停止。 如果保持相同的温度和压力，向容器中注入氨气和水，或者直 接改变温度或压力，上述动态平衡将会被破坏，但再经过一定的时 间后，体系又可达到新的动态平衡。 由此，我们可得出相间传质和相际平衡所共有的几点规律。
①一定条件下，处于非平衡状态的两相体系内组分会自发地 进行旨在使体系的组成趋于平衡态的传递。经足够长的时间，体 系最终将达到平衡状态，此时相间没有净的质量传递； ②条件的改变可破坏原有的平衡状态。如改变后，条件保持 恒定，一定时间后，体系又可达到新的平衡。平衡体系的独立变 量数(或称自由度)由相律所决定；对于氨、空气和水的体系，有： f=k–Ф+2 = 3 – 2 +2 = 3 ③在一定条件下(如：温度、压力)，两相体系必然存在着一 个平衡关系。 相平衡关系主要依靠实验测定，很多体系的平衡数据可从有 关手册中查到。还有许多描述两相之间浓度关系的方程，例如： 亨利定律(Henry)和拉乌尔定律(Raoult)等。
传质分离过程教学设计 (2)
传质分离过程教学设计一、背景简介传质分离是化工工程中常见的一种分离工艺，其原理是利用不同物质在不同介质中扩散或渗透速率不同的差异，实现物质分离。
本教学设计旨在通过理论基础讲解、计算实例演练和实验操作等方式，提高学生对传质分离过程的理解和掌握能力。
二、教学目标1.了解传质分离的基本概念和基本原理。
2.学习传质分离的计算公式及其应用。
3.掌握传质分离实验中的相关操作方法和注意事项。
4.提高学生的实验操作能力和数据处理能力。
三、教学内容1. 传质分离的基本概念和基本原理讲解内容包括：1.传质分离的定义和分类。
2.传质分离的基本原理和影响因素。
3.传质分离的术语及其含义。
4.传质分离在工业生产中的应用。
2. 传质分离的计算公式及其应用讲解内容包括：1.基于质量守恒和物质平衡的传质方程。
2.浓度梯度与传质速度的关系。
3.不同传质形式的计算公式及应用。
4.传质分离过程的计算实例讲解。
3. 传质分离实验的相关操作方法和注意事项讲解内容包括：1.实验室安全和操作规范。
2.实验中使用的设备和试剂。
3.实验中涉及到的数据采集和处理方法。
4.实验结果的分析和讨论。
4. 实践环节在教学过程中，安排学生参与传质分离实验操作，并让学生使用已学知识对实验数据进行分析和处理。
通过实践环节，让学生加深对传质分离原理的理解和实验技能的掌握。
四、教学方法采用多种教学方法，包括：1.讲授法：通过PPT讲解、实例演示等方式传达知识点。
2.互动讨论：鼓励学生在教学过程中参与课堂讨论，提高学生的思辨和创新能力。
3.实验操作：安排学生参与传质分离实验操作，提高学生的实验操作技能和数据处理能力。
4.评估反馈：通过考试、实验报告等方式对学生进行评估，及时调整教学进度和方式。
五、教学评估1.考试：考查学生对传质分离原理和应用方面的掌握能力。
2.实验报告：对学生实验数据处理和结果分析能力进行评估。
3.课堂表现：包括学生参与度、提问能力和思考能力等方面的评估。
化学工程中的传质过程分析与计算方法
化学工程中的传质过程分析与计算方法传质过程是化学工程中至关重要的一部分，涉及物质从一个相态传递到另一个相态的过程。
在化学工程的设计和优化中，准确地分析和计算传质过程的速率和效率至关重要。
本文将介绍化学工程中传质过程的基本原理和常用的分析与计算方法。
一、传质过程的基本原理传质过程主要涉及物质的扩散、对流和反应等现象。
扩散是指物质分子在浓度梯度驱动下由高浓度区向低浓度区传递的过程。
对流是指由于流体的运动而导致物质传递的现象，可以进一步分为属于流体本身的动量传递和物质传递。
反应是指物质在传递过程中发生化学反应，形成新的物质。
二、传质过程的计算方法1. 扩散通量计算方法在扩散过程中，物质的传递速率可以通过计算扩散通量来确定。
扩散通量是指通过单位截面积在单位时间内传递过的物质的量。
根据菲克定律，扩散通量可以通过以下公式计算：J = -D∙∇C其中，J为扩散通量，D为扩散系数，∇C为浓度梯度。
2. 对流传质计算方法对流传质过程中，物质的传递速率与流体速度和浓度梯度有关。
常用的计算方法包括阻力和质量传递的计算，以及对流传质的计算模型（如Sherwood数、雷诺数等）。
3. 反应速率计算方法在传质过程中，物质的转化速率与化学反应有关。
根据反应动力学理论，可以利用反应速率方程来计算反应速率。
根据不同的反应类型和反应机理，反应速率方程可以采用不同的形式，如一级反应、二级反应等。
4. 多组分传质计算方法在实际应用中，传质过程往往涉及多个组分的传递。
此时，需要考虑组分之间的相互作用和竞争。
常用的计算方法包括质量守恒方程和组分平衡方程的联立求解，以及利用吉布斯自由能和互相作用系数等的方法。
三、传质过程分析与优化传质过程分析和优化是化学工程的核心任务之一。
通过合理的传质过程分析，可以确定传质速率和效率的影响因素，为优化设计提供依据。
常用的分析方法包括流体力学模拟、传质速率计算、实验测量和模型拟合等。
通过这些方法，可以准确地分析传质过程中的瓶颈和优化空间，提高工艺的效率和经济性。
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在含有两个或两个以上组分的混合体系 中，若有浓度梯度存在，某以组分（或某些 组分）将由高浓度区向低浓度区移动，该移 动过程称为传质过程 。
传质过程可以在单相中进行，也可以 是在两相中进行。
两相间传质是分离过程的基础
1、传质分离过程
1-1 分离与人类的关系
一般的化学工业中，用于分离提纯 的设备投资在产品生产的整个工艺中占 有较大的比例。例如，石油化学工业， 分离单元操作的设备投资占总投资的 50%~90%，而且用于分离的操作费用在 生产成本中也占有相当大的比重。
1-2 传质分离操作的种类
分离过程可分为机械分离和传质分离。 机械分离的对象是非均相的混合物料，利
用该混合物中组分间的密度、尺寸等物性差 异将其分离。（过滤、沉降、离心分离等）
传质分离过程是针对各种均相混合物料的 分离，如酒精与水德混合物的分离。
沉降
混合物分离操作
非均相混合物的分离
过滤 气体溶剂S
同时S不逆向通过（汽化）
对于截面F-F’：
扩散通量J A 传质通量
总体流动造成的传质通量 N A,b (bulk flow)
14
15
1. 总体流动
Nb
Nb(cA/c) Nb(cB/c)
2. A、B做等分子反方向扩散的传递运动
即 JA= - JB
3. 总体流动加快了A的传递速度 NA=JA+Nb(cA/c)
5、干燥 干燥指借热能使物料中水分（或溶剂）
汽化，并由惰性气体带走所生成的蒸汽而得 到干燥固体的操作。
6、膜分离 膜分离是以具有选择性分离功能的材料—
膜为分离介质，在膜的两侧存在一定能量差 （压力差、浓度差、电位差）作为动力，各 组分透过膜迁移率不同，从而达到分离的目 的。
7、热扩散 热扩散是利用温度梯度引起的物质扩散
D RT
dpA dz
积分：
D NA RTz (pA1 pA2 )
组分B 若为液相
D
NB
JB
RTz
pB1 pB2
D
N A z cA1 cA2
D NB z cB1 cB2
分压pA、 pB 沿扩散路径z的变化为直线函数
13
（二）一组分通过另一停滞组分的扩散（单向扩散）
如吸收：
含萃取剂的相称为萃取相，含萃 取剂较少的相称萃余相。
4、吸附 当某些固体多孔物质与流体（气体或液
体）接触时，流体中的某一或某些组分能以 扩散的方式从气相或液相进入固相，附着于 固体内、外表面上形成单分子层或多分子层 的过程，称为吸附。
被吸附的流体称为吸附质，多空固体物 质称为吸附剂。
物理吸附；化学吸附。
常见的传质分离操作：
1、蒸馏 分离液体混合物的单元操作。 过程：对混合液加热使混合液部分汽化
造成不平衡的气相和液相，利用各组分挥 发性的差异，使挥发性大的组分向气相的 净传递，挥发性小的组分向液相的净传递， 将混合液分离。
2、吸收与解吸 分离气体混合物的操作单元。 利用各组分在同一溶剂中的溶解度不同，
pB1
17
NA
Dp ln pB2 RTZ pB1
D RTZ
p pBm
(p A1
pA2 )
NAL
D z
L
c csm
cA1
cA2
与等摩尔相互扩散相比多了一个因子p/pBm——漂流因数。 漂流因数反映总体流动对传质速率的影响。
p/pBm>1 传质速率较大。 若pA p/pBm；反之pA p/pBm≈1
1、等物质量反向稳态扩散 如精馏
JA = - JB
又
JA
DAB RT
dpA dz
JB
DBA RT
dpB dz
对A、B二元物系，
P=pA+pB=Const.
11
12
DAB=DBA =D 传质速率（或传质通量）NA：单位时间通过单位固定 空间传质面积的物质量，kmol/(m2s)；
NA
JA
D
dcA dz
在混合气体中加入某种溶剂，使溶解度大 的组分向液相转移。
如果在吸收过程中伴有化学反应的， 称为化学吸收。
被吸收的气体从吸收剂中脱除的过 程，称为解吸。
3、液液萃取 分离液体混合物的单元操作。 在液体混合物种加入与其不想混溶
的选定的溶剂，形成不平衡的液液两 相，利用各组分在两液相中溶解度不 同而分离固定的组分。
18
3、分子扩散系数
分子扩散系数D表示物质单位浓度梯度下、通过 单位面积上的扩散速率，是物质的传递性质。
16
由于
p pA1 pB1 pA2 pB2
pA1 pA2 pB2 pB1
NA
pD RTz
( pA1 pB2
pA2 pB1
) ln
pB2 pB1
D
p
RTz
pB2
pB1
( pA1
pA2 )
ln pB2
令
pBm
pB2 pB1 ln pB2
pB1
,
B组分在界面与主体间的对数平均分压
推动力 浓度差物质传递 扩散快慢？
费克定律
表示扩散方向与浓度梯度方向相反
J A,z
DAB
dcA dz
A 在 B 中的扩散系数 m2/s
扩散通量，kmol/m2s
单位面积上单位时间内扩散传递的物质量
由上式可知，在总浓度c不变的情况 下，只要流体中存在组分的浓度梯度， 必然会产生分子扩散。
10
双组份混合物中气体分子扩散分为等 物质的量反向扩散和单向扩散。
以分离气体或液体混合物的一种特别的方法。
2、传质过程分析
9
一、双组份混合体系中的分子传质过程
扩散：物质在单一相内的传递过程 ➢ 流体中物质扩散的基本方式：
扩散方式 作用物
作用方式 作用对象
分子扩散 流体分子 热运动 静止、滞流
涡流扩散 流体质点 湍动和旋涡
湍流
➢ 分子扩散：物质依靠分子运动从浓度高的地 方转移到浓度低的地方。
液体精馏
液液萃取
混合物因组分的浓度差引起的质 量传递，称为传质。
传质中某组分的浓度梯度产生了 这种组分的驱动力（推动力）。
因为纯组分变成混合物是熵增加的自发 过程，所以将混合物分离需要对体系做功。
实际工程中分离均相混合物采取的手段 是：加入分离介质（能量或溶剂），形成 共存的但为不平衡的两相，让物质在两相 间传递。
4. 总体流动与B的扩散运动方向相反
NB=JB+Nb(cB/c) =0 B为停滞组分。
Nb
c cB
JB
c cB
JA
NA
JA
cA cB
JA
1
pA pB
JA
pA pB pB
JA
-
p
p - pA
D RT
dpA dz
积分得： NA
pD RTz
ln p pA2 p pA1
pD ln pB2 RTz pB1