第八章 传质过程概论
传质过程概
2019年8月5日8时31分
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（一）气－液接触传质过程
气体吸收：利用气体混合物中的各组分在某种 溶剂中的溶解度不同而将各组分分离开来。
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（一）气－液接触传质过程
精馏：利用液体混合物中各组分饱和蒸汽压（或 沸点、挥发性）的差异而将各组分分离开来。
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（3）反应分离
借助于化学反应将某种物质从混合物中分 离出来或直接把它去掉的过程。
几种典型的反应分离过程如下表：
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分离种类 原料相
分离剂
可逆反应 可再生物 再生剂
不可逆反应 一 次 性 转 化 催化剂 物
分 生 物 分 生物体 解 解反应 反 电 化 学 电反应物 应 反应
二液相 溶解度 芳烃抽提
液或气 吸附平衡 活性炭吸附苯
离子交换 液 萃取蒸馏 液
树脂吸附剂 热+萃取剂
液
吸附平衡 水软化
汽+液 挥发度 恒沸物分离
结晶
液
热
液+固 溶解度 糖液脱水
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速率控制分离
它依据被分离组分在均相中的传递速率差异 而进行分离。 例如利用溶液中分子、离子等粒子的迁移速率、 扩散速率等的不同来进行分离。
引言
化工原理的下半部分主要介绍分离技术。先 看看分离过程的大致概况。
1 分离技术及其在过程工程中的意义
两种或多种物质的混合大多是一个自发过 程； 而要将混合物分开或将其变成产物，是反 自发过程，必须采用适当的分离手段（技术）并 耗费一定的能量或分离剂。
吉林大学食品工程原理第八章
（四）填料塔附件
1. 填料支承板 （1）直流式 （2）侧流式
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2. 液体淋洒装置
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3 液体再分布器
乱堆的填料实际上形成固定床，近壁处的流动阻力较
小，液体有趋向器壁流动的趋势。当填料层较高时，应将塔 分成几段，段与段之间设液体再分布器。 液体再分布器的作用是将流到塔壁近旁的液体重新汇 集并引向中央区域。
至界面便停滞下来，停留一段很短的时间后又回到流体主体中。在 界面停留时即与气体接触，发生传质。经过qc时间后，旧的流体微
元即被新的流体微元所置换而回到液相主体中去，同时即将溶质带
到液相主体。(2）流体微元不断进行交换，每批流体微元在界面暴 露的时间qc都是一样的。
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（三）表面更新模型
该模型同样认为溶质向液相内部的传质为非稳态分子
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（8）波纹填料
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（三）填料的特性及其数据
（1）比表面积 （2）空隙率 可以增大。 比表面积大，则能提供的相接触面积大。
同一种填料其尺寸愈小，则比表面积愈大。
空隙率大则气体通过时的阻力小，因而流量
（3）填料因子 定义为s/e3，是表示填料阻力及液泛条件的
重要参数之一。按干填料算出的s/e3值不能确切地表示填料 淋湿后的水力学性能，故把在有液体淋洒的条件下实测的相
（2）易为带异性电荷的吸附剂所吸附(极性吸附)；
（3）极性吸附还常伴有离子交换(交换吸附)。
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（一）吸附的基本概念
极性吸附：在电解质溶液中，能吸附离子，离子很容易 为带异性电荷的吸附剂所吸附。 交换吸附：在极性吸附中，吸附剂与溶液之间发生离子 交换现象，称为交换吸附。 物理吸附：固体物质表面有吸附能力，如果吸力的合力 是指向该相内部，则相表面便表现出收缩的能力，能 够吸住与它接触的另一相中的分子，这种由分子间引 力引起的吸附称为物理吸附。 活性吸附：如果吸附剂和吸附质分子之间发生相互作用， 生成某种结合物，就成为活性吸附。
8.2_传质过程导论
C
D
NA z
c c cAB11
A2
cA1
NB
DcB2 z
cB1 cB2
气相：
NA
D 0
RTz
pA1 pA2 扩散距离 z
NB
zcAR2 DTz
pB1 pB2
等分子反向扩散
二、等摩尔相互扩散及速率方程 长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering
讨论：
D N A z cA1 cA2
NA
D RTz
p
A1
pA2
(1) NA∝(cA1-cA2) NA∝(pA1-pA2)
（2）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。
（3）等分子反向扩散发生在蒸馏过程中。
汽 相(A+B) A
B
液 相(A+B)
三、单向扩散及速率方程
1.单相扩散
总体流动：气相主体中的 溶质A扩散到界面并溶解 于溶剂中，造成的空位由 混合气体填补，致使气相 主体与界面产生一小压差， 促使混合气体由气相主体 向界面处的流动。
NA
Nb
cB c
Nb
cA c
Nb
cB
cA c
Nb
NA
JA
Nb
cA c
D
dcA dz
NA
cA c
NA
Dc c cA
dcA dz
气相扩散:
cA
pA RT
c p RT
N
A
RT
D p
pA
dpA dz
D dpA 长江大学机械工程学院
School of Mechanical Engineering
三、单向扩散及速率方程 N A
第8章-(6)-液体吸附与离子交换
第8章液体吸附与离子交换吸附与离子交换都是相间传质过程，物质传递方向是由液相到固相。
1 液体吸附1.1 吸附作用和吸附剂1.1.1 吸附作用利用多孔固体颗粒选择性地吸附流体中的一个或几个组分，从而使流体混合物得以分离的单元操作。
分离的依据：各组分的吸附力不同。
吸附剂：具有吸附作用的物质；吸附质：被吸附的组分。
固相具有吸附能力的根本原因是固体表面分子处在一个不平衡力场中，也既是表面力在起作用。
物理吸附：吸附剂与吸附质之间的作用力仅为分子间引力的吸附；化学吸附：吸附剂与吸附质之间的作用力为化学键力的吸附。
物理吸附的特点：①放热过程；②吸附无选择性；③吸附速度快，易达平衡；④可以是多分子层吸附；⑤可逆过程，解吸容易。
化学吸附的特点：①放热过程；②吸附有选择性；③吸附速度慢，不易达平衡；④单分子层吸附；⑤解吸困难。
1．1．2 吸附剂及其性能吸附剂的来源：①天然矿产：活性白土、漂白土、硅藻土、凹凸棒等；②人工制品：活性炭、硅胶、活性氧化铝、分子筛、吸附树脂等。
食品工业中常用的吸附剂有：(1)活性炭包括粉末活性炭和颗粒活性炭两种。
(2)活性白土(3)硅胶包括球形、无定形、粉末状及加工成型四种。
(4)膨润土(5)分子筛(6)吸附树脂食品工业对吸附剂的要求主要有：①吸附量大；②选择性好。
一些常用吸附剂的性能见表8-1。
1．2 吸附理论1．2．1 吸附平衡(1)单组分吸附 吸附剂只选择性的吸附一个组分（溶质）。
可用等温吸附方程（弗氏方程）表示： n kC 1*=ω式中：ω-吸附质在固相中的浓度，kg 吸附质/kg 吸附剂；C *-吸附质与固相浓度成平衡的液相质量浓度，kg 吸附质/m 3。
k ，n-与吸附剂（质）性质、温度有关的常数。
一般n 在2～10之间易吸附，小于0.5时，吸附困难。
吸附浓度较低时，可用线性方程表示：*ω=kC参见下图，活性炭对醋酸（水容液）和苯甲酸（苯溶液）的吸附：从图中可以看出，吸附质不同，吸附平衡浓度不同；另外，浓度低时ω～C*基本为线性关系。
传质与分离过程概论
平衡分离过程（举例） 借助分离媒介（热能、溶剂、吸附剂）使均 相混合物系统变为两相体系，再以各组分在 平衡两相分配关系的差异为依据而实现分离。 属于相际传质过程。
速率分离过程（举例）
借助某种推动力（温度差、压力差、电位差） 的作用，利用各组分扩散速率的差异来实现混 合物分离的单元操作过程。物料和产品属同一 相态，仅有组成差别。
分子扩散现象 由于分子的无规则热运动而形成的物质传递 现象—分子传质 费克(Fick)定律 混合物的总体流动
J A D AB dc A dz
等分子反方向扩散（无总体流动）
一组分通过另一停滞组分的扩散（有总体流动）
NA
D
AB 总
p
RTzp BM
( p A1 p A2 )
由于流体质点的湍动和旋涡而形成的物质传递现象 —涡流扩散 双膜模型
停滞膜模型的要点
① 当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳 定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞 膜—气膜和液膜，溶质A经过两膜层的传质方式 为分子扩散。 ② 在气液相界面处，气液两相处于平衡状态，无 传质阻力。 ③ 在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流 体强烈湍动，各处浓度均匀一致，无传质阻力。
传质概述 - 化工原理第三版王志魁编课程课件
二、相平衡 --------相际间传质的最终状态
与热平衡不同之处：
▲达到相平衡时，一般两相浓度 pG
不相等。
气相主体
▲达到相平衡时，传质过程仍在 进行，只不过通过相界面的某一 组分的净传质量为零，因此属动 态平衡。
相界面 pi Ci
空气+氨气
水 液相主体
传质方向 CL
吸收
三、相组成的表示方法
摩尔分率
四．传质方式
分 子 扩 散 ： 静 止 的 或 层流 流 动 的 流 体 中 ，
传
质
方
式对
流
传
质
：
靠分子运动来 在 湍 流 流 动中 ，
进
行
传
质的
方
式
靠 流 体 质 点 的 脉 动 来 进行 传 质 的 方 式
第六章 吸 收
重点：双膜理论、传质基本方程、操作线方程 难点：双膜理论
第二节 物质传递机理
物质传递的三个步骤：
1 扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）； 2 在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；
3 进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的 扩散）；
界面
气相 组分 主体
组分
液相 主体
物质在单相中的扩散
物质在单相中的传递靠扩散，发生在流体中的扩 散有分子扩散和对流扩散两种。
2、亨利定律
当总压不高（<5×105Pa）时，在一定温度下，稀溶液上方 溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：
p* =E·x
式中: p* ---------溶质在气相中的平衡分压, kPa； x----------溶质在液相中的摩尔分率 E----------享利系数， kPa
8.4 相际传质
8.4 相际传质溶质从一个相转移到另一个相称为相际传质或两相间的传质。
吸收过程的相际传质是由气相与界面间的对流传质、界面上溶质组分的溶解、液相与界面间的对流传质三个过程串联而成。
解决吸收过程相际传质速率问题目前是用双膜模型。
（1） 双膜模型双膜模型的要点如下：① 在相互接触的气液两相间存在着稳定的相界面，界面两侧分别存在着一个很薄的有效层流气膜和液膜，被吸收的溶质组分只能分子扩散的方式通过这两层膜，气相和液相的浓度变化（即推动力）及阻力均分别几种在这两层膜中，故 气相与界相A y y()1i i y y N k y y k -=-=＝气相传质推动力/气相传质阻力 界面与液相A x x ()1i i x x N k x x k -=-=＝液相传质推动力/液相传质阻力 ② 在相界面上不存在传质阻力，所需传质推动力等零，即在界面上气、液两相浓度成平衡，()i i y f x =。
对稀溶液：i i y mx =（通过原点的直线）或在计算范围内平衡线近似为直线：i i y mx a =+（图8-19）（2） 相际传质速率方程以上求A N 的两个式子中x y ,k k 可通过试验测定求得，但两式中的界面组成,i i y x 难求，实际使用时须设法从式中消去,i i y x 。
如何消去呢？既然我们讨论的是定态传质问题，气相与界面间的传质速率应等于界面与液相的传质速率，即 A 11i i y xy y x x N k k --== 为消去界面浓度，上式最右端分子分母均乘以m ，并将串联过程的推动力加和以及阻力加即得：()()A y x1i i y y x x m N m k k -+-=+ 对稀溶液e ,i i y mx y mx ==，则e ()i i m x x y y -=-，故上式成为：e A y x 1y y N m k k -==+吸收总推动力/吸收总阻力 令y y x 11K m k k =+ y y x11m K k k =+(总阻力＝气膜阻力＋液膜阻力，符合双膜模型 ) A y e ()N K y y =-以气相摩尔分数差e ()y y -为总推动力的总传质系数，2kmol m s⋅。
传质过程
C C
1 H 2( g ) [ H ] 2
II i
i－相界面浓度； I，II－代表相I，相II。
v k CiI v kCiII vtot v v k CiI kCiII
v v
k Ci*I k Ci*II *代表平衡浓度
k Ci* II *I K k Ci
(CiI CiII / K ) (CiII C II )和(C I CiI )
(CiI CiII / K ) 0
CiI CiII / K
界面反应几乎达到了平衡
3.1.2反应类型 式（5）所描述的体系可以扩展到由任意多个环节组成的物质流通过 程。人们把实践中常遇到的反应分为三种类型：串速率可以用质量流密度i，物质流密度j或体积流密度v来表示， 其单位分别为g/cm2· s，mol/cm2 · s，cm3/cm2 · s。以后除非特别强调， 均用物质流密度j来表示反应速度。
USTB
冶金与生态工程学院
August, 2006
公式（1）、（2）指出，速率就是反应动力学特征系数k与反应的驱 动力－浓度差的乘积。这与电流密度是电导率与电位差的乘积在形式 上是一致的。因此可以用电模拟法来描述速率过程及速率与系数k和 浓度差C之间的关系。 分析前置及后续的传质过程 根据有效边界层理论，相I内反应物向界面传输的速率为
4个物质流如下：
I I *I j AI A (C A C A ) II II *II jB II B (CB CB ) I * I jB I B (CBI CB ) II * II j AII A (C AII C A )
在相界面，存在下列平衡
C C K C C
传质过程导论-西南科技大学网络教育学院
8.1 概述
8.1.2 对流干燥流程及其经济性
预热器 空气 湿物料 对流干燥流程示意图（并流、连续） 废气 干燥器 干燥产品
经济性：能耗和热的利用率
课程名称：化工原理
8.2 湿空气的性质及湿度图
pW ②非空气—水系统 H 0.622 p pW 46 p乙醇 H 空气—乙醇系统 29 p p乙醇
课程名称：化工原理
8.2.1 湿空气的性质
（3）相对湿度
pw ps
（8-2）
0≤ ≤ 1。相对湿度可用来衡量湿空气的不饱和程度。 =0，即pw =0，为绝干空气； =1，即pw = ps，此时湿空气中水蒸汽分压达到最大值，为 饱和湿空气 当总压p一定时，H随及温度t而变，在一定总压p下，只 要知道 、 t就可求H 。
缺点：热空气离开干燥器时 尚带有相当大的一部分热能，因 此对流干燥的热能利用程度比传 导干燥差。
热空气
课程名称：化工原理
8.1 概述
（3）辐射干燥
热能以电磁波的形式由辐射器发射到达湿物料表面，被 湿物料吸收后又转变为热能将水分加热汽化而达到干燥的目 的。 优点：生产强度大，产品干燥均匀而洁净，设备紧凑使 用灵活，可以减少占地面积，缩短干燥时间。 缺点：电能消耗大。 （4）介电加热干燥 将需要干燥的物料臵于高频电场内，依靠电能加热物料 并使湿分汽化。此法由于加热的能量是由高频装臵产生的， 其所需的费用较大，故在工业上的应用受到限制。
8.2.1 湿空气的性质
（1）水蒸汽分压pw（kPa）
空气中水蒸汽分压 pw↑ ，水汽含量就越高，根据分压定 律， pw与干空气分压pa之比
pw pw nw pa p pa na
第八章气体吸收
第八章 气体吸收 Sorption process
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8.1. 概述
8.1.1.化工生产中的传质过程 8.1.2.相组成表示法 8.1.3.气体吸收过程
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分离：
均相混合物：蒸馏、吸收、萃取 混合物：
非均相混合物：沉降、过滤
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TP
TP
pA1
JA
pA2
pB1 1
2 pB2
JB
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（1）等分子反向扩散：任一截面处两个组分的扩散 速率大小相等，方向相反。
JA
DAB RT
dpA dz
J
B
D BA
RT
dp B dz
总压一定 p pA pB
dpA = dpB
dz
dz
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经验公式
D f (T，p)
（2）液相中的D
D T 1.75 p
T D p D
范围：10-10～10-9m2/s
D f (T，) D T T D
D
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【例5-3】有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮， 液面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，5小时 后，管内液面降到距管口20.5mm，管内液体温度保持 293K，大气压为100kPa，此条件下，丙酮的饱和蒸气 压为24kPa。求丙酮在空气中的扩散系数。
单相内传递方式：分子扩散；对流扩散 。
8.2.1. 相内传质
（一）扩散现象
分子扩散现象：
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