第四章 41 传质过程机理

1、第四章第四章 传质过程机理与传质设备传质过程机理与传质设备漳州师范学院漳州师范学院 化学与环境工程教研室化学与环境工程教研室 吴文炳吴文炳反反应应器器压滤机压滤机冷冷凝凝器器精精馏馏塔塔离心泵离心泵吸吸收收塔塔原料预处理原料预处理化学反应化学反应产物的分离提纯产物的分离提纯分离操作在分离操作在化工生产中化工生产中占有重要比占有重要比例。例。分为分为机械分机械分离离和和传质分传质分离离两类。本两类。本章主要介绍章主要介绍传质分离过传质分离过程。程。一、一、传质过程概述传质过程概述二、二、传质过程分类传质过程分类三、三、传质过程机理传质过程机理四、四、传质设备传质设备4.1 4.1 传质过程机理传

2、质过程机理 在含有两个或两个以上组分的在含有两个或两个以上组分的混合体系混合体系中，如果中，如果存在浓度梯度存在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将由高浓度，某一组分（或某些组分）将由高浓度区向低浓度区移动，该移动过程称为区向低浓度区移动，该移动过程称为传质过程传质过程。比如。比如吸收、精馏、膜分离等。吸收、精馏、膜分离等。 传质过程广泛运用于混合物的分离操作；它常与传质过程广泛运用于混合物的分离操作；它常与化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至成为化学化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至成为化学反应的控制因素。掌握传质过程的规律，了解传质分反应的控制因素。掌握传质过程的规律，了解传质分离的工

3、业实施方法，具有十分重要的意义。离的工业实施方法，具有十分重要的意义。一、传质过程概述一、传质过程概述返回返回依据物理化学原依据物理化学原理的不同，传质理的不同，传质分离可分为分离可分为平衡平衡分离分离（在两相间（在两相间进行，如精馏）进行，如精馏）和和速率分离速率分离（在（在单相中进行，如单相中进行，如膜分离）。膜分离）。二、二、传质过程分传质过程分类类 传质过程可以在一相中进行，也可以在两相中传质过程可以在一相中进行，也可以在两相中进行，两相间的传质是分离过程的基础，具体分类进行，两相间的传质是分离过程的基础，具体分类如下：如下：（1 1）液体的蒸馏）液体的蒸馏 利用液体混合物中各组分挥发

4、性的差异来进行分离的，利用液体混合物中各组分挥发性的差异来进行分离的，在操作时加热混合液使之部分汽化，同时产生的蒸汽部分冷在操作时加热混合液使之部分汽化，同时产生的蒸汽部分冷凝变成液体，通过蒸汽和液体的充分接触，使气、液两相进凝变成液体，通过蒸汽和液体的充分接触，使气、液两相进行物质交换而达到分离混合物的目的。行物质交换而达到分离混合物的目的。 例：例：分离乙醇水溶液分离乙醇水溶液、分离、分离“三苯三苯”二、二、传质过程分传质过程分类类两相两相（2 2）气体的吸收）气体的吸收 对于气体混合物，可选择合适的液体溶剂（吸收对于气体混合物，可选择合适的液体溶剂（吸收剂）在专用设备中使之与气体充分接触

5、，气体中的剂）在专用设备中使之与气体充分接触，气体中的一个或几个组分由气相转入液相，实现对混合气体一个或几个组分由气相转入液相，实现对混合气体的分离。的分离。 如：用洗油吸收焦炉气的苯而实现苯的分离如：用洗油吸收焦炉气的苯而实现苯的分离 除去合成氨的原料气中的除去合成氨的原料气中的COCO2 2解吸解吸：将被吸收的气体组分从吸收剂中脱除的过程。：将被吸收的气体组分从吸收剂中脱除的过程。 二、二、传质过程分传质过程分类类两相两相（3）液液萃取）液液萃取 利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶解度利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶解度的差异来分离液体混合物的方法。的差异来分离液体混合物的方法。例：

6、用二甲亚砜从石油馏分中萃取芳烃；发酵液中例：用二甲亚砜从石油馏分中萃取芳烃；发酵液中提取青酶素；核工业材料的制取。提取青酶素；核工业材料的制取。二、二、传质过程分传质过程分类类两相两相（4 4）吸附）吸附二、二、传质过程分传质过程分类类两相两相 当某些固体与液体或气体混合物接触时，气体或液体中当某些固体与液体或气体混合物接触时，气体或液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，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，这个过程称为吸附。这个过程称为吸附。 吸附分离操作是根据气体或液体混合物中不同组分在固吸附分离操作是根据气体或液体混合物中不同组分在固体上被吸附的程度不同

7、而进行分离的过程。体上被吸附的程度不同而进行分离的过程。 气体吸附：气体吸附：室内空气净化、工业废气处理（活性炭、硅室内空气净化、工业废气处理（活性炭、硅胶、氧化铝等）胶、氧化铝等）二、二、传质过程分传质过程分类类两相两相（5 5）固体的干燥）固体的干燥 干燥是对湿物料（通常含水分）加热，使物料干燥是对湿物料（通常含水分）加热，使物料中所含的湿分（如水）气化，并不断排出湿蒸气而中所含的湿分（如水）气化，并不断排出湿蒸气而得到干燥固体的操作。得到干燥固体的操作。如：如：一级尿素含水量不能超过一级尿素含水量不能超过0.5%0.5%；聚氯乙烯含水；聚氯乙烯含水量不能超过量不能超过0.3%0.3%。（

8、6 6）气体的增湿）气体的增湿 结晶：结晶：海水制取食盐海水制取食盐 （7）其它）其它液固传质过程液固传质过程固体浸取：固体浸取：用温水从甜菜中提取食糖；用溶剂从花生、大豆用温水从甜菜中提取食糖；用溶剂从花生、大豆中提取食油；天然产物提取中提取食油；天然产物提取液体吸附：液体吸附：除去液体中的微量杂质和毒物，物料脱色、除臭除去液体中的微量杂质和毒物，物料脱色、除臭、回收溶剂；从混合二甲苯中分离出邻、间、对二甲苯、回收溶剂；从混合二甲苯中分离出邻、间、对二甲苯二、二、传质过程分传质过程分类类两相两相膜分离膜分离：以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当

9、膜两侧存在某种推动力（如压差、浓度差、电位差）时，混膜两侧存在某种推动力（如压差、浓度差、电位差）时，混合物中的某一或某些组分可选择性地透过膜而与混合物中的合物中的某一或某些组分可选择性地透过膜而与混合物中的其他组分分离。其他组分分离。单相传质主要有单相传质主要有膜分离膜分离、热扩散热扩散、电泳电泳等等热扩散：热扩散：同位素同位素2H和和3H的分离的分离返回返回二、二、传质过程分传质过程分类类单相单相如：海水淡化、中草药的除菌、废水处理如：海水淡化、中草药的除菌、废水处理 物质在两相间从一相转移到另一相的传递过程要经物质在两相间从一相转移到另一相的传递过程要经过三个步骤：过三个步骤： （1 1

10、）扩散物质从一相的主体扩散到两相界面；）扩散物质从一相的主体扩散到两相界面； （2 2）在界面上的扩散物质从一相进入另一相；）在界面上的扩散物质从一相进入另一相； （3 3）进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散。）进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散。 比如：用水吸收空气与氨混合气中的氨。氨从气相主体比如：用水吸收空气与氨混合气中的氨。氨从气相主体扩散到气、液两相界面（在气相中传质）；氨在界面处扩散到气、液两相界面（在气相中传质）；氨在界面处溶解进入液相（在气、液两相中传质）；液相中的氨扩溶解进入液相（在气、液两相中传质）；液相中的氨扩散到水中（在液相中传质）。散到水中（在液相中传

11、质）。三、传质过程机理三、传质过程机理 单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实现的，单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实现的，常见的扩散方式有常见的扩散方式有分子扩散分子扩散和和对（涡）流扩散对（涡）流扩散两种。两种。n分子扩散：物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓度处，如物质在静止或滞流流体中的扩散；n涡流扩散：因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。对流扩散对流扩散单相内物质传递的机理单相内物质传递的机理分子扩散分子扩散 费克定律和斯蒂芬定律费克定律和斯蒂芬定律 对（涡）流扩散对（涡）流扩散单相中的传质单相中的传质分子扩散：物质靠分子运动从高浓度处

12、转移到低浓分子扩散：物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓度处，如物质在静止或滞流流体中的扩散；度处，如物质在静止或滞流流体中的扩散；涡流扩散：因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使涡流扩散：因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。（1 1）分子扩散速率与费克定律）分子扩散速率与费克定律 流体内任一点处组分流体内任一点处组分A的扩散通量与其浓度梯度呈正的扩散通量与其浓度梯度呈正比，用费克比，用费克(Fick)定律来表示：定律来表示：dzdCDNAABA 试分析与傅立叶定律以及牛顿粘性定律的区别及联系。试分析与傅立叶定律以及牛顿粘性定律的

13、区别及联系。 式中式中 NA扩散速率扩散速率, molm-2 s-1 DAB比例系数比例系数, 组分组分A在介质在介质B中的扩散系数中的扩散系数 m2 s-1 dcA/dz组分组分A在在z方向上的浓度梯度方向上的浓度梯度, molm-3 s-1 z为扩散距离为扩散距离, m, 负号表示扩散方向沿组分负号表示扩散方向沿组分A浓度降浓度降低的方向进行低的方向进行（2 2）对流扩散速率）对流扩散速率dndTAqdydu 由于对涡流流动中扩散认识上的不充分，只能仿照费克由于对涡流流动中扩散认识上的不充分，只能仿照费克定律将涡流扩散速率表为：定律将涡流扩散速率表为：zcAEAddDN式中式中D DE E

14、涡流扩散系数，涡流扩散系数， m2s-1 湍流主体以涡流扩散为主，湍流主体以涡流扩散为主，D DE ED DABAB，滞流底层为分子扩，滞流底层为分子扩散，散，D DABABD DE E，D DE E00；在过渡层，；在过渡层，D DABAB和和D DE E数量级相当数量级相当。 （3 3）相间传质机理）相间传质机理双膜理论双膜理论 相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上界面上没有没有传质阻力，传质阻力，气液两相处于平衡状态气液两相处于平衡状态。界面两侧分别存在着两层膜，气膜和液膜。气相一侧叫界面两侧分别存在着两层膜，气膜和液膜。气相一侧叫气膜，液相

15、一侧叫液膜气膜，液相一侧叫液膜 ，这两层膜均很薄，这两层膜均很薄，膜内的流体是膜内的流体是滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质。 膜外的气液相主体中，膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓流体流动的非常剧烈，溶质的浓度很均匀，度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层膜内。层膜内。 传质过程有共同的规律，也有通传质过程有共同的规律，也有通用的传质设备。比如气体吸收和液体用的传质设备。比如气体吸收和液体精馏两种气液传质过程通常在塔设备精馏两种气液传质过程通常在塔设备内进行。内进行。塔设备可提供气、

16、液两相充塔设备可提供气、液两相充分接触的机会，从而使传质、传热能分接触的机会，从而使传质、传热能迅速有效地进行。迅速有效地进行。 根据塔内气液接触部件的结构型根据塔内气液接触部件的结构型式，分为式，分为填料塔填料塔与与板式塔板式塔两类。评价两类。评价它们的性能指标包括：它们的性能指标包括：分离效率分离效率、生生产能力产能力、压力降压力降和和操作弹性操作弹性等。等。四、气液传质设备四、气液传质设备 对塔设备的要求：对塔设备的要求：气液负荷大，即单位塔截面处理物料气液负荷大，即单位塔截面处理物料量大，量大，生产能力大生产能力大；传质效率高传质效率高，达到规定分离要求的塔高，达到规定分离要求的塔高较

17、低；较低；操作稳定操作稳定，物料量在相当范围内变化时不致引起传质，物料量在相当范围内变化时不致引起传质效率显著变动；效率显著变动；气体通过塔时气体通过塔时阻力小阻力小，以适应减压操作或节，以适应减压操作或节省动力；省动力；结构简单结构简单，易加工制造，维修方便，易加工制造，维修方便，耐腐蚀耐腐蚀，不堵，不堵塞。塞。3 3、填料塔与板式塔的比较、填料塔与板式塔的比较 填料塔结构简单填料塔结构简单, ,直径小直径小, ,气体通过阻力小气体通过阻力小, ,处理有腐蚀性的处理有腐蚀性的物料好物料好, ,在压降小的真空蒸馏系统和液气比大的方面操作有优势；在压降小的真空蒸馏系统和液气比大的方面操作有优势；

18、板式塔生产能力和操作弹性大板式塔生产能力和操作弹性大, ,塔效率稳定利于放大塔效率稳定利于放大. . 四、气液传质设备四、气液传质设备机械分离机械分离：简单分离，不发生相间的物质传递：简单分离，不发生相间的物质传递如：如：过滤（悬浮液分离）、沉降（沉降池内生活过滤（悬浮液分离）、沉降（沉降池内生活污水的澄清分离）、离心分离（海盐提纯实验）污水的澄清分离）、离心分离（海盐提纯实验）、旋风分离、电除尘、旋风分离、电除尘返回返回乙醇水溶液的蒸馏分离乙醇水溶液的蒸馏分离n利用乙醇和水沸点的差异分离乙醇水溶液过程如下：利用乙醇和水沸点的差异分离乙醇水溶液过程如下： 气相气相 （乙醇（乙醇 -水）水） 乙

19、醇乙醇 水水 液相（乙醇液相（乙醇-水）水） 低浓度的乙醇水溶液低浓度的乙醇水溶液 加热蒸发加热蒸发 将蒸气冷凝将蒸气冷凝均相（液均相（液) 非均相（气、液）非均相（气、液） 高浓度乙醇高浓度乙醇返回返回吸收合成氨原料气中的吸收合成氨原料气中的COCO2 2n合成氨的原料气为合成氨的原料气为混合气体，是混合气体，是N N2 2，H H2 2，COCO，COCO2 2的混合的混合物，要去除物，要去除COCO2 2，可，可用水作吸收剂。用水作吸收剂。用水吸收用水吸收CO2返回返回吸收液排出吸收液排出水为吸收剂水为吸收剂1 1、填料塔、填料塔（1 1）塔结构）塔结构塔体、塔体、填料填料、支、支承板、

20、填料压板承板、填料压板（网）、液体分（网）、液体分布器、液体再分布器、液体再分布器等。布器等。填料塔的操作是填料塔的操作是一个气、液两相一个气、液两相在多孔床层中逆在多孔床层中逆向流动的复杂过向流动的复杂过程。程。四、气液传质设备四、气液传质设备填料塔填料塔（2 2）填料的主要特性）填料的主要特性 比表面积比表面积 单位体积填料层的填料表面积，以单位体积填料层的填料表面积，以表示表示 ；单位；单位: :m2/m3。 空隙率空隙率 单位体积填料层的空隙体积，以单位体积填料层的空隙体积，以表示；单位表示；单位: m3/m3。 一般要求比表面积和空隙率要大，填料的润湿性能好，单一般要求比表面积和空隙

21、率要大，填料的润湿性能好，单位体积填料的质量轻，造价低，并有足够的机械强度。位体积填料的质量轻，造价低，并有足够的机械强度。四、气液传质设备四、气液传质设备填料塔填料塔（3 3）填料类型）填料类型 堆放方式堆放方式 乱堆填料乱堆填料 整砌填料整砌填料 基材基材 实体填料实体填料 网体填料网体填料 环形填料环形填料（拉西环、鲍尔环、阶梯环）、（拉西环、鲍尔环、阶梯环）、鞍形填料鞍形填料（弧鞍、矩鞍）、（弧鞍、矩鞍）、波纹板波纹板 鞍形网、鞍形网、网网、波纹网波纹网 四、气液传质设备四、气液传质设备填料塔填料塔 在设计填料塔时，首先要考虑塔的在设计填料塔时，首先要考虑塔的流体力学性能，包括填料层压

22、降、液流体力学性能，包括填料层压降、液泛气速、持液量等影响。泛气速、持液量等影响。 右图为不同喷淋密度下，单位高度右图为不同喷淋密度下，单位高度填料层的压降填料层的压降pp/ /H H与空塔气速与空塔气速u u的关的关系图。（系图。（空塔气速空塔气速是指按空塔截面积是指按空塔截面积计算得到的气体线速度。）计算得到的气体线速度。） 对一定的喷淋密度，当气速较低时，对一定的喷淋密度，当气速较低时，气液两相几乎没有互相干扰，填料表气液两相几乎没有互相干扰，填料表面的持液量不随气速而变。面的持液量不随气速而变。（4 4）填料塔内的流体力学状况）填料塔内的流体力学状况恒持液恒持液量区量区载液区载液区液泛

23、区液泛区载点载点泛点泛点四、气液传质设备四、气液传质设备填料塔填料塔 气速增大至某值时，液体流动受到两相流体间摩擦力的阻碍，气速增大至某值时，液体流动受到两相流体间摩擦力的阻碍，填料层的持液量随气速的增加而增加，此现象称填料层的持液量随气速的增加而增加，此现象称拦液现象拦液现象。 将开始拦液的转折点称将开始拦液的转折点称载点载点，载点对应的空塔气速称，载点对应的空塔气速称载点气载点气速速。 超过载点气速后，两相湍动程度加剧，塔内持液量不断增多，超过载点气速后，两相湍动程度加剧，塔内持液量不断增多，液体充满整个塔空间，导致压降急剧升高。气体由连续相变为分液体充满整个塔空间，导致压降急剧升高。气体

24、由连续相变为分散相，以鼓泡状通过液层散相，以鼓泡状通过液层, ,把液体带出塔顶，塔操作不稳定，此把液体带出塔顶，塔操作不稳定，此现象称现象称液泛液泛。开始发生液泛的转折点为。开始发生液泛的转折点为泛点泛点，相应的空塔气速称，相应的空塔气速称泛点气速泛点气速，为填料塔正常操作气速的上限。为填料塔正常操作气速的上限。 n实验表明，当空塔气速在载点和泛点之间时，气实验表明，当空塔气速在载点和泛点之间时，气体和液体的湍动加剧，气液接触良好，传质效果体和液体的湍动加剧，气液接触良好，传质效果提高，填料塔的适宜操作气速通常由泛点气速来提高，填料塔的适宜操作气速通常由泛点气速来选定。选定。n实际操作气速常取

25、泛点气速的实际操作气速常取泛点气速的50508585。 返回返回四、气液传质设备四、气液传质设备填料塔填料塔（1 1）塔结构）塔结构2 2、板式塔、板式塔 塔体、塔体、塔盘（板）塔盘（板）、进料管、进料管、回流管等。回流管等。 板式塔的操作是一个气、液两板式塔的操作是一个气、液两相在塔板上充分接触，进行传质相在塔板上充分接触，进行传质和传热的过程。和传热的过程。四、气液传质设备四、气液传质设备板式塔板式塔（2 2）塔板功能区（俯视图）塔板功能区（俯视图）溢流堰溢流堰开孔区开孔区降液区降液区受液区受液区安定区安定区边缘固定区边缘固定区开孔区开孔区：提供主要汽液传质：提供主要汽液传质区域区域降液区

26、降液区：液体自上一层塔板：液体自上一层塔板流至其下一层塔板的通道流至其下一层塔板的通道安定区安定区：此区域不开孔：此区域不开孔边缘固定区边缘固定区：用于塔板固定：用于塔板固定 四、气液传质设备四、气液传质设备板式塔板式塔 塔板上的气液两相流动方式有错、逆流之分，如图所示。塔板上的气液两相流动方式有错、逆流之分，如图所示。 板式塔通常采用板式塔通常采用错流塔板错流塔板，气液两相，气液两相在塔内总体上呈逆流在塔内总体上呈逆流流动流动，每块塔板上呈均匀错流流动每块塔板上呈均匀错流流动。（3 3）塔板上的气液流动）塔板上的气液流动四、气液传质设备四、气液传质设备板式塔板式塔（4）塔板的结构型式及特点）

27、塔板的结构型式及特点优优 点点 缺缺 点点 适用范围适用范围 塔板类型塔板类型 泡罩塔板泡罩塔板较成熟，操较成熟，操作范围宽作范围宽 结构复杂，阻力结构复杂，阻力大，生产能力低大，生产能力低 某些要求弹性好某些要求弹性好的特殊塔的特殊塔 浮阀塔板浮阀塔板效率高，操效率高，操作范围宽作范围宽 采用不锈钢，采用不锈钢，浮阀易脱落浮阀易脱落 分离要求高分离要求高,负荷变化负荷变化大；原油常压分馏塔大；原油常压分馏塔 筛孔塔板筛孔塔板效率较高，效率较高，成本低成本低 安装要求水平安装要求水平,易易堵堵,操作范围窄操作范围窄 分离要求高分离要求高,塔板较塔板较多多;化工中丙烯塔化工中丙烯塔 舌形塔板舌形塔板结 构 简 单结 构 简 单 ,生产能力大生产能力大 操作范围窄，操作范围窄，效率较低效率较低 分离要求较低的闪分离要求较低的闪蒸塔蒸塔 三、气液传质设备三、气液传质设备板式塔板式塔（5 5）板式塔上流体力学状况）板式塔上流体力学状况 气液两相接触状态气液两相接触状态 塔板上的气液接触状态与气体经过板孔的速度有关。塔板上的气液接触状态与气体经