化学工程基础第3章详解课件

第三章传质分离过程第三章第3章传质分离过程概述非均相物系分离：沉降，过滤，固体的干燥等均相物系分离：气-液相：吸收和蒸馏液-液相：萃取液-固相：结晶第3章传质分离过程概述非均相物系分离：沉降，过滤，固体的干第3章传质分离过程概述物质以扩散的方式迁移叫做物质传递过程或称传质过程所有均相物系分离过程和部分非均相物系分离都涉及到相间传质，因此又称为传质分离过程第3章传质分离过程概述物质以扩散的方式迁移叫做物质传递过程3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.1传质过程的机理（一）单相中物质的传递物质在单相中的扩散有分子扩散和对流扩散两种1.分子扩散静止流体中的扩散层流流体中垂直于流动方向的扩散固体中的扩散(半导体掺杂，渗碳，渗铝)3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.1传质分子扩散速率：单位时间内通过主体内某一界面的物质的量3.1.传质过程的机理及传质设备分子扩散速率：3.1.传质过程的机理及传质设备传递通量正比与各自的浓度梯度依靠分子热运动传递3.1.传质过程的机理及传质设备费克定律：牛顿粘性定律：傅里叶定律：传递通量正比与各自的浓度梯度3.1.传质过程的机理及传分子扩散系数D是物质的特性常数，表示物质在介质中的扩散能力。

扩散组分的性质组分所在的介质温度压力3.1.传质过程的机理及传质设备分子扩散系数D是物质的特性常数，表示物质在介质中的扩散能力。3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.传质过程的机理及传质设备扩散组分A在气体B中的扩散系数3.1.传质过程的机理及传质设备扩散组分A在气体B中的扩散系数3.1.传质过程的机理及2.对流扩散分子扩散：在浓度差推动力的作用下，由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象对流扩散：依靠流体微团携带物质运动进行的扩散对流传质：流体中的组分向固体壁或相界面扩散及其相反过程（1）对流传质机理3.1.传质过程的机理及传质设备2.对流扩散分子扩散：在浓度差推动力的作用下，由于分子、原2.对流扩散有浓度梯度的区域称为传质边界层或流体膜。对流体膜可以进行合理简化：假设全部扩散阻力集中在一层虚拟厚度的膜内，流体主体与界面之间的对流传质等效于虚拟膜内的分子扩散，因此常把流体的对流传质称为膜传质（1）对流传质机理3.1.传质过程的机理及传质设备2.对流扩散有浓度梯度的区域称为传质边界层或流体膜。对流体3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.传质过程的机理及传质设备等分子反向传质：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。物质有宏观移动，一组份扩散，另一组份反向等量扩散，保证总浓度不变。单向传质：设A、B组分的气体混合物与液体接触，在相界面处，只有组分A可溶于液相，而组分B不溶于液相。A溶于液相，留下空缺，混合气体向液相表面递补，A、B分子递补运动成为“总体流动”。B称为停滞组分。3.1.传质过程的机理及传质设备等分子反向传质：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相（2）对流传质系数的准数关联式3.1.传质过程的机理及传质设备（3）柯尔本的j因子类似率（2）对流传质系数的准数关联式3.1.传质过程的机理（二）相间传质流-固相间传质：单相传质-相变-单相传质的过程气-液相传质3.1.传质过程的机理及传质设备（二）相间传质流-固相间传质：3.1.传质过程的机理1.气-液相传质机理（1）双膜理论物质扩散到气-液界面后溶于溶剂再扩散到液相中气-液界面分别有存在浓度差的层流有效膜气-液界面上气相-液相互相平衡3.1.传质过程的机理及传质设备1.气-液相传质机理（1）双膜理论物质扩散到气-液界面后溶对于具有自由相界面的气-液系统．在界面上的湍流不会减弱，因而界面上没有稳定的流体膜存在；在湍流程度很高时在界面上产生旋涡，传质主要靠旋涡进行；此时传质系数主要决定于流体力学条件，而与流体性质的关系极小。（2）界面动力状态理论3.1.传质过程的机理及传质设备（2）界面动力状态理论3.1.传质过程的机理及传质设备（3）溶质渗透-表面更新理论溶质渗透理论：液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完全的混合,使液体的浓度均匀化,在t时间内,液相中发生的不再是定态的扩散过程,而是非定态的扩散过程.表面更新理论：液体在流动过程中表面不断更新,即不断地有液体从主体转为界面而暴露于气相中,这种界面不断更新使传质过程大大强化,其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处,现通过表面更新,深处的液体就有机会直接与气体接触以接受传质.3.1.传质过程的机理及传质设备（3）溶质渗透-表面更新理论溶质渗透理论：液体在流动过程中每2.气-液相传质速率方程3.1.传质过程的机理及传质设备2.气-液相传质速率方程3.1.传质过程的机理及传质3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.2气液相传质设备传质接触面，湍流强度、传质推动力连续接触式：填料塔，湍球塔分级接触式：板式塔生产能力大分离效率高操作弹性大流体阻力小结构简单、造价低、运行可靠3.1.传质过程的机理及传质设备要求3.1.2气液相传质设备传质接触面，湍流强度、传质推动（一）填充塔1.填料塔特点：结构简单，流体阻力小填料选择：陶瓷、木材、钢填料要求：较大比表面积，浸润性好，自由空间大，密度小，机械强度高，价格便宜3.1.传质过程的机理及传质设备（一）填充塔1.填料塔特点：结构简单，流体阻力小填料选择：3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.传质过程的机理及传质设备化学工程基础第3章详解课件2.湍球塔特点：在上升高速气流的冲力、液体的浮力和自身重力等各种力的相互作用下，球形填料悬浮起来形成湍动旋转和相互碰撞，引起气、液的密切接触，有效地进行传质、传热。优点：气速高、处理能力大、气液分布比较均匀、结构简单且不易被堵塞。缺点：小球较易变形和破裂，只适于传质单元数（或理论板数）不多的操作过程。3.1.传质过程的机理及传质设备2.湍球塔特点：在上升高速气流的冲力、液体的浮力和自身重力（二）板式塔板塔式：塔内装有一层层的塔板(或称塔盘)，气体以鼓泡、喷射方式通过液相时，形成气泡、液滴、泡沫等乳浊状态，为传质提供了很大的相界面，且表面不断更新，因此具有很高的传质效率。气-液的传质、传热过程是在各个塔板上进行的。型式：泡罩塔，筛板塔，浮阀塔和浮舌塔。3.1.传质过程的机理及传质设备（二）板式塔板塔式：塔内装有一层层的塔板(或称塔盘)，气体以塔板钻有许多均勾分布的小孔，形似筛孔，所以称为筛板。液体的溢流及塔板上液面的调节借助于溢流管。液体经溢流装置逐级下降，与通过筛孔吹入液层的气体呈错流接触。鼓泡层、泡沫层、雾沫层雾沫夹带液泛1.筛板塔3.1.传质过程的机理及传质设备塔板钻有许多均勾分布的小孔，形似筛孔，所以称为筛板。液体的溢2.泡罩塔气体是以鼓泡的方式通过塔板上的液层进行物质交换和热交换的3.1.传质过程的机理及传质设备2.泡罩塔气体是以鼓泡的方式通过塔板上的液层进行物质交换和3.浮阀塔分离效率高、允许变动的操作范围广、节约金属等优点．生产能力大、塔板压力降小，能处理较脏、粘的物料等特点。而且构造较泡罩塔简单、效率比泡罩塔高。3.1.传质过程的机理及传质设备3.浮阀塔分离效率高、允许变动的操作范围广、节约金属等优点3.浮舌塔在塔板上用浮动舌片代替浮阀。气流主要以喷射方式斜穿液层，气-液相处于一种近乎乳化的泡沫状态，因此传质效率非常高。3.1.传质过程的机理及传质设备3.浮舌塔在塔板上用浮动舌片代替浮阀。气流主要以喷射方式斜（三）喷射式传质装置喷射吸收器采用气-液并流操作，流速不受限制。这样不仅可提高生产能力，而且高速气流也易将液滴打碎乳化，造成很大的接触面和强烈的湍动，从而大大提高传质效果。3.1.传质过程的机理及传质设备（三）喷射式传质装置喷射吸收器采用气-液并流操作，流速不受限3.2液体的精馏蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发度的差别，使液体混合物部分汽化并随之使蒸气部分冷凝，从而实现其所含组分的分离易挥发组分难挥发组分间歇蒸馏连续蒸馏简单蒸馏平衡蒸馏精馏特殊精馏常压加压减压3.2液体的精馏蒸馏：间歇蒸馏简单蒸馏常压3.2.1双组分溶液的气-液平衡（一）相律和组成相律:平衡体系中组分数、相数和自由度数之间关系3.2液体的精馏3.2.1双组分溶液的气-液平衡（一）相律和组成相（二）理想溶液气-液相平衡关系的基本算式3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏苯-甲苯甲醇-乙醇烃类同系物（二）理想溶液气-液相平衡关系的基本算式3.2.1（三）气-液平衡相图3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（三）气-液平衡相图3.2.1双组分溶液的气-液平非理想溶液:恒沸点和恒沸组成（三）气-液平衡相图3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏非理想溶液:恒沸点和恒沸组成（三）气-液平衡相图3.2.（四）相对挥发度和气-液平衡关系3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（四）相对挥发度和气-液平衡关系3.2.1双组分溶（四）相对挥发度和气-液平衡关系3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（四）相对挥发度和气-液平衡关系3.2.1双组分溶（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3.2.1双组（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算1.由正常沸点估算任意温度时纯组分的饱和蒸气压3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算1.由正常沸点估算任意2.相对挥发度的估算（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏2.相对挥发度的估算（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3.2.1双组（六）非理想二组分溶液气-液相平衡数据的估算3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（六）非理想二组分溶液气-液相平衡数据的估算3.2.1简单蒸馏3.2液体的精馏简单蒸馏3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置（一）精馏原理3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置（一）精馏原理3.23.2.2精馏原理和流程装置（一）精馏原理3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置（一）精馏原理3.23.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程（一）全塔物料衡算3.2液体的精馏3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程（一）全塔物料化学工程基础第3章详解课件（二）操作线方程假若把精馏塔内某一横截面以上或以下作为物料衡算的区域，并对该区域内的组分进行物料衡算，就可得到经过该截面的上升蒸气和回流液浓度与各操作条件之间的关系，这种关系的数学表达式就是精馏塔的操作线方程。3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（二）操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3.1.恒摩尔流假定：在精溜塔内，无中间加料或出料的情况下，各层塔板的上升蒸气摩尔流相等(恒摩尔气流)，下降液体的摩尔流量相等(恒摩尔液流)。混合液中各组分的摩尔气化热相等塔设备保温良好，热损失可以忽略3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏在精榴塔塔板上气-液两相接触时，假若有lkmol/h蒸气冷凝，同时相应有lkmol/h的液体气化1.恒摩尔流假定：在精溜塔内，无中间加料或出料的情况下2.精馏段操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏2.精馏段操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置33.提馏段操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.提馏段操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3（1）料液的预热情况冷液进料：料液温度低于泡点的冷液体：饱和液体进料：料液温度为泡点的饱和液体，又称泡点进料；气-液混合物进料：原料温度介于泡点和露点之间的气-液混合物饱和蒸气进料：原料温度为露点的饱和蒸气，又称露点进料；过热蒸气进料：原料温度高于露点的过热蒸气。原料的五种热状态4.加料处的操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（1）料液的预热情况冷液进料：料液温度低于泡点的冷液体：原料3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（2）加入料液情况对上升蒸气量和回流液量的影响3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（2）加入料液情况对上升蒸气量和回流液量的影响3.2.2（2）加入料液情况对上升蒸气量和回流液量的影响3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（2）加入料液情况对上升蒸气量和回流液量的影响3.2.2（3）加料板处的物料衡算、热量衡算及加料处的操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（3）加料板处的物料衡算、热量衡算及加料处的操作线方程3.3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏(三)操作线方程在y-x相图上的表示3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏(三)操作线方程在y-x相图上的表示3.2.2精馏(四)回流比对操作线的影响及选择1.回流比与传质过程推动力的关系3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程3.2液体的精馏(四)回流比对操作线的影响及选择1.回流比与传质过程推动(四)回流比对操作线的影响及选择2.最大回流比全回流：qn,D=0qn,F=0qn,L=03.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程3.2液体的精馏(四)回流比对操作线的影响及选择2.最大回流比全回流：q(四)回流比对操作线的影响及选择3.最小回流比3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程3.2液体的精馏(四)回流比对操作线的影响及选择3.最小回流比3.2.(四)回流比对操作线的影响及选择当采用饱和液体进料时3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程3.2液体的精馏(四)回流比对操作线的影响及选择当采用饱和液体进料时3.(四)回流比对操作线的影响及选择4.适宜回流比3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程3.2液体的精馏适宜回流比(四)回流比对操作线的影响及选择4.适宜回流比3.2.化学工程基础第3章详解课件3.2.4理论塔板和理论塔板数理论塔板：在其上气-液两相都充分混合，且传热及传质过程阻力均为零的理想化塔板。离开该板时气-液两相达到平衡状态。经过一个理论板达到平衡的气-液两相，再分别和上一板的液相及下一板的气相接触，会形成新的平衡。对于给定的分离要求，这种由不平衡到平衡的过程，往往要经过若干次，最终才能达到所要求的塔顶、塔底组成。这种由不平衡到平衡的次数，称为理论塔板数。(一)理论塔板的概念3.2液体的精馏3.2.4理论塔板和理论塔板数理论塔板：在其上气-液两3.2.4理论塔板和理论塔板数3.2液体的精馏(一)理论塔板的概念实际塔板上气液两相难以达到平衡，理论板是不存在的，仅用做衡量实际板分离效率的依据和标准。原料液组成进料热状态操作回流比要求分离程度气-液相平衡关系操作线方程逐板计算法，图解法，芬斯克公式-吉利兰图3.2.4理论塔板和理论塔板数3.2液体的精馏((二)逐板计算法求理论塔板数3.2.4理论塔板和理论塔板数3.2液体的精馏(二)逐板计算法求理论塔板数3.2.4理论塔板和理论(三)图解法求理论塔板数3.2.4理论塔板和理论塔板数3.2液体的精馏(三)图解法求理论塔板数3.2.4理论塔板和理论塔板(四)用芬斯克公式和吉利兰图计算理论塔板数3.2.4理论塔板和理论塔板数3.2液体的精馏全回流条件下的理论塔板数(芬斯克公式)(四)用芬斯克公式和吉利兰图计算理论塔板数3.2.43.2.5板效率和实际塔板数塔板效率：实际板上的传质传热一般不能达到平衡1.单板效率3.2液体的精馏3.2.5板效率和实际塔板数塔板效率：实际板上的传质传3.2.5板效率和实际塔板数2.全塔板效率3.2液体的精馏流体的物理性质（密度、粘度、表面张力、扩散系数）流体的流动情况踏板尺寸和结构3.2.5板效率和实际塔板数2.全塔板效率3.23.2.6塔高、塔径和塔板压力降的计算(一)塔高的计算减少雾沫夹带，小于10%溢流管中液面控制，防止淹塔3.2液体的精馏塔高3.2.6塔高、塔径和塔板压力降的计算(一)塔高的计(二)塔径的计算减少雾沫夹带防止液泛现象3.2.6塔高、塔径和塔板压力降的计算3.2液体的精馏空塔线速度u(二)塔径的计算减少雾沫夹带3.2.6塔高、塔径和塔(三)塔板的压力降3.2.6塔高、塔径和塔板压力降的计算3.2液体的精馏(三)塔板的压力降3.2.6塔高、塔径和塔板压力降的3.2.7间歇蒸馏特点：只有精馏段而无提馏段非定态操作装置简单，操作灵活分类：回流比恒定，馏出液组成逐渐下降馏出液组成恒定，回流比不断增大3.2液体的精馏3.2.7间歇蒸馏特点：分类：3.2液体的精馏3.2.8其他精馏简介多组分精馏共沸精馏萃取精馏反应精馏3.2液体的精馏3.2.8其他精馏简介多组分精馏3.2液体的精馏3.2.8其他精馏简介多组分精馏3.2液体的精馏分离三个或三个以上组分混合物的精馏重关键组分轻关键组分3.2.8其他精馏简介多组分精馏3.2液体的精馏3.2.8其他精馏简介共沸精馏3.2液体的精馏对于具有共沸点的非理想溶液，在液相浓度达到共沸组成以后，就不能一般的精馏方法将其分离。若加入第二组分可以和原溶液中某一组分形成沸点更低的共沸物，使组分间相对挥发度增大，则在精馏过程中该组分就和第三组分（夹带剂）以共沸物的形式由塔顶蒸出。这种特殊精馏方法称为共沸精馏或恒沸精馏。3.2.8其他精馏简介共沸精馏3.2液体的精馏对3.2.8其他精馏简介萃取精馏3.2液体的精馏在相对挥发度接近于1的溶液中加入第三组分后，若第三组分与原溶液中某一组分有较强的作用力，则可以提高原溶液组分间的相对挥发度，从而使原溶液得到分离的方法称为萃取精馏。加入的第三组分称为萃取剂。3.2.8其他精馏简介萃取精馏3.2液体的精馏在3.2.8其他精馏简介反应精馏3.2液体的精馏化学反应与分离操作同时进行的精馏可逆平衡反应异构体混合物分离3.2.8其他精馏简介反应精馏3.2液体的精馏化第3章传质分离过程3.3吸收吸收：利用适当液体溶解气体混合物中的有关组分(有时还伴有化学反应)，以分离气体混合物的一种操作吸收剂吸收质（吸收组分）惰性组分物理吸收(传质速率)化学吸收(传质速率、反应速率)水吸收氯化氢生产盐酸水除去合成氨原料气中二氧化碳洗油回收焦炉气中的芳烃水除去工厂废气中二氧化硫丙酮吸收乙烯/乙炔中的乙炔第3章传质分离过程3.33.3吸收第3章传质分离过程3.3吸收第3章传质分离过程解吸：又称脱吸，是吸收的逆过程，是使溶解于吸收液中的溶质释放出来的过程。减压解吸升温解吸升温-减压解吸气提解吸第3章传质分离过程3.3吸收解吸：又称脱吸，是吸收的逆过程，是使溶解于吸收液中的溶质释放3.3.1吸收的气-液平衡(一)气-液平衡关系式亨利定律：p*=Ex

（稀溶液）p*:气相中溶质的平衡分压x：液相中溶质的摩尔分数E：亨利常数E：表示溶解的难易程度，随温度变化第3章传质分离过程3.3.1吸收的气-液平衡(一)气-液平衡关系式亨(一)气-液平衡关系式3.3.1吸收的气-液平衡第3章传质分离过程(一)气-液平衡关系式3.3.1吸收的气-液平衡第(二)气-液平衡曲线3.3.1吸收的气-液平衡第3章传质分离过程(二)气-液平衡曲线3.3.1吸收的气-液平衡第33.3.2吸收过程的物料衡算第3章传质分离过程3.3.2吸收过程的物料衡算第3章传质分离过程3.3.3吸收塔中吸收的计算（一）吸收剂的用量第3章传质分离过程3.3.3吸收塔中吸收的计算（一）吸收剂的用量第3章3.3.5化学吸收简介化学吸收的优点：加快吸收速率，提高了设备容量在吸收过程中，溶质气体与溶剂中某一个(或一个以上)组分可能发生化学反应，这种伴有化学反应的吸收过程称为化学吸收化学吸收传质速率方程：化学反应使物理吸收通量增大的倍数第3章传质分离过程3.3.5化学吸收简介化学吸收的优点：在吸收过程中，化学吸收的特点：吸收质因与溶剂中反应组分起化学反应而消耗，使得与此液相成平衡的吸收质的分压降低，从而提高了吸收的推动力如果反应进行得很快，以至在气-液界面附近吸收质已完全反应，则吸收质在液膜内扩散需要克服的阻力便大大降低例如用水吸收二氧化硫的过程速率原是气膜与液膜共同控制的，若改用NaOH溶液来吸收，便变成几乎完全是气膜控制(此时液膜传质系数相对极大)。3.3.5化学吸收简介第3章传质分离过程化学吸收的特点：3.3.5化学吸收简介第3章传质分3.4膜分离利用固体膜对流体混合物中各组分的选样性渗透分离各组分的方法称为膜分离特点：多数膜分离过程中组分不发生相变化，所以能耗较低；膜分离在常温下进行，对食品及生物药品的加工特别适合；膜分离过程不仅可除去病毒、细菌等微粒，而且也可除去溶液中大分子和无机盐，还可分离共沸物或沸点相近的组分；由于以压差及电位差为推动力，因此装置简单，操作方便。第3章传质分离过程3.4膜分离利用固体膜对流体混合物中各组分的选样性渗第3章传质分离过程第3章传质分离过程3.4.1超滤（ultrafiltration）过程的原理超滤是以压差为推动力、用固体多孔膜截留混合物中的微粒和大分子溶质而使溶剂透过膜孔的分离操作。第3章传质分离过程透过率3.4.1超滤（ultrafiltration）过程3.4.2膜分离过程的流程和操作（一）浓差极化现象第3章传质分离过程3.4.2膜分离过程的流程和操作（一）浓差极化现象第（二）膜分离过程的典型流程3.4.2膜分离过程的流程和操作第3章传质分离过程（二）膜分离过程的典型流程3.4.2膜分离过程的流程（二）膜分离过程的典型流程3.4.2膜分离过程的流程和操作第3章传质分离过程（二）膜分离过程的典型流程3.4.2膜分离过程的流程3.4.3膜分离器分离用固体膜：无机膜：由陶瓷、玻璃、金属等材料制成，孔径为1nm-60μm。无机膜的耐热性、化学稳定性好，孔径较均匀。聚合物膜：通常用醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚砜、聚四氟乙烯、聚丙烯等材料制成，膜的结构有均质致密膜或多孔膜，非对称膜及复合膜等多种。膜一般很薄，如对微孔过滤所用的多孔膜而言，约为50-250μm。因此，一般衬以膜的支撑体使之具有一定的机械强度。第3章传质分离过程3.4.3膜分离器分离用固体膜：第3章传质分离过程3.4.3膜分离器1.板式膜分离器2.管式膜分离器第3章传质分离过程3.4.3膜分离器1.板式膜分离器2.管式膜分离3.螺旋卷式膜分离器3.4.3膜分离器第3章传质分离过程3.螺旋卷式膜分离器3.4.3膜分离器第3章传质3.4.3膜分离器4.中空纤维膜分离器第3章传质分离过程3.4.3膜分离器4.中空纤维膜分离器第3章传质3.4.4超滤的应用和主要计算1.超滤的工业应用超滤在食品工业中用于果汁、牛奶的浓缩和其他乳制品加工。在纯水制备过程中使用超滤可以除去水中的大分子有机物(分子量大于6000)及微粒、细菌、热源等有害物，因此可用于注射液的净化。此外，超滤可用于生物制品的浓缩精制．从血液中除去尿毒素以及从工业废水中除去蛋白质及高分子物质等。第3章传质分离过程3.4.4超滤的应用和主要计算1.超滤的工业应用阳膜：R-SO3--H+阴膜：R-CH2N+(CH3)3-OH-3.4.5电渗析（electrodialysis）过程简介第3章传质分离过程电渗析是以电位差为推动力、利用离子交换膜的选择透过特性使溶液中的离子作定向移动以达到脱除或富集电解质的膜分离操作。阳膜：R-SO3--H+阴膜：R-CH2N+(CH3)3-O（二）电渗析的特点和应用在反渗透和超滤过程中，透过膜的物质是小分子溶剂；而在电渗析中，透过膜的是可电离的电解质（盐）。电渗析的耗电量与除去的盐量成正比。电渗析在废水处理中的典型应用是从电镀废水中回收铜、镍、铬等重金属离子。化工生产中使用电渗析将离子性物质与非离子性物质分离。在临床治疗中电渗析作为人工肾使用。3.4.5电渗析（electrodialysis）过程简介第3章传质分离过程（二）电渗析的特点和应用在反渗透和超滤过程中，透过膜的物质是第三章传质分离过程第三章第3章传质分离过程概述非均相物系分离：沉降，过滤，固体的干燥等均相物系分离：气-液相：吸收和蒸馏液-液相：萃取液-固相：结晶第3章传质分离过程概述非均相物系分离：沉降，过滤，固体的干第3章传质分离过程概述物质以扩散的方式迁移叫做物质传递过程或称传质过程所有均相物系分离过程和部分非均相物系分离都涉及到相间传质，因此又称为传质分离过程第3章传质分离过程概述物质以扩散的方式迁移叫做物质传递过程3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.1传质过程的机理（一）单相中物质的传递物质在单相中的扩散有分子扩散和对流扩散两种1.分子扩散静止流体中的扩散层流流体中垂直于流动方向的扩散固体中的扩散(半导体掺杂，渗碳，渗铝)3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.1传质分子扩散速率：单位时间内通过主体内某一界面的物质的量3.1.传质过程的机理及传质设备分子扩散速率：3.1.传质过程的机理及传质设备传递通量正比与各自的浓度梯度依靠分子热运动传递3.1.传质过程的机理及传质设备费克定律：牛顿粘性定律：傅里叶定律：传递通量正比与各自的浓度梯度3.1.传质过程的机理及传分子扩散系数D是物质的特性常数，表示物质在介质中的扩散能力。

扩散组分的性质组分所在的介质温度压力3.1.传质过程的机理及传质设备分子扩散系数D是物质的特性常数，表示物质在介质中的扩散能力。3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.传质过程的机理及传质设备扩散组分A在气体B中的扩散系数3.1.传质过程的机理及传质设备扩散组分A在气体B中的扩散系数3.1.传质过程的机理及2.对流扩散分子扩散：在浓度差推动力的作用下，由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象对流扩散：依靠流体微团携带物质运动进行的扩散对流传质：流体中的组分向固体壁或相界面扩散及其相反过程（1）对流传质机理3.1.传质过程的机理及传质设备2.对流扩散分子扩散：在浓度差推动力的作用下，由于分子、原2.对流扩散有浓度梯度的区域称为传质边界层或流体膜。对流体膜可以进行合理简化：假设全部扩散阻力集中在一层虚拟厚度的膜内，流体主体与界面之间的对流传质等效于虚拟膜内的分子扩散，因此常把流体的对流传质称为膜传质（1）对流传质机理3.1.传质过程的机理及传质设备2.对流扩散有浓度梯度的区域称为传质边界层或流体膜。对流体3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.传质过程的机理及传质设备等分子反向传质：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。物质有宏观移动，一组份扩散，另一组份反向等量扩散，保证总浓度不变。单向传质：设A、B组分的气体混合物与液体接触，在相界面处，只有组分A可溶于液相，而组分B不溶于液相。A溶于液相，留下空缺，混合气体向液相表面递补，A、B分子递补运动成为“总体流动”。B称为停滞组分。3.1.传质过程的机理及传质设备等分子反向传质：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相（2）对流传质系数的准数关联式3.1.传质过程的机理及传质设备（3）柯尔本的j因子类似率（2）对流传质系数的准数关联式3.1.传质过程的机理（二）相间传质流-固相间传质：单相传质-相变-单相传质的过程气-液相传质3.1.传质过程的机理及传质设备（二）相间传质流-固相间传质：3.1.传质过程的机理1.气-液相传质机理（1）双膜理论物质扩散到气-液界面后溶于溶剂再扩散到液相中气-液界面分别有存在浓度差的层流有效膜气-液界面上气相-液相互相平衡3.1.传质过程的机理及传质设备1.气-液相传质机理（1）双膜理论物质扩散到气-液界面后溶对于具有自由相界面的气-液系统．在界面上的湍流不会减弱，因而界面上没有稳定的流体膜存在；在湍流程度很高时在界面上产生旋涡，传质主要靠旋涡进行；此时传质系数主要决定于流体力学条件，而与流体性质的关系极小。（2）界面动力状态理论3.1.传质过程的机理及传质设备（2）界面动力状态理论3.1.传质过程的机理及传质设备（3）溶质渗透-表面更新理论溶质渗透理论：液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完全的混合,使液体的浓度均匀化,在t时间内,液相中发生的不再是定态的扩散过程,而是非定态的扩散过程.表面更新理论：液体在流动过程中表面不断更新,即不断地有液体从主体转为界面而暴露于气相中,这种界面不断更新使传质过程大大强化,其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处,现通过表面更新,深处的液体就有机会直接与气体接触以接受传质.3.1.传质过程的机理及传质设备（3）溶质渗透-表面更新理论溶质渗透理论：液体在流动过程中每2.气-液相传质速率方程3.1.传质过程的机理及传质设备2.气-液相传质速率方程3.1.传质过程的机理及传质3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.2气液相传质设备传质接触面，湍流强度、传质推动力连续接触式：填料塔，湍球塔分级接触式：板式塔生产能力大分离效率高操作弹性大流体阻力小结构简单、造价低、运行可靠3.1.传质过程的机理及传质设备要求3.1.2气液相传质设备传质接触面，湍流强度、传质推动（一）填充塔1.填料塔特点：结构简单，流体阻力小填料选择：陶瓷、木材、钢填料要求：较大比表面积，浸润性好，自由空间大，密度小，机械强度高，价格便宜3.1.传质过程的机理及传质设备（一）填充塔1.填料塔特点：结构简单，流体阻力小填料选择：3.1.传质过程的机理及传质设备3.1.传质过程的机理及传质设备化学工程基础第3章详解课件2.湍球塔特点：在上升高速气流的冲力、液体的浮力和自身重力等各种力的相互作用下，球形填料悬浮起来形成湍动旋转和相互碰撞，引起气、液的密切接触，有效地进行传质、传热。优点：气速高、处理能力大、气液分布比较均匀、结构简单且不易被堵塞。缺点：小球较易变形和破裂，只适于传质单元数（或理论板数）不多的操作过程。3.1.传质过程的机理及传质设备2.湍球塔特点：在上升高速气流的冲力、液体的浮力和自身重力（二）板式塔板塔式：塔内装有一层层的塔板(或称塔盘)，气体以鼓泡、喷射方式通过液相时，形成气泡、液滴、泡沫等乳浊状态，为传质提供了很大的相界面，且表面不断更新，因此具有很高的传质效率。气-液的传质、传热过程是在各个塔板上进行的。型式：泡罩塔，筛板塔，浮阀塔和浮舌塔。3.1.传质过程的机理及传质设备（二）板式塔板塔式：塔内装有一层层的塔板(或称塔盘)，气体以塔板钻有许多均勾分布的小孔，形似筛孔，所以称为筛板。液体的溢流及塔板上液面的调节借助于溢流管。液体经溢流装置逐级下降，与通过筛孔吹入液层的气体呈错流接触。鼓泡层、泡沫层、雾沫层雾沫夹带液泛1.筛板塔3.1.传质过程的机理及传质设备塔板钻有许多均勾分布的小孔，形似筛孔，所以称为筛板。液体的溢2.泡罩塔气体是以鼓泡的方式通过塔板上的液层进行物质交换和热交换的3.1.传质过程的机理及传质设备2.泡罩塔气体是以鼓泡的方式通过塔板上的液层进行物质交换和3.浮阀塔分离效率高、允许变动的操作范围广、节约金属等优点．生产能力大、塔板压力降小，能处理较脏、粘的物料等特点。而且构造较泡罩塔简单、效率比泡罩塔高。3.1.传质过程的机理及传质设备3.浮阀塔分离效率高、允许变动的操作范围广、节约金属等优点3.浮舌塔在塔板上用浮动舌片代替浮阀。气流主要以喷射方式斜穿液层，气-液相处于一种近乎乳化的泡沫状态，因此传质效率非常高。3.1.传质过程的机理及传质设备3.浮舌塔在塔板上用浮动舌片代替浮阀。气流主要以喷射方式斜（三）喷射式传质装置喷射吸收器采用气-液并流操作，流速不受限制。这样不仅可提高生产能力，而且高速气流也易将液滴打碎乳化，造成很大的接触面和强烈的湍动，从而大大提高传质效果。3.1.传质过程的机理及传质设备（三）喷射式传质装置喷射吸收器采用气-液并流操作，流速不受限3.2液体的精馏蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发度的差别，使液体混合物部分汽化并随之使蒸气部分冷凝，从而实现其所含组分的分离易挥发组分难挥发组分间歇蒸馏连续蒸馏简单蒸馏平衡蒸馏精馏特殊精馏常压加压减压3.2液体的精馏蒸馏：间歇蒸馏简单蒸馏常压3.2.1双组分溶液的气-液平衡（一）相律和组成相律:平衡体系中组分数、相数和自由度数之间关系3.2液体的精馏3.2.1双组分溶液的气-液平衡（一）相律和组成相（二）理想溶液气-液相平衡关系的基本算式3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏苯-甲苯甲醇-乙醇烃类同系物（二）理想溶液气-液相平衡关系的基本算式3.2.1（三）气-液平衡相图3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（三）气-液平衡相图3.2.1双组分溶液的气-液平非理想溶液:恒沸点和恒沸组成（三）气-液平衡相图3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏非理想溶液:恒沸点和恒沸组成（三）气-液平衡相图3.2.（四）相对挥发度和气-液平衡关系3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（四）相对挥发度和气-液平衡关系3.2.1双组分溶（四）相对挥发度和气-液平衡关系3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（四）相对挥发度和气-液平衡关系3.2.1双组分溶（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3.2.1双组（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算1.由正常沸点估算任意温度时纯组分的饱和蒸气压3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算1.由正常沸点估算任意2.相对挥发度的估算（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏2.相对挥发度的估算（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（五）理想二组分溶液相平衡数据的估算3.2.1双组（六）非理想二组分溶液气-液相平衡数据的估算3.2.1双组分溶液的气-液平衡3.2液体的精馏（六）非理想二组分溶液气-液相平衡数据的估算3.2.1简单蒸馏3.2液体的精馏简单蒸馏3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置（一）精馏原理3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置（一）精馏原理3.23.2.2精馏原理和流程装置（一）精馏原理3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置（一）精馏原理3.23.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程（一）全塔物料衡算3.2液体的精馏3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程（一）全塔物料化学工程基础第3章详解课件（二）操作线方程假若把精馏塔内某一横截面以上或以下作为物料衡算的区域，并对该区域内的组分进行物料衡算，就可得到经过该截面的上升蒸气和回流液浓度与各操作条件之间的关系，这种关系的数学表达式就是精馏塔的操作线方程。3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（二）操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3.1.恒摩尔流假定：在精溜塔内，无中间加料或出料的情况下，各层塔板的上升蒸气摩尔流相等(恒摩尔气流)，下降液体的摩尔流量相等(恒摩尔液流)。混合液中各组分的摩尔气化热相等塔设备保温良好，热损失可以忽略3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏在精榴塔塔板上气-液两相接触时，假若有lkmol/h蒸气冷凝，同时相应有lkmol/h的液体气化1.恒摩尔流假定：在精溜塔内，无中间加料或出料的情况下2.精馏段操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏2.精馏段操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置33.提馏段操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.提馏段操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3（1）料液的预热情况冷液进料：料液温度低于泡点的冷液体：饱和液体进料：料液温度为泡点的饱和液体，又称泡点进料；气-液混合物进料：原料温度介于泡点和露点之间的气-液混合物饱和蒸气进料：原料温度为露点的饱和蒸气，又称露点进料；过热蒸气进料：原料温度高于露点的过热蒸气。原料的五种热状态4.加料处的操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（1）料液的预热情况冷液进料：料液温度低于泡点的冷液体：原料3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（2）加入料液情况对上升蒸气量和回流液量的影响3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（2）加入料液情况对上升蒸气量和回流液量的影响3.2.2（2）加入料液情况对上升蒸气量和回流液量的影响3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（2）加入料液情况对上升蒸气量和回流液量的影响3.2.2（3）加料板处的物料衡算、热量衡算及加料处的操作线方程3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏（3）加料板处的物料衡算、热量衡算及加料处的操作线方程3.3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏(三)操作线方程在y-x相图上的表示3.2.2精馏原理和流程装置3.2液体的精馏(三)操作线方程在y-x相图上的表示3.2.2精馏(四)回流比对操作线的影响及选择1.回流比与传质过程推动力的关系3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程3.2液体的精馏(四)回流比对操作线的影响及选择1.回流比与传质过程推动(四)回流比对操作线的影响及选择2.最大回流比全回流：qn,D=0qn,F=0qn,L=03.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程3.2液体的精馏(四)回流比对操作线的影响及选择2.最大回流比全回流：q(四)回流比对操作线的影响及选择3.最小回流比3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程3.2液体的精馏(四)回流比对操作线的影响及选择3.最小回流比3.2.(四)回流比对操作线的影响及选择当采用饱和液体进料时3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程3.2液体的精馏(四)回流比对操作线的影响及选择当采用饱和液体进料时3.(四)回流比对操作线的影响及选择4.适宜回流比3.2.3精馏过程的物料衡算和操作线方程3.2液体的精馏适宜回流比(四)回流比对操作线的影响及选择4.适宜回流比3.2.化学工程基础第3章详解课件3.2.4理论塔板和理论塔板数理论塔板：在其上气-液两相都充分混合，且传热及传质过程阻力均为零的理想化塔板。离开该板时气-液两相达到平衡状态。经过一个理论板达到平衡的气-液两相，再分别和上一板的液相及下一板的气相接触，会形成新的平衡。对于给定的分离要求，这种由不平衡到平衡的过程，往往要经过若干次，最终才能达到所要求的塔顶、塔底组成。这种由不平衡到平衡的次数，称为理论塔板数。(一)理论塔板的概念3.2液体的精馏3.2.4理论塔板和理论塔板数理论塔板：在其上气-液两3.2.4理论塔板和理论塔板数3.2液体的精馏(一)理论塔板的概念实际塔板上气液两相难以达到平衡，理论板是不存在的，仅用做衡量实际板分离效率的依据和标准。原料液组成进料热状态操作回流比要求分离程度气-液相平衡关系操作线方程逐板计算法，图解法，芬斯克公式-吉利兰图3.2.4理论塔板和理论塔板数3.2液体的精馏((二)逐板计算法求理论塔板数3.2.4理论塔板和理论塔板数3.2液体的精馏(二)逐板计算法求理论塔板数3.2.4理论塔板和理论(三)图解法求理论塔板数3.2.4理论塔板和理论塔板数3.2液体的精馏(三)图解法求理论塔板数3.2.4理论塔板和理论塔板(四)用芬斯克公式和吉利兰图计算理论塔板数3.2.4理论塔板和理论塔板数3.2液体的精馏全回流条件下的理论塔板数(芬斯克公式)(四)用芬斯克公式和吉利兰图计算理论塔板数3.2.43.2.5板效率和实际塔板数塔板效率：实际板上的传质传热一般不能达到平衡1.单板效率3.2液体的精馏3.2.5板效率和实际塔板数塔板效率：实际板上的传质传3.2.5板效率和实际塔板数2.全塔板效率3.2液体的精馏流体的物理性质（密度、粘度、表面张力、扩散系数）流体的流动情况踏板尺寸和结构3.2.5板效率和实际塔板数2.全塔板效率3.23.2.6塔高、塔径和塔板压力降的计算(一)塔高的计算减少雾沫夹带，小于10%溢流管中液面控制，防止淹塔3.2液体的精馏塔高3.2.6塔高、塔径和塔板压力降的计算(一)塔高的计(二)塔径的计算减少雾沫夹带防止液泛现象3.2.6塔高、塔径和塔板压力降的计算3.2液体的精馏空塔线速度u(二)塔径的计算减少雾沫夹带3.2.6塔高、塔径和塔(三)塔板的压力降3.2.6塔高、塔径和塔板压力降的计算3.2液体的精馏(三)塔板的压力降3.2.6塔高、塔径和塔板压力降的3.2.7间歇蒸馏特点：只有精馏段而无提馏段非定态操作装置简单，操作灵活分类：回流比恒定，馏出液组成逐渐下降馏出液组成恒定，回流比不断增大3.2液体的精馏3.2.7间歇蒸馏特点：分类：3.2液体的精馏3.2.8其他精馏简介多组分精馏共沸精馏萃取精馏反应精馏3.2液体的精馏3.2.8其他精馏简介多组分精馏3.2液体的精馏3.2.8其他精馏简介多组分精馏3.2液体的精馏分离三个或三个以上组分混合物的精馏重关键组分轻关键组分3.2.8其他精馏简介多组分精馏3.2液体的精馏3.2.8其他精馏简介共沸精馏3.2液体的精馏对于具有共沸点的非理想溶液，在液相浓度达到共沸组成以后，就不能一般的精馏方法将其分离。若加入第二组分可以和原溶液中某一组分形成沸点更低的共沸物，使组分间相对挥发度增大，则在精馏过程中该组分就和第三组分（夹带剂）以共沸物的形式由塔顶蒸出。这种特殊精馏方法称为共沸精馏或恒沸精馏。3.2.8其他精馏简介共沸精馏3.2液体的精馏对3.2.8其他精馏简介萃取精馏3.2液体的精馏在相对挥发度接近于1的溶液中加入第三组分后，若第三组分与原溶液中某一组分有较强的作用力，则可以提高原溶液组分间的相对挥发度，从而使原溶液得到分离的方法称为萃取精馏。加入的第三组分称为萃取剂。3.2.8其他精馏简介萃取精馏3.2液体的精馏在3.2.8其他精馏简介反应精馏3.2液体的精馏化学反应与分离操作同时进行的精馏可逆平衡反应异构体混合物分离3.2.8其他精馏简介反应精馏3.2液体的精馏化第3章传质分离过程3.3吸收吸收：利用适当液体溶解气体混合物中的有关组分(有时还伴有化学反应)，以分离气体混合物的一种操作吸收剂吸收质（吸收组分）惰性组分物理吸收(传质速率)化学吸收(传质速率、反应速率)水吸收氯化氢生产盐酸水除去合成氨原料气中二氧化碳洗油回收焦炉气中的芳烃水除去工厂废气中二氧化硫丙酮吸收乙烯/乙炔中的乙炔第3章传质分离过程3.33.3吸收第3章传质分离过程3.3吸收第3章传质分离过程解吸：又称脱吸，是吸收的逆过程，是使溶解于吸收液中的溶质释放出来的过程。减压解吸升温解吸升温-减压解吸气提解吸第3章传质分离过程3.3吸收解吸：又称脱吸，是吸收的逆过程，是使溶解于吸收液中的溶质释放3.3.1吸收的气-液平衡(一)气-液平衡关系式亨利定律：p*=Ex

（稀溶液）p*:气相中溶质的平衡分压x：液相中溶质的摩尔分数E：亨利常数E：表示溶解的难易程度，随温度变化第3章传质分离过程3.3.1吸收的气-液平衡(一)气-液平衡关系式亨(一)气-液平衡关系式3.3.1吸收的气-液平