3.传质分离过程

传质分离过程

Masstransferandseparationprocess

Dr.潘传艺Masstransferandseparationprocess

化工生产过程中的原料、中间产物、粗产品几乎都是多组分混合物,这些物料都需要通过一定的处理过程进行分离和纯化。(1)分离过程的种类均相homogeneousphase物系的分离,必须使某种组分形成新相或迁移到另一相。根据涉及的相态主要可分为气-液相的如吸收和蒸馏,液-液相的如萃取,气-固相的如吸附,固-液相的如结晶等等。蒸馏过程又可分为简单蒸馏和精馏等。非均相物系的分离主要包括沉降、过滤和固体的干燥等单元操作。随着生产的发展,对分离技术的要求越来越高,出现了一些新型特殊分离方法,如膜分离membraneseparationtechnique

、超临界萃取supercriticalextractiontechnique等,分离技术的开发和应用有了长足的发展。,.(2)传质分离过程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一些非均相物系分离(如干燥)都涉及到相间传质,因此又称为传质分离过程。除此之外,反应器中的混合和非均相反应过程中都存在传质问题,因此传质过程也是化学反应工程学的基础。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)单相中物质的扩散1.分子扩散moleculardiffusion--费克(FickLaw)定律2.对流扩散convectivediffusion---对流传质机理(二)相间传质1.气-液相传质机理(1)双膜理论two-filmtheory(2)溶质渗透-表面更新理论thepenetrationtheory&thesurfacerenewaltheory2.气-液相传质速率方程费克(Fick)定律分子扩散速率正比于传质面积和浓度在扩散方向上的梯度,这就是费克(Fick)定律,其数学表达式为:对流传质机理双膜理论double-film;two-filmtheoryDoublefilmtheory(theorytwo-film),isaclassicaltheoryofmasstransfermechanism,in1923byWhitman(W.G.Whitman)andLewis(L.K.Lewis),asthetheoryofinterfacialmasstransferkinetics,

溶质渗透-表面更新理论Basedonthismodel,amathematicalmodelofmasstransfercoefficientofpartialliquidphasewasestablishedbyusingHigbiesolutepermeation&RenewalTheoryandKolmogorffisotropicturbulencetheory,andtheoxygentransferprocessofgasliquidtwophasewasdescribedbytheclassicaldoublefilmtheorymodel.在此模型基础上利用Higbie溶质渗透&更新理论和Kolmogorff各向同性湍流理论建立了局部液相体积传质系数数学模型，并应用经典的双膜理论模型描述气液两相间的氧传递过程。3.1.2气-液相传质设备(一)填充塔packedcolumn;packedtower

1.填料塔filledtowerpackedtower2.湍球塔turbulentballtower

(二)板式塔columnoftrays;platecolumn;platetower;traycolumn;1.筛板塔sieve2.泡罩塔bubblecap3.浮阀塔floatvalvetower4.浮舌塔Floatingtongue(三)喷射式传质装置3.2液体的精馏蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作,在化工生产中得到广泛的应用,例如石油的蒸馏可得到汽油、煤油和柴油等,液态空气的蒸馏可得到纯态的液氧和液氮等。蒸馏分离的依据是混合物中各组分的挥发性不同,当它们的气-液两相趋于平衡时,各组分在两相中的相对含量不同,其中易挥发组分在气相中的相对含量较液相中高,而难挥发组分在液相中的相对含量较气相中的高。利用混合物中各组分间挥发性差异这种性质,通过加入热量或取出热量的方法,使混合物形成气-液两相系统,并让它们相互接触进行热量、质量传递,致使易挥发组分在气相中增浓,从而实现混合物的分离,这种方法统称为蒸馏。通常,将挥发度大的即沸点低的组分称为易挥发组分,挥发度小的即沸点高的组分称为难挥发组分。3.2液体的精馏蒸馏操作按操作流程可分为间歇蒸馏与连续蒸馏。间歇蒸馏一般多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。工业生产中多处理大批量物料,通常采用连续蒸馏。按蒸馏操作方式又可分简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏等。简单蒸馏和平衡蒸馏适用于易分离物系或对分离要求不高的场合;精馏适用于难分离物系或对分离要求较高的场合;特殊精馏用于普通精馏难以分离或无法分离的物系。在生产中,蒸馏操作可以在常压、加压或减压下进行。在工业生产中,应用最广泛的蒸馏操作是常压下的连续精馏。所处理的物料大多数为多组分混合物,由于多组分混合物与双组分混合物的精馏原理基本相同,计算方法也无本质区别3.2.1双组分溶液的气-液平衡蒸馏过程是物质在气-液两相间,由一相转移到另一相的质量传递过程。气-液两相达平衡状态是传质过程的极限。溶液的气-液平衡关系是蒸馏过程的热力学基础,是它的基本依据。因此应先讨论蒸馏过程所涉及的气-液平衡问题。(一)相律和相组成气-液相平衡关系,是指溶液与其上方的蒸气达到平衡时,系统的总压、温度及各组分气-液两相中组成间的关系。根据相律,平衡体系的自由度为

F=C-Φ+2(3-18)

对于双组分物系,独立组分数C=2,相数Φ=2,故该平衡物系的自由度F=2。(二)理想溶液气-液相平衡关系的基本算式实验表明,理想溶液的气-液平衡关系遵循拉乌尔(Raoult)定律。根据拉乌尔定律,当气-液呈平衡时,溶液上方组分的蒸气压与溶液中该组分的摩尔分数成正比,即:

pA=p*AxA

pB=p*BxB根据道尔顿(Dalton)分压定律,蒸气相的总压应等于各组分的分压之和,则

p=pA+pB(三)气-液平衡相图(三)气-液平衡相图(四)相对挥发度与气-液平衡关系1.挥发度挥发度表示物质(组分)挥发的难易程度。纯液体的挥发度可以用一定温度下该液体的饱和蒸气压表示。在同一温度下,蒸气压愈大,表示挥发性愈大。对混合液,因组分间的相互影响,使其中各组分的蒸气压要比纯组分的蒸气压低,故混合液中组分的挥发度可用该组分在气相中的平衡分压与其在液相中的组成(摩尔分数)之比表示,即vA=pAxA

2.相对挥发度由挥发度的定义可知,混合液中各组分的挥发度是随温度而改变的,因此在蒸馏计算中并不方便,故引出相对挥发度。混合液中两组分的挥发度之比称为该两组分的相对挥发度,以α表示。3.2.2

精馏原理和流程装置(一)精馏原理精馏精馏是多次部分气化与多次部分冷凝的联合操作。既然液体混合物经过多次部分气化可得到高纯度难挥发组分,气体混合物经过多次部分冷凝可得到高纯度易挥发组分,人们可以设想,如果首先将原料变为气-液两相,然后再使气-液两相分别经多次部分冷凝和多次部分气化,则可同时得到高纯度的两组分。工业生产中的精馏过程正是这样实现的。为了便于操作,节省用地面积和提高效率,上述精馏过程的多次部分气化和部分冷凝是在一个设备内进行的,这一设备通常称为精馏塔。精馏塔内装有一些塔板或填充一定高度的填料,塔板上的液层或填料湿表面都是气、液两相进行热量交换和质量交换的场所(即气相进行部分冷凝,液相进行部分气化)。精馏气-液相通过一块塔板,同时发生一次部分气化和部分冷凝过程。当它们经过多块塔板后,即同时进行了多次部分气化和部分冷凝的过程,最后在塔顶气相中获得较纯的易挥发组分,在塔底液相中可获得较纯的难挥发组分,使混合液达到所要求的分离程度原料液经预热到指定温度后,加入精馏塔内某一块塔板上,该塔板称为加料板。加料板将塔分成两部分:上部进行着蒸气中易挥发组分的增浓,称为精馏段;下部(包括加料板)进行着液体中难挥发组分的提浓,称为提馏段。操作时,连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品(见釜残液),部分液体气化,产生上升蒸气,依次通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器中后被全部冷凝,并将部分冷凝液送回塔顶作为回流液,其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品(馏出液)。(二)精馏装置及流程3.2.3精馏过程的物料衡算与操作线方程(一)全塔物料衡算(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。1.恒摩尔流假定在推导精馏塔操作线方程以前,为了简化精馏计算,通常引入塔内恒摩尔流的假定。恒摩尔流是指在精馏塔内,无中间加料或出料的情况下,每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),即2.精馏段操作线方程R称为回流比refluxratio,它是精馏操作的重要参数之一,其值一般由设计者选定。R值的确定和影响将在后面讨论。式(3-35)称为精馏段操作线方程。该方程的物理意义是表达在一定的操作条件下,精馏段内自任意第n块板下降液相组成xn

与其相邻的下一块(即n+1)塔板上升蒸气组成yn

+1之间的关系。由式(3-35)可看出通过精馏段任意横截面的上升蒸气与回流液组成之间呈直线关系,决定该直线方程的是精馏塔的操作条件R,xd

。3.提馏段操作线方程式(3-36)称为提馏段操作线方程。该方程的物理意义是表达在一定的操作条件下,提馏段内自任意第m块板下降液相组成xm与其相邻的下一块(即m+1)塔板上升蒸气组成ym

+1之间的关系。由式(3-36)可看出,通过提馏段任意横截面的上升蒸气与回流液组成之间也呈直线关系,决定该直线方程的是精馏塔的操作条件q′n

,L、qn,W及xw

。3.2.4理论塔板和理论塔板数(一)理论塔板的概念(二)逐板计算法求理论塔板数(三)图解法求理论塔板数(四)用芬斯克公式和吉利兰图计算理论塔板数用芬斯克(Fenske)公式和吉利兰(Gilliland)图计算理论塔板数的方法3.2.5板效率和实际塔板数(一)塔板效率1.单板效率单板效率又称默弗里(Murphree)板效率2.全塔板效率全塔板效率(ET)又称总板效率,是指在一定分离任务下所需理论板数(NT)和实际板数(N)的比值(二)实际塔板数3.2.6塔高、塔径和塔板压力降的计算(一)塔高的计算板式塔塔高H是由实际塔板数N和板间距h来确定的,即H=N×h(3-49)(二)塔径的计算精馏塔的直径由上升蒸气的体积流量和蒸气的空塔线速度来确定。空塔线速度是指蒸气通过塔的整个截面时的线速度,它与塔径关系是:(三)塔板的压力降3.2.7间歇精馏BatchdistillationStudyontheBatchDistillationProcesswithRefluxSection

ThethreecomponentalcoholbatchdistillationprocesswassimulatedbytheThomasmethodbasedonASOGphaseequilibriumtheory.Thedistortionofthesimulationresultswaseffectivelyavoidedbyusinganaccurateverifyingmethod.在ASOG相平衡理论的基础上,利用托马斯法(Thomas)模拟三元醇类间歇精馏过程,用精确校正法防止模拟结果的失真现象.3.2.8其他精馏简介(一)多组分精馏Multicomponentdistillation(二)共沸精馏azeotropicdistillation(三)萃取精馏extractivedistillation(四)反应精馏reactivedistillation3.3吸收absorption3.3.1吸收的气-液平衡3.3.2吸收过程的物料衡算3.3.3

填料塔中吸收的计算3.3.4吸收过程的理论塔板数3.3.5化学吸收简介3.3.1吸收的气-液平衡Thegas-liquidequilibrium(GLE)

3.3.2吸收过程的物料衡算Material(Mass)balanceintheprocessofabsorption在吸收过程中,吸收质在气相的浓度逐渐降低,必然引起在液相浓度的提高,气-液相实际浓度存在依赖关系。显然这种依赖关系可以由物料衡算获得,由该实际浓度与平衡浓度之差便得到传质推动力3.3.3

填料塔中吸收的计算Calculationofabsorptioninpackedtower填料塔中吸收过程的计算主要包括确定吸收剂的用量;以及在生产要求的处理量下计算填料层的高度和塔径。有关塔径的计算与精馏过程的类似。3.3.4吸收过程的理论塔板数吸收过程也可以在板式塔中进行。吸收塔的理论塔板数(或理论级数)一般可以用“梯级图解法”求得。与精馏过程类似,从操作线一端在平衡线与操作线之间画阶梯至另一端,数出梯级数即是理论级数。对于操作线和平衡线均为线性关系时,通过逐板计算的方法,可以得到计算多级逆流吸收理论级数N的解析式。3.3.5化学吸收chemicalabsorption简介化学吸收在工业生产中是常见的,例如用硫酸吸收三氧化硫,用氨水吸收二氧化碳,用铜氨液吸收一氧化碳,等等,都是伴有化学反应的吸收过程。在化学吸收过程中,吸收质先从气相主体扩散到气-液界面(在气相无化学反应),其扩散的机理与物理吸收是一样的,因此气相传质系数不受影响。吸收质(例如A)达到界面以后,与吸收剂中能与吸收质起反应的组分(例如R)进行化学反应,吸收剂中组分R在界面的浓度降低,因而又从液相主体向界面扩散,与A相遇。A与R在哪一位置上进行反应,取决于反应速率和扩散速率的大小。反应进行愈快,则A抵达气-液界面后不必再扩散很远便会消耗干净;反之,反应进行很慢,则A也可能扩散到液相主体中时仍有大部分未能参加反应。因此影响化学吸收速率的因素不仅包括与物理吸收相同的因素,如物料的性质与流体流动状况等,而且还包括与化学反应速率有关的因素,即化学反应速度常数、反应物浓度等3.3.5化学吸收简介化学吸收与物理吸收相比较,它具有下述特点:(i)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,若反应是不可逆的,在溶剂中的反应组分耗尽之前,吸收质的平衡分压甚至可以降到零,从而提高了吸收的推动力。(ii)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,对不可逆的飞速反应(反应速率极大),当溶剂中的反应组分浓度足够大时,阻力甚至可以减到零,这时吸收变为气膜控制3.4膜分离Membraneseparation

利用固体膜对流体混合物中各组分的选择性渗透分离各组分的方法称为膜分离。膜分离技术目前已普遍用于化工、食品、医药、轻工、冶金工业以及环境工程。膜分离过程有以下特点:(1)多数膜分离过程中组分不发生相变化,所以能耗较低;(2)膜分离过程在常温下进行,对食品及生物药品的加工特别适合;(3)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;(4)由于以压差及电位差为推动力,因此装置简单,操作方便。3.4.1超滤(UF)过程的原理ultrafiltration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。超滤的分离机理主要是多孔膜表面