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传质导论. 1. 参考教材 吸收 部分 ; 2. 其他参考书有关 传质 内容. 1 基本知识补充. 1.1 传质分离过程. 1.1.1 相. 相 :(a) 指系统中具有完全相同的物理性质和化学性质的 均匀 组成部分 ;. (b) 不同相之间 , 有明显的界面. 1.1.2 传质分离
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传质导论 1.参考教材吸收部分; 2.其他参考书有关传质内容
1 基本知识补充 1.1 传质分离过程 1.1.1 相 相:(a)指系统中具有完全相同的物理性质和化学性质的均匀组成部分; (b)不同相之间,有明显的界面. 1.1.2 传质分离 均相物系(单一相)内部不存在相界面,在物系的内部,各点处的物理性质完全相同,如果利用物系中不同组分的物理性质或化学性质的差异来造成一个两相物系,使其中某一组分或某些组分从一相转移到另一相,即进行相际传质,并利用混合物中各组分在两相间平衡分配不同,则可达到分离的目的,这一过程称为传质分离过程。
1 基本知识补充 1.1.3 典型的传质单元操作 (1)气体吸收 选择一定的溶剂(外界引入第二相)造成两相,以分离气体混合物。如用水作溶剂来吸收混合在空气中的氨,它是利用氨和空气在水中溶解度的差异,进行分离。 (2)液体蒸馏 对于液体混合物,通过改变状态,如加热气化,使混合物造成两相,它是利用不同组分挥发性的差异,进行分离。 (3)固体干燥 对含一定湿分(水或其它溶剂)的固体提供一定的热量,使溶剂汽化,利用湿分分压差,使湿分从固体表面或内部转移到气相,从而使含湿固体物料得以干燥。
1 基本知识补充 1.1.3 典型的传质单元操作 (4)液-液萃取 向液体混合物中加入某种溶剂,利用液体中各组分在溶剂中溶解度的差异分离液体混合物,在其分离过程中,溶质由一液相转移到另一液相。 (5)结晶 对混合物(蒸汽、溶液或熔融物)采用降温或浓缩的方法使其达到过饱和状态,析出溶质,得到固体产品。 (6)吸附 利用多孔固体颗粒选择性地吸附混合物(液体或气体)中的一个组分或几个组分,从而使混合物得以分离。其逆过程为脱附过程。 (7)膜分离 利用固体膜对混合物中各组分的选择性渗透从而分离各个组分。
1 基本知识补充 相组成的表示法 1.2 质量分率与摩尔分率 (a)质量分率:在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分率。 A组分的质量
1 基本知识补充 1.2 质量分率与摩尔分率 摩尔分率:指在混合物中某组分的摩尔数nA占混合物总摩尔数n的分率。 A组分的摩尔数 气相: 液相: 换算? ——分别为组分A、B的分子量。
1 基本知识补充 1.3 质量比与摩尔比 • 质量比 指混合物中某组分A的质量与惰性组分B(不参加传质的组分)的质量之比 (b)摩尔比 指混合物中某组分A的摩尔数与惰性组分B(不参加传质的组分)的摩尔数之比 气相: 液相: 换算?
1 基本知识补充 1.4 浓度(狭义:单位体积中的物质量) • 质量浓度:单位体积混合物中某组分的质量。 (b)摩尔浓度:单位体积混合物中某组分的摩尔数。 质量浓度与质量分率的关系为 摩尔浓度与摩尔分率的关系为 式中c—混合物的总摩尔浓度, —混合物的密度,
1 基本知识补充 1.4 浓度(狭义:单位体积中的物质量) 对气体: • 理想气体: • 气体混合: 道尔顿分压定律:混合气体的总压力等于与混合气体的温度、体积相同条件下的各组分单独存在时所产生压力的总和。
2 气液相平衡 2.1 平衡的概念: 相数 • 热平衡:各相温度必须相等! • 力平衡:各相的压力相等! • 相平衡:各相中化学位必须相等(对每一组分) • 化学平衡 R个独立反应,R个等式
2 气液相平衡 2.1 平衡的概念: 个等式 又已知化学位是温度\压力\物质的函数,每一个独立等式可减少一个变数 强度量总数 强度性质中独立变数的数目: T/p/x F-自由度,相平衡中强度性质的独立变数 C-组分数 φ-相数 R个独立反应,R个等式 吉布斯相律:
2 气液相平衡 2.2 单组分的气液相平衡: (1)从宏观上看,两相不再有物质传递,蒸气的压力不再变化, 达到相平衡。这时气体称为饱和蒸气,液体称为饱和液体; (2)饱和蒸气压——相应的压力; (3)F=1-2+2=1 下册P50 吉布斯相律:
3 扩散与Fick定律 P7:传质的两种机理 3.1 扩散: (1)黑水滴入水中 扩散起因于——分子的随机运动,它是一个缓慢的过程 (2)扩散速率:气体:10cm/min; 流体扩散包括分子扩散+对流传质 液体:0.05cm/min; 固体:0.00001cm/min. *搅拌可加速固体的溶解 扩散系数 扩散速率 浓度梯度 (3)描述方法有二: (a) FICK定律: (b) 无正式名称 浓度差 传质系数
3 扩散与Fick定律 3.2 费克(FICK)扩散定律 P8 (1)Thomas Graham(氢与空气的扩散速率不同) (2)Adolf Fick(1829):1855年:对扩散引入基本概念(随意) “溶解物的扩散。。。完全受分子力的影响,其规律如同…热在导体中传 传播规律。。。” 扩散速率J:单位时间内某种组分通过单位面积扩散的物质的量,mol/m2·s (3)某一方向: (a) FICK定律: (b) Fick第2定律 扩散发生的截面积
3 扩散与Fick定律 3.2 费克(FICK)扩散定律---对于双组分(1维定态) P8
3 扩散与Fick定律 1.等摩尔相互扩散 P9 (通过静止流体层任一平面的传递速率相等,沿扩散方向上A组分的浓度分布为一直线) 2.单向扩散(了解一下,P10) 主体流动 吸收过程:
4 有效膜理论_对流对传质的贡献 P16 假设:对流传质过程,在气液界面两侧各存在一层静止的气膜和液膜,传质阻力全部集中在这两层虚拟的膜层内,膜层内的传质形式仅为定态分子扩散。
5 对流传质速率 P14 气相: 界面浓度 主体浓度 液相:
6 传质系数的无因次关联式 有关参数: 以浓度差表示推动力 的传质系数
6 传质系数的无因次关联式 与对流传热相仿:P14 传热 传质
传质导论小结 基本概念: 1.相、混合物中各组分的质量分率与摩尔分率、浓度 2.道尔顿分压定律 3.相平衡的条件、吉布斯相律 4.双膜理论模型 5.对流传质速率、对流传质的无量纲关联式: 无量纲数Sh、Re、Sc的表达式 重点掌握: 1.费克(FICK)扩散定律(了解双组分定态扩散情况下: 等摩尔相互扩散&单向扩散)
第9章 精馏 9.1 概述 P49 • 对均相液体混合物系,可通过造成两相,实现分离。 • 蒸馏操作是将混合物部分汽化(即造成气液两相),利用各组分挥发度的差异将其分离。 • 沸点低的即容易挥发的组分称为易挥发组分(轻组分),沸点高的即难挥发的组分称为难挥发组分(重组分)。
第9章 精馏 9.1 概述 1.分离液体混合物 依据:挥发度差异。 基础:气液相平衡。 2.蒸馏的分类 操作流程:间歇、连续。 蒸馏方式:简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏。 组份:二元、多元。 操作压力:常压、减压、加压。 3.应用广泛 原油的分离(汽油、煤油、柴油、润滑油), 石油产品的分离(苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯), 发酵液中提炼饮料酒(历史悠久), 空气中制取指定纯度的N2,O2,Ar等(液化、低温蒸馏)。
第9章 精馏 若有: 气相 液相 P49 间歇操作 连续操作: (闪蒸)
第9章 精馏 9.2 双组分溶液的汽液平衡 (1)由吉布斯相律: 平衡物系涉及的参数: 温度、压力、及气液相的组成 即变量t、p、x、y中只有两个是独立变量 确定其中任意两个参数,平衡关系唯一确定,常用一定压力P下t-x、t-y、x-y关系或一定温度t下p-x关系来表示相平衡关系。
第9章 精馏 9.2 双组分溶液的汽液平衡 P50 (2)理想溶液 拉乌尔(Raoult)定律 所谓理想溶液,是指其中各个组分都在全部浓度范围内服从拉乌尔定律。 对于蒸气压-组成关系与拉乌尔定律的偏差较明显的,就是非理想溶液。 pA=pAoxA pB=pBoxB= pBo(1-xA) 式中: pA, pB—— 溶液上方A和B两组分的平衡分压,Pa; pAo,pBo —— 同温度下,纯组分A和B的饱和蒸汽压,Pa; xA ,xB —— 混合液组分A和B的摩尔分率。
第9章 精馏 9.2 双组分溶液的汽液平衡 P51 道尔顿分压定律可适用于气相: 在一定总压P下,对于某一指定的平衡温度t,可以算出液相组成x(泡点方程): 气相组成y: p=pA+pB 露点方程
第9章 精馏 9.2 双组分溶液的汽液平衡 纯组分的饱和蒸气压可用安托因(Antoine)方程计算。 A、B、C为系数可查有关手册。 温度-组成间关系可用相图表示。
第9章 精馏 苯-甲苯物系,在总压101.3KPa下的t-x(y)关系
第9章 精馏 P52 以苯和甲苯物系为例: A点:纯A的沸点 B点:纯B的沸点 t-x线:泡点线(饱和液体) t-y线:露点线(饱和气体) 泡点线以下:过冷液体 露点线以上:过热蒸汽 泡点线以上,露点线以下:汽液混合物
第9章 精馏 分析液相组成x=0.4的过冷液加热过程:在温度小于沸点的F点代表为过冷液,随温度升高到G点,液体中出现第一个汽泡,成为饱和液,所以G点亦称为泡点,继续升温到100℃,H点汽液两相共存,C、D两点代表相应温度下平衡的汽液两相组成,汽液两相的量可由杠杆定律确定;当温度升到I点时,液相消失,I点代表饱和蒸汽,再升温就是过热蒸汽。反之,如果将J点对应的蒸汽冷凝,则到I点时开始出现第一个液滴,故I点称为露点。
第9章 精馏 二元理想溶液与纯液体的区别: 1)沸点(泡点)不是一个定值,而有一个范围; 2)同样组成下,液体开始沸腾的温度与蒸汽开始冷凝的温度不相等,即泡点≠沸点。
第9章 精馏 • x-y相图,x-y平衡曲线: • (1)由于气相易挥发组分的含量比液相中多,y>x; • (2)平衡线突出及离对角线愈远,愈有利于分离; • (3)总压变化30%,x-y关系一般不会超过2%(@但总压对t-x(y)曲线的影响大)
第9章 精馏 • 挥发度和相对挥发度α • (1)挥发度-蒸馏分离的依据是利用混合液中各组分的挥发难易的差异,必要对挥发难易作出定量描述。对纯液体,常用一定温度下的饱和蒸气压代表挥发度,蒸气压愈大,愈易挥发:
第9章 精馏 • 挥发度和相对挥发度α • (1)挥发度- 溶液中各组分的蒸气压因组分间的相互影响要比纯液体低,对混合液中的某一组分i,定义其挥发度为平衡分压与摩尔分率之比,对二元溶液 对于理想溶液:
第9章 精馏 • 挥发度和相对挥发度α • (2)相对挥发度-混合液中两组分挥发之比:在蒸馏分离中起决定作用的是两组分挥发难易的对比,可定量地用易挥发组分与难挥发组分的挥发度之比表示,称为相对挥发度:
第9章 精馏 • 挥发度和相对挥发度α • (3)若气体服从道尔顿分压定律: • (4)对于双组分物系: -汽液相平衡方程
第9章 精馏 • 挥发度和相对挥发度α • (5)对于理想溶液: • (6) α的大小可作为用蒸馏分离某物系的难易程度的标志
第9章 精馏 • 挥发度和相对挥发度α 1)可用α判断能否采用蒸馏方法分离液相混合物及分离难易程度:α>1时A较B易挥发,α越大分离越容易;当α=1时,不能用普通蒸馏方法分离。
第9章 精馏 • 挥发度和相对挥发度α 2)理想溶液的α随t、x变化不大,可用一平均值或直线函数表示,对于非理想溶液α随t、x变化不能忽略,若不能用简单函数表示其关系,上式意义不大。 3)液体正常沸点低,表明同一温度下其蒸气压高,易挥发,故可用沸点差来表示两组分挥发的难易。
第9章 精馏 • 挥发度和相对挥发度α 4)温度、压力对α的影响: t↑,α↓; p↑,t↑,α↓ 减压蒸馏有利于蒸馏分离,但减压蒸馏主要应用目的是减少分解或聚合损失,而加压蒸馏时,可利用蒸汽冷凝时热量,使用较低品位冷却剂使蒸气冷凝,减少能耗。
第9章 精馏 • 需要注意的几点 1.恒压条件下,双组分平衡物系中仅有一个自由度,即在温度t与组成x(y)这两个参数中,只要决定一个参数,另一个即被定。换言之,恒压下的双组分平衡物系中存在着两个对应关系:
第9章 精馏 • 需要注意的几点 2.在一定外压下,纯组分的饱和蒸汽压与外压相等时,液体开始沸腾,其对应的温度称为沸点,可见,外压一定时,纯组分的沸点为一定值。在一定外压下,液体混合物的沸腾温度称为泡点,泡点与混合物的组成有关。在(t-x-y)图上可见,表示不同组成液体混合物的泡点温度(从x=0到x=1.0)为泡点曲线。在该曲线上,对应x=0(即xA=0,xB=1.0)的温度为B组分的沸点;对应x=1.0(即xA=1.0,xB=0) 的温度曲线为A组分的沸点。
第9章 精馏 • 需要注意的几点 3.相对挥发度α,对理想溶液 ,对非理 想溶液α可由实验测定。用相对挥发度表示的相平衡方程 用于计算理想溶液的汽、液平衡组成。当在操作温度范围内(即操作温度的上、下限之间)物系的相对挥发度变化不大时,可取其平均值(即视α为常数)进行计算。
小结 重点: 相平衡的条件; 液体蒸馏的依据; 双组分理想溶液的温度-组成图、相平衡曲线; 双组分理想溶液的挥发度和相对挥发度