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传质分离过程Mass transfer and separation process Dr.潘传艺 Mass transfer and separation process 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homogeneous phase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membrane separation technique 、超临界萃取supercritical extraction technique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molecular diffusion--费克( Fick Law )定律 2 . 对流扩散convective diffusion--- 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-film theory (2 ) 溶质渗透-表面更新理论the penetration theorythe surface renewal theory 2 . 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-film theory 溶质渗透-表面更新理论 3 .1 .2 气 -液相传质设备 (一) 填充塔packed column; packed tower 1 . 填料塔filled tower packed tower 2 . 湍球塔turbulent ball tower (二) 板式塔column of trays; plate column; plate tower; tray column ; 1 . 筛板塔sieve 2 . 泡罩塔bubble cap 3 . 浮阀塔float valve tower 4 . 浮舌塔Floating tongue (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