7传质分离过程概论
7.1传质分离过程

混合物分离是化工类生产中的重要过程。混合物可以分为均相混合物和非均相混合物两类。非均相混合物的分离主要依靠力学原理，即质点运动与流体力学的原理进行分离，已在第4章中进行了讨论。本章以及以后的几章讨论的主要是均相混合物的分离，这些分离过程的特点是依靠物质的传递（分子传递和涡流传递）来实现混合物中各组分的分离，因此统称为传质分离过程。某些非均相混合物也是依靠物质传递达到分离的目的，例如湿固体物料中的水分依靠使水分传递到气相来实现物料的干燥，这些非均相混合物的分离方法（如干燥、浸取）也列入传质分离过程。
传质分离过程可分为两大类： 
（1） 平衡分离过程： 根据混合物中诸组分在两相间的平衡分配不同来实现混合物的分离，这类分离方法称为平衡分离过程。如蒸馏、吸收、萃取、吸附和干燥等。
（2） 速率分离过程： 根据混合物中各组分在某种场的作用下扩散速度不同的性质来实现它们的分离，这类分离方法称为速率分离过程，例如气体扩散、电泳等。
在一般化工生产中主要应用平衡分离过程，所以本课程主要讨论平衡分离过程。后面讲到的传质分离过程主要为平衡分离过程。
化工生产中遇到的混合物是多种多样的。它们可以是气体、液体或固体； 它们可以是均相的，也可以是非均相的（例如某些固体混合物）； 其中各组分的物理化学性质可以相差很大，也可以十分相似； 各组分的含量可以相差很大，也可以处于同样数量级。另一方面，分离混合物的目的也各不相同，一般说可以分为以下4种情况： 
（1） 分离： 将混合物中各组分完全分开，得到各个纯组分或若干种产品。例如，将空气分离而得氧、氮和多种稀有气体，将原油分离成汽油、煤油、柴油等若干产物。
（2） 提取和回收： 从混合物中提取出某种或某几种有用的组分。例如从矿石中提取某种有用的金属，从工厂排放的废料中回收有价值的物质或除去污染环境的有害物质。
（3） 纯化： 除去混合物中所含的少量杂质。例如合成氨生产中除去原料气中的CO2和CO等有害气体，以制取纯净的N2、H2混合气体。
（4） 浓缩： 将含组分很少的稀溶液浓缩。
因此，为了有效地进行混合物的分离，必须根据具体情况，采用不同的方法。
应用平衡分离原理实现混合物分离的方法很多，每种方法均有其本身的特点。但是，分析各种常用的分离方法可以发现，尽管各种分离方法的具体情况各不相同，它们的基本原理、所用的分析与处理问题的方法和设备很多是相同的或相似的。掌握这些平衡分离过程的基本原理和方法，对于更好地理解与掌握各种具体的分离方法无疑是有益的。
本章讨论平衡分离过程的共同的基本原理、分离的基本方法，以及分离设备的基本类型和设计方法。
平衡分离过程的共同基础是混合物中各组分在两相间平衡时的分配（即相对组成）不同，所以作为讨论问题的基础，首先要说明混合物中组成的表示方法。
7.2混合物组成的表示方法
为了分析问题与设计计算的方便，对于各种传质分离过程，常常采用不同的组成表示方法，化工计算中常用的组成表示方法有以下4种。
7.2.1质量浓度与物质的量浓度
单位体积混合物中某物质（组分）的质量称为该物质（组分）的质量浓度，其定义式为

GA=mAV(71)

式中： GA——组分A的质量浓度，kg/m3； 

mA——混合物中组分A的质量，kg； 

V——混合物的体积，m3。
单位体积混合物中某组分的物质的量称为该组分的物质的量浓度（也称浓度），其定义式为

cA=nAV(72)

式中： cA——组分A的浓度，kmol/m3； 

nA——混合物中组分A的物质的量，kmol。

组分A的质量浓度与物质的量浓度的关系为

cA=GAMA(73)

式中： MA——组分A的摩尔质量。
7.2.2质量分数与摩尔分数

混合物中某组分A的质量mA占混合物总质量m的比例称为组分A的质量分数aA： 

aA=mAm(74)

显然，混合物中所有组分（A，B，…）的质量分数之和等于1，即

aA+aB+…=1(75)

混合物中某组分A的物质的量nA占混合物总物质的量n的比例称为组分A的摩尔分数xA： 

xA=nAn(76)

同上，混合物中所有组分的摩尔分数之和等于1，即

xA+xB+…=1(77)

一般用x，y分别表示两个不同相中组分的摩尔分数，对于气液体系，y表示气相中的摩尔分数，x表示液相中的摩尔分数。
组分A的质量分数与摩尔分数的关系为

xA=aAMAaAMA+aBMB+…(78)

或
xA=aAMA1(79)

式中： aA，aB，…——组分A，B，…的质量分数； 

MA，MB，…——组分A，B，…的摩尔质量； 

——混合物的平均摩尔质量。

7.2.3质量比与摩尔比
混合物中单位质量惰性物质（指传质分离过程中不在相间传递的物质）所含某组分的质量称为该组分的质量比，其定义式为

A=mAm-mA(710)

式中： A——组分A的质量比。
质量比与质量分数的关系为

A=aA1-aA(711)

混合物中1 mol惰性物质所含某组分的物质的量称为该组分的摩尔比。在传质分离过程中用X和Y分别表示两相中的摩尔比，对于气液体系，通常用X表示液相中的摩尔比，用Y表示气相中的摩尔比。摩尔比的定义式为

XA=nAn-nA(712)

式中： XA——组分A的摩尔比。
摩尔比与摩尔分数的关系为

XA=xA1-xA(713)

7.2.4气体的总压与组分的分压
对于气体混合物，其组成还常常用总压和分压间接表示。总压、组分分压与组分的摩尔分数和摩尔比的关系为


xA=pAp(714)

XA=pAp-pA(715)


式中： p——气体的总压； 

pA——组分A的分压。
实际上应用哪种方法表示混合物的组成，需根据过程计算时使用上的方便而定。因此需要掌握各种组成表示方法之间的换算。进行各种组成表示方法相互换算的要点是取一定量的混合物作为基准，然后根据组成定义再作换算。
例71已知氨水的质量浓度为240 kg/m3，此溶液的密度为910 kg/m3。求氨在溶液中的质量分数、质量比、摩尔分数和摩尔比。
解： 取1 m3溶液作为基准。
氨水的质量分数aNH3： 

aNH3=240910=0.264
氨水的质量比NH3： 

NH3=240910-240=240670=0.358
氨水的摩尔分数xNH3： 

xNH3=2401724017+67018=14.114.1+37.2=0.275
氨水的摩尔比XNH3： 

XNH3=2401767018=14.137.2=0.379
7.3传质分离过程的热力学基础——组分在两相间的平衡
平衡分离过程分离混合物的基本方法是根据混合物中诸组分在两相间平衡时分配不同的性质，通过人为地加入另一个相，或者变更条件产生一个新相从而形成一个两相体系，利用待分离的组分在此两相间的分配不同，某些组分在某一相中富集，从而实现其分离。所以组分在两相间的平衡是传质分离过程的热力学基础。
一个混合物与另一相接触时，其中的组分就会在两相间传递，最后达到平衡，此时两相中各组分的组成不再发生变化。平衡时组分在两相中的组成关系称为组分在两相间的平衡关系，利用各组分在两相间平衡关系的不同，可以实现混合物的分离。例如在20℃下含氨(NH3)空气与水接触时，NH3在水、气两相间的平衡关系如图71中的曲线所示，此曲线叫做平衡线。当气相中NH3的含量（以其分压表示）一定时，平衡时水中含NH3量亦为一定值。例如，当气相中NH3的分压为4.23 kPa时，水中NH3的平衡组成为0.05（质量比）。当气、液两相中NH3的组成为此值时，NH3在两相间达平衡，NH3在两相间不会再发生净的传递。空气中的O2和N2在水中的溶解度很小，可以看成它们在水中的质量浓度为零。
设想使NH3分压为4.23 kPa的含NH3空气与氨组成为0.02（质量比）的氨水接触，NH3在两相间不呈平衡。水中氨的组成低于分压为4.23 kPa的含氨空气的平衡组成0.05（质量比），因此氨就向水中传递（被水吸收），使它在水中的含量提高。因为空气几乎不溶于水，也就是说它与NH3在水、气两相间的分配不同，所以加水可以使NH3与空气分离，这个过程称为吸收过程。过程的推动力为实际体系离开平衡状态的距离，可以用含氨空气与氨水组成的两相体系的状态点a与平衡线的水平距离表示： 

Δ=0.05-0.02(716)

也可以用a点与平衡线的垂直距离表示： 

Δp=4.23-1.6(717)

式中： 1.6 kPa——与组成为0.02的氨水呈平衡的气体中氨的分压。


图71NH3在空气与水两相间的平衡关系


再如，苯与甲苯的混合物在101.3 kPa的压力下气、液两相平衡时的组成关系（平衡线）如图72所示。图中横坐标表示液相中苯的摩尔分数x，纵坐标表示气相中苯的摩尔分数y。由图可知，当液相中苯的组成为0.5时，气相中苯的平衡组成为0.7。设想使苯的摩尔分数为0.5的苯甲苯混合液与苯的摩尔分数为0.5的苯甲苯混合气接触，苯与甲苯在两相间呈不平衡，与含苯0.5的苯甲苯混合液呈平衡的气相中苯的摩尔分数应为0.7，比实际混合气中苯的摩尔分数高，所以苯要从液相向气相传递。相反地，甲苯要从气相向液相传递。上述过程是苯甲苯精馏过程中发生的传递过程，这个过程的推动力也是实际体系与平衡状态间的距离，可以用相互接触的气、液两相状态点a与平衡线之间的垂直距离表示： 

Δy=0.7-0.5(718)

或者用a点与平衡线之间的水平距离表示： 

Δx=0.5-0.29(719)
由上面两个例子可知，混合物中诸组分在两相间平衡时的分配不同为它们的分离提供了可能性。


图72苯甲苯的气、液相平衡关系

7.4传质分离过程的两种基本类型
混合物中诸组分在两相间的分配，根据其相对量的不同可以分为两种情况，与此相对应的分离方法也可以分为两类。
1. 混合物中诸组分在两相间的分配相差很大
例如氨和空气的混合气在气相与水相间的分配。此体系两相平衡时，水相中溶解的空气相对于NH3来说很少，实际上可以认为只有氨溶入水相，空气几乎不溶于水相。这就是说，当水相与气相接触时只有一种组分（氨）进入水相，从而使氨与空气得到分离。
吸收、简单萃取、浸取、干燥以及简单吸附等分离过程属于这种类型。这种分离方法的特点是只需引入一股物流，形成两相接触体系即可实现组分的分离。
2. 混合物中诸组分在两相间的分配相差不大
苯甲苯混合物的气、液两相平衡属于这类情况。平衡时，气相中苯的相对含量较液相中高（或者说液相中甲苯的相对含量较气相中高），但是高得不多。例如与含苯0.5摩尔分数（含甲苯也是0.5）的液体呈平衡的气相中苯的含量为0.7摩尔分数（含甲苯为0.3）。对于这类情况只引入一股物流已不可能实现苯与甲苯的完全分离。为了使这两个组分完全分离，必须再加入另一股物流，譬如，对于精馏是回流与上升气流。
精馏、回流萃取、分馏吸附、同位素化学交换等分离过程属于这种类型。这类分离方法的特点是需要引入两股物流，分段形成两相接触体系，整个过程可以同时分段进行（如精馏、回流萃取），也可以周期性地轮换进行（如色层分离等）。

7.5传质分离过程的基本操作方法
引入另一相与混合物接触进行传质分离过程时，根据体系平衡情况和分离要求的不同，可以采用几种不同的操作方法。
7.5.1单级接触操作和理论级的概念
以液液萃取过程为例来说明。摩尔比为XAi的组分A的水溶液，用有机溶剂来提取其中组分A，有机溶剂中组分A的原始摩尔比为YAi。组分A在两液相中的平衡关系如图73所示。将此两液相放在一个槽中，搅拌均匀，水溶液中的组分A向有机相转移，经过一定时间澄清，两相分开，这种操作称为单级接触操作。现分析此操作过程中组分A的转移和两相组成的变化情况。开始时两相的状态点为a点，组分A在水相中的摩尔比为XAi，与其呈平衡的有机相的组成应为Y*Ai。实际有机相中的组成为YAi，低于平衡值，所以组分A要向有机相中转移，使其在有机相中的组成提高，也就是说向平衡的状态转移，此时过程的推动力为

ΔYAi=Y*Ai-YAi(720)



同理，也可以用

ΔXAi=XAi-X*Ai(720a)

来表示过程的推动力。由于组分A从水相传递到有机相，水相中组分A的组成下降，有机相中组分A的组成增高。在任何时刻组分A在两相中的组成关系可以用物料衡算确定。根据组分A的衡算，从水相中传出的组分A的量等于进入有机相的组分A的量： 

L(XAi-XA)=S(YA-YAi)(721)



图73单级接触操作

式中： L——水相中水的物质的量，即除组分A以外的惰性物质的物质的量； 

S——有机相中溶剂的物质的量，即除组分A以外的惰性物质的物质的量； 

XA，YA——在任意时刻水相、有机相中组分A的摩尔比。
在图73中，式(721)为经过(XAi，YAi)点、斜率为-L/S的直线ae，此线称为过程的操作线。由图可知，随着组分A从水相向有机相的传递，两相的状态点沿ae线按a→e方向移动。任意时刻，例如状态点M，两相传质的推动力为ΔY或ΔX，可见随着过程的进行，传质推动力逐渐减小。这个过程的终点是两相达到平衡，此时两相的状态点为操作线与平衡线的交点(e点)。两相接触进行物质传递最后达到平衡的一级设备称为一个理论级，过程的结果使部分组分A从水相中分离出来，所以，理论级是传质分离过程中能实现一定分离效果的基本单元。每个理论级所能达到的分离效果与两相量比、平衡关系以及两相的原始组成等因素有关。后面将会讲到，在传质分离过程中，可以用为了达到一定的分离要求所需的理论级（有时称理论板）数来表示一个分离过程的难易程度和分离要求的高低。分离要求高，体系难分离，则分离所需的理论级数多； 反之，分离要求低或体系易分离，则分离所需的理论级数少。
单级接触最终两相达到平衡，即达到一个理论级的分离程度，需要很长的（理论上需无限长）时间，所以实际上是不可能的。通常在一定的接触时间内两相间组分A的转移只能进行到一定程度，例如进行到M点，M点离平衡点的距离表示该实际单级接触操作与一个理论级的差距，这种差距通常用级效率表示。
以上所述的单级接触操作是间歇进行的，液相与液相、液相与固相所形成的两相体系可以采用这
种操作方式。
7.5.2并流接触操作


图74并流接触操作

单级接触操作也可以连续进行，这就是并流接触操作。仍以前面讲的萃取过程为例，令两相并流流入传质设备（如填料塔或管道一类设备），在并行流动过程中两相接触，组分A从水相转移到有机相（见图74），从进口到出口，水相中组分A的组成由XAi降低到XAo，有机相中组分A的组成从YAi提高到YAo。这一过程相当于间歇操作的单级接触操作经历了一定时间，所以从设备入口到出口两相状态的变化类似于单级接触操作，如图73的操作线所示。所以并流操作的操作线与单级接触的操作线的方程相同，但是含义略有差别。并流操作的分离效果的极限也是一个理论级。
液相与液相、液相与固相、气相与液相以及气相与固相等两相体系均可以采用并流接触操作。
7.5.3逆流接触操作
如上所述，单级接触操作和并流接触操作的分离极限是一个理论级。因此，除了根据相平衡关系特别容易分离的体系以外，单级接触和并流接触操作的分离效果都是不理想的，它们不能使混合物达到比较完全的分离。为了使混合物在较经济的条件下实现较完全的分离，可以采用逆流接触操作。所以逆流操作是传质分离过程中应用最普遍的操作方法。
逆流接触操作有连续逆流与多级逆流两种。
1. 连续逆流
图75是两相连续逆流操作的示意图。过程可以在立式的塔（例如填料塔）中进行。也以前面所说的液液萃取为例，组成为XAi的组分A的水溶液从塔顶加入，自上而下流动。用来提取组分A的不含组分A或含组分A很少的有机溶剂（组分A的摩尔比为YAi）从塔底进入，自下而上流动，与水溶液接触，组分A从水相传递到有机相。只要有机相与水相的流量比适当大，塔底流出的水相中组分A的组成XAo就有可能降低到接近于与有机相入口组成呈平衡的组成X*Ai。


图75连续逆流操作


在逆流接触过程中，任意截面上接触的两相中组分A的组成XA和YA可以根据从塔顶到该截面，即图75中虚线所示系统的物料衡算确定。对于稳态操作，从水溶液中传出的组分A的量等于进入有机溶剂中的组分A的量，即