传质分离过程
（ Mass Transfer & Separation) 吴卫生
博士
上海交通大学化工系
021-54747454
wuws@sjtu.edu.cn
本章内容
概述
蒸馏
吸收
其它传质单元操作
概述
相 （ phase）：体系内部物理性质和化学性质完全均匀
的一部分
均相物系的分离：吸收、蒸馏、萃取等
非均相物系的分离：筛分、沉降、过滤等
相际传质,
<1>物质从一个相转移到另一个相
<2>过程涉及两个相内的传质以及相界面的传质
<3>过程 的极限是达到相平衡
分子扩散（ Fick’s Law),
A
N dc
D
A d n
??
概述 (续一）
对流扩散（涡流扩散）
扩散系数 D,
物质的特性常数，与扩散组分以及介质的性质有
关，还与温度、压力有关。
双膜理论 （ Double-Film Theory）,
<1>气液界面两侧，存在停滞的气膜和液膜；
<2>每一相的传质阻力集中于膜内；
<3>相界面传质阻力可忽略，即气液两相成 平衡。
传质速率 =推动力 /阻力 =传质系数 × 推动力
( ) ( )
( ) ( )
A G i L i
A G L
N k p p k c c
N K p p K c c??
? ? ? ?
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概述 (续二）
填料塔,连续接触式
填料,传质面积大、湍动程度高、传质充分
几个参数,
比表面积
空隙率
填料几何形状
填料的分类,乱堆（散装）填料、整砌（规整）填
料
常见填料
填料塔的附属结构,
填料支撑结构、液体分布和再分布装置、除沫装置
概述 (续三）
板式塔,逐级接触式
气液流动方式,总体上呈逆流、单块板上呈错流。
评价塔设备性能的主要指标,
<1>生产能力 <2>塔板效率 <3>操作弹性 <4>塔板压降
几种水力学现象,
<1>液泛（淹塔） <2>液沫夹带 <3>气泡夹带 <4>漏液
塔板负荷性能图
蒸馏 （ Distillation）
—— 液态均相混合物的分离
蒸馏的 依据
不同组分的 挥发性 （ 沸点 ）差异
易挥发组分 —— 低沸点组分 —— 轻组分
难挥发组分 —— 高沸点组分 —— 重组分
蒸馏的 分类
按操作流程,
间歇蒸馏、连续蒸馏
按蒸馏方式,
简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸）、精馏、特殊蒸馏
按操作压强,
常压蒸馏、加压蒸馏、减压蒸馏
按组分多少,
双组分（二元）蒸馏、多组分（多元）蒸馏
蒸馏中的 质量传递
汽相与液相之间的 双向传质 过程
部分汽化、部分冷凝
易挥发组分往汽相富集
难挥发组分往液相富集
蒸馏过程的 理论基础
—— 汽液相平衡 （ VLE）
相律,F=C-P+2
拉乌尔定律（ Raoult’s Law）,
理想溶液,
各组分均满足 拉乌尔定律
各组分的分子大小相同、分子间作用力相等
非理想溶液,
s
A A Ap p x?
s
i i i ip y p x??
简单蒸馏
单级蒸馏
非稳态过程
常以间歇方式进行
瞬间形成的汽相与液相（ y~x）可视为互
成平衡，随着时间延续,y和 x均逐渐降
低
平衡蒸馏（闪蒸）
单级蒸馏
液体混合物部分汽化
汽相与液相处于平衡状态
既可以间歇也可以连续方式进行
平衡级蒸馏
平衡级蒸馏,
非平衡的汽液两相经接触传质达到平衡
（ 非平衡 → 平衡 ）
A组分通过相界面从液相向汽相传递（ 部分汽化 ）
B组分通过相界面从汽相向液相传递（ 部分冷凝 ）
汽化热与冷凝热相互补充
汽相与液相达到相平衡，温度趋于一致
精馏 原理
多次平衡级蒸馏
汽液两相接触，传热和传质过程同时进行；
塔顶必须有冷凝器，产生液相回流；
塔釜必须有再沸器，产生汽相回流；
理论上，只要, 且有足够的平衡
级数，混合物就可以得到比较彻底的分离。
1? ?
精馏塔的 物料衡算
总物料衡算,
易挥发组分衡算,
F D W??
F D WF x D x x??
理论板和板效率
理论板,
离开塔板的汽液两相在传热与传质两个方面达到平衡，即
两相温度相同, 组成互成平衡 。
总板效率,
单板效率（ Murphree效率）
T
T
NE
N
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1
*
1
nn
mV
nn
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yy
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精馏段的 操作线方程
物料衡算,
回流比,
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V L D
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D
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Rx
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提馏段的 操作线方程
物料衡算,
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1
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W
mm
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L x V y W x
L W x
yx
L W L W
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进料状况与 q线方程
q:进料中液相所占分率
冷液体；饱和液体；汽液混合物；饱和蒸汽；过热蒸汽
q线方程（精馏段与提馏段操作线的交点轨迹）
11
Fqxyx
qq
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1q ? 1q ? 01q?? 0q ?
逐板计算法和 x-y图解法
原理相同,
交替应用相平衡关系与物料衡算关系
用途,确定理论板数和每层板的两相组
成
间歇精馏
特点,
料液分批加入，釜液一次性排出；
非定态过程，釜液组成和总量随时间不断降低；
全塔均为精馏段，没有提馏段。
常用的两段操作方法,
恒回流比操作
恒馏出液组成操作
其它蒸馏方式
共沸精馏
萃取精馏
反应精馏
加盐精馏
分子蒸馏
共沸精馏
加入第三组分（称为溶剂、共沸剂、夹
带剂），该组分与原有组分形成二元或
三元的共沸物（均相或非均相），从而
将原先难分离的混合物分离。
夹带剂的选择是关键。
共沸剂用量的确定
共沸剂的加入位置
萃取精馏
加入第三组分（称为溶剂、萃取剂），
显著改变原来两组分的相对挥发度，达
到容易分离的目的。
萃取剂的选择是关键。
萃取剂用量的确定
萃取精馏流程的确定
反应精馏
反应过程与精馏过程的耦合
两种类型,
利用精馏促进反应
通过化学反应来促进精馏分离
研究正在深入，尚未形成完整理论和工
业化应用。
加盐精馏
盐效应：沸点、两组分的互溶度、相平
衡组成的改变
两种类型,
溶盐精馏：固体溶盐为萃取剂
加盐萃取精馏：萃取剂中加入固体盐
理论基础,电介质溶液理论和相平衡
分子蒸馏
利用不同物质分子运动自由程的差别，对
含有不同物质的物料在 液 -液状态 下进行分
离的一种分离技术。
分子蒸馏的优点,
操作温度低；
蒸馏压强低；
受热时间短；
分离程度高。
（ Mass Transfer & Separation) 吴卫生
博士
上海交通大学化工系
021-54747454
wuws@sjtu.edu.cn
本章内容
概述
蒸馏
吸收
其它传质单元操作
概述
相 （ phase）：体系内部物理性质和化学性质完全均匀
的一部分
均相物系的分离：吸收、蒸馏、萃取等
非均相物系的分离：筛分、沉降、过滤等
相际传质,
<1>物质从一个相转移到另一个相
<2>过程涉及两个相内的传质以及相界面的传质
<3>过程 的极限是达到相平衡
分子扩散（ Fick’s Law),
A
N dc
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概述 (续一）
对流扩散（涡流扩散）
扩散系数 D,
物质的特性常数，与扩散组分以及介质的性质有
关，还与温度、压力有关。
双膜理论 （ Double-Film Theory）,
<1>气液界面两侧，存在停滞的气膜和液膜；
<2>每一相的传质阻力集中于膜内；
<3>相界面传质阻力可忽略，即气液两相成 平衡。
传质速率 =推动力 /阻力 =传质系数 × 推动力
( ) ( )
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A G i L i
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概述 (续二）
填料塔,连续接触式
填料,传质面积大、湍动程度高、传质充分
几个参数,
比表面积
空隙率
填料几何形状
填料的分类,乱堆（散装）填料、整砌（规整）填
料
常见填料
填料塔的附属结构,
填料支撑结构、液体分布和再分布装置、除沫装置
概述 (续三）
板式塔,逐级接触式
气液流动方式,总体上呈逆流、单块板上呈错流。
评价塔设备性能的主要指标,
<1>生产能力 <2>塔板效率 <3>操作弹性 <4>塔板压降
几种水力学现象,
<1>液泛（淹塔） <2>液沫夹带 <3>气泡夹带 <4>漏液
塔板负荷性能图
蒸馏 （ Distillation）
—— 液态均相混合物的分离
蒸馏的 依据
不同组分的 挥发性 （ 沸点 ）差异
易挥发组分 —— 低沸点组分 —— 轻组分
难挥发组分 —— 高沸点组分 —— 重组分
蒸馏的 分类
按操作流程,
间歇蒸馏、连续蒸馏
按蒸馏方式,
简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸）、精馏、特殊蒸馏
按操作压强,
常压蒸馏、加压蒸馏、减压蒸馏
按组分多少,
双组分（二元）蒸馏、多组分（多元）蒸馏
蒸馏中的 质量传递
汽相与液相之间的 双向传质 过程
部分汽化、部分冷凝
易挥发组分往汽相富集
难挥发组分往液相富集
蒸馏过程的 理论基础
—— 汽液相平衡 （ VLE）
相律,F=C-P+2
拉乌尔定律（ Raoult’s Law）,
理想溶液,
各组分均满足 拉乌尔定律
各组分的分子大小相同、分子间作用力相等
非理想溶液,
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简单蒸馏
单级蒸馏
非稳态过程
常以间歇方式进行
瞬间形成的汽相与液相（ y~x）可视为互
成平衡，随着时间延续,y和 x均逐渐降
低
平衡蒸馏（闪蒸）
单级蒸馏
液体混合物部分汽化
汽相与液相处于平衡状态
既可以间歇也可以连续方式进行
平衡级蒸馏
平衡级蒸馏,
非平衡的汽液两相经接触传质达到平衡
（ 非平衡 → 平衡 ）
A组分通过相界面从液相向汽相传递（ 部分汽化 ）
B组分通过相界面从汽相向液相传递（ 部分冷凝 ）
汽化热与冷凝热相互补充
汽相与液相达到相平衡，温度趋于一致
精馏 原理
多次平衡级蒸馏
汽液两相接触，传热和传质过程同时进行；
塔顶必须有冷凝器，产生液相回流；
塔釜必须有再沸器，产生汽相回流；
理论上，只要, 且有足够的平衡
级数，混合物就可以得到比较彻底的分离。
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精馏塔的 物料衡算
总物料衡算,
易挥发组分衡算,
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理论板和板效率
理论板,
离开塔板的汽液两相在传热与传质两个方面达到平衡，即
两相温度相同, 组成互成平衡 。
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单板效率（ Murphree效率）
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精馏段的 操作线方程
物料衡算,
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进料状况与 q线方程
q:进料中液相所占分率
冷液体；饱和液体；汽液混合物；饱和蒸汽；过热蒸汽
q线方程（精馏段与提馏段操作线的交点轨迹）
11
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逐板计算法和 x-y图解法
原理相同,
交替应用相平衡关系与物料衡算关系
用途,确定理论板数和每层板的两相组
成
间歇精馏
特点,
料液分批加入，釜液一次性排出；
非定态过程，釜液组成和总量随时间不断降低；
全塔均为精馏段，没有提馏段。
常用的两段操作方法,
恒回流比操作
恒馏出液组成操作
其它蒸馏方式
共沸精馏
萃取精馏
反应精馏
加盐精馏
分子蒸馏
共沸精馏
加入第三组分（称为溶剂、共沸剂、夹
带剂），该组分与原有组分形成二元或
三元的共沸物（均相或非均相），从而
将原先难分离的混合物分离。
夹带剂的选择是关键。
共沸剂用量的确定
共沸剂的加入位置
萃取精馏
加入第三组分（称为溶剂、萃取剂），
显著改变原来两组分的相对挥发度，达
到容易分离的目的。
萃取剂的选择是关键。
萃取剂用量的确定
萃取精馏流程的确定
反应精馏
反应过程与精馏过程的耦合
两种类型,
利用精馏促进反应
通过化学反应来促进精馏分离
研究正在深入，尚未形成完整理论和工
业化应用。
加盐精馏
盐效应：沸点、两组分的互溶度、相平
衡组成的改变
两种类型,
溶盐精馏：固体溶盐为萃取剂
加盐萃取精馏：萃取剂中加入固体盐
理论基础,电介质溶液理论和相平衡
分子蒸馏
利用不同物质分子运动自由程的差别，对
含有不同物质的物料在 液 -液状态 下进行分
离的一种分离技术。
分子蒸馏的优点,
操作温度低；
蒸馏压强低；
受热时间短；
分离程度高。
