傳質分離過程

傳質分離過程 圖片來自中國

傳質分離過程均相混合物分離的單元操作。名詞定義：一類以質量傳遞為主要理論基礎、用於各種均相混合物分離的單元操作。

目錄

產生過程

早在公元前，人們就知道從礦石中提取金屬和從植物中提取藥物的方法，這些是傳質分離過程最早的應用。在近代化學工業的發展過程中，傳質分離過程起了特別重要的作用。例如：經傳質分離製得純淨的氮氫混合氣,使合成氨的工業生產成為可能;將原油分離製得各種燃料油、潤滑油和石油化工原料，後者是石油化工的基礎；同樣，沒有分離提純製得高純度的乙烯、丙烯、丁二烯、氯乙烯等單體，就不可能生產出各種合成樹脂、合成橡膠和合成纖維。幾乎沒有一個化工生產過程是不需要對原料或反應產物進行分離和提純的。用來作為傳質分離裝置的高聳塔群是化工廠最醒目的標誌，而且傳質分離過程的應用不限於化學工業的範圍，例如核工業用各種分離方法提取核燃料，並對其廢棄物進行後處理。可以說在現代生活中，從航天飛機到核潛艇、從生物化工到環境保護，都離不開對混合物的分離。

分類

按物理化學原理，工業常用的傳質分離操作可分為平衡分離過程和速率分離過程兩大類：

平衡分離過程

藉助分離媒介（如熱能、溶劑和吸附劑），使均相混合物系統變成兩相系統，再以混合物中各組分在處於相平衡的兩相中不等同的分配為依據而實現分離。根據兩相的狀態可分為：①氣（汽）液傳質過程，如蒸餾、吸收等；②液液傳質過程，如萃取；③氣（汽）固傳質過程，如吸附、色層分離、參數泵分離等；④液固傳質過程，如浸取、吸附、離子交換、色層分離、參數泵分離等。

平衡時組分在兩相中的濃度關係，可以用相平衡比（或分配係數）Ki表示：

式中yi和xi分別表示組分i在兩相中的濃度。對於x和y相的命名,按習慣把吸收、蒸餾中的氣相或汽相稱為y相，把萃取中的萃取液作為y相。一般說,相平衡比取決於兩相的特性以及物系的溫度和壓力。i和j兩個組分的相平衡比Ki和Kj之比值稱為分離因子αij：

在某些傳質分離過程中，分離因子往往又有專門名稱。例如：在蒸餾中稱為相對揮發度；在萃取中稱為選擇性係數。一般將數值大的相平衡比Ki作分子,故αij大於1。只要兩組分的相平衡比不相等（即αij≠1），便可採用平衡分離過程加以分離，αij越大就越容易分離。大多數系統的相平衡比和分離因子都不大，一次接觸平衡所能達到的分離效果很有限，需要採取多級逆流操作來提高分離效果。為適應各種不同的系統以及操作條件和分離要求，要相應地使用多種不同類型的傳質設備。

速率分離過程

在某種推動力（濃度差、壓力差、溫度差、電位差等）的作用下，有時在選擇性透過膜的配合下，利用各組分擴散速度的差異實現組分的分離。這類過程所處理的原料和產品通常屬於同一相態，僅有組成上的差別。速率分離方法可分為：①膜分離，如超過濾、反滲透、滲析和電滲析等。②場分離，如電泳、熱擴散、超速離心分離等。

膜分離與場分離的區別是：前者用膜分隔兩股流體，後者則是不分流的。不同類型的速率分離過程，分別應用不同的設備，並採用不同的方法進行設計計算和操作控制。

技術展望

傳質分離過程中的蒸餾、吸收、萃取等一些具有較長歷史的單元操作已經應用很廣，並進行過大量的研究，積累了豐富的操作經驗和資料。但在進一步深入研究這些過程的機理和傳質規律，開發高效的傳質設備,研究和掌握它們的放大規律,改進設備的設計計算方法等方面，仍有許多工作要做。傳質分離過程的能量消耗,常構成單位產品能耗的主要部分,因此降低傳質分離過程的能耗，受到普遍重視。膜分離和場分離是一類新型的分離操作，在處理稀溶液和生化產品的分離、節約能耗、不污染產品等方面，已顯示出它們的優越性。研究和開發新的分離方法，各種分離方法聯合使用以提高效益，以及利用化學反應來進行分離等都是很值得重視的發展方向。