《化工传质》课程读书报告
化工传质领域的最新研究进展
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目录
1.化工传质分离过程概述·································1 2.化工传质领域的最新研究进展···························1 2.1 中空纤维透析膜的传质研究与模型分析···············1 2.1.1传质模型的建立 2.1.2结论
2.1.3中空纤维透析膜的发展预期与研究展望
2.2超声场作用下的强化传质研究进展····················3 2.2.1 超声强化传质机理 2.2.2超声强化膜分离传质过程 2.2.3超声强化生化传质与分离过程
2.3电磁场作用下的强化传质研究进展····················4 2.3.1电场强化传质 2.3.2磁场强化传质 2.3.3电磁场强化传质
2.4微尺度下液-液流动与传质特性的研究进展··············5 2.4.1液-液互溶两相流体传质 2.4.2液-液互不相溶两相流体传质
2.5微孔扩散器在气液传质过程中的研究进展···············7 3.总结···················································7 参考文献················································8
1 化工传质分离过程概述
传质分离过程是一类以质量传递为主要理论基础、用于各种均相混合物分离的单元操作。按物理化学原理，工业传质分离过程可以分为平衡分离和速率分离两大类[1]。
（1）平衡分离过程 平衡分离过程系借助分离媒介（如热能、溶剂和吸附剂），使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。根据两相的状态的不同，平衡分离过程可分为如下几类：①气液传质过程，如吸收（或脱吸）、气体的增湿和减湿；②汽液传质过程，如液体的蒸馏和精馏；③液液传质过程，如萃取；④液固传质过程，如结晶（或溶解）、浸取、吸附（脱附）、离子交换、色层分离、参数泵分离等；⑤气固传质过程，如固体干燥、吸附（脱附）等。
（2）速率分离过程 速率分离过程是指借助某种推动力，如浓度差、压力差、温度差、电位差等的作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异而实现混合物的分离操作。这类过程的特点是所处理的物料和产品通常属于同一相态，仅有组成上的差别。速率分离过程可分为两大类：①膜分离。利用选择性透过膜分割组成不同的两股流体，如超过滤、反渗透、渗析和电渗析等。②场分离。如电泳、热扩散、高梯度磁力分离等。
膜分离与场分离的区别是：前者用膜分隔两股流体，后者则是不分流的。不同类型的速率分离过程，分别应用不同的设备，并采用不同的方法进行设计计算和操作控制。
传质分离过程的能量消耗，常构成单位产品能耗的主要部分，因此降低传质分离过程的能耗，受到全球性普遍重视。膜分离和场分离是一类新型的分离操作，由于其具有节约能耗、不破坏物料、不污染产品和环境等突出优点，在稀溶液、生化产品及其他热敏性物料分离方面，有着广阔的应用前景。研究和开发新的分离方法和传质设备，优化传统传质分离设备的设计和操作，不同分离方法的集成化，化学反应和分离过程的有机偶合，都是值得重视的发展方向。
2 化工传质领域的最新研究进展
2.1 中空纤维透析膜的传质研究与模型分析[2]
2.1.1 传质模型的建立 血液透析是急慢性肾功能衰竭患者的重要肾脏替代治疗方式。现有市售的血液透析膜对透析中的溶质都有较好的渗透性, 然而关于透析过程中溶质传递方面的研究却很少。胡相华等人根据质量守恒定律和双膜理论建立了一个中空纤维透析膜传质模型，使用中小分子代表物质对市面上常见的三种透析膜材料（三醋酸纤维膜、聚醚砜膜、聚砜膜）透析器进行测试，并使用该传质模型计算总传质系数和纤维膜的扩散系数，分析纤维膜传质性能与纤维膜材料/ 结构特性之间的相互关系，为中空纤维膜制备过程中的材料选择、结构优化设计等提出了参考性建议。
透析过程中血液与透析液中物质交换的主要原理是弥散和对流。在一定温度下，溶质与溶剂有特定扩散系数，即使溶质在不均匀的两相间被半透膜相隔，溶质也能通过半透膜，从高浓度溶液向低浓度方向运动。中空纤维膜两侧的液体流动情况如图1 所示。
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图1 透析过程中的液体流向示意图
当溶质由血液侧通过透析膜向透析液侧传递时，溶质扩散过程受到的总传质阻力为血液侧的阻力、膜阻力和透析液侧的阻力三部分阻力之和，相应的也可理解为，总传质系数受到溶质的膜传质系数、血液侧传质系数、透析液侧传质系数三方面因素影响，即：
1111 ???K总hmhBhD其中K总—总传质系数；hm—溶质的膜传质系数；hB—溶质的血液侧传质系数；hD—溶质的透析液侧传质系数。
结合费克定律和舍伍德方程,最后求得传质过程方程式为:
M = K总·A·ΔClg
其中： M—传质质量流率，kg/s ；A—膜面积，m2 ；ΔClg—溶质的传质推动力，kg/m3。
设Cb1和 Cb2分别为纤维膜血液通道进出口处溶质浓度，Cd2和Cd1分别为纤维膜外侧透析液通道进出口处溶质浓度（参见图1），则传质推动力ΔClg可通过纤维膜进出口的溶质对数平均浓度计算。质量流率又可通过通道的进出口溶质浓度和体积流率V计算：
M = (Cb1 –Cb2)Vb= (Cd1 –Cd2)Vd
2.1.2 结论 根据质量守恒定律和双膜理论建立了一种中空纤维透析膜的传质模型，并通过实验测试计算得到三种不同材质纤维膜的膜扩散系数Dm和传质过程的总传质系数K总。通过模型分析和实验测试结果可得如下结论：
（1）对于小分子代表物质和中分子代表物质表现出统一的规律：聚醚砜膜的膜扩散系数最高，与聚砜膜的扩散系数比较接近，而三醋酸纤维膜则相对较低。这说明排除膜面积、纤维管径、纤维厚度、孔隙率等纤维膜物理几何参数的差别影响因素，就膜本身的材料特性而言，聚醚砜膜和聚砜膜代表的聚合物膜的总体传质表现优于醋酸纤维素膜。
（2）由传质模型可分析得出，当其他条件（溶质的血液侧阻力、透析液侧阻力）保持不变时，中空纤维膜的传质阻力与膜的厚度呈正比例关系。由此可以推知，制备中空纤维透析膜时，在膜材料相同的前提下，尽量减小空心纤维膜的厚度，将有利于溶质的传递，从而
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有利于提高透析效率和缩短透析时间。
（3）在比较三醋酸纤维素膜、聚醚砜膜和聚砜膜的总传质系数时，对于分子量较大的物质，在考虑膜壁厚产生的阻力的同时，不能忽略膜孔径大小产生的阻力影响，最终的溶质总传质系数是膜孔径产生的阻力与膜壁厚产生的阻力两方面共同作用的影响结果。 2.1.3 中空纤维透析膜的发展预期与研究展望 由实验结果可以看出，纤维膜的厚度是纤维膜对溶质的总传质系数K总的重要影响因素，未来可考虑分析研究如何调整成膜制备液的成分以及成膜条件，以获得最优化的纤维膜厚度，提高透析膜的透析治疗效果。同时可以预见，从溶质传递的角度看，未来聚合膜比纤维素类膜具有更广阔的发展空间。此外，中空纤维膜的生物相容性是评价膜优劣性的重要指标，由于条件所限，本文中未对所使用的三醋酸纤维膜、聚醚砜膜和聚砜膜进行生物相容性实验。未来可考虑对不同的纤维膜材料的生物相容性进行评价，完善和补充对纤维膜材料的综合评价。 2.2 超声场作用下的强化传质研究进展
2.2.1 超声强化传质机理 当超声波在液体中传播时，超声波与液体之间的相互作用主要依靠其空化现象。所谓超声空化现象，是指液体中微小空化泡（真空泡或含气体和蒸汽的气泡）在声波作用下的振荡、生长、收缩直至崩溃的一系列过程。空化泡崩溃时，形如一个局部过热点，在极短时间内（＜10μs），在泡内产生5000K 的高温和50MPa的高压，并伴生强烈的冲击波和速度达110m/s 左右的微射流。超声波的这种空化作用给媒介带来巨大的机械效应、热效应、光效应和活化效应。空化现象的机械效应、热效应、光效应和活化效应对化工传质过程的作用称之为化工传质效应。
气-液非均相体系中，气、液界面处空化崩溃的湍动效应、微扰效应以及冲击波作用一方面使滞流底层减薄，另一方面使滞流底层发生局部湍动，改变了此层内基本无涡流扩散只靠分子扩散的状况。结果是阻力减小，加速相际间的传质速率，减小传质单元高度，从而节省设备投资，或提高单位体积设备的生产能力。
在液-液非均相体系中，如萃取、乳化等并不像气-液体系一样具有稳定的相界面，传质主要是依靠漩涡扩散和分子扩散，并有赖于相界面不断地快速更新。超声空化气泡的振荡及其体积大小呈周期性的变化，可在相界面处起到混合和乳化的作用，尤其是在液-液面处空化核的崩溃闭合产生的湍动效应和微扰效应对混合与乳化起的作用更为显著，过程的运动得到强化，并且超声场的介入有时可改变原有的相界面平衡关系，提高过程的收率。
对于固液分散系统，传统的方式是通过搅拌使固体粒子悬浮起来，通过提高搅拌速度来增大颗粒传质系数，但是，一旦颗粒完全悬浮后，其强化效果不再明显。在超声辐照下空化现象的湍动效应使颗粒振荡和高速碰撞，微射流和冲击波对边界层和颗粒表面的清洗可形成表面蚀斑和边界层空洞，颗粒边界层减薄，同时边界层内的扩散得以强化，整个传质过程的速度增加，另外表面侵蚀、破碎等作用以及活化和聚能效应可加速界面上的化学反应，也使物质分子与颗粒固体分子间的结合键（如氢键）断裂。总之，超声波对由化学反应控制的过程有加速反应的能力，对由传递控制的过程有加速物质传递的能力[3]。
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