化工基础第五章传质过程及塔设备91905

1、化化 工工 基基 础础教学目的：教学目的：重点难点：重点难点：第第5 5章章 传质过程及塔设备传质过程及塔设备掌握相组成的表示法及换算；气体在液掌握相组成的表示法及换算；气体在液体中溶解度，亨利定律各种表达式及相体中溶解度，亨利定律各种表达式及相互间的关系；相平衡的应用：分子扩散、互间的关系；相平衡的应用：分子扩散、菲克定律及其应用；对对流传质、双模菲克定律及其应用；对对流传质、双模理论概念；吸收的物料衡算、操作线方理论概念；吸收的物料衡算、操作线方程及图示方法；最小液气比概念及吸收程及图示方法；最小液气比概念及吸收剂用量的确定；填料层高度的计算等剂用量的确定；填料层高度的计算等最小液气比的概

2、念及吸收剂用量的确定最小液气比的概念及吸收剂用量的确定 物质物质在浓度差、压力差等推动力作用下，在浓度差、压力差等推动力作用下，以扩以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为散方式从一处转移到另一处的过程，称为质量传递质量传递过程过程，简称传质。在一相中发生的物质传递是，简称传质。在一相中发生的物质传递是单相单相传质传质，通过相界面的物质传递为，通过相界面的物质传递为相间传质相间传质。 传质过程广泛运用于混合物的分离操作；它常传质过程广泛运用于混合物的分离操作；它常与化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至成为与化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至成为化学反应的控制因素。掌握传质过程的规律，了解

3、化学反应的控制因素。掌握传质过程的规律，了解传质分离的工业实施方法，具有十分重要的意义。传质分离的工业实施方法，具有十分重要的意义。 质量传递质量传递热量传递热量传递动量传递动量传递三传三传5.1 5.1 传质过程及塔设备简介传质过程及塔设备简介 5.2 5.2 气体的吸收气体的吸收 5.1 5.1 传质过程及塔设备简介传质过程及塔设备简介 1.1.传质过程的类型传质过程的类型 气体吸收气体吸收利用气体中各组分在液体溶剂中的溶解度不利用气体中各组分在液体溶剂中的溶解度不同，使易溶于溶剂的物质由气相传递到液相。同，使易溶于溶剂的物质由气相传递到液相。两相间的传质过程，分为两相间的传质过程，分为流

4、体相间流体相间和和流固相间流固相间的传质两的传质两类。类。（1 1）流体相间的传质过程）流体相间的传质过程气相一液相气相一液相 包括气体的吸收、液体的蒸馏、气体包括气体的吸收、液体的蒸馏、气体的增湿等单元操作。的增湿等单元操作。 液体蒸馏液体蒸馏是依据液体中各组分的挥发性不同，使其中是依据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点低的组分气化，达到分离的目的。沸点低的组分气化，达到分离的目的。 增湿增湿是将干燥的空气与液相接触，水分蒸发进入气相。是将干燥的空气与液相接触，水分蒸发进入气相。 相际传质过程的类型相际传质过程的类型 气相气相 （乙醇（乙醇-水）水） 乙醇乙醇 水水 液相（乙醇液相（乙醇-

5、水）水） 蒸馏蒸馏 相界面相界面 水水 pG 气相主体气相主体 pi 液相主体液相主体 传质方向传质方向 Ci CL 空气空气+氨气氨气 吸收吸收 气相一固相气相一固相 含有水分或其它溶剂的固体，与比较干燥的热含有水分或其它溶剂的固体，与比较干燥的热气体相接触，被加热的湿分气化而离开固体进入气气体相接触，被加热的湿分气化而离开固体进入气相，从而将湿分除去，这就是相，从而将湿分除去，这就是固体的干燥固体的干燥。液相一液相液相一液相 在均相液体混合物中加入具有选择性在均相液体混合物中加入具有选择性的溶剂，系统形成两个液相。的溶剂，系统形成两个液相。（2 2）流一固相间的传质过程）流一固相间的传质过

6、程 气体吸附的相间传递方向恰与固体干燥相反，它气体吸附的相间传递方向恰与固体干燥相反，它是气相某个或某些组分从气相向固相的传递过程。是气相某个或某些组分从气相向固相的传递过程。 含某物质的过饱和溶液与同一物质的固相相接含某物质的过饱和溶液与同一物质的固相相接触时，其分子以扩散方式通过溶液到达固相表面，触时，其分子以扩散方式通过溶液到达固相表面，并析出使固体长大，这是并析出使固体长大，这是结晶结晶。液相一固相液相一固相固体浸取固体浸取是应用液体溶剂将固体原料中的可溶组是应用液体溶剂将固体原料中的可溶组分提取出来的操作。分提取出来的操作。液体吸附液体吸附是固液两相相接触，使液相中某个或某是固液两相

7、相接触，使液相中某个或某些组分扩散到固相表面并被吸附的操作。些组分扩散到固相表面并被吸附的操作。离子交换离子交换是溶液中阳离子或阴离子与称为离子交是溶液中阳离子或阴离子与称为离子交换剂的固相上相同离子的交换过程。换剂的固相上相同离子的交换过程。物质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤：物质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤： 气相主体 液相主体 相界面溶解气相扩散 液相扩散 (1)(1)物质由气相主体扩散至物质由气相主体扩散至 两相界面气相侧两相界面气相侧( (气相气相 内传质内传质) )；(2)(2)物质在界面上由一相进物质在界面上由一相进入另一相入另一相( (通过界面

8、的传质通过界面的传质) )；(3)(3)物质由相界面液相侧扩物质由相界面液相侧扩 散至液相主体散至液相主体( (液相内传液相内传 质质) )。 2 2传质过程的共性传质过程的共性 （1 1）传质的方式与历程）传质的方式与历程单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实现的，常见的扩散方式有现的，常见的扩散方式有分子扩散分子扩散和和涡流扩散涡流扩散两种。两种。前者物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓度处，前者物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓度处，物质在静止或滞流流体中的扩散；后者是因流体的物质在静止或滞流流体中的扩散；后者是因流体的湍动和旋涡产生质点位

9、移，使物质由高浓度处转移湍动和旋涡产生质点位移，使物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。到低浓度处的过程。某组分在两相间传质，步骤是：某组分在两相间传质，步骤是：从一相主体扩散到从一相主体扩散到两相界面的该相一侧，然后通过相界面进入另一相，两相界面的该相一侧，然后通过相界面进入另一相，最后从此相的界面向主体扩散。最后从此相的界面向主体扩散。涡流扩散、分子扩散，两者统称对流扩散。涡流扩散、分子扩散，两者统称对流扩散。（2 2）传质过程的方向与极限）传质过程的方向与极限相间传质和相际平衡的共有规律相间传质和相际平衡的共有规律条件的改变可破坏原有的平衡。其平衡体系的独条件的改变可破坏原有的平衡。其平衡

10、体系的独立变量数由相律决定：立变量数由相律决定：f=k-+2f=k-+2f f为独立变量数为独立变量数, k, k为组分数为组分数, , 为相数，为相数，“2”2”是指是指外界的温度和压力两个条件外界的温度和压力两个条件。 稀溶液，气液两相的平衡关系遵循亨利稀溶液，气液两相的平衡关系遵循亨利( (HenryHenry) )定定律；理想溶液的气液相间符合拉乌尔律；理想溶液的气液相间符合拉乌尔( (RaoultRaoult) )定律定律。一定条件下，处于非平衡态的两相体系内组分会一定条件下，处于非平衡态的两相体系内组分会自发地进行，使体系组成趋于平衡态的传递。自发地进行，使体系组成趋于平衡态的传递

11、。在一定条件下在一定条件下( (如温度、压力如温度、压力) )，两相体系必然有，两相体系必然有一个平衡关系一个平衡关系。 若物质在一相中若物质在一相中( (A A相相) )实际浓度大于其在另一相实际浓度大于其在另一相(B(B相相) )实际浓度所要求的平衡浓度，则物质将由实际浓度所要求的平衡浓度，则物质将由A A相向相向B B相传递；相传递； P PA A P PA A* * 相间传质过程的方向和极限的判断：相间传质过程的方向和极限的判断： 若物质在若物质在A A相实际浓度等于相实际浓度等于B B相实际浓度所要求的相实际浓度所要求的平衡浓度，则无传质过程发生体系处于平衡状态平衡浓度，则无传质过程

12、发生体系处于平衡状态。 P PA A P PA A* * 物质在物质在A A相实际浓度小于其在相实际浓度小于其在B B相实际浓度所要求相实际浓度所要求的平衡浓度，则传质过程向相反方向进行，即从的平衡浓度，则传质过程向相反方向进行，即从B B相相向向A A相传递；相传递； P PA A P PA A* *相平衡关系指明传质过程的方向，平衡是传质过程的相平衡关系指明传质过程的方向，平衡是传质过程的极限，而组分浓度偏离平衡状态的程度便是传质过程极限，而组分浓度偏离平衡状态的程度便是传质过程的推动力。的推动力。传质速率与传质推动力的大小有关，可以写为：传质速率与传质推动力的大小有关，可以写为：传质速率

13、传质阻力传质推动力即即 传质速率传质速率= =传质系数传质系数传质推动力传质推动力 （3 3）传质过程推动力与速率传质过程推动力与速率物质传递的快慢以传质速率表示，定义为：物质传递的快慢以传质速率表示，定义为：单位时单位时间内，单位相接触面上被传递组分的物质的量间内，单位相接触面上被传递组分的物质的量相间传质的每一步有各自的速率方程，称为相间传质的每一步有各自的速率方程，称为分速率分速率方程方程；整个过程速率方程为；整个过程速率方程为总速率方程总速率方程，相应的有，相应的有传质分系数和总系数传质分系数和总系数之分。之分。3. 3. 塔设备简介塔设备简介 传质过程有共同的规律，也有通用的传质设备

14、。传质过程有共同的规律，也有通用的传质设备。气体吸收和液体精馏两种气液传质过程通常在塔设气体吸收和液体精馏两种气液传质过程通常在塔设备内进行。提供气、液两相充分接触的机会。备内进行。提供气、液两相充分接触的机会。 根据塔内气液接触部件的结构型式，分为填料塔与根据塔内气液接触部件的结构型式，分为填料塔与板式塔两大类。板式塔两大类。（1 1）填料塔）填料塔塔体为圆筒形，里面装有相当高度的填料层，填料塔体为圆筒形，里面装有相当高度的填料层，填料的下方有支承板，上方为填料压网及液体分布装置。的下方有支承板，上方为填料压网及液体分布装置。操作时，液体经塔顶的液体分布器喷洒后沿填料表操作时，液体经塔顶的液

15、体分布器喷洒后沿填料表面呈薄膜向下流动；气体从塔底进入，在压强差的面呈薄膜向下流动；气体从塔底进入，在压强差的推动下，通过填料间的空隙与液体逆流接触，在填推动下，通过填料间的空隙与液体逆流接触，在填料表面进行传质。料表面进行传质。 填料塔结构及填料填料塔结构及填料填料塔结构及填料填料塔结构及填料 液体由上往下流动液体由上往下流动时，由于塔壁处阻力时，由于塔壁处阻力较小而向塔壁偏流，较小而向塔壁偏流，使填料不能全部润湿，使填料不能全部润湿，导致气液接触不良，导致气液接触不良，影响传质效果，称之影响传质效果，称之为为塔壁效应塔壁效应。喷喷 淋淋 器器弯管式弯管式莲蓬式筛孔盘式液体再分布器液体再分布

16、器作用作用：将液体引入塔中心，避免偏集流壁效应在塔较高时，每隔塔径23倍的高度处安装液体再分布装置。填料特性填料特性 1）比表面积）比表面积 单位体积填料层的填料表面积， 同一种填料，尺寸愈小，比表面积愈大。 2）空隙率）空隙率 单位体积填料层的空隙体积，填料的空隙率大，气液通过能力大且气体流动阻力小。 3）填料要求重量轻而有较大的机械强度）填料要求重量轻而有较大的机械强度,且要耐腐蚀。且要耐腐蚀。4）价廉易得）价廉易得 长期的研究，开发出许多性能优良的填料，如图是长期的研究，开发出许多性能优良的填料，如图是几种填料的形状。几种填料的形状。高度和外径相等；高度和外径相等；可用陶瓷和金属制造，可

17、用陶瓷和金属制造，存在严重的壁偏流和沟流现象，存在严重的壁偏流和沟流现象，液体滞留量大，液体滞留量大，传质效率不高，传质效率不高，气体通过能力低，气体通过能力低，阻力大。阻力大。 拉西环拉西环Rasching ring内十字环内十字环内螺旋环内螺旋环 其构造大大提高了其构造大大提高了环内空间与环内表面的环内空间与环内表面的利用率，而且使气液流利用率，而且使气液流通顺畅，有利于气液进通顺畅，有利于气液进入环内。入环内。 因此，鲍尔环比拉因此，鲍尔环比拉西环传质效率高、气体西环传质效率高、气体通过能力大。通过能力大。鲍尔环鲍尔环 Pall ring陶瓷弧鞍陶瓷弧鞍Berl saddle 属敞开型填

18、料，敞开型属敞开型填料，敞开型填料的特点是：填料的特点是： 表面全部敞开，不分内表面全部敞开，不分内外，因而表面利用率高，不外，因而表面利用率高，不易积液，气体流动阻力小，易积液，气体流动阻力小，制造也方便。制造也方便。 弧鞍形填料是两面对称弧鞍形填料是两面对称结构，在塔内堆积时容易造结构，在塔内堆积时容易造成填料相互重叠，从而产生成填料相互重叠，从而产生沟流，目前已较少使用。沟流，目前已较少使用。个体填料：鞍形个体填料：鞍形阶梯环阶梯环Cascade ring高度仅为直径的一半；高度仅为直径的一半；环的一端制成喇叭口，这种喇叭结构，使填料个体之间多呈点接触；环的一端制成喇叭口，这种喇叭结构，

19、使填料个体之间多呈点接触；与鲍尔环相比，其气体通量高，阻力小，传质效率大。与鲍尔环相比，其气体通量高，阻力小，传质效率大。个体填料：环形个体填料：环形共軛环共軛环个体填料：环形个体填料：环形矩鞍矩鞍Intalox saddle ring 属敞开型填料。属敞开型填料。矩鞍形填料结构不对称，矩鞍形填料结构不对称，堆积时不会重叠，填料均匀性堆积时不会重叠，填料均匀性大为提高。大为提高。 矩鞍形填料传质性能比拉矩鞍形填料传质性能比拉西环好，但比鲍尔环差，但在西环好，但比鲍尔环差，但在制造上比鲍尔环方便。制造上比鲍尔环方便。 矩鞍形填料的缺点是，因矩鞍形填料的缺点是，因开放式结构使其强度差，特别开放式结

20、构使其强度差，特别是瓷质填料，易破碎。是瓷质填料，易破碎。 个体填料：鞍形个体填料：鞍形金属鞍环金属鞍环Intalox saddle ring个体填料：个体填料：鞍环形鞍环形 金属鞍环填料综合了金属鞍环填料综合了环形填料通量大及鞍形填环形填料通量大及鞍形填料的液体再分布性能好的料的液体再分布性能好的优点，其性能优于环形填优点，其性能优于环形填料和鞍形填料。料和鞍形填料。 规整填料：规整填料：波纹填料波纹填料金属孔板波纹填料金属孔板波纹填料陶瓷孔板波纹填料陶瓷孔板波纹填料 波纹填料波纹填料由许多层高度相同但长短不等的波纹薄由许多层高度相同但长短不等的波纹薄板组成，整砌结构，流体阻力小，通量大、分

21、离效板组成，整砌结构，流体阻力小，通量大、分离效率高，不适合有沉淀物、易结焦和粘度大的物料，率高，不适合有沉淀物、易结焦和粘度大的物料，装卸、清洗较困难，造价也高。装卸、清洗较困难，造价也高。 金属丝网金属丝网价格昂贵用于要求高价格昂贵用于要求高, ,产量不大操作。产量不大操作。 它是气、液两相在多孔床层中逆它是气、液两相在多孔床层中逆向流动的复杂过程。受填料层压降向流动的复杂过程。受填料层压降, ,液泛气速液泛气速, ,持液量持液量, ,气液分布等影响气液分布等影响. .空塔气速空塔气速是指按空塔计算得到的气是指按空塔计算得到的气体线速度。体线速度。下图为不同喷淋密度下，下图为不同喷淋密度下

22、，单位高度填料层的压降单位高度填料层的压降pp/ /H H与空与空塔气速塔气速u u的关系图。的关系图。填料塔内的流体力学状况填料塔内的流体力学状况 L=0L=0，即气体通过干填料层时，即气体通过干填料层时ppH Hu u呈直线关呈直线关系，直线的斜率为系，直线的斜率为1.81.82.02.0，表明，表明ppH H与与 u u的的1.81.82 2次方呈正比，气流状态为湍流次方呈正比，气流状态为湍流。 气速增大至某值时气速增大至某值时，液体流动受到两相流体间摩擦力的液体流动受到两相流体间摩擦力的阻碍阻碍，填料层的持液量随气速的增加而增加填料层的持液量随气速的增加而增加，此此现象称现象称拦拦液现

23、象液现象。将开始拦液的转折点称将开始拦液的转折点称载点载点，载点对应的空塔气载点对应的空塔气速称速称载点气速载点气速。 超过载点气速后超过载点气速后， pp/ /H Hu u关系线斜率加大关系线斜率加大，填料层填料层内的液流分布和表面润湿程度均大有改变内的液流分布和表面润湿程度均大有改变，两相湍动程度两相湍动程度加剧加剧，塔塔内持液量不断增多内持液量不断增多，液体充满整个液体充满整个塔塔空间空间，导致导致压压降急剧升高。液体由分散相变为连续相降急剧升高。液体由分散相变为连续相，气体由连续相变气体由连续相变为分散相为分散相，以鼓泡状通过液层以鼓泡状通过液层, ,把液体带出塔顶把液体带出塔顶，塔操

24、作不塔操作不稳定稳定，此此现象称现象称液泛液泛。开始发生液泛的转折点为开始发生液泛的转折点为泛点泛点，相应相应的空塔气速称的空塔气速称泛点气速泛点气速。 影响泛点气速的因素有填料特性影响泛点气速的因素有填料特性、流体物性流体物性、气液的流气液的流量等量等。实际操作气速常取泛点气速的实际操作气速常取泛点气速的 50508585。塔板的结构塔板的结构 板式塔的壳体为圆筒形，里面装有板式塔的壳体为圆筒形，里面装有若干块水平的塔板。若干块水平的塔板。（2 2）板式塔）板式塔塔板上的气液两相流动有错、逆流之分，如图所示。塔板上的气液两相流动有错、逆流之分，如图所示。塔板的结构型式有塔板的结构型式有a a

25、泡罩塔板泡罩塔板 构造如图示。构造如图示。泡罩塔板的优点优点是操作弹性较大，塔板不易堵塞；缺点缺点是结构复杂、造价高，板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代，在新建塔设备中已很少采用。 泡罩塔板泡罩塔板b b浮阀塔板浮阀塔板 浮阀塔板是泡罩塔的改进型，如图。浮阀塔板是泡罩塔的改进型，如图。 浮阀塔生产能力与操作弹浮阀塔生产能力与操作弹性大、板效率高、塔板阻力性大、板效率高、塔板阻力小、结构简单、造价低等优小、结构简单、造价低等优点，但浮阀对材料的抗腐蚀点，但浮阀对材料的抗腐蚀性要较高，采用不锈钢制造。性要较高，采用不锈钢制造。 c.c.舌形塔板舌形塔

26、板 如下图所示。如下图所示。舌形孔的典型尺寸为：舌形孔的典型尺寸为：2020，R=25mmR=25mm，A A25mm25mm。 舌形塔板结构简单、不易堵塞。液体流动阻力小。舌形塔板结构简单、不易堵塞。液体流动阻力小。对负荷波动的适应能力较差，气相夹带较严重。对负荷波动的适应能力较差，气相夹带较严重。舌型塔板舌型塔板的优点优点是：生产能力大，塔板压降低，传质效率较高；缺点缺点是：操作弹性较小，气体喷射作用易使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，从而降低塔板效率。 舌型塔板浮舌塔板浮舌塔板与舌型塔板相比，浮舌塔板的结构特点是其舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，具有处

27、理能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适宜于热敏性物系的减压分离过程。 浮舌塔板喷射型塔板喷射型塔板 d d筛孔塔板筛孔塔板 结构简单、造结构简单、造价低廉、气体价低廉、气体压降小、生产压降小、生产能力较大；缺能力较大；缺点是操作弹性点是操作弹性范围较窄，小范围较窄，小孔筛板易堵塞。孔筛板易堵塞。舌形塔板舌形塔板e e导向筛板导向筛板 如图如图筛孔式塔板筛孔式塔板筛板的优点优点是结构简单、造价低，板上液面落差小，气体压降低，生产能力大，传质效率高。其缺点缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。 a.a.气液接触状态气液接触状态 孔速较低时孔速较低时, ,气体以鼓泡形式通过液层，气体以

28、鼓泡形式通过液层，板上气液两相呈鼓泡接触，图板上气液两相呈鼓泡接触，图(a)(a). . 随孔速的增大气泡的随孔速的增大气泡的数量而增加数量而增加, ,气泡表面连成一片发生合并与破裂气泡表面连成一片发生合并与破裂, ,板上液体板上液体以泡沫形式存在于气泡之中以泡沫形式存在于气泡之中, ,但液体为连续相但液体为连续相, ,气体为分散气体为分散相相, ,图图5(b)5(b). .孔速继续增大孔速继续增大, ,气体从孔口喷出气体从孔口喷出, ,液体由连续相液体由连续相变为分散相变为分散相, ,气体则由分散相变为连续相气体则由分散相变为连续相, ,图图. .板式塔上流体力学状况板式塔上流体力学状况塔板

29、形式多样，下面介绍塔板上气液接触状态、漏液、塔板形式多样，下面介绍塔板上气液接触状态、漏液、雾沫夹带、液泛等流体力学规律。雾沫夹带、液泛等流体力学规律。o （1）鼓泡接触状态鼓泡接触状态 当气速较低时，气体以鼓当气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。触的表面积不大，传质效率很低。o （2）蜂窝状接触状态蜂窝状接触状态 随着气速的增加，气随着气速的增加，气泡的数量不断增加。当气泡的形成速度大于气泡的数量不断增加。当气泡的形成速

30、度大于气泡的浮升速度时，气泡在液层中累积。气泡之泡的浮升速度时，气泡在液层中累积。气泡之间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡，板上间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡，板上为以气体为主的气液混合物。由于气泡不易破为以气体为主的气液混合物。由于气泡不易破裂，表面得不到更新，所以此种状态不利于传裂，表面得不到更新，所以此种状态不利于传热和传质。热和传质。（3）泡沫接触状态泡沫接触状态 当气速继续增加，气泡数量急剧增加，气泡不断发生当气速继续增加，气泡数量急剧增加，气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液体大部分以液膜的形式存在碰撞和破裂，此时板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，形成一些直径较小，扰动十

31、分剧烈的动于气泡之间，形成一些直径较小，扰动十分剧烈的动态泡沫，在板上只能看到较薄的一层液体。由于泡沫态泡沫，在板上只能看到较薄的一层液体。由于泡沫接触状态的表面积大，并不断更新，为两相传热与传接触状态的表面积大，并不断更新，为两相传热与传质提供了良好的条件，是一种较好的接触状态。质提供了良好的条件，是一种较好的接触状态。（4）喷射接触状态喷射接触状态 当气速继续增加，由于气体动能很大，把板上的液体当气速继续增加，由于气体动能很大，把板上的液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用又落回到板上，直径较小的液滴被气体带走，形成用又落回到板上

32、，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。此时塔板上的气体为连续相，液体为分散液沫夹带。此时塔板上的气体为连续相，液体为分散相，两相传质的面积是液滴的外表面。由于液滴回到相，两相传质的面积是液滴的外表面。由于液滴回到塔板上又被分散，这种液滴的反复形成和聚集，使传塔板上又被分散，这种液滴的反复形成和聚集，使传质面积大大增加，而且表面不断更新，有利于传质与质面积大大增加，而且表面不断更新，有利于传质与传热进行，也是一种较好的接触状态。传热进行，也是一种较好的接触状态。 如上所述，如上所述，泡沫接触状态和喷射状态均是优良泡沫接触状态和喷射状态均是优良的塔板接触状态。的塔板接触状态。因喷射接触状态的气

33、速高因喷射接触状态的气速高于泡沫接触状态，故喷射接触状态有较大的于泡沫接触状态，故喷射接触状态有较大的生产能力，但喷射状态液沫夹带较多，若控生产能力，但喷射状态液沫夹带较多，若控制不好，会破坏传质过程，所以多数塔均控制不好，会破坏传质过程，所以多数塔均控制在制在泡沫接触状态泡沫接触状态下工作。下工作。 b b漏液漏液 气体通过筛孔的速度较小时，气体通过气体通过筛孔的速度较小时，气体通过筛孔的动压不足以阻止板上液体的流下，液体会直接筛孔的动压不足以阻止板上液体的流下，液体会直接从孔口落下，这种现象称为从孔口落下，这种现象称为漏液漏液。正常操作时，一般。正常操作时，一般控制漏液量不大于液体流量的控

34、制漏液量不大于液体流量的1010。d d液泛液泛 气速增大，气体通过塔板的压降也增大，气速增大，气体通过塔板的压降也增大，降液管内的液面相应地升高；板上液体将无法顺利流降液管内的液面相应地升高；板上液体将无法顺利流下，造成淹塔，即下，造成淹塔，即液泛液泛。c c雾沫夹带雾沫夹带 板上液体被上升气体带入上一层塔板板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象称为的现象称为雾沫夹带雾沫夹带。雾沫夹带量主要与气速和板间。雾沫夹带量主要与气速和板间距有关，其随气速的增大和板间距的减小而增加。应距有关，其随气速的增大和板间距的减小而增加。应控制夹带量不超过控制夹带量不超过0.1kg0.1kg( (液体液体)/)

35、/kgkg( (干气体干气体) )。对塔设备的要求：对塔设备的要求：气液负荷大，即单位塔截面处理气液负荷大，即单位塔截面处理物料量大，生产能力大；物料量大，生产能力大；传质效率高，达到规定分传质效率高，达到规定分离要求的塔高较低；离要求的塔高较低；操作稳定，物料量在相当范围操作稳定，物料量在相当范围内变化时不致引起传质效率显著变动；内变化时不致引起传质效率显著变动；气体通过塔气体通过塔时阻力小，以适应减压操作或节省动力；时阻力小，以适应减压操作或节省动力；结构简单，结构简单，易加工制造，维修方便，耐腐蚀，不堵塞。易加工制造，维修方便，耐腐蚀，不堵塞。（3 3）填料塔与板式塔的比较）填料塔与板式

36、塔的比较 填料塔结构简单填料塔结构简单,直径小直径小,气体通过阻力小气体通过阻力小,处理有处理有腐蚀性的物料好腐蚀性的物料好,在压降小的真空蒸馏系统和液气比在压降小的真空蒸馏系统和液气比大的方面操作有优势；板式塔生产能力和操作弹性大大的方面操作有优势；板式塔生产能力和操作弹性大,塔效率稳定利于放大塔效率稳定利于放大. 吸收操作一般用填料塔；精馏操作采用板式塔。吸收操作一般用填料塔；精馏操作采用板式塔。（一）、板式塔适用于（一）、板式塔适用于：1、塔径较大；2、所需传质单元数或理论板数较多；3、热量需从塔内移除；4、适于较小液量；5、适于处理有悬浮物的液体；6、板式塔便于侧线采出。（二）、填料塔

37、适用于：（二）、填料塔适用于：1、处理有腐蚀性的物料；2、填料塔压力降较小，适用于真空蒸馏；3、适用于间歇蒸馏或热敏性物料的蒸馏；4、适用于处理易发泡的液体。小小 结结 传质过程有单相传质和相间传质之分，有流体相传质过程有单相传质和相间传质之分，有流体相间和流固相间传质两类。工业中常见的传质操作有吸间和流固相间传质两类。工业中常见的传质操作有吸收、精馏、干燥、萃取、吸附、离子交换、结晶等。收、精馏、干燥、萃取、吸附、离子交换、结晶等。它们遵循一些共同的传质规律，亦具有各自操作的特它们遵循一些共同的传质规律，亦具有各自操作的特点，在实际分析中采用的方法也不尽相同，于本章的点，在实际分析中采用的方

38、法也不尽相同，于本章的学习中应悉心体会其实质。学习中应悉心体会其实质。 填料塔和精馏塔是实现吸收和精馏操作的场所，填料塔和精馏塔是实现吸收和精馏操作的场所，它提供了气液两相接触的表面。填料和塔板是塔设备它提供了气液两相接触的表面。填料和塔板是塔设备的核心构件，在很大程度上决定着填料塔和精馏塔的的核心构件，在很大程度上决定着填料塔和精馏塔的性能。优良的塔设备应具备效率高、阻力小、通量大、性能。优良的塔设备应具备效率高、阻力小、通量大、操作稳定等特点。操作稳定等特点。 5 5.2 .2 气体的吸收气体的吸收教学目的：教学目的：重重 点：点：了解吸收操作的基本过程、吸收的类型以及选择了解吸收操作的基

39、本过程、吸收的类型以及选择吸收剂的基本原则。吸收剂的基本原则。掌握气液相平衡的基本原理及亨利定律掌握气液相平衡的基本原理及亨利定律吸收的类型及吸收剂的选择吸收的类型及吸收剂的选择亨利定律及其适用条件亨利定律及其适用条件1 1、 概概 述述3) 吸收剂：吸收剂：吸收操作所用的液体称为吸收操作所用的液体称为吸收剂吸收剂吸收的一些相关概念：吸收的一些相关概念：1) 吸收：是吸收：是利用混合气体中各组分在液体中利用混合气体中各组分在液体中溶解溶解 度的差异度的差异而分离气体混合物的单元操作。而分离气体混合物的单元操作。2) 吸收质：吸收质：被溶解吸收的组分称为吸收质，不被溶解吸收的组分称为吸收质，不

40、被吸收的组分称为被吸收的组分称为惰性组分惰性组分混合气体由吸收质和惰性气体组成；混合气体由吸收质和惰性气体组成；分别以分别以A、B表示表示如用水来吸收混合气体中的如用水来吸收混合气体中的NH3：NH3为吸收质，水为吸收质，水为吸收剂。为吸收剂。用用S表示表示1)制取产品制取产品 例如，用例如，用98%的硫酸吸收的硫酸吸收SO3气体制取发烟硫酸，用水吸收氯化气体制取发烟硫酸，用水吸收氯化氢制取氢制取31%的工业盐酸，的工业盐酸， 用氨水吸收用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。生产碳酸氢铵等。 2)从气体中回收有用的组分从气体中回收有用的组分例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯例

41、如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。等。 3)除去有害组分以净化气体除去有害组分以净化气体 主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。例如主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，燃煤锅炉烟气、冶用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱炼废气等脱SO2等。等。吸收的应用：吸收的应用：4）作为环境保护和职业保健的重要手段）作为环境保护和职业保健的重要手段尾气处理：如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除尾气处理：如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2等。等。物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反

42、应，物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应， 可视为单纯的气体溶解于液相的过程。可视为单纯的气体溶解于液相的过程。化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。吸收的类型吸收的类型用水吸收二氧化碳用水吸收二氧化碳用水吸收乙醇或丙醇蒸汽用水吸收乙醇或丙醇蒸汽用吸收油吸收芳烃等用吸收油吸收芳烃等 用氢氧化钙溶液吸收二氧化碳用氢氧化钙溶液吸收二氧化碳解吸：与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离而转移到气解吸：与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离而转移到气相的过程。相的过程。吸收质在吸收剂中的溶解度随温度的变化有较吸收质在吸收剂中的溶解度随温度的变化有较大

43、的差异，以便吸收剂再生；大的差异，以便吸收剂再生；吸收剂选择原则：吸收剂选择原则：对吸收质有较大的溶解度，以加速吸收、减少吸收对吸收质有较大的溶解度，以加速吸收、减少吸收剂用量；剂用量；对所处理气体必须有较高的选择性；对所处理气体必须有较高的选择性；蒸气压低，以减少吸收和再生过程中的挥发损失；蒸气压低，以减少吸收和再生过程中的挥发损失；性质稳定，粘度小，价廉、易得、无毒、不易燃烧。性质稳定，粘度小，价廉、易得、无毒、不易燃烧。能满足这些条件的吸收剂很难找到能满足这些条件的吸收剂很难找到, ,对可供选用的吸对可供选用的吸收剂应作技术经济评价后合理选择。收剂应作技术经济评价后合理选择。吸收的操作条

44、件吸收的操作条件工业上，吸收一般在吸收塔中工业上，吸收一般在吸收塔中进行，如图所示。进行，如图所示。吸收是气液间的传递过程，为吸收是气液间的传递过程，为提高其传递速率和吸收率，应注意提高其传递速率和吸收率，应注意以下方面：以下方面：）采用连续操作。）采用连续操作。）气液间一般采用逆流操作。）气液间一般采用逆流操作。）尽量增大气液间的有效界面。）尽量增大气液间的有效界面。）增大相际的湍动程度）增大相际的湍动程度降低传质阻力。降低传质阻力。气相气相液相液相吸收吸收解吸解吸相平衡相平衡2.2.吸收的相平衡吸收的相平衡在恒定的温度与压强下，使一定量的吸收剂与混合气在恒定的温度与压强下，使一定量的吸收剂

45、与混合气体接触，吸收质便向液相转移，同时正在被吸收的吸体接触，吸收质便向液相转移，同时正在被吸收的吸收质也可由液相扩散到气相中，发生解吸过程。当吸收质也可由液相扩散到气相中，发生解吸过程。当吸收和收和 解吸两个过程的速率相等时，气液两相中吸收质解吸两个过程的速率相等时，气液两相中吸收质的浓度不再发生变化。这种状态称为相际动平衡，简的浓度不再发生变化。这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。称相平衡或平衡。 在一定温度和总压下，混合气与定量吸收剂共存并在一定温度和总压下，混合气与定量吸收剂共存并充分接触，吸收质在气液两相中的分配趋于平衡，吸充分接触，吸收质在气液两相中的分配趋于平衡，吸收剂中吸

46、收质浓度达到饱和。吸收质在气相中的分压收剂中吸收质浓度达到饱和。吸收质在气相中的分压称称平衡分压平衡分压，在液相中的组成称，在液相中的组成称平衡浓度平衡浓度或平衡溶解或平衡溶解度，简称度，简称溶解度溶解度。（1 1）气体在液体中的溶解度）气体在液体中的溶解度影响吸收过程的因素有温度、总压、气液相组成影响吸收过程的因素有温度、总压、气液相组成。气体在液相中的溶解度，随温度和吸收质在气相的组气体在液相中的溶解度，随温度和吸收质在气相的组成而变化。下图为成而变化。下图为SOSO2 2、NHNH3 3、HClHCl的气液相平衡关系。的气液相平衡关系。不同的气体在同一溶剂中的不同的气体在同一溶剂中的溶解

47、度有很大的差异，相同溶解度有很大的差异，相同温度下，二氧化硫的溶解度温度下，二氧化硫的溶解度较小，氨气和氯化氢的溶解较小，氨气和氯化氢的溶解度较大。度较大。 对于同样浓度的溶液，易溶气体对于同样浓度的溶液，易溶气体在溶液上方的平衡分压小，难溶在溶液上方的平衡分压小，难溶气体在溶液上方的平衡分压大气体在溶液上方的平衡分压大。 加压和降温都可以提高气体的溶解度，尤其加压和降温都可以提高气体的溶解度，尤其是温度改变，溶解度变化较大。吸收操作尽量维是温度改变，溶解度变化较大。吸收操作尽量维持在较高压力和较低温度下进行持在较高压力和较低温度下进行。吸收操作处理的气体为低浓度气体吸收操作处理的气体为低浓度

48、气体(10%),(10%),形成的是稀溶液。当形成的是稀溶液。当总压不太高时总压不太高时(0.5Mpa)(0.5Mpa)，稀溶液的相平衡关系服从亨利定律：，稀溶液的相平衡关系服从亨利定律： P* = E x 式中式中 P P* *与稀溶液相平衡的吸收质气相平衡分压；与稀溶液相平衡的吸收质气相平衡分压； x x吸收质在溶液中的摩尔分数；吸收质在溶液中的摩尔分数；E E亨利系数，亨利系数，PaPa。 吸收质在稀溶液上方的气相平衡分压与其在液相中吸收质在稀溶液上方的气相平衡分压与其在液相中的摩尔分数呈正比，比例系数为的摩尔分数呈正比，比例系数为E E。E E的大小与吸收质的大小与吸收质和吸收剂的种类

49、及温度有关。不同吸收质，和吸收剂的种类及温度有关。不同吸收质，E E越大，越大，越难溶解；同一吸收质，温度升高，越难溶解；同一吸收质，温度升高，E E增大，溶解度增大，溶解度下降下降. .故故E E的大小能够反映气体溶解的难易程度。的大小能够反映气体溶解的难易程度。 （2 2）亨利定律）亨利定律1) 用吸收质在溶液中的摩尔分数用吸收质在溶液中的摩尔分数x表示表示此式称为亨利（Henry）定律基本式。此式表明稀溶液上方的溶质分区与该溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例常数即为亨利系数。 摩尔分数摩尔分数,又称为摩尔分率。又称为摩尔分率。 指某相中一种组分在全部组指某相中一种组分在全部组分中所占的

50、比例，通常以分中所占的比例，通常以y 代表气相摩尔分率、代表气相摩尔分率、 x代表代表液相摩尔分率液相摩尔分率。 如：气相中有如：气相中有A、B两种组分，两种组分，A 为吸收质，为吸收质，B 为惰性为惰性组分，则它们的摩尔分率为：组分，则它们的摩尔分率为：nnyaa混合气体的摩尔数气相中溶质的摩尔数nnybb混合气体的摩尔数数气相中惰性气体的摩尔吸收过程中，气相中的吸收质进入液相，气、液相吸收过程中，气相中的吸收质进入液相，气、液相的量都发生变化。的量都发生变化。工程上采用在吸收过程中数量不发生变化的气相中工程上采用在吸收过程中数量不发生变化的气相中的惰性组分和液相中的纯吸收剂为基准。的惰性组

51、分和液相中的纯吸收剂为基准。以混合物中吸收质的物质的量与惰性组分物质的量的以混合物中吸收质的物质的量与惰性组分物质的量的比来表示气相中吸收质的量，称为比来表示气相中吸收质的量，称为摩尔比摩尔比，也称为比，也称为比摩尔分率，用摩尔分率，用Y Y表示；以液相中的吸收质的物质的量与表示；以液相中的吸收质的物质的量与纯吸收剂的物质的量的比来表示液相中吸收质的量，纯吸收剂的物质的量的比来表示液相中吸收质的量，用用X X表示。摩尔比与摩尔分数的关系是：表示。摩尔比与摩尔分数的关系是： bannX液相中溶剂的摩尔数液相中溶质的摩尔数xx1bannY数气相中惰性组分的摩尔气相中溶质的摩尔数yy1YYyXXx1

52、 ,1例：已知氨水中含氨例：已知氨水中含氨15%（质量分率），求氨水中（质量分率），求氨水中氨的比摩尔分率？氨的比摩尔分率？例例 含氨为含氨为氨氨 =0.20的氨的氨-空气混合气空气混合气100m3，用水吸收至混合，用水吸收至混合气中含氨为气中含氨为氨氨 =0.05。设吸收过程中有中间冷却使前后温度不。设吸收过程中有中间冷却使前后温度不变，试求氨被吸收的体积数，并用摩尔比的计算作对比。变，试求氨被吸收的体积数，并用摩尔比的计算作对比。解：解：吸收前吸收前 氨氨 10020%=20m3 空气空气 10080%=80m3吸收后空气比例降为吸收后空气比例降为95%，且氨只占，且氨只占5%，氨的体积为

53、，氨的体积为3800.054.21m0.95若以摩尔比计算，则若以摩尔比计算，则y1=0.20，y2=0.0510.20Y0.251 0.2020.05Y0.05261 0.05吸收的氨为：吸收的氨为：31280(YY )80(0.250.0526)15.79m吸收的氨为：吸收的氨为：20-4.21=15.79 m32) 用溶液中吸收质的物质的量浓度用溶液中吸收质的物质的量浓度c气相中的分压表示气相中的分压表示cHp1*C C 液相中吸收质的摩尔浓度，液相中吸收质的摩尔浓度，kmol/mkmol/m3 3；H H 溶解度系数溶解度系数 ，单位：，单位：kmol/mkmol/m3 3PaPa H

54、 H是温度的函数，是温度的函数，H H值随温度升高而减小。易溶气体值随温度升高而减小。易溶气体H H值值大，难溶气体大，难溶气体H H值小。值小。H与与E的关系的关系若溶液中吸收质的浓度为C kmol/m3，溶液的密度为 以1m3溶液为基准，则溶液中含吸收质C kmol ，3/mkgMA、MS分别为吸收质和溶剂的摩尔质量，g.mol-1 ，含吸收剂？kMol，吸收质在液相中的摩尔分数？HxMxMESA1)1 ()1 (xMxmxcsA*Hpc Exp *ExCpCH*SSHME换算后可得：因为：将C代入，得到：对于稀溶液，因为x很小，所以1x1， 3） 气液相中吸收质的摩尔分数表示气液相中吸收

55、质的摩尔分数表示m相平衡常数（或称分配系数），相平衡常数（或称分配系数），量纲为1。是温度和压强的函数。是温度和压强的函数。 温度升高、总压下降则温度升高、总压下降则m值变大，值变大，m值越大，值越大，表明气体的溶解度越小。表明气体的溶解度越小。 y*=m x y*与X相平衡的吸收质在气相中的摩尔分数； 由知道尔顿分压定律由知道尔顿分压定律*pyp 亦可得亦可得Em的关系的关系pEm mxxPEppy* 4） 气液相中吸收的比摩尔分数表示气液相中吸收的比摩尔分数表示yyY1xxX1XmmXY)1 (1*对稀溶液对稀溶液, , X X值很小，上式化简为值很小，上式化简为 Y*mX 式中式中 Y

56、Y* *为与为与X X相平衡的气相摩尔比。相平衡的气相摩尔比。 YYyXXx1,1,得mxy 由 XmXYY11例例：在常压及在常压及20下，测得氨在水中的平衡数据为：浓度为下，测得氨在水中的平衡数据为：浓度为0.5gNH3/100gH2O的稀氨水上方的平衡分压为的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数溶解度系数H，及相平衡常数及相平衡常数m。（。（氨水密度可取为氨水密度可取为1000kg/m3） 解：解：由亨利定律表达式知：xpE18/10017/5 . 017/5 . 0

57、x00527. 0亨利系数为亨利系数为 xpE00527. 0400Pa41059. 7又 mxy ，而 Ppy51001. 140000395. 0相平衡常数相平衡常数 00527. 000395. 0m75. 0Hcp 10001005 . 017/5 . 0c3/293. 0mkmol溶解度系数为：溶解度系数为： 400293. 0HPamkmol34/1033. 7或由各系数间的关系求出其它系数或由各系数间的关系求出其它系数 ssEMH181059. 710004Pamkmol34/1032. 7PEm 341033.1011059. 7749. 0相平衡关系在吸收过程中的应用相平衡关

58、系在吸收过程中的应用 1 1判断过程进行的方向判断过程进行的方向: :讨论讨论: :例例 含含NH310%的气体与含的气体与含NH35%液体接触，液体接触，平衡关系为平衡关系为yA*=0.94，问，问NH3被吸收还被吸收还是被解吸？是被解吸？发生吸收过程的充分必要条件是：发生吸收过程的充分必要条件是：y y y y* *或或x xx x* *pAp*A 为以气相分压差表示的吸收过程推动力；c*AcA 为以液相摩尔浓度差表示的吸收过程推动力。*yy xx *3 3确定过程的推动力确定过程的推动力为以气相中溶质摩尔分率差表示吸收过程的推动力；为以液相中溶质的摩尔分率差表示吸收过程的推动力；2 2指

59、明过程进行的极限指明过程进行的极限: : 吸收的速率吸收的速率决定了吸收操作的生产强度，也是决定了吸收操作的生产强度，也是吸收设备选型和设备设计的重要依据。吸收设备选型和设备设计的重要依据。液相主体液相主体 气相主体气相主体 扩扩散散方方向向AA（1）溶质由气相主体向相界面传递，即在单一相（气相）内传递物质；（2）溶质在气液相界面上的溶解，由气相转入液相，即在相界面上发生溶解过程；（3）溶质自气液相界面向液相主体传递，即在单一相（液相）内传递物质。3. 3. 吸收速率吸收速率 物质在一相里的传递是靠扩散作用。发生在流体中的扩散有分子扩散分子扩散与涡流扩散涡流扩散两种。分子扩散：分子扩散：是在一

60、相内部有浓度差异的条件下，凭借流体分凭借流体分子无规则热运动而传递物质的，子无规则热运动而传递物质的，发生在静止或滞流流体里的扩散就是分子扩散；涡流扩散：涡流扩散：凭借流体质点的湍动和旋涡而传递物质的凭借流体质点的湍动和旋涡而传递物质的，发生在湍流流体里的扩散主要是涡流扩散。 （1 1）单相内的扩散）单相内的扩散分子扩散速率分子扩散速率 吸收质吸收质A A在液相内的分子扩散速率与在液相内的分子扩散速率与其浓度梯度呈正比，用费克其浓度梯度呈正比，用费克( (FickFick) )定律来表示：定律来表示：dzdcDNAABA式中式中 NA扩散速率扩散速率, kmolm-2 s-1 DAB比例系数比