第5章传质过程

1、 物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为为质量传递过程质量传递过程，简称传质。，简称传质。 在一相中发生的物质传递是在一相中发生的物质传递是单相传质单相传质，通过相界，通过相界面的物质传递为面的物质传递为相间传质相间传质。 传质过程广泛运用于传质过程广泛运用于混合物的分离混合物的分离操作；它常与操作；它常与化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至成为化化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至成为化学反应的控制因素。学反应的控制因素。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 传质过程及塔设备

2、简介传质过程及塔设备简介 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同，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。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，分为流体相间流体相间和和流固相间流固相间的传的传质两类。质两类。（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、气体的包括气体的吸收、液体的蒸馏、气体的增湿等单元操作。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，使其中沸点是依据液体中各组分的挥发性不

3、同，使其中沸点低的组分气化，达到分离的目的。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。 密闭容器水（溶剂） 氨气(浓度高)空气(惰性气体)(溶质，被吸收组分)氨气（浓度低）空气 气相一液相气相一液相 气体吸收气体吸收液相一液相液相一液相 利用溶液中各组分在溶剂中溶解度的不利用溶液中各组分在溶剂中溶解度的不同，它们将在两相之间重新分配，即发生相间传质，该同，它们将在两相之间重新分配，即发生相间传质，该过程称为过程称为液液- -液萃取液萃取。有机相有机相水相水相气相一固相气相一固相 含有水分或其它溶剂的固体，与比

4、较干燥的热气体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相，从相接触，被加热的湿分气化而离开固体进入气相，从而将湿分除去，这就是而将湿分除去，这就是固体的干燥固体的干燥。（2 2）流一固相间的传质过程）流一固相间的传质过程 气体吸附气体吸附的相间传递方向恰与固体干燥相反，它是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。气相某个或某些组分从气相向固相的传递过程。液体结晶液体结晶：含某物质的过饱和溶液与同一物质的固相相：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，并接触时，其分子以扩

5、散方式通过溶液到达固相表面，并析出使固体长大。析出使固体长大。液相一固相液相一固相固体浸取固体浸取 是应用是应用液体溶剂液体溶剂将固体原料中的可溶组分提将固体原料中的可溶组分提取出来的操作。取出来的操作。液体吸附液体吸附 是固液两相相接触，使液相中某个或某些组是固液两相相接触，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。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换剂是溶液中阳离子或阴离子与称为离子交换剂的固相上离子的交换过程。的固相上离子的交换过程。2 2传质过程的共性传质过程的共性 单相物系内单相物系内的物质传递是依靠物质的的物质传递是依靠物

6、质的扩散作用扩散作用来实现的。来实现的。 分子扩散分子扩散靠靠分子运动分子运动从高浓度处转移到低浓度处，如：从高浓度处转移到低浓度处，如：物质在静止或滞流流体中的扩散；物质在静止或滞流流体中的扩散； 涡流扩散涡流扩散是因是因流体的湍动和旋涡流体的湍动和旋涡产生质点位移，使物质产生质点位移，使物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。由高浓度处转移到低浓度处的过程。（1 1）传质的方式与历程）传质的方式与历程 某组分在两相间传质某组分在两相间传质，步骤是：从一相主体扩散到两，步骤是：从一相主体扩散到两相界面的该相一侧，然后相界面的该相一侧，然后通过相界面通过相界面进入另一相，最后进入另一相，最后从此相

7、的界面向主体扩散。从此相的界面向主体扩散。涡流扩散、分子扩散，涡流扩散、分子扩散，两者统称两者统称对流扩散对流扩散。条件的改变可破坏原有的平衡。条件的改变可破坏原有的平衡。 其平衡体系的独立变量数由相律决定：其平衡体系的独立变量数由相律决定：f = k + 2f为独立变量数为独立变量数, k为组分数为组分数, 为相数为相数, 2 指外界只有指外界只有温度温度和和压力压力两个条件可以改变体系的平衡状态。两个条件可以改变体系的平衡状态。 （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一定条件下，处于非平衡态的两相体系内组分会自发一定条件

8、下，处于非平衡态的两相体系内组分会自发地进行传递，使体系组成趋于平衡态。地进行传递，使体系组成趋于平衡态。H2O NH3AirNH3k = 3 = 2 f = 3f = k + 2例：例：分析氨和空气的气体混合物与水在一恒温恒压的容分析氨和空气的气体混合物与水在一恒温恒压的容器中进行两相接触的传质过程。器中进行两相接触的传质过程。在一定条件下在一定条件下( (如温度、压力如温度、压力) )，两相体系必然有一个，两相体系必然有一个平衡关系平衡关系。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) )定律；定律；理想溶液理想溶液的气液相平衡关系符合拉

9、乌尔的气液相平衡关系符合拉乌尔( (RaoultRaoult) )定律。定律。mxy *Hcp*Exp *AAxpp在某一温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数在某一温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数 若物质在一相中若物质在一相中( (A A相相) )实际浓度实际浓度大于大于其在另一相其在另一相(B(B相相) )实际浓度所对应的平衡浓度实际浓度所对应的平衡浓度，则物质将由，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

10、相实际浓度等于等于B B相实际浓度所对应的平相实际浓度所对应的平衡浓度衡浓度，则无传质过程发生体系处于平衡状态。，则无传质过程发生体系处于平衡状态。 P PA A P PA A* * 物质在物质在A A相实际浓度相实际浓度小于小于其在其在B B相实际浓度所对应的平相实际浓度所对应的平衡浓度衡浓度，则传质过程向相反方向进行，即从，则传质过程向相反方向进行，即从B B相向相向A A相传相传递；递； P PA A P PA A* * 相平衡关系指明传质过程的方向，相平衡关系指明传质过程的方向，平衡是传质过程的平衡是传质过程的极限极限，而，而组分浓度偏离平衡状态的程度便是传质过程的推组分浓度偏离平衡状

11、态的程度便是传质过程的推动力动力。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 物质传递的快慢以物质传递的快慢以传质速率传质速率表示，定义为：表示，定义为：单位时间单位时间内，单位相接触面上被传递组分的物质的量。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

12、应的有，相应的有传质传质分系数和总系数分系数和总系数之分。之分。3. 3. 塔设备简介塔设备简介 气体吸收和液体精馏两种气液传质过程通常在塔设备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。塔设备的基本功能在于提供气、液两相充分接内进行。塔设备的基本功能在于提供气、液两相充分接触的机会。触的机会。 根据塔内气液接触部件的结构型式，分为根据塔内气液接触部件的结构型式，分为填料塔填料塔与与板式塔板式塔两大类。两大类。（1 1）填料塔）填料塔 填料塔填料塔 结构如图所示结构如图所示, ,圆筒形圆筒形, ,内装填料。内装填料。 为防止塔壁效应，通常在填料层较高的塔中将填料分为防止塔壁效应，通常

13、在填料层较高的塔中将填料分层装置，各层间设层装置，各层间设液体再分部器液体再分部器，将液体重新分布后再，将液体重新分布后再送入下层填料。送入下层填料。 选择合适尺寸的填料，也可以减弱和防止塔壁效应。选择合适尺寸的填料，也可以减弱和防止塔壁效应。 性能优良的填料，应有较大的比表面积、良好的润湿性能优良的填料，应有较大的比表面积、良好的润湿性能、较高的空隙率以及重量轻、造价低、坚固耐用等性能、较高的空隙率以及重量轻、造价低、坚固耐用等 。 液体由上往下流动时，由于塔壁处阻力较小而向液体由上往下流动时，由于塔壁处阻力较小而向塔壁偏流，使填料不能全部润湿，导致气液接触不良，塔壁偏流，使填料不能全部润湿

14、，导致气液接触不良，影响传质效果，称之为影响传质效果，称之为塔壁效应塔壁效应。拉西环填料拉西环填料拉西环填料拉西环填料2拉西环拉西环优点是优点是结构简单、制造方便、造价低廉结构简单、制造方便、造价低廉，缺点是缺点是气液接触面小，沟流及塔壁效应较严重，气液接触面小，沟流及塔壁效应较严重，气体阻力大，操作弹性范围窄气体阻力大，操作弹性范围窄等。等。环填料环填料.鲍尔环填料鲍尔环填料十字环填料十字环填料 鞍形鞍形( (弧鞍和矩鞍弧鞍和矩鞍) )填料填料像马鞍形的填料，像马鞍形的填料，不易形成大量不易形成大量的局部不均匀区域，空隙率大，气流阻力小的局部不均匀区域，空隙率大，气流阻力小。 鞍环填料鞍环填

15、料综合了综合了鞍形填料鞍形填料液体分布性好和液体分布性好和环形填料环形填料通通量大的优点。量大的优点。鞍型填料. 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板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、分离效率组成，整砌结构，流体阻力小，通量大、分离效率高，高，不适合有沉淀物、易结焦和粘度大的物料，装不适合有沉淀物、易结焦和粘度大的物料，装卸、清洗较困难，造价也高卸、清洗较困难，造价也高。金属丝网金属丝网价格昂贵，放大效应明显，用于要求高，价格昂贵，放大效应明显，用于要求高，产量不大操作。产量不大操作。 在设计填料塔时，首先要考虑填料塔的流体力学性能，在设计

16、填料塔时，首先要考虑填料塔的流体力学性能，主要包括主要包括气体通过填料层的压降气体通过填料层的压降、液泛气速液泛气速、持液量持液量( (单单位体积填料所持有的液体体积位体积填料所持有的液体体积) )、汽、液分布汽、液分布等。等。 确定动力消耗需要知道压力降；确定动力消耗需要知道压力降； 确定塔径以液泛速度为依据；确定塔径以液泛速度为依据； 持液量关系着填料支撑装置的强度持液量关系着填料支撑装置的强度； 气、液分布影响传质效率。气、液分布影响传质效率。 填料塔内的流体力学状况填料塔内的流体力学状况填料塔是气、液两相在多孔床填料塔是气、液两相在多孔床层中逆向流动的复杂过程。填料层中逆向流动的复杂过

17、程。填料塔通常以空塔气速来表示塔内气塔通常以空塔气速来表示塔内气流速度。流速度。空塔气速空塔气速是指按空塔计是指按空塔计算得到的气体线速度。算得到的气体线速度。右图为不同右图为不同喷淋密度喷淋密度( (单位时间单位时间内，单位空塔截面上液体的喷淋内，单位空塔截面上液体的喷淋量量) )L L下，单位高度填料层的压降下，单位高度填料层的压降 p p/ /H H与空塔气速与空塔气速u u的关系图。的关系图。 L L=0=0，即气体通过干填料层时，即气体通过干填料层时ppH Hu u呈直线关系，呈直线关系，直线的斜率为直线的斜率为1.8-2.01.8-2.0，气流状态为湍流气流状态为湍流。 对一定的喷

18、淋密度，对一定的喷淋密度，气速较低气速较低时由于逆向气流的牵制小，时由于逆向气流的牵制小，填料层内液体向下流动几乎与气速关系不大，填料层内液体向下流动几乎与气速关系不大，填料表面上填料表面上覆盖的液体膜层厚度基本不变覆盖的液体膜层厚度基本不变，填料层的持液量也基本不，填料层的持液量也基本不变，变， p p/ /HHu u关系线斜率几乎与干填料的直线平行关系线斜率几乎与干填料的直线平行。 恒持液量区恒持液量区气速增大至某值时，液体流动受到两相流体间摩擦力的阻气速增大至某值时，液体流动受到两相流体间摩擦力的阻碍，填料层的碍，填料层的持液量随气速的增加而增加持液量随气速的增加而增加，此现象称，此现象

19、称拦液拦液现象现象。将开始拦液的转折点称。将开始拦液的转折点称载点载点，如图中的，如图中的A1A1、A2A2、A3A3载点载点对应的空塔气速称对应的空塔气速称载点气速载点气速。 超过载点气速后，超过载点气速后， p p/ /H H u u关系线斜率加大关系线斜率加大，填料，填料层内的液流分布和表面润层内的液流分布和表面润湿程度均大有改变，湿程度均大有改变，两相两相湍动程度加剧湍动程度加剧，这有利于，这有利于传质速率的提高。传质速率的提高。载液区载液区 如果继续增大气速至下一转折点如果继续增大气速至下一转折点(B(B1 1, B, B2 2, B, B3 3) )塔内持液塔内持液量不断增多，量不

20、断增多，液体充满整个塔空间液体充满整个塔空间，导致压降急剧升高。，导致压降急剧升高。液体由分散相变为连续相液体由分散相变为连续相，气体由连续相变为分散相气体由连续相变为分散相，以，以鼓泡状通过液层鼓泡状通过液层, ,把液体带出塔顶，塔操作不稳定，此现象把液体带出塔顶，塔操作不稳定，此现象称称液泛液泛。开始发生液泛的转折点开始发生液泛的转折点为为泛点泛点，相应的空塔气，相应的空塔气速称速称泛点气速泛点气速。液泛区液泛区 影响泛点气速的因素有影响泛点气速的因素有填料特性填料特性、流体物性流体物性、气气液的流量液的流量等。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。

21、“ “载点载点”与与“泛点泛点”将将pp/ /HuHu关系线分为三个区段，关系线分为三个区段，即即恒持液量区、载液区恒持液量区、载液区与与液泛区液泛区。 塔板的结构塔板的结构 板式塔的壳体为圆筒形，里面装有若干板式塔的壳体为圆筒形，里面装有若干块水平的塔板。块水平的塔板。 液体靠重力作用自上而下逐板流向塔底，且在各快液体靠重力作用自上而下逐板流向塔底，且在各快塔塔板板面上形成流动的液层板板面上形成流动的液层； 气体在压差的推动下经塔板上的开孔由下而上穿过塔气体在压差的推动下经塔板上的开孔由下而上穿过塔板上的液层后排出板上的液层后排出。 塔板是板式塔的核心构件，其功能是塔板是板式塔的核心构件，其

22、功能是使气、液两相保使气、液两相保持充分接触持充分接触，在良好的条件下进行气液两相的传质或传，在良好的条件下进行气液两相的传质或传热。热。（2 2）板式塔）板式塔塔板上的气液两相流动有塔板上的气液两相流动有错错、逆流逆流之分，如图所示。之分，如图所示。错流塔板错流塔板在板间设有在板间设有降液降液管管( (溢流管溢流管) )。从降液管出来。从降液管出来的液体横过塔板，然后再的液体横过塔板，然后再溢流到另一降液管达到下溢流到另一降液管达到下一层塔板；气体则经过板一层塔板；气体则经过板上的孔道上升。上的孔道上升。逆流塔板逆流塔板在板间无降液管在板间无降液管。优点：优点：结构简单、板面利用结构简单、板

23、面利用充分，气体分布均匀；充分，气体分布均匀；缺点：缺点：需要需要较高的气速较高的气速才能才能维持板上液层，操作弹性小。维持板上液层，操作弹性小。a泡罩塔板泡罩塔板 泡罩塔板有泡罩塔板有较好的操作弹性，结构复杂、造价高，较好的操作弹性，结构复杂、造价高，尤其是气体流径曲折，塔板压降大、尤其是气体流径曲折，塔板压降大、液泛气速低液泛气速低、生产、生产能力小。能力小。b浮阀塔板浮阀塔板浮阀塔板是泡罩塔的改进浮阀塔板是泡罩塔的改进型。型。浮阀塔生产能力与操浮阀塔生产能力与操作弹性大、板效率高、作弹性大、板效率高、塔塔板阻力小板阻力小、结构简单结构简单、造、造价低等优点，但浮阀对材价低等优点，但浮阀对

24、材料的抗腐蚀性要较高，采料的抗腐蚀性要较高，采用不锈钢制造。用不锈钢制造。 c. .舌形塔板舌形塔板 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。舌形孔的典型尺寸为：舌形孔的典型尺寸为：20，R=25mm，A25mm。d筛孔塔板筛孔塔板结构简单、造价低廉、结构简单、造价低廉、气体压降小、生产能力气体压降小、生产能力较大；缺点是较大；缺点是操作弹性操作弹性范围较窄范围较窄，小孔筛板易，小孔筛板易堵塞。堵塞。e导向筛板导向筛板 在塔板上开设了一在塔板上开设了一定数量的导向

25、孔，开口定数量的导向孔，开口方向与液流方向相同；方向与液流方向相同； 增加了鼓泡促进装增加了鼓泡促进装置，把液流入口处的塔置，把液流入口处的塔板翘起一定角度，使液板翘起一定角度，使液体一进入塔板就有良好体一进入塔板就有良好的接触。的接触。板式塔上流体力学状况板式塔上流体力学状况 a. 气液接触状态气液接触状态 孔速较低时孔速较低时, ,气体以气体以鼓泡形式通过液层，鼓泡形式通过液层，板上气液两相呈板上气液两相呈鼓泡鼓泡接触接触，图，图(a)(a)。 鼓泡接触时，鼓泡接触时，两相两相传质面积小，阻力大传质面积小，阻力大。鼓泡接触鼓泡接触 随孔速的增大气泡的数量逐渐增加随孔速的增大气泡的数量逐渐增

26、加, , 板上液体以泡沫形板上液体以泡沫形式存在于气泡之中式存在于气泡之中, ,但但液体仍为连续相液体仍为连续相, , 气体为分散相气体为分散相, ,此此时的操作状态称为时的操作状态称为泡沫接触泡沫接触。图。图5(b)5(b). .泡沫接触泡沫接触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, ,液体由连续相变为液体由连续相变为分散相分散相, ,气体则由分散相变为连续相气体则由分散相变为连续相, ,这时的接触状这时的接触状态称为态称为喷射接触喷射接触。图。图 。喷射接触喷射接触 b b漏液漏液 气体通过筛孔的速度较小时，气体通过筛孔的气体通过筛孔的速度较小时，气体通过筛孔的动压不

27、足以阻止板上液体的流下，液体会直接从孔口落动压不足以阻止板上液体的流下，液体会直接从孔口落下，这种现象称为下，这种现象称为漏液漏液。漏液量随气速的增大与板上液层高度的降低而减小漏液量随气速的增大与板上液层高度的降低而减小。漏液会影响气液在塔板上的充分接触，漏液会影响气液在塔板上的充分接触，降低传质效果降低传质效果。正常操作时，一般控制漏液量不大于液体流量的正常操作时，一般控制漏液量不大于液体流量的1010。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的现板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象称为象称为雾沫夹带雾沫夹带。雾沫夹带量主要与。雾沫夹带量主要与气速气速和和板间距板间距有关，

28、有关，其其随气速的增大和板间距的减小而增加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应控制夹带量不超过0.1kg0.1kg( (液体液体)/)/kgkg( (干气体干气体) )。d d液泛液泛 为使液体能稳定地流入下一层塔板，降液管内为使液体能稳定地流入下一层塔板，降液管内须维持一定高度的液柱。须维持一定高度的液柱。 气速增大，气速增大，气体通过塔板的压降也增大，降液管内的气体通过塔板的压降也增大，降液管内的液面相应地升高；液面相应地升高； 液体流量增加，液体流量增加，液体流经降液管的阻力也增加，相应液体流经降液管的阻力也增加，相应地，降液管液面也升高；地，降液管液面也升高； 若降液

29、管中若降液管中泡沫液体泡沫液体高度超过上层塔板的出口堰，板高度超过上层塔板的出口堰，板上液体将无法顺利流下，造成淹塔，上液体将无法顺利流下，造成淹塔，即即液泛液泛。 发生液泛时，分散相为液体，连续相为气体。发生液泛时，分散相为液体，连续相为气体。对塔设备的要求：对塔设备的要求：气液负荷大气液负荷大，即单位塔截面处理物料量大，生产能力，即单位塔截面处理物料量大，生产能力大；大；传质效率高传质效率高，达到规定分离要求的塔高较低；，达到规定分离要求的塔高较低；操作稳定操作稳定，物料量在相当范围内变化时不致引起传质，物料量在相当范围内变化时不致引起传质效率显著变动；效率显著变动；气体通过塔时阻力小气体

30、通过塔时阻力小，以适应减压操作或节省动力；，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）填料塔与板式塔的比较 填料塔填料塔结构简单结构简单, ,直径小直径小, ,气体通过阻力小气体通过阻力小, ,处理有腐处理有腐蚀性的物料好蚀性的物料好, ,在压降小的在压降小的真空蒸馏系统真空蒸馏系统和和液气比大液气比大的方的方面操作有优势；面操作有优势； 板式塔板式塔生产能力和操作弹性大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

31、收操作一般用填料塔；精馏操作采用板式塔。小小 结结 传质过程有传质过程有单相传质单相传质和和相间传质相间传质之分，有之分，有流体相间流体相间和和流流固相间固相间传质两类。工业中常见的传质操作有吸收、精馏、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。干燥、萃取、吸附、离子交换、结晶等。 填料塔填料塔和和精馏塔精馏塔是实现吸收和精馏操作的场所，它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。提供了气液两相接触的表面。 优良的塔设备应具备效率高、阻力小、通量大、操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。作稳定等特点。复习题复习题 1.1

32、.化学工业中常见的传质过程有哪些？比较它们的异同。化学工业中常见的传质过程有哪些？比较它们的异同。 2.2.相间过程的推动力是否可直接用两相之间的浓度差来表相间过程的推动力是否可直接用两相之间的浓度差来表示？如何判断相间传质过程进行的方向和限度？示？如何判断相间传质过程进行的方向和限度？3.3.了解化工生产对塔设备的要求，比较填料塔与板式塔的了解化工生产对塔设备的要求，比较填料塔与板式塔的性能特点。性能特点。4.4.填料塔操作中，气体通过填料层的压力降、空塔气速、填料塔操作中，气体通过填料层的压力降、空塔气速、喷淋密度之间的关系如何？喷淋密度之间的关系如何？5.5.板式塔操作中，塔板上的气液接

33、触状态有几种情形？何板式塔操作中，塔板上的气液接触状态有几种情形？何为漏液和雾沫夹带？为漏液和雾沫夹带？5.2 气体的吸收气体的吸收 1 1概述概述 吸收是根据气体混合物中各组分在某一溶剂中溶解度吸收是根据气体混合物中各组分在某一溶剂中溶解度的不同，而使它们得到分离。吸收操作所用的液体称为的不同，而使它们得到分离。吸收操作所用的液体称为吸吸收剂收剂，被溶解吸收的组分称为，被溶解吸收的组分称为吸收质吸收质，不被吸收的组分称，不被吸收的组分称为为惰性组分惰性组分，分别以，分别以S S、A A、B B表示。表示。 工业生产中的吸收过程通常包括工业生产中的吸收过程通常包括吸收与解吸吸收与解吸两部分。两

34、部分。如用炼焦过程的副产物如用炼焦过程的副产物煤焦油煤焦油( (洗油洗油) )回收焦炉煤气内含有回收焦炉煤气内含有的少量的少量苯、甲苯苯、甲苯类低碳氢化合物，如图所示。类低碳氢化合物，如图所示。吸收质在吸收剂中的吸收质在吸收剂中的溶解度随温度的变化有较大的差溶解度随温度的变化有较大的差异异，以便吸收剂再生；，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对吸收质有较大的溶解度，以加速吸收、减少吸收剂，以加速吸收、减少吸收剂用量；用量；对所处理气体必须有较高的对所处理气体必须有较高的选择性选择性；蒸气压低蒸气压低，以减少吸收和再生过程中的挥发损失；，以减少吸收和再生过程中

35、的挥发损失；性质稳定性质稳定，粘度小，价廉、易得、无毒、不易燃烧。，粘度小，价廉、易得、无毒、不易燃烧。化学吸收化学吸收 吸收过程中，吸收质与吸收剂发生化学反吸收过程中，吸收质与吸收剂发生化学反应。选择性高，吸收能力高，不可逆。应。选择性高，吸收能力高，不可逆。物理吸收物理吸收 吸收过程中，不发生明显化学反应的吸收。吸收过程中，不发生明显化学反应的吸收。吸收能力有限，可逆。吸收能力有限，可逆。 2.2.吸收的相平衡吸收的相平衡 在在一定温度和总压下一定温度和总压下，混合气与吸收剂共存并充分接触，混合气与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，吸收质在气液两相中的分配趋于平衡，吸

36、收剂中吸收质浓吸收剂中吸收质浓度达到饱和度达到饱和。 吸收质在气相中的分压称吸收质在气相中的分压称平衡分压平衡分压，在液相中的组成，在液相中的组成称称平衡浓度平衡浓度或平衡溶解度，简称或平衡溶解度，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。 当当总压总压0.5MPa0.5MPa时，其变化几乎不影响溶解度，故气时，其变化几乎不影响溶解度，故气体在液相中的体在液相中的溶解度溶解度在一定条件下，在一定条件下，仅随温度和吸收质仅随温度和吸收质在气相的组成而变化在气相的组成而变化。 加压和

37、降温加压和降温都可以提高都可以提高气体的溶解度，尤其是温度气体的溶解度，尤其是温度改变，溶解度变化较大。改变，溶解度变化较大。吸吸收操作尽量维持在较高压力收操作尽量维持在较高压力和较低温度下进行。和较低温度下进行。 对于同样浓度的溶液，对于同样浓度的溶液，易溶气体在溶液上方的平衡易溶气体在溶液上方的平衡分压小，难溶气体在溶液上分压小，难溶气体在溶液上方的平衡分压大。方的平衡分压大。下图为下图为SO2、NH3、HCl的气液相平衡关系。的气液相平衡关系。 吸收操作处理的气体常为低浓度气体吸收操作处理的气体常为低浓度气体(10%),(10%),形成的是稀形成的是稀溶液。当总压不太高时溶液。当总压不太

38、高时(0.5MPa)(0.5MPa)，稀溶液的相平衡关系服稀溶液的相平衡关系服从亨利定律从亨利定律：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。 E 的大小与吸收质和吸收剂的种类及温度有关。的大小与吸收质和吸收剂的种类及温度有关。不同不同吸收质，吸收质，E越大，越难溶解；越大，越难溶解；同一吸收质，温度升高，同一吸收质，温度升高，E增大，溶解度下降增大，溶解度下降.（2 2）亨利定律）亨利定律Exp *(5-1)亨利定律有不同的数学表达形式：亨利定律有不同的数学表

39、达形式： 式中式中 c c液相中吸收质物质的量浓度，液相中吸收质物质的量浓度， 3mkmolH H溶解度系数，溶解度系数， 13Pamkmoly*与与x相平衡的吸收质在气相中的摩尔分数；相平衡的吸收质在气相中的摩尔分数； m相平衡常数，量纲为相平衡常数，量纲为1。 Hcp*mxy *(5-2)(5-3) 吸收过程中，气相中的吸收质进入液相，吸收过程中，气相中的吸收质进入液相，气、液相的气、液相的组成都发生变化组成都发生变化。 为简化计算，工程上采用在吸收过程中数量不发生变为简化计算，工程上采用在吸收过程中数量不发生变化的化的气相中的惰性组分气相中的惰性组分和液相中的和液相中的纯吸收剂纯吸收剂为

40、基准。为基准。 以气体混合物中以气体混合物中吸收质的物质的量吸收质的物质的量与与惰性组分物质的量惰性组分物质的量的比的比来表示气相中吸收质的量，称为来表示气相中吸收质的量，称为摩尔比摩尔比，用，用Y Y表示；表示； 以以液相中的吸收质的物质的量液相中的吸收质的物质的量与与纯吸收剂的物质的量的纯吸收剂的物质的量的比比来表示液相中吸收质的量，用来表示液相中吸收质的量，用X X表示。表示。xxX1yyY1yyY1xxX1XmmXY)1 (1*对对稀溶液稀溶液, , X X值很小，上式化简为值很小，上式化简为 式中式中 Y 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。 mXY*(5-

41、4)(5-5)(5-6)摩尔比与摩尔分数的关系是：摩尔比与摩尔分数的关系是： 将上式代入式将上式代入式(5-3)(5-3)并整理得：并整理得： mxy * 定义定义单位体积溶液中吸收质和吸收剂的物质的量之单位体积溶液中吸收质和吸收剂的物质的量之和和为为溶液的总浓度溶液的总浓度，记作，记作c c0 0 ，单位为，单位为 3mkmol则则: : rMc0)1 (0 xMxMxMxxccsAr式中式中 溶液的密度，溶液的密度， 3mkgMMr r 溶液的平均摩尔质量，溶液的平均摩尔质量， MMA A 吸收质的平均摩尔质量，吸收质的平均摩尔质量， MMs s 吸收剂的平均摩尔质量，吸收剂的平均摩尔质量

42、， 1molg1molg1molg(5-7)对对稀溶液稀溶液，s MrMs 有xMcSSSSHME*0*ypp 0pEm 代入式代入式(5-2)，可得，可得EH的关系的关系代入式代入式(5-1)(5-1)并与式并与式(5-3) (5-3) 比比较得较得E Emm的关系的关系由道尔顿分压定律由道尔顿分压定律(5-8)(5-9)(5-10)(5-11)Hcp*Exp *mxy *Exp *Hcp*mxy *SSHME0pEm 例例5-15-1 在操作温度为在操作温度为3030，总压为，总压为101.3101.3k kPaPa的条件下，的条件下，含含SOSO2 2的混合气与水接触，试求与的混合气与水

43、接触，试求与y ySO2SO2=0.1=0.1的混合气呈的混合气呈平衡的液相中平衡的液相中SOSO2 2的平衡浓度的平衡浓度C CA A* *为多少为多少(kmol.m(kmol.m-3-3) )。该。该浓度范围气浓度范围气- -液相平衡关系符合亨利定律。液相平衡关系符合亨利定律。解：根据亨利定律解：根据亨利定律 CA*=Hp p为气相中为气相中SO2的实际分压，由道尔顿分压定律的实际分压，由道尔顿分压定律 p = p0ySO2 = 101.3 0.1 = 10.1 kPa查表知查表知 30下下SO2的亨利系数的亨利系数E = 4.85 103 kPa, 换算为溶解度系数换算为溶解度系数 13

44、133.0115. 0.0 .181085. 4.1000PammolmolgkPamkgEMHss所以所以CA* = 10.1 0.0115 = 0.116 kmol.m-33.3.吸收速率吸收速率 （1 1）单相内的扩散）单相内的扩散吸收质在某一相中的扩散有吸收质在某一相中的扩散有分子扩散分子扩散与与涡流扩散涡流扩散两种。两种。滞流流体中，吸收质在滞流流体中，吸收质在垂直于流体流动方向垂直于流体流动方向的扩散依的扩散依靠靠分子运动分子运动完成；完成；在湍流流体主体，吸收质主要凭借在湍流流体主体，吸收质主要凭借流体质点的不规则流体质点的不规则运动运动的涡流实现扩散，而在的涡流实现扩散，而在滞

45、流底层则仍是分子扩散滞流底层则仍是分子扩散。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其在液相内的分子扩散速率与其浓浓度梯度度梯度呈正比，用费克呈正比，用费克( (FickFick) )定律来表示：定律来表示：dzdcDNAABA式中式中 NA分子扩散速率分子扩散速率, 即分子扩散通量即分子扩散通量 kmolm-2 s-1 DAB比例系数比例系数, 组分组分A在介质在介质B中的中的扩散系数扩散系数 m2 s-1 dcA/dz组分组分A在在z方向上的浓度梯度方向上的浓度梯度, kmolm-3 m-1 ， z为扩散距离为扩散距离, m, 负号表示扩散方向沿组分负号表示扩散

46、方向沿组分A浓度降低的方向进行。浓度降低的方向进行。 分子扩散系数分子扩散系数是物质的是物质的物性常数物性常数，表示扩散质在介，表示扩散质在介质中的扩散能力。随扩散物质、介质种类、体系温度和质中的扩散能力。随扩散物质、介质种类、体系温度和压力的变化而不同。压力的变化而不同。 比较气体介质的扩散系数比较气体介质的扩散系数 液体介质的扩散系数？液体介质的扩散系数？(5-12)等分子反向扩散等分子反向扩散两容器内气体总压相同，所以接管内任一横截面上两容器内气体总压相同，所以接管内任一横截面上单单位时间单位面积上向右传递的位时间单位面积上向右传递的A A分子数与向左传递的分子数与向左传递的B B分分子

47、数必定相等子数必定相等。定态条件下定态条件下，若扩散，若扩散在液相中在液相中进行，组分进行，组分A在在z方向上扩散方向上扩散L距离，浓度由距离，浓度由 1Ac变为变为 2Ac，则，则 若扩散若扩散在气相中在气相中进行，且气相为理想气体混合物，组进行，且气相为理想气体混合物，组分分A A在在z z方向上扩散方向上扩散 G G距离，分压由距离，分压由 11Ap变化到变化到 2Ap，则，则 LAABLAAABAcDccDN21GAABGAAABARTpDRTppDN21(5-13)(5-14)NA = -NB ?单向扩散单向扩散 在吸收时，可在吸收时，可简化地认为气液界面只允许气相中的溶质简化地认为

48、气液界面只允许气相中的溶质A A通过通过而不让惰性气体而不让惰性气体B B通过通过，也不让溶剂也不让溶剂S S逆向通过逆向通过( (汽汽化化) )。 因此，当因此，当A A被吸收时，被吸收时，A A分子扩散后留下的空位只能由分子扩散后留下的空位只能由其后面的混合气来填补其后面的混合气来填补，因而产生趋向于界面的，因而产生趋向于界面的总体流动总体流动。用用斯蒂芬定律斯蒂芬定律表示：表示：式中式中 C0液相总浓度液相总浓度, kmolm-3 CBm在液体中初、终截面处组分在液体中初、终截面处组分B浓度的对浓度的对数平均值数平均值, kmolm-3 p0气相总压气相总压, Pa pBm在气体中初、终

49、截面处组分在气体中初、终截面处组分B分压的对分压的对数平均值数平均值, PaBmGAABAppRTpDN0BmLAABAcccDN0若扩散在液相若扩散在液相若扩散在气相若扩散在气相(5-15)(5-16)涡流扩散速率涡流扩散速率 由于对涡流流动中扩散认识上的不充分，由于对涡流流动中扩散认识上的不充分，只能仿照费克定律将涡流扩散速率表示为：只能仿照费克定律将涡流扩散速率表示为：dzdcDNAEA式中式中DDE E涡流扩散系数，涡流扩散系数，mm2 2ss-1-1 涡流扩散系数不是物质的特性常数，涡流扩散系数不是物质的特性常数，它与湍流程度有它与湍流程度有关，且随质点位置而异。关，且随质点位置而异

50、。湍流流体中，涡流扩散和分子扩湍流流体中，涡流扩散和分子扩散同时起着传质作用，散同时起着传质作用，对流扩散速率为对流扩散速率为： dzdcDDNAEABA)( 湍流主体以涡流扩散为主湍流主体以涡流扩散为主，D DE ED DABAB，滞流底层为分滞流底层为分子扩散子扩散，D DABABDDE E，D DE E00；在过渡层在过渡层，DDABAB和和DDE E数量数量级相当。级相当。 (5-17)(5-18) 吸收操作中吸收质从气相转移至液相经历了吸收操作中吸收质从气相转移至液相经历了气相扩气相扩散散、界面溶解界面溶解和和液相扩散液相扩散三个步骤。三个步骤。 （2 2）两相间传质）两相间传质 a

51、 a. .气、液两相间有一个稳定的相界面，其两侧分别气、液两相间有一个稳定的相界面，其两侧分别存在稳定的气膜和液膜；存在稳定的气膜和液膜；膜内流体呈滞流状态，膜外膜内流体呈滞流状态，膜外的流体呈湍流状态；的流体呈湍流状态； b b. .相界面上气液两相处于平衡，相界面上气液两相处于平衡，即即相界面上没有传相界面上没有传质阻力；质阻力； c c. .吸收质在两个膜内以分子扩散形式通过。吸收质在两个膜内以分子扩散形式通过。湍流主湍流主体中浓度分布均匀，不存在浓度梯度和传质阻力，体中浓度分布均匀，不存在浓度梯度和传质阻力，故故吸收的阻力全部集中在气、液两个膜内。吸收的阻力全部集中在气、液两个膜内。

52、刘易斯刘易斯( (Lewis W KLewis W K) )和惠特曼和惠特曼( (Whitman W GWhitman W G) )提出提出双膜理论。双膜理论。双膜理论双膜理论的要点为：的要点为： 双膜理论提出的物理模型使复杂的两相间传质简化双膜理论提出的物理模型使复杂的两相间传质简化为为两个虚拟膜层内的分子扩散两个虚拟膜层内的分子扩散( (单向）单向）。 吸收质在一定推动力吸收质在一定推动力p pA A- p pAiAi和和c cAiAi-c-cA A下克服两个膜下克服两个膜层的阻力进行传质。层的阻力进行传质。 双膜理论对低气速填料塔等具有固定传质界面的吸双膜理论对低气速填料塔等具有固定传质

53、界面的吸收过程适用性好。收过程适用性好。 )(0AABmLABAccccDNi)(0iAABmGABApppRTpDN气膜内气膜内液膜内液膜内式中式中 分别为虚拟气膜和液膜的厚度分别为虚拟气膜和液膜的厚度LG ,(5-19)(5-20) 稳定操作下，气、液相传质速率相等稳定操作下，气、液相传质速率相等, ,即等于整个过程即等于整个过程的吸收速率。的吸收速率。吸收速率方程分为两类。吸收速率方程分为两类。（3 3）吸收速率方程）吸收速率方程单相吸收速率方程单相吸收速率方程液相液相气相气相)(iGppkN)(cckNiLBmLABLccDk0BmGABGpRTpDk0式中式中: kG气相传质系数气相

54、传质系数, kmolm-2s-1Pa-1 kL液相传质系数液相传质系数,ms-1; p 吸收质在气相中的分压；吸收质在气相中的分压；c 吸收质在液相中的浓度；吸收质在液相中的浓度； pi, ci 吸收质在相界面上的分压和平衡浓度吸收质在相界面上的分压和平衡浓度上式与上式与(5-19)和和(5-20)比较变换比较变换有有(5-21)(5-22) 对一定物系对一定物系D DABAB为定值，在定态操作条件下为定值，在定态操作条件下p p、T T、c c0 0、p pBmBm、c cBmBm均为定值，但由于虚拟膜层的厚度无法直接计均为定值，但由于虚拟膜层的厚度无法直接计算或测出，还需通过实验确定算或测

55、出，还需通过实验确定k kG G和和k kL L. . 其其特征数关联式特征数关联式为：为： )(Re,ScfSh 式中式中Sh 舍伍德舍伍德（Sherwood）数数，Sh = kd/DAB；k为为kG或或kL ；d为特性尺寸，可以是塔径、填料直径等；为特性尺寸，可以是塔径、填料直径等； Re雷诺数，雷诺数， de为填料当量直径，为填料当量直径，m; ; u为流体通过填料实际速度，为流体通过填料实际速度，m.s-1; ;Sc施米特施米特(Schmit)数数, ;, ;u为流体粘为流体粘度，度，Pa.s; ; 为流体密度为流体密度。/Reude)/(ABDSc(5-25) 例如：对于采用拉西环的

56、填料，计算气膜传质系数的例如：对于采用拉西环的填料，计算气膜传质系数的特征数关联式为：特征数关联式为： 33. 08 . 0Re066. 0ScSh (5-26) 上式适用范围为上式适用范围为Re=2x10Re=2x103 33.5x103.5x104 4, Sc=0.62.5, , Sc=0.62.5, p=101303KPap=101303KPa（绝压（绝压) )。式中的特性尺寸为拉西环填。式中的特性尺寸为拉西环填料外径。料外径。 总吸收速率方程总吸收速率方程 系统系统分压差分压差和和气相摩尔比差气相摩尔比差表示吸收总推动力时，表示吸收总推动力时，总吸收速率方程为总吸收速率方程为)(ppK

57、NG)(YYKNY式中式中 KG以系统分压差以系统分压差(p-p*)为总推动力时的总传质系数，为总推动力时的总传质系数，kmolm-2s-1Pa-1 p 吸收质在气相中的分压，吸收质在气相中的分压，Pa； p* 与液相浓度相平衡的气相平衡分压，与液相浓度相平衡的气相平衡分压，Pa； KY 以气相摩尔比差以气相摩尔比差(Y-Y*)为总推动力时的总传质系数，为总推动力时的总传质系数，kmolm-2s-1 YY吸收质在气相中的摩尔比吸收质在气相中的摩尔比； Y Y* *与液相摩尔比相平衡的气相摩尔比。与液相摩尔比相平衡的气相摩尔比。(5-28)(5-27)(*ccKNL当用系统当用系统液相浓度差液相

58、浓度差和和液相摩尔比差液相摩尔比差表示总推动力，表示总推动力，总吸收速率方程为总吸收速率方程为)(*XXKNX式中式中 K KL L 以系统浓度差（以系统浓度差（c c* *一一 c c）为总推动力时的总）为总推动力时的总传质系数传质系数; ; cc 吸收质在液相中的浓度；吸收质在液相中的浓度；c c* * 与气相分压相平衡的液相平衡浓度；与气相分压相平衡的液相平衡浓度；K KX X 以液相摩尔比差（以液相摩尔比差（X X* *一一X X）为总推动力时）为总推动力时的总传质系数的总传质系数; ; X X 吸收质在液相中的摩尔比；吸收质在液相中的摩尔比；X X* * 与气相摩尔比相平衡的液相摩尔

59、比。与气相摩尔比相平衡的液相摩尔比。(5-29)(5-30) 根据双膜理论，相界面上气液两相浓度达到平根据双膜理论，相界面上气液两相浓度达到平衡，服从亨利定律衡，服从亨利定律，则，则 HpciiHpc 代入式代入式(5-22)(5-22)中，并经整理有中，并经整理有 *ppHkNiL(5-31)同理，气相速率方程可写成同理，气相速率方程可写成 iGppkN(5-32)上两式相加，并整理得：上两式相加，并整理得： )(111*ppkHkNGL(5-33)(cckNiL)(iGppkN)(ppKNG)1)(1 ()(YYYYpKNG此两式表明，吸收总阻力为气相阻力和液相阻力两此两式表明，吸收总阻力

60、为气相阻力和液相阻力两者之和。者之和。 将上式与将上式与(5-27)(5-27)比较并整理有比较并整理有 GLGkHkK111(5-34)同理可得同理可得(5-35)将将pi = py, pi*= py*, 代入式代入式(5-27)得：得： YYy1*1 YYy(5-36)(ppKNG)(YYKNYLGLkkHK11(5-28) 当吸收质在气、液相中浓度很低时当吸收质在气、液相中浓度很低时,X,X* *和和X X都很小，则都很小，则 0cKKLX)1)(1 (0XXcKKLX将式将式(5-36)(5-36)与与(5-28)(5-28)比较并整理有比较并整理有 )1)(1 (*YYpKKGY(5