传质过程(化工基础,化学)汇总

②填料塔内的流体力学状况
在设计填料塔时，首先要考虑填料塔的流 体力学性能：包括气体通过填料层的压降、 液泛气速、持液量（单位体积填料所持有的 液体体积）、气液分布等。
例如，确定动力消耗需知压降；确定塔径 以液泛速度为依据；持液量关系着填料支承 装置的强度；气液分布情况影响着传质效率 等。
L =0（当没有液体喷淋 时），即气体通过干填料 层时，Δp/H～u呈直线关 系，直线的斜率为1.8～ 2.O，表明H与u的1.8～2 次方成比例，气流状态为 湍流。
• ③若物质在A相实际浓度等于B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。
对于空气中的氨向水中传 递的过程，若以氨的分压p表 示气相中氨的实际浓度，p* 表示液相实际浓度所要求的 气相平衡分压，则：
p＞p*时，氨从气相向液相传递； p＜p*时，氨由液相向气相转移； p= p*时，体系达到平衡状态。
无论哪种类型的均相混合物，要将 其分离成纯净或几乎为纯态物质，必 须造成一个两相物系，利用原物系中 各组分间某种特性的差异，使其中某 个组分在两相间进行传质。
物质在两相中的传质历程
物质首先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，最后从此相的 界面向主体扩散。
例如气体吸收，气相主体中溶 质扩散经过气相到达气液相界面， 溶解进入液相，然后扩散进入液 相主体。
以混合物中吸收质摩尔数与惰性物质摩尔数的比 来表示气相中吸收质的含量，称为气相摩尔比，用Y 表示；
以液相中吸收质摩尔数与纯吸收剂摩尔数的比来 表示液相中吸收质的含量，称为液相摩尔比，用X表 示。
摩尔比与摩尔分数的关系是： Y=y/(1-y) X=x/(1-x)
• 吸收计算中，有时需要在亨利定律 各系数之间进行变换。
• E=ρs/HMs • m=E/P
P:总压
3、吸收速率
（1）单相内的扩散
• 吸收质在某一相中的扩散有分子扩散与涡 流扩散两种。
• 滞流流体中，吸收质在垂直于流体流动方 向的扩散依靠分子运动完成；
• 在湍流流体主体，吸收质主要凭借流体质 点不规则运动的涡流实现扩散，而在滞流底 层内则仍是分子扩散。
泛点气速是填料塔正常操作 气速的上限，实际操作气速通 常取泛点气速的 50～85％。
（2）板式塔
①塔板的结构型式
• 板式塔的壳体通常为圆筒形，里面沿塔高装有若 干块水平的塔板。液体靠重力作用自上而下逐板流 向塔底，并在各块塔板的板面上形成流动的液层； 气体则在压差推动下经塔板上的开孔由下而上穿过 塔板上液层最后由塔顶排出。
继续增大气速至下一转折点，填 料层内持液量不断增多，液体充满 整个填料层的自由空间，致使压降 急剧升高。此时，液体开始由分散 相转变为连续相，气体开始由连续 相转变为分散相，并以鼓泡状通过 液层和把液体大量带出塔顶，塔的 操作极不稳定，甚至被完全破坏， 这种现象称为液泛。
开始发生液泛的转折点为泛点，相应的空塔气速称 为液泛气速或泛点气速。
当有液体喷淋时，填料 层内的部分空隙为液体所 占据。相同的空塔气速下， 随着液体喷淋密度的增加， 填料的持液量增加，气流 的自由通道减少，气流的 压降增加， Δp/H～u关系 变成曲线。
气速较低时，由于逆向气流 的牵制小，填料层内液体向下流 动几乎与气速无关，填料表面上 覆盖的液体膜层厚度基本不变， 填料层的持液量也就基本不变， 所以Δp／H～u线几乎与干填料 的直线平行。
物理吸收与化学吸收
物理吸收中，当操作条件改变，解吸便会 发生，而化学吸收能否可逆进行由化学反应 是否可逆决定。
一般气体在吸收剂中的溶解度不高，因物 理吸收能力有限，如有化学反应发生，可大 幅度地提高吸收剂对气体的吸收能力，同时 化学吸收的选择性较高。
吸收操作中的溶解过程会放出溶 解热，若是化学吸收还伴随有反应 热——非等温吸收。
（3）传质过程推动力与速率 组分偏离平衡状态的程度是传质过程
的推动力。
由于相组成的表示方法不同，推动力的 形式便不一样，可以是压力差、浓度差 等等
上述空气中氨向水中传递过程的例子， 气相氨浓度用分压表示时，过程推动力 为p一p*。
传质过程中，物质传递的快慢常以传质速率 来表示，其定义为；单位时间内，单位相接触 面上被传递组分的物质的量。
另外，在环境保护、生命现象及许多工 程和工业实践中都涉及物质的传递过程。
5.1传质过程及塔设备简介
1.传质过程的类型 两相间的传质过程，根据相态不同，可分为
流体相间和流固相间的传质两类。
（l）流体相间的传质过程 ①气相—液相：包括气体的吸收、液体的蒸馏、
气体的增湿等单元操作。 ②液相一液相：在均相液体混合物中加入具有选
③在一定条件下（如温度、压力），两 相体系必然存在着一个平衡关系。
相间传质过程的方向和极限可用组分在一相 中的实际浓度与另一相实际浓度所要求的平衡 浓度的相对大小来判断：
• ①若物质在一相（A相）实际浓度大于其在 另一相（B相）实际浓度所要求的平衡浓度， 则物质将由A相向B相传递；
• ②物质在A相实际浓度小于其在B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B相向A相传递；
如果吸收质在混合气中浓度相当 低，吸收剂用量又很大，吸收过程温 度变化不大，可视为——等温吸收。
2．吸收的相平衡 （1）气体在液体中的溶解度
在一定的温度、总压 下．混合气体与一定量吸收 剂充分接触，吸收质在气液 两相中的分配将趋于稳定， 吸收剂中吸收质浓度达到饱 和，即达到相平衡。
饱和浓度（溶解度）：平衡时溶质在液相中的浓度。
随着气速的增大，两相流体 间的摩擦力增大。当气速增大至 某一数值时，液体的流动开始受 到两相流体间的摩擦力的阻碍， 使填料层的持液量开始随气速的 增加而增加，这种现象称为拦液 现象。
通常将开始拦液的转折点称为载点。载点对应的空塔气速 称为载点气速。
超过载点气速后， Δp/H～u关系 线的斜率加大，但填料层内的液流 分布和填料表面的润湿程度均大有 改变，两相湍动的程度也加剧，这 有利于传质速率的提高。
吸收是用于分离气体混合物的一种常见的 单元操作，根据气体混合物中各组分在某种 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溶剂——吸收剂S 被溶解吸收的组分——吸收质A 不被溶解吸收的组分——惰性组分B
吸收操作中吸收剂的性能至关重要，选择吸收剂应 当从以下几方面考虑：
• ①对吸收质有较大的溶解度，以加速吸收、减少吸 收剂用量；
平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。
实际上，当总压 不大（＜0.5MPa） 时，气体在液体中 的溶解度随温度和 吸收质在气相的组 成而变化，这种关 系可通过实验测定。
不同气体在同一吸 收剂中的溶解度有很大 差异。相同温度下，二 氧化硫的溶解度较小， 氨气和氯化氢的溶解度 较大。
氨在水中的溶解度
总压一定，温度下降，在同一溶剂中，溶
不同的吸收质，亨利系数越大，越难溶解；
同一吸收质，温度升高，亨利系数增大，溶解度 下降。
亨利系数的大小能够反映气体溶解的难易程度。
由于相组成的表示方法有多种，亨利定律
也有多种不同的数学表达形式：
p*=c/H
H－溶解度系数。
y*=mx
m一相平衡常数。
Y*=mX
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，使吸收计算变得复杂。为简化 计算，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。
• ②对所处理气体必须有较高的选择性，即吸收质在 吸收剂中的溶解度大，而其它组分几乎不溶解；
• ③吸收质在吸收剂中的溶解度随温度的变化有较大 的差异，以便吸收剂再生；
• ④蒸汽压要低，以减少吸收和再生过程中的挥发损 失；
• ⑤化学稳定性好，粘度小，价廉、易得、无毒、不 易燃烧。
实际上，能满足这些条件的的吸收剂很难找到。 因此，对可供选用的吸收剂应作技术经济评价后合 理选择。
传质速率与传质推动力的大小有关，与其它 过程速率一样，传质速率可以写为：
传质推动力 传质速率= ——————
传质阻力
实际上，常把传质阻力看成是传质系数的倒 数，即传质速率=传质系数×传质推动力
3、塔设备
传质过程有通用的传质设备。气体吸 收和液体精馏两种气液传质过程通常在 塔设备内进行。
塔设备的基本功能在于提供气、液两 相充分接触的机会，使质、热两种传递 过程能够迅速有效地进行，同时还能使 接触的气、液两相及时分开，互不夹带。
总压及摩尔分率相同，
cO2 < cCO2 < cSO2 < cNH3
（2）亨利定律
总压不高（<0.5MPa）时，在一定温度下， 稀溶液（ <10％）上方气相中溶质的平衡分压 与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系 数为亨利系数。
p* Ex
亨利系数的大小与吸收质和吸收剂的种类及吸收 温度有关。
（2）传质过程的方向与极限
相间传质和相际平衡所共有的几点规律： ①一定条件下，处于非平衡状态的两
相体系内组分会自动地进行旨在使体系 的组成趋于平衡态的传递。经过足够长 的 时间，体系最终将达到平衡态，此时 相间没有净的质量传递；
② 条件的改变可破坏原有的平衡状态。 如改变后的条件保持恒定，一定时间后， 体系又可达到新的平衡。
质的溶解度随之增加，有利于吸收 。
温度一定时，总压增
加，在同一溶剂中，
溶质的溶解度x随之
增加，有利于吸收 。
20℃下SO2在水中的溶解度
对于同样浓 度的溶液，易 溶气体在溶液 上方的平衡分 压小，难溶气 体在溶液上方 的平衡分压大， 即要得到一定 浓度的溶液， 易溶气体所需 分压较低，难 溶气体所需分 压则很高。
择性的溶剂，系统形成两个液相。 由于原溶液中各组分在溶剂中溶解度的不同，
它们将在两个液相之间进行分配，即发生相间 传质过程，这就是通常所说的液一液萃取。