化工原理第5章传质过程与塔设备

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第五章传质过程及塔设备本章要点：吸收过程的气液相平衡关系传质机理吸收速率吸收塔的计算：物料衡算，吸收剂用量计算，塔径，填料层高度计算第五章传质过程及塔设备传质过程简介气体的吸收吸收塔的计算传质过程简介传质过程即物质质量传递的过程。

传质过程即物质质量传递的过程。

单相传质仅在一相中发生的物质传递相间传质通过相界面进行的传质过程常见的传质过程传质过程的方式传质过程的方向与极限传质速率常见传质设备常见传质过程溶解、结晶干燥、吸附吸收、蒸馏、精馏萃取液—固气—固气—液液—液单相体系中，物质的传递方式：扩散分子扩散涡流扩散物质靠分子运动从高浓度向低浓度转移靠流体的湍动和涡流产生位移，实现物质由高浓度向低浓度转移相间传质一相主体扩散相界面扩散另相界面如气体吸收另相主体扩散传质的方向：相平衡的方向以氨气吸收为例氨气（浓度低）＋空气传质的极限：相平衡密闭容器水（溶剂）在两相分配中，推动力：在两相分配中，偏离平衡的程度氨气(浓度高)＋空气(惰性气体) (溶质，被吸收组分)氨气（浓度低）＋空气总压 p密闭容器水（溶剂）溶质（A）分压浓度成pAp *与溶液中 A 的氨气(浓度高)＋空气(惰性气体) (溶质，被吸收组分)平衡的气相分压p A > p * 吸收 p A < p * 解吸 p A = p * 平衡pA p*吸收推动力亦可用浓度差表示动力传质速率＝传质推动力传质阻力传质速率＝传质系数×传质推动力塔设备填料塔和板式塔上述密闭容器能否用作工业吸收设备？上述密闭容器能否用作工业吸收设备？可以，但吸收效果不好，原因在于气、液两相接触情况不好对工业吸收设备有什么要求？对工业吸收设备有什么要求？尽可能提供气、液两相有足够大的接触面积大的接触面积，大的接触面积尽可能使气、液两相接触充分接触充分，接触充分尽可能使气、液两相的传质推动力大传质推动力大（逆流）传质推动力大为达到上述要求，目前工业上常用的吸收设备为达到上述要求，使塔设备。

塔设备填料塔在圆柱形壳体内装填一定高度的填料，液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出；气体则在压强差推动下穿过填料层的空隙，由塔的一端流向另一端。

气液在填料表面接触进行质、热交换，两相的组成沿塔高连续变化。

溶剂气体填料塔常用的填料可分为散装填料和规整填料两大类。

散装填料在塔内可乱堆，也可以整砌。

拉西环θ环鲍尔环十字环及螺旋环鞍形填料阶梯环规整填料Corrugated Metal Plates Packings φ 6400金属板波纹规整填料φ 300脉冲规整填料各种陶瓷规整填料填料的种类：1、实体填料填料的种类：2、网状填料板式塔在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层；气体则在压强差的推动下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。

气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。

气体溶剂板式塔DJ 塔盘新型塔板、填料塔板类型错流塔板和逆流塔板塔板是板式塔的基本构件，决定塔的性能。

溢流塔板 (错流式塔板)：塔板间有专供液体溢流的降液管 (溢流管)，横向流过塔板的流体与由下而上穿过塔板的气体呈错流或并流流动。

可获得较高的板效率，但降液管将占去塔板的传质有效面积，影响塔的生产能力。

降液管液相堰气相逆流塔板（穿流式塔板）：塔板间没有降液管，气、液两相同时由塔板上的孔道或缝隙逆向穿流而过，板上液层高度靠气体速度维持。

优点：塔板结构简单，板上无液面差，板面充分利用，生产能力较大；缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。

液相气相两种塔的比较填料塔结构简单，气体通过阻力小，便于用耐腐材料制造。

板式塔生产能力大，塔效率稳定，较适合处理量大的系统。

气体流过阻力大。

吸收概述吸收中的相平衡关系——亨利定律吸收速率与传质机理吸收的依据和目的溶解程度的差异, 依据：利用混合气体中各组分在液体中溶解程度的差异溶解程度大的被吸收,难溶的则被留下了。

被吸收的组分称为吸收质，不被吸收的组分成为惰性组分。

作用：（1）原料气的净化。

（2）有用组分回收。

（3）制备有用溶液。

（4）废气治理。

吸收塔尾气吸收剂混合气体溶液二、工业吸收过程必须解决问题： 1、选择合适的吸收剂； 2、提供合适的气液传质设备； 3、吸收剂的再生循环使用。

吸收塔解吸塔吸收剂的选择1 溶解度2 选择性3 挥发度也越大。

溶解度越大，吸收速率越大,吸收剂用量越越少。

吸收剂要对溶质组分有良好的吸收能力,对其它组分基本上不吸收,或吸收甚微,否则不能实现有效的分离。

挥发度越大,则溶剂损失量越大,分离后气体中含溶剂量4 粘度粘度越小,流动性越好,吸收速率越大,泵的功耗越小,且传质阻力减小。

5 温度敏感性6 其它要求无毒,无腐蚀性,不易燃,不发泡,冰点底,价廉易得,具有化学稳定性。

吸收操作的分类按是否有化学反应分:物理吸收、化学吸收按有无明显温度变化分:等温吸收、非等温吸收按组分数分:单组分吸收、多组分吸收按浓度分:低浓度气体吸收、高浓度气体吸收本章主要讨论:低浓度单组分等温的物理吸收低浓度单组分等温的物理吸收。

低浓度单组分等温的物理吸收吸收进行的限度和方向取决于相平衡关系取决于相平衡关系稀溶液的气液相平衡关系——亨利定律亨利定律当总压不高时,在一定温度下,稀溶液上方气体溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比,这就是亨利定律。

其表达式为: p*=Ex E:亨利系数,由实验测定，单位与压强单位一致。

T↑ E↑溶解度↓在同一溶剂中，难溶气体的E值很大，易溶气体的E值则很小。

亨利定律的不同表达形式p*=c/HH=ρ/Ems液相中溶质浓度表示H:溶解度系数,单位:kmol/(kN m)y*=mxm:相平衡常数气、液相中溶质摩尔分数表示总压P一定时y*= p*/P = (E/P)x = mx m=E/P T ↓ p↑ m ↓溶解度↑液相中溶质摩尔数 X＝液相中溶剂的摩尔数 Y＝气相中溶质摩尔数气相中溶剂的摩尔数X x= 1+ XY y = 1+ Yy*=mxY* X =m * 1+ Y 1+ XmX Y = 1+(1m)X*亨利定律是稀溶液定律,则x很小,1+（1-m）X 则1Y*=mX用摩尔比表示相平衡与吸收的关系判断过程进行方向x=0.05 y=0.1 y*=0.94x y*=0.94×0.05=0.047 < y x*=0.1/0.94=0.106 > x 吸收吸收 x=0.1 y=0.05 y*=0.1×0.94=0.094 > y x*=0.05/0.94=0.053 < x 解吸解吸传质过程的进行通过扩散扩散完成扩散气体吸收的三个步骤： 1、溶质由气相主体向气、液两相界面的传递过程单相中进行单相中进行 2、溶质在相界面上溶解进入液相相界面进行相界面进行 3、溶质由液相界面向液相主体的传递过程单相中进行单相扩散分子扩散单相中的传质过程对流扩散当流体内部存在某一组分浓度差因分子无规则运动高浓度低浓度至各处浓度相等为止分子扩散速率1、分子扩散速率、dC A NA ∝ dzdCA NA = DAB dzDAB:扩散系数,m2/s；菲克定律dCA/dz:物质A的浓度梯度,kmol/m4; NA:分子扩散速率，kmol/(m2 s) 扩散系数扩散系数是物质的物性常数表示物质的扩散能力受外界条件的影响，其值由实验测定。

定态扩散时，组分A在某方向上扩散δ距离，相应浓度由cA1变为cA2 ，菲克定律变为：NA = DAB cA1 cA2δ= DAB△CAδ注：菲克定律适用于两组分A与B等分子逆向扩散。

不适用于吸收过程。

一组分通过另一静止（停滞）组分的扩散斯蒂芬定律DP NA = ( pA1 pA2 ) RTδ PBm气相Dc0 NA = ( c A1 c A 2 ) δ c Bm液相2、对流扩散凭藉流体质点的湍流和漩涡而引质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为对流传质。

发生在湍起的扩散流流体里的传质除分子扩散外更主要的是对流传质。

将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，这就是分子扩散的结果。

若用勺搅动杯中水，则将甜得更快更均匀，那便是对流传质的结果。

对流扩散速率目前，对于涡流扩散的认识还不充分，模仿菲克定律可得到涡流扩散速率： dCA NA = DE dzDE—涡流扩散系数，表示涡流扩散能力大小，表征流体质点在其浓度梯度方向上的脉动程度涡流扩散系数不是物质的特性常数，它与湍流程度、流体系统结构尺寸、流速、流体性质等因素有关，是Re的函数所以湍流体系中，对流扩散速率可表达为：dCA NA = (DAB + DE ) dz相间传质速率——双膜理论类似于对流传热，流体在进行传质过程时也是以湍流形式进行对流扩散。

流体以湍流状态流动时滞流内层主要是分子扩散。

在过渡层既有分子扩散,也 , 有对流扩散。

在湍流主体中主要是对流扩散,阻力很小,可以忽略,即认为浓度一致。

双膜理论的要点1 在气液两流体相接触处,有一稳定的分界面,叫相界面。

在相界面两侧附近各有一层稳定的气膜和液膜。

在相界面两侧附近各有一层稳定的气膜和液膜。

这两层薄膜可以认为是由气液两流体的滞流层组成,即虚拟的层流膜层,吸收质以分子扩散方式分子扩散方式通过这两个分子扩散方式吸收阻力全部集中在气、膜层。

吸收阻力全部集中在气、液两个膜层。

吸收阻力全部集中在气液两个膜层。

2 全部浓度变化集中在这两个膜层内。

全部浓度变化集中在这两个膜层内。

3 在相界面处气液浓度达成平衡,即界面上没有阻力。

在相界面处,气液浓度达成平衡即界面上没有阻力气液浓度达成平衡即界面上没有阻力。

（相界面上发生的是溶解过程，该过程很容易进行，阻力很小）通过以上假设,就把整个吸收过程简化为：吸收质经吸收质经过双膜层的过程。

吸收阻力就是双膜的阻力。

过双膜层的过程。

吸收阻力就是双膜的阻力。

故该理论又称为双膜阻力理论。

按照双膜理论，气膜内吸收速率为：DP NA = ( pA1 pA2 ) RTδG PBm DP NA = ( pA1 pAi ) RTδG PBm液膜内吸收速率为：Dc0 NA = ( c A1 c A 2 ) δ c Bm Dc0 NA = ( c Ai c A ) δ L c Bm 吸收速率方程单相吸收速率方程令DP kG = RTδG PBm气相速率方程NA = kG ( pA1 pAi )液相速率方程Dc0 kL = δ L c BmN A = k L ( c Ai c A )kG:气膜吸收(传质)系数,单位:kmol/m2 s Pa, kL:液膜吸收（传质）系数,单位:ms－1, 传质速率方程中推动力的其他表示方法气膜( pA1 pAi ) NA = kG ( pA1 pAi ) ( cAi cA )( yA1 yAi )NA=ky（yA1-yAi）(YA1 YAi )NA=kY（YA1-YAi）液膜( xAi xA )NA=kx（xAi-xA）( X Ai X A )NA=kX（XAi-XA）N A = k L ( c Ai c A )总推动力( PA cA ) ？pA1 p* ) (c* cA ()NA=ky（y-yi）NA = kG ( pA1 pAi )kG:气膜吸收系数,单位:kmol/kN s ky:气膜吸收系数,单位:kmol/(m2 s) ky=PkGNA=kL（ci-c））NA=kx（xi-x））kL:液膜吸收系数,单位:m/s kx:液膜吸收系数,单位:kmol/(m2 s)kx=C kL气膜控制和液膜控制1 1 1 = + K G kG Hk L1 H 1 = + K L kG k L对于易溶气体,H很大,1/kG>>1/kLH，则 KG=kG 吸收阻力主要集中在气膜中,这种吸收称为气膜控制。