化工基础理论第5章-传质过程及塔设备课件.ppt

1、 物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为称为质量传递过程质量传递过程，简称传质。在一相中发生的物，简称传质。在一相中发生的物质传递是质传递是单相传质单相传质，通过相界面的物质传递为，通过相界面的物质传递为相间相间传质传质。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

2、重要的意义。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 5.3 液体的精馏液体的精馏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。不同，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

3、蒸馏、气包括气体的吸收、液体的蒸馏、气体的增湿等单元操作。体的增湿等单元操作。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。中沸点低的组分气化，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。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

4、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程 气体吸附的相间传递方向恰与固体干燥相反，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。它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

5、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。2 2传质过程的共性传质过程的共性 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

6、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。（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，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

7、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。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。（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

8、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。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

9、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

10、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

11、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。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 填料塔填料塔 结构如图所示结构如图所示,圆筒形

12、圆筒形,内装填料内装填料 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，导致气液接触不塔壁偏流，使填料不能全部润湿，导致气液接触不良，影响传质效果，称之为良，影响传质效果，称之为塔壁效应塔壁效应。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。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，气体气液接触面小，沟流及塔壁效应较严重，气体阻力大，操作弹性范围窄阻力大，操作弹性范围

13、窄等。等。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，不易形不易形成大量的局部不均匀区域，空隙率大，气流阻力小成大量的局部不均匀区域，空隙率大，气流阻力小。鞍环填料鞍环填料综合了鞍形填料液体分布性好和环形填综合了鞍形填料液体分布性好和环形填料通量大的优点，是目前性能最优良的散装填料。料通量大的优点，是目前性能最优良的散装填料。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

14、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，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

15、 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呈直线关系，呈直线关系，直线的斜率为直线的斜率为1.81.82.02.0，表明，表明ppH H与与u u的的1.81.82 2次次方呈正比，气流状态为湍流方呈正比，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

16、/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

17、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泡罩塔板泡罩塔板 构造如图示。泡罩塔板有构造如图示。泡罩塔板有较好的操作弹较好的操作弹性，结构复杂、造价高，尤其是气体流径曲折，塔板性，结构复杂、造价高，尤其是气体流

18、径曲折，塔板压降大、液泛气速低、生产能力小。压降大、液泛气速低、生产能力小。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

19、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。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 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,

20、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。b b漏液漏液 气体通过筛孔的速度较小时

21、，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

22、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)/)/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

23、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

24、塔。吸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，

25、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。5.2 5.2 气体的吸收气体的吸收 1概述概述 吸收是用于分离气体混合物的一种常见的单元操作。吸收是用于分离气体混合物的一种常见的单元操作。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，被溶解吸收的组分，被溶解吸收的组分称为吸收质，

26、不被吸收的组分称为称为吸收质，不被吸收的组分称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。两部分。如用炼焦过程的副产物煤焦油如用炼焦过程的副产物煤焦油(洗油洗油)回收焦炉煤气内回收焦炉煤气内含有的少量苯、甲苯类低碳氢化合物，如图所示。含有的少量苯、甲苯类低碳氢化合物，如图所示。吸收质在吸收剂中的溶吸收质在吸收剂中的溶解度随温度的变化有较大解度随温度的变化有较大的差异，以便吸收剂再生；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对吸收质有较大的溶解度，以加速

27、吸收、减少吸度，以加速吸收、减少吸收剂用量；收剂用量；对所处理气体必须有较对所处理气体必须有较高的选择性；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。2.2.吸收的相平衡吸收的相平衡 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

28、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。吸收过程中，吸收质与吸收剂发生化学反应的吸收称吸收过程中，吸收质与吸收剂发生化学反应的吸收称化学吸收；不发生明显化学反应的吸收称物理吸收。化学吸收；不发生明显化学反应的吸收称物理吸收。（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

29、。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。加压和降温都可以提加压和降温都可以提高气体的溶解度，尤其是高气体的溶解度，尤其是温度改变，溶解度变化较温度改变，溶解度变化较大。吸收操作尽量维持在大。吸收操作尽量维持在较高压力和较低温度下进较高压力和较低温度下进行。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易溶气体在溶液上方的平衡分压小，难溶气体在溶衡分压小，难溶气体在溶液上方的平衡分压大。液上方的平衡分压大。吸收操

30、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。当总压不太高时(0.5Mpa)(0.5Mpa)，稀溶液的相平衡关，稀溶液的相平衡关系服从亨利定律：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

31、与吸收质的大小与吸收质和吸收剂的种类及温度有关。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达形式：P*=c/H y*=mx 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，3mkmol1Pay y*与与X X相平衡的吸收质在气相中的摩尔分数；相平衡的

32、吸收质在气相中的摩尔分数；m m相平衡常数，量纲为相平衡常数，量纲为1 1。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，用，用Y Y表示；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以液相中

33、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，用的比来表示液相中吸收质的量，用X X表示。摩尔比与摩表示。摩尔比与摩尔分数的关系是：尔分数的关系是：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 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。定义单位体积溶液中吸收质和吸收剂的物质的量之定义单位体积溶液中吸收质和吸收剂的物质的量之和为溶液的总浓度，记作和为溶液的总浓度，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

34、度，3mkgMrMr溶液的平均摩尔质量，溶液的平均摩尔质量，MAMA吸收质的平均摩尔质量，吸收质的平均摩尔质量，MsMs吸收剂的平均摩尔质量，吸收剂的平均摩尔质量，1molg1molg1molg对稀溶液，对稀溶液，s s MrMrMsMs 有xMcSSSSHME*pyp pEm 可得可得EH的关系的关系亦可得亦可得Em的关系的关系由知道尔顿分压定律由知道尔顿分压定律3.3.吸收速率吸收速率 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：（1 1）单相内的扩散

35、）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。吸收质在某一相中的扩散有分子扩散与涡流扩散两种。dzdcDNAABA式中式中 NA扩散速率扩散速率,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中的扩散系中的扩散系数数 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 s-1 z为扩散距离为扩散距离,m,负号表示扩散方负号表示扩散方向沿组分向沿组分A浓度降低的方向进行浓度降低的方向进行 扩散系数是物质的物性常数，表示扩散质在介质扩散系数是物质的物性常数，表示扩散质在介质中的扩散能力。中的扩散能力。定态条件下，若扩

36、散在液相中进行，组分定态条件下，若扩散在液相中进行，组分A A在在z z方方向上扩散向上扩散L L距离，浓度由距离，浓度由 1Ac变为变为 2Ac，则，则 若扩散在气相中进行，且气相为理想气体混合物，若扩散在气相中进行，且气相为理想气体混合物，组分组分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 LAABLAAABAcDccDN21LAABGAAABARTpDRTppDN21用斯蒂芬定律表示：用斯蒂芬定律表示：式中式中 C0液相总浓度液相总浓度,kmolm-3 CBm液体层两侧组分液体层两侧组分B浓度的对数平均值浓度的对数平均值,km

37、olm-3 p气相总压气相总压,Pa pBm气体层两侧组分气体层两侧组分B分压的对数平均分压的对数平均值值,PaBmGAABApRTppDNBmLAABAcccDN0液相液相气相气相对流扩散速率对流扩散速率 由于对涡流流动中扩散认识上的不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为：充分，只能仿照费克定律将涡流扩散速率表为：zcAEAddDN式中式中D DE E涡流扩散系数，涡流扩散系数，m2s-1 涡流扩散系数不是物质的特性常数，它与湍流程度涡流扩散系数不是物质的特性常数，它与湍流程度有关，且随质点位置而异。湍流流体中，涡流扩散和有关，且随质点位置而异。湍流流体中，

38、涡流扩散和分子扩散同时起着传质作用，对流扩散速率为：分子扩散同时起着传质作用，对流扩散速率为：zAEABAddcDDN)(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，滞流底层为分子扩散，分子扩散，D DABABD DE E，D DE E00；在过渡层，；在过渡层，D DABAB和和D DE E数量数量级相当级相当。吸收操作中吸收质从气相转移至液相经历了气相扩吸收操作中吸收质从气相转移至液相经历了气相扩散、界面溶解和液相扩散三个步骤。散、界面溶解和液相扩散三个步骤。吸收质在气液界吸收质在气液界面两侧的分压和浓度面两侧的分压和浓度变化如图中的实线所变化如

39、图中的实线所示。示。（2 2）两相间传质）两相间传质 a.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；膜内流体呈滞流状态，膜外存在稳定的气膜和液膜；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，即相界面上没有传相界面上气液两相处于平衡，即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。湍流主吸收质在两个膜内以分子扩散形式通过。湍流主体中浓度分布均匀，不存在浓度梯度和传质阻力，故体中浓度分布均匀，不存在浓度梯度和传质阻力，故吸收的阻力全部集中在气、液两个膜内

40、。吸收的阻力全部集中在气、液两个膜内。研究者先后提出了许多描述它的物理模型，刘易斯研究者先后提出了许多描述它的物理模型，刘易斯(Lewis W KLewis W K)和惠特曼和惠特曼(Whitman W GWhitman W G)提出的双膜理提出的双膜理论。双膜理论的要点为：论。双膜理论的要点为：双膜理论提出的物理模型使复杂的两相间传质简双膜理论提出的物理模型使复杂的两相间传质简化为两个虚拟膜层内的分子扩散。膜层是吸收过程的化为两个虚拟膜层内的分子扩散。膜层是吸收过程的阻力所在，吸收质在一定推动力阻力所在，吸收质在一定推动力p pA A-p pAiAi和和c cAiAi-c cA A下克下克服

41、两个膜层的阻力进行传质。服两个膜层的阻力进行传质。双膜理论对低气速填料塔等具有固定传质界面的双膜理论对低气速填料塔等具有固定传质界面的吸收过程适用性好。吸收过程适用性好。)(0AABmLABAccccDNi)(iAABmGABApppRTpDN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,稳定操作下，气、液相传质速率相等。由于考察范稳定操作下，气、液相传质速率相等。由于考察范围及推动力表示形式不同，将吸收速率方程分为两类。围及推动力表示形式不同，将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

42、气相)(iGppkN)(cckNiLBmLABLccDk0BmGABGpRTpDk式中式中:kG气相传质系数气相传质系数,kmolm-2s-1Pa-1 kL液相传质系数液相传质系数,ms-1经比较变换有经比较变换有 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 C、p pBmBm、c cBmBm均为定值，但由于虚拟膜层的厚度无法直均为定值，但由于虚拟膜层的厚度无法直接计算或测出，还需通过实验确定接计算或测出，还需通过实验确定kG和和kL.其特征数其特征数关联式为：关联式为：)(Re,ScfSh 式中式中ShSh舍伍德（舍伍德（Sherwo

43、odSherwood）数，）数，ShSh=kdkd/DAB/DAB；k k为为kG或或kL ；d d为特性尺寸，为特性尺寸，m m可以是塔径、填料直径等；可以是塔径、填料直径等；ReRe雷诺数，雷诺数，ScSc施米特施米特(SchmitSchmit)数。数。系统分压差和气相摩尔比差表系统分压差和气相摩尔比差表 示吸收总推动力时，总示吸收总推动力时，总吸收速率方程为吸收速率方程为)(ppKNG)(YYKNY总吸收速率方程总吸收速率方程式中式中K KG G以系统分压差以系统分压差(p p-p p*)为总推动力时的总传质系为总推动力时的总传质系数，数，kmolm-2s-1Pa-1 p p吸收质在气相

44、中的分压，吸收质在气相中的分压，PaPa；p 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，PaPa；K KY Y以气相摩尔比差以气相摩尔比差(Y YY Y*)为总推动力时的总为总推动力时的总传质系数，传质系数，kmolm-2s-1 Y Y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。)(*ccKNL当用系统液相浓度差和液相摩尔比差表示总推动力，当用系统液相浓度差和液相摩尔比差表示总推动力，总速率吸收方程为总速率吸收方程为)(*XXKNX式中式中 K KL L以系统浓度差（以系统浓度差（c c*一一

45、c c）为总推动力时）为总推动力时的总传质系数的总传质系数;c c吸收质在液相中的浓度；吸收质在液相中的浓度；c c*与液相浓度相平衡的液相平衡浓度；与液相浓度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）为总推动力时的总传质系数时的总传质系数;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比。与气相摩尔比相平衡的液相摩尔比。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，则衡，服从亨利定律，则 HpciiHpc)1)(1()(YYYYpKNG)1)

46、(1(YYpKNG)1)1(0XXcKKLX 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吸收总阻力为气相阻力和液相阻力两者之和。吸收总阻力为气相阻力和液相阻力两者之和。整理有整理有 GLGkHkK111LGLkkHK11气膜控制与液膜控制气膜控制与液膜控制当气体容易溶解时，溶解度系数当气体容易溶解时，溶解度系数H H较大，液相阻较大，液相阻力非常小，力非常小，KGkG 即易溶气体的吸收阻力主要集中在气膜内，称为即易溶气体的吸收阻力主要集中在气膜内，称为气膜控制。气膜控制。当气体难于溶解时，溶解度系数小，气膜阻力当气体难于溶

47、解时，溶解度系数小，气膜阻力非常小，非常小，KL kL即难溶气体的吸收阻力主要集中在液膜内，称即难溶气体的吸收阻力主要集中在液膜内，称为为液膜控制液膜控制。4 4填料吸收塔的计算填料吸收塔的计算 填料吸收塔计算包括设计计算和操作计算。设计填料吸收塔计算包括设计计算和操作计算。设计计算主要是获得达到指定分离要求所需要的塔的基本计算主要是获得达到指定分离要求所需要的塔的基本尺寸：填料层高度和塔径。操作计算则要求算出给定尺寸：填料层高度和塔径。操作计算则要求算出给定的吸收塔的气液相出口浓度等参数。的吸收塔的气液相出口浓度等参数。a a气相中的惰性组分与液相中吸收剂的摩尔流量气相中的惰性组分与液相中吸

48、收剂的摩尔流量不变；不变；b b塔内的温度始终相同；塔内的温度始终相同；c c传质总系数在整个塔内为常量。传质总系数在整个塔内为常量。吸收操作一般多采用逆流。为计算方便，对塔内的吸收操作一般多采用逆流。为计算方便，对塔内的吸收过程作如下假设：吸收过程作如下假设：(1)(1)物料衡算与吸收操作线方程物料衡算与吸收操作线方程 如图，取塔底至塔截面如图，取塔底至塔截面M MMM间的塔段作为衡算范围，间的塔段作为衡算范围，对吸收质作物料衡算：对吸收质作物料衡算：qn,VY+qn,LX1=qn,VY1+qn,LX经整理经整理 得得1,1,XqqYXqqYVnLnVnLn上式称为吸收操作线方程。上式称为吸

49、收操作线方程。式中，式中，qn，V惰性组分的摩尔流量，惰性组分的摩尔流量，mols-1 qn，L吸收剂的摩尔流量，吸收剂的摩尔流量，mols-1 Y1，Y分别为吸收塔底及截面分别为吸收塔底及截面M上吸收质上吸收质的气相摩尔比，的气相摩尔比，mol(吸收质吸收质)/mol(惰性组分惰性组分)X1，X分别为吸收塔底及截面分别为吸收塔底及截面M上吸收质上吸收质的液相摩尔比，的液相摩尔比，mol(吸收质吸收质)/mol(吸收剂吸收剂)通过代表塔底组成通过代表塔底组成的的A A（X X1 1,Y,Y1 1）点。）点。Y Y2 2和和X X2 2是吸收塔顶截面上的实是吸收塔顶截面上的实际气液相浓度，服从吸

50、际气液相浓度，服从吸收操作线方程。收操作线方程。如图所示。如图所示。操作线离平操作线离平衡线越远，吸收推动力衡线越远，吸收推动力越大越大。吸收剂用量大小直接影响着操作费用和设备尺寸，吸收剂用量大小直接影响着操作费用和设备尺寸，必须首先确定。对吸收质进行物料衡算：必须首先确定。对吸收质进行物料衡算：式中式中q qn n,L,L/q qn n,V,V 是每摩尔惰性组分所用吸收剂的物是每摩尔惰性组分所用吸收剂的物质的量质的量(molmol)，称为称为吸收液气比吸收液气比。吸收率的定义为：吸收率的定义为：气体经过吸收塔被吸收的吸收气体经过吸收塔被吸收的吸收质的量与进入吸收塔的吸收质的量之比质的量与进入