吸收操作及工業(yè)應(yīng)用

第二章吸取第一節(jié)概述一、吸取操作及工業(yè)應(yīng)用1、吸取操作在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要從氣體混合物中分離出其中一種或多種組分。例如，在合成氨工業(yè)中，為了凈制原料氣，用水處理原料氣以除去其中的二氧化碳等。吸取操作就是分離氣體混合物的一種措施。使氣體溶解于液體中的操作稱為吸取操作。當(dāng)氣體混合物與合適的液體接觸，氣體中的一種或幾種組分溶解于液體中，而不能溶解的組分仍留在氣體中，使氣體混合物得到了分離，吸取就是運用氣體混合物中各組分在同一液體中的溶解度不一樣來分離氣體混合物的操作。吸取操作在化工生產(chǎn)中應(yīng)用很廣，有如下幾種方面：（1）取溶液作為產(chǎn)品如用水吸取氯化氫氣體制成鹽酸、用水吸取甲醛蒸氣制成40%甲醛溶液（福爾馬林）。（2）分離氣體混合物如在合成橡膠工業(yè)中用酒精吸取反應(yīng)氣以分離丁二烯和烴類氣體、石油化工中用油分離裂解原料氣等。（3）除去氣體中的有害物質(zhì)以凈制氣體如基本有機合成工業(yè)中用吸取操作除去原料氣中的氯化氫和二氧化碳等有害物質(zhì)、合成氨工業(yè)中用銅氨液除去原料氣中的一氧化碳等。（4）回收氣體混合物中有用的成分如用輕油回收焦?fàn)t氣中的苯、從煙道氣中回收二氧化硫或二氧化碳以制取其他產(chǎn)品等。這樣可以到達(dá)綜合運用的目的，減少三廢，保護環(huán)境。2、工業(yè)吸取過程工業(yè)吸取多為逆流流程，且多在填料塔內(nèi)進(jìn)行?；旌蠚怏w從塔底引入吸取塔，在壓差作用下向上流動；吸取劑從塔頂引入，在重力作用下向下流動。吸取劑吸取了吸取質(zhì)后形成的液體為吸取液或溶液從塔底引出，吸取后剩余的氣體為尾氣從塔頂引出。以合成氨氣脫二氧化碳為例：溶質(zhì)：混合氣體中，可以明顯溶解的組分稱為溶或吸取質(zhì)；惰性組分：不被溶解的組分稱為惰性組分（惰氣）或載體；吸取劑：吸取操作中所用的溶劑稱為吸取劑或溶劑；吸取液：吸取操作中所得到的溶液稱為吸取液或溶液，其成分為溶質(zhì)A和溶劑S；吸取尾氣：吸取操作中排出的氣體稱為吸取尾氣，其重要成分是惰性氣體B及殘存的溶質(zhì)A。由此可見，吸取操作來進(jìn)行氣體混合物的分離時必須處理如下幾方面的問題：（1）選擇合適的溶劑。（2）提供氣液接觸的場所（傳質(zhì)設(shè)備）。（3）溶劑的再生。故一種完整的吸取分離過程，一般包括吸取和解吸兩個構(gòu)成部分（直接將吸取液作為產(chǎn)品的例外），吸取只是把溶質(zhì)從混合氣體中分出來，在塔底得到的仍是由溶劑和溶質(zhì)構(gòu)成的混合液，還需進(jìn)行解吸才能得到純?nèi)苜|(zhì)并回收溶劑。二、吸取劑的選擇吸取過程是氣體中的溶質(zhì)溶解于吸取劑中，即通過兩相之間的接觸傳質(zhì)來實現(xiàn)的。吸取操作的成功與否很大程度取決于吸取劑性能的優(yōu)劣。評價吸取劑優(yōu)劣重要根據(jù)如下幾點。溶解度吸取劑應(yīng)對吸取質(zhì)有很大的溶解度，即在一定的溫度與濃度下，吸取質(zhì)的平衡分壓要低。這樣處理一定量混合氣體所需的溶劑量較少，氣體中吸取質(zhì)的極限殘存亦可減少。選擇性混合氣體中其他組分在吸取劑中的溶解度要小，即吸取劑具有較高的選擇性。揮發(fā)性在操作溫度下吸取劑的蒸氣壓要低，吸取劑揮發(fā)度越高，其損失量越大。粘度吸取劑在操作溫度下粘度越低，其在塔內(nèi)的流動性越好，有利于傳質(zhì)和傳熱。（5）再生性溶質(zhì)在吸取劑中的溶解度對操作條件（溫度、壓力）要敏感，即隨操作條件的變化溶解度要明顯的變化，這樣被吸取的氣體組分輕易解吸，吸取劑再生以便。（6）穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性好，以免在使用過程中發(fā)生變質(zhì)。（7）經(jīng)濟性價廉、易得、無毒、不易燃燒、冰點低。實際上，很難找到一種溶劑能滿足所有這些規(guī)定。因此，應(yīng)對可供選用的吸收劑作出技術(shù)與經(jīng)濟評價后，合理選用。三、吸取操作分類根據(jù)吸取過程的特點，吸取操作可分為（1）物理吸取與化學(xué)吸取 若溶質(zhì)與吸取劑之間沒有化學(xué)反應(yīng)，而只靠溶質(zhì)在吸取劑中的物理溶解度，則被稱為物理吸取。若溶質(zhì)靠化學(xué)反應(yīng)與吸取劑相結(jié)合，則被稱為化學(xué)吸取。 （2）單組分吸取與多組分吸取若混合氣中只有一種組分被吸取，則被稱為單組分吸取。若有兩個以上的組分被吸取，則稱為多組分吸取。 （3）非等溫吸取與等溫吸取氣體溶于液體中時常伴隨熱效應(yīng)（溶解熱或反應(yīng)熱），若熱效應(yīng)很小，或被吸取的組分在氣相中的濃度很低，而吸取劑用量很大，液相的溫度變化不明顯，則可認(rèn)為是等溫吸取。若吸取過程中其熱效應(yīng)很大，液相的溫度明顯變化，則該吸取過程為非等溫吸取過程。（4）低濃度吸取與高濃度吸取一般根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，規(guī)定當(dāng)混合氣中溶質(zhì)組分A的摩爾分?jǐn)?shù)不小于0.1，且被吸取的數(shù)量多時，稱為高濃度吸??；假如溶質(zhì)在氣液兩相中摩爾分?jǐn)?shù)均不不小于0.1時，吸取稱為低濃度吸取。四、吸取操作經(jīng)濟性吸取操作的費用重要為：（1）氣、液兩相流經(jīng)吸取設(shè)備的能量消耗（2）溶劑的揮發(fā)損失和變質(zhì)損失（3）溶劑的再生費用吸取的操作費用重要是吸取劑的再生，常用吸取劑再生措施有升溫、減壓、吹氣。升溫與吹氣同步使用最為常見。五、吸取與蒸餾操作的區(qū)別吸取與蒸餾同為傳質(zhì)過程，但（1）過程的根據(jù)不一樣蒸餾：混合物中各組分間揮發(fā)性的不一樣吸?。夯旌衔镏懈鹘M分在同一溶劑中溶解度的不一樣（2）產(chǎn)生第二相的原因不一樣蒸餾：通過變化狀態(tài)參數(shù)（加熱、冷卻）由內(nèi)部產(chǎn)生——可直接獲得較純的輕、重組分吸取：由外界引入——不能直接獲得較純的溶質(zhì)組分，需借助后繼分離過程（解吸）（3）傳質(zhì)方向不一樣精餾：雙向傳質(zhì)——板上溫度靠近兩相的飽和溫度，故既有輕組分由液相向汽相的轉(zhuǎn)移，有重組分由汽相向液相的轉(zhuǎn)移吸?。簡蜗騻髻|(zhì)——液相溫度遠(yuǎn)低于沸點，故只有溶質(zhì)從氣相向液相傳遞，而無明顯的溶劑汽化六、吸取設(shè)備類型生產(chǎn)中為了提高傳質(zhì)的效果，總是力爭讓兩相接觸充足，即盡量增大兩相的接觸面積與湍動程度。根據(jù)這個原則，吸取設(shè)備大體可提成兩大類，即板式塔和填料塔。有濕壁塔、降膜塔等，但多為填料塔。填料塔塔內(nèi)充以諸如瓷環(huán)之類的填料層。溶劑從塔頂進(jìn)入，沿著填料的表面廣為散布并逐漸向下流動。氣體則通過各個填料的間隙上升，與液體作持續(xù)地逆流接觸。氣相中的溶質(zhì)不停地被吸取，濃度從下而上持續(xù)減少，液體則相反，其濃度從上而下持續(xù)地增高。氣體吸取是物質(zhì)自氣相到液相的轉(zhuǎn)移，是一種傳質(zhì)過程?；旌蠚怏w中某一組分能否進(jìn)入溶劑里，是由氣體中該組分的分壓Ｐ和溶劑里該組分的平衡分壓Ｐ*來決定。假如Ｐ＞Ｐ*，這個組分便可自氣相轉(zhuǎn)移到液相，被吸取。由于轉(zhuǎn)移的成果，溶液里溶質(zhì)的濃度增高，其平衡分壓Ｐ*也伴隨增高，當(dāng)Ｐ＝Ｐ*時。傳質(zhì)過程就停止，這時氣液兩相到達(dá)相平衡。反之，若Ｐ*＞Ｐ時，則溶質(zhì)便要從溶液中釋放出來，即從液相轉(zhuǎn)移到氣相，這種過程稱為解吸。因此，要根據(jù)兩相的平衡關(guān)系來判斷傳質(zhì)過程的方向與極限。本章以簡介單組分、等溫、物理吸取為重點，以便掌握吸取操作的措施。非等溫、多組分、化學(xué)吸取在此不作簡介。第二節(jié)吸取平衡及吸取推進(jìn)力一、吸取平衡前已述及，吸取是一傳質(zhì)過程，其進(jìn)行的方向與極限必與相平衡有關(guān)，即與平衡關(guān)系——氣液相平衡時溶質(zhì)在兩相中的濃度關(guān)系有關(guān)。（一）吸取中常用的相構(gòu)成表達(dá)法1、比質(zhì)量分率混合物中兩組分的質(zhì)量之比，稱為比質(zhì)量分率，或表達(dá)。假如混合物中A組分的質(zhì)量是GA，單位kg，B組分的質(zhì)量是GB，單位kg，則A組分對B組分的比質(zhì)量分率=㎏A/kgB由于GA=GXWA，GB=GXWB代入上式，得=㎏A/kgB式中G——混合物的總質(zhì)量，kg；XWA——組分A的質(zhì)量分率；XWB——組分B的質(zhì)量分率。一般在吸取操作中，組分A是吸取質(zhì)，組分B是吸取劑（或惰性氣體）。2、比摩爾分率混合物中兩組分的摩爾數(shù)之比，稱為比摩爾分率，用符號X（或Y）表達(dá)。假如混合物中A組分的千摩爾數(shù)是，，B組分的千摩爾數(shù)是，，則A組分對B組分的比摩爾分率XA=由于=，=，代入上式，得XA式中n——混合物的總摩爾數(shù)，；——組分A的摩爾分率；——組分B的摩爾分率。假如混合物是雙組分氣體混合物，則，而比摩爾分率或式中和——組分A和B的摩爾分率；和——組分A和B的分壓，；P——混合氣的總壓，。3、比質(zhì)量分率和比摩爾分率的換算設(shè)混合物的總質(zhì)量是G，kg，組分A和B的質(zhì)量分率各是XWA和XWB，分子量各是MA和MB，千摩爾數(shù)各是和，。由于GA=GXWA和GB=GXWB而和因此，A對B的比摩爾分率A對B的比質(zhì)量分率例2-1設(shè)原料氣中含CO2為29%（體積），其他是N2，O2和CO（都可當(dāng)作是惰性氣體），經(jīng)吸取后氣體中含CO2不超過1%（體積）。試分別計算原料氣和出塔氣中CO2的比摩爾分率。解（1）原料氣的比摩爾分率由于=0.29，YA===（2）出塔氣的比摩爾分率由于yA=0.01，因此YA===例2-2設(shè)氨水的濃度是25%（質(zhì)量），求氨對水的比質(zhì)量分率和比摩爾分率。解已知：XWA=0.25，XWB=1－0.25=0.75，MA=17，MB=18，比質(zhì)量分率 比摩爾分率在吸取過程中，氣相與液相的總量均隨吸取進(jìn)行而變化，但?？烧J(rèn)為惰性氣體不溶于液相，因而在吸取塔的任一截面上惰性氣體和溶劑的摩爾流量均不發(fā)生變化，以惰性氣體和溶劑的量為基準(zhǔn)，采用上述相構(gòu)成表達(dá)法，分別表達(dá)溶質(zhì)在氣液兩相的濃度，則可簡化吸取計算。此時，在上式中：A——吸取質(zhì)B——惰性氣體或溶劑（二）平衡關(guān)系1、氣體在液體中的溶解度在一定的溫度與壓力下，使一定量的吸取劑與混合氣體接觸，溶質(zhì)便向液相轉(zhuǎn)移，直至液相中溶質(zhì)到達(dá)飽和，濃度不再增長為止。這種狀態(tài)稱為相平衡。平衡時，吸取質(zhì)在液相中的濃度稱為平衡濃度或飽和濃度。所謂氣體在液體中的溶解度，就是氣體在液相中的飽和濃度，亦稱平衡溶解度。它表達(dá)在一定的溫度和壓力下，氣液相達(dá)平衡時，一定量吸取劑所能溶解的吸取質(zhì)的最大數(shù)量。它是吸取過程的極限。 溶解度常用在一定溫度和氣體平衡分壓下，單位質(zhì)量溶劑中吸取質(zhì)的質(zhì)量表示，由試驗測定，可以從有關(guān)手冊中查到。下圖給出了某些氣體在水中溶解度。由圖可知，不一樣種類氣體在相似的溫度和分壓條件下同一溶劑中的溶解度是不一樣的。而溶解度的差異正是吸取分離氣體混合物的基本根據(jù)。此外，氣體的溶解度與溫度和壓力有關(guān)。一般氣體的溶解度隨溫度的升高而減小，隨壓力的升高而增大。但當(dāng)吸取系統(tǒng)的壓力不超過506.5kPa的狀況下，氣體的溶解度可看作與氣相的總壓力無關(guān)，而僅隨溫度的升高而減小。根據(jù)氣體溶解度的大小，可將氣體分為三類：易溶氣體，如氨氣；中等溶解度氣體，如二氧化硫；難溶氣體，如氧氣等。（均指在水中的溶解）由此可見，減少溫度，提高壓力對吸取有利。為此在吸取流程中，進(jìn)塔液體管路上常常設(shè)置冷卻器，以維持入塔吸取劑有較低的溫度。圖3-2氨在水中的溶解度圖3-2氨在水中的溶解度圖3-3二氧化硫在水中的溶解度圖3-3二氧化硫在水中的溶解度圖3-4氧在水中的溶解度圖3-4氧在水中的溶解度平衡分壓 平衡狀態(tài)下氣相中溶質(zhì)的分壓稱為平衡分壓。 氣體溶解度的大小，可以根據(jù)平衡分壓來判斷。如溫度為10℃時，NH3與SO2 溶液濃度200克NH3/1000克水200克SO2/1000克水 平衡分壓≈100mmHg≈980mmHg 上述數(shù)據(jù)表明，當(dāng)溫度及液相濃度相似時，氨的平衡分壓比二氧化硫的平衡分壓低，故氨比二氧化硫溶解度大。 即，不一樣氣體用同一吸取劑吸取，所得溶液濃度相似時，易溶氣體在溶液上方的平衡分壓小，難溶氣體在溶液上方的平衡分壓大；欲得到一定濃度的溶液，易溶氣體所需的分壓低，而難溶氣體所需的分壓高。2、亨利定律氣液相平衡關(guān)系符合亨利定律時，可用簡樸的數(shù)學(xué)式表明。亨利定律一般合用于稀溶液。即對于易溶氣體，只在溫度高、濃度低時合用，而對于難溶氣體，則總壓在5MPa如下，分壓在0.1MPa如下，方才合用。按照亨利定律，在一定溫度下氣液相達(dá)于平衡狀態(tài)時，可溶氣體在氣相中的平衡分壓與該氣體在液相中的摩爾分率成正比，即稀溶液中氣液相平衡關(guān)系是：= 式中——溶質(zhì)A在氣相中的平衡分壓，；——液相中溶質(zhì)的摩爾分率； ——比例系數(shù)，稱為亨利系數(shù)，。由上可知，在一定的氣相平衡分壓下，值小，液相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)大，即溶質(zhì)的溶解度大。故易溶氣體的E值小，難溶氣體的值大。亨利系數(shù)的值隨物系而變化。對一定的物系，溫度升高，值增大。表2-1列出了15種氣體水溶液的值。？由于氣相、液相構(gòu)成有不一樣的表達(dá)措施，亨利定律尚有下列不一樣體現(xiàn)式。（1）式中 ——液相中溶質(zhì)的摩爾濃度，kmol溶質(zhì)/m3溶液； ——溶解度系數(shù)，kmol溶質(zhì)/(kPa·m3溶液)。溶解度系數(shù)可視為在一定溫度下溶質(zhì)氣體分壓為1kPa時液相的平衡濃度。故值越大，則液相的平衡濃度就越大，即溶解度大。且值隨溫度升高而減小。（2） 式中，——溶質(zhì)在氣相中的平衡摩爾分率；——相平衡常數(shù)，無因次；由式可知，在一定的氣相平衡摩爾分率下，值小，液相中溶質(zhì)的摩爾分率大，即溶質(zhì)的溶解度大。故易溶氣體的值小，難溶氣體的值大。且值隨溫度升高而增大。（3）吸取中：即 ，式中——與相平衡時氣相中溶質(zhì)的比摩爾分率。當(dāng)液相構(gòu)成很小時，上式右端分母趨近于1，則得氣液平衡關(guān)系體現(xiàn)式為 將上述關(guān)系標(biāo)繪在坐標(biāo)系中，即為表明吸取中氣液平衡關(guān)系的圖線——吸取平衡線，它也許是通過原點的一條曲線或直線。亨利定律各系數(shù)間的關(guān)系、及m三者的關(guān)系 式中m——氣液相平衡常數(shù)； E——亨利系數(shù)， P——總壓，； H——溶解度系數(shù)，；——溶劑的密度，； ——溶劑的摩爾質(zhì)量，。例2-3總壓為101.32、溫度為20，1000水中溶解15，此時溶液上方氣相中NH3的平衡分壓為1.2。試求此時的亨利系數(shù)E、溶解度系數(shù)H、相平衡常數(shù)。解NH3的摩爾質(zhì)量為17，溶液的量為15與1000水之和。故液相構(gòu)成亨利系數(shù) 溶劑水的密度=1000，摩爾質(zhì)量=18，溶解度系數(shù) 相平衡常數(shù) 例2-4在操作溫度為30℃，總壓為101.3kPa的條件下，含SO2的混合氣與水接觸，試求與ySO2=0.1的混合氣呈平衡的液相中SO2的平衡濃度CSO2為多少（）。該濃度范圍氣液平衡關(guān)系符合亨利定律。解根據(jù)亨利定律 式中SO2為氣相中SO2的實際分壓。由道爾頓分壓定律 查表知30℃下SO2的亨利系數(shù)H=4.85×103，換算為溶解度系數(shù) 因此 （三）相平衡與吸取過程的關(guān)系1、選擇吸取劑和確定合適的操作條件性能優(yōu)良的吸取劑和合適的操作條件綜合體目前相平衡常數(shù)m值上。溶劑對溶質(zhì)的溶解度大，加壓和降溫均可使m值減少，有助于吸取操作。2、判斷過程進(jìn)行方向根據(jù)氣、液兩相的實際構(gòu)成與對應(yīng)條件下平衡構(gòu)成的比較，可判斷過程進(jìn)行的方向。若氣相的實際構(gòu)成Y不小于與液相呈平衡關(guān)系的構(gòu)成Y*（＝mX），則為吸取過程；反之，若Y*>Y，則為脫吸過程：Y=Y*，系統(tǒng)處在相際平衡狀態(tài)。3、確定過程進(jìn)行的極限平衡狀態(tài)即到過程進(jìn)行的極限。對于逆流操作的吸取塔，無論吸取塔有多高，吸取運用量有多大，吸取尾氣中溶質(zhì)構(gòu)成Y2的最低極限是與入塔吸取劑構(gòu)成呈平衡，即mX2；吸取液的最大構(gòu)成X1不也許高與入塔氣相構(gòu)成Y1呈平衡的液相構(gòu)成，即不高于Y1/m?？傊?，相平衡限定了被凈化氣體離開吸取塔的最低構(gòu)成和吸取液離開塔時的最高構(gòu)成。4、計算過程推進(jìn)力氣相或液相的實際構(gòu)成與對應(yīng)條件下的平衡構(gòu)成的差值表達(dá)傳質(zhì)的推進(jìn)力。對于吸取過程，傳質(zhì)的推進(jìn)力為或。第三節(jié)吸取傳質(zhì)機理一、吸取傳質(zhì)機理及過程用液體吸取氣體中某一組分，是該組分從氣相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)過程。它包括如下三個環(huán)節(jié)：（1）溶質(zhì)由氣相主體向相界面?zhèn)鬟f，即在單一相（氣相）內(nèi)傳遞物質(zhì)；（2）溶質(zhì)在氣液相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即在相界面上發(fā)生溶解過程；（3）溶質(zhì)自氣液相界面向液相主體傳遞，即在單一相（液相）內(nèi)傳遞物質(zhì)。二、物質(zhì)的傳遞方式物質(zhì)在單一相內(nèi)的傳遞靠的是擴散作用；而不管溶質(zhì)在氣相或液相，它在單一相里的傳遞有兩種基本方式，一是分子擴散，二是渦流擴散。1、分子擴散：當(dāng)流體內(nèi)部某一組分存在濃度差時，因微觀的分子熱運動使組分從濃度高處傳遞到較低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴散。分子擴散現(xiàn)象只存在于靜止流體或?qū)恿髁黧w中。影響分子擴散速率的原因有物性、濃度差、溫度、總壓。2、渦流擴散：當(dāng)流體流動或攪拌時，由于流體質(zhì)點的湍動和旋渦在傳質(zhì)方向上的產(chǎn)生宏觀位移，使組分從濃度高處向低處移動，這種現(xiàn)象稱為渦流擴散。渦流擴散重要出目前湍流流體中，其速率遠(yuǎn)比單純的分子擴散要大得多，但狀況要復(fù)雜得多，尚難對其計算確定。3、對流傳質(zhì)：即湍流主體的渦流擴散與相界面處的分子擴散兩種傳質(zhì)作用結(jié)合的總稱。與對流傳熱類似，對流傳質(zhì)一般指流體與某一界面（例如氣體吸取過程中的氣液兩相界面）之間的傳質(zhì)。對流傳質(zhì)濃度分布圖有效膜：對流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力所有集中在一層虛擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴散。其中：有效膜厚度zG為：如圖所示，層流內(nèi)層分壓梯度線延長線與氣相主體分壓線pA相交于一點G，G到相界面的垂直距離。對流傳質(zhì)濃度分布圖有效膜的意義：有效膜厚zG是個虛擬的厚度，但它與層流內(nèi)層厚度存在一對應(yīng)關(guān)系。流體湍流程度愈劇烈，層流內(nèi)層厚度愈薄，對應(yīng)的有效膜厚zG也愈薄，對流傳質(zhì)阻力愈小。三、、對流傳質(zhì)理論——雙膜理論基本論點：（1）氣、液兩相間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)分別有存在有穩(wěn)定的液膜和氣膜；溶質(zhì)以分子擴散的方式通過此兩膜。（2）在相界面處，氣、液兩相到達(dá)平衡(界面無阻力)。（3）在膜層以外的氣、液兩相中心區(qū)，由于流體充足湍動，溶質(zhì)的濃度是均勻的，所有濃度變化集中在兩個有效膜層內(nèi)。討論：（1）雙膜理論使整個相際傳質(zhì)過程得到簡化——通過以上假設(shè)，就把整個吸取過程簡化為經(jīng)由氣、液兩膜的分子擴散過程。（2）雙膜理論有它的局限性。若要想提高吸取速率，就應(yīng)增長流體的湍動程度，而增長流體的湍動程度就會使界面變得不穩(wěn)定，表面不停更新，則雙膜理論也就不成立（3）在雙膜理論之后又提出了某些新的理論：如溶質(zhì)滲透理論，表面更新理論，界面動力理論等。但這些理論尚未應(yīng)用于生產(chǎn)實際。第四節(jié)傳質(zhì)速率方程平衡關(guān)系只處理了過程能否進(jìn)行及其進(jìn)行的方向及程度，而過程進(jìn)行的快慢程度由過程的速率來反應(yīng)。吸取速率即指單位氣液接觸表面積上單位時間內(nèi)吸取的溶質(zhì)量。一般以來表達(dá)，單位為對任何一種過程，其速率都可用下面這樣一種關(guān)系式來歸納表達(dá)，即 過程速率=對于吸取這一傳質(zhì)過程的速率關(guān)系，其推進(jìn)力是指濃度差，而吸取阻力的倒數(shù)稱為吸取系數(shù)。因此，吸取速率關(guān)系又可寫成：吸取速率=吸取系數(shù)×推進(jìn)力 由于混合物的構(gòu)成可以采用不一樣的單位，因此傳質(zhì)推進(jìn)力有不一樣的表達(dá)措施，吸取速率也就有不一樣的表達(dá)形式。表明吸取速率與推進(jìn)力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式即為吸取速率方程。一、對流傳質(zhì)速率方程由雙膜理論得：或由穩(wěn)定傳質(zhì)過程得：NA氣＝NA液①氣膜吸取速率方程式或或②液膜吸取速率方程式或或③討論吸取系數(shù)及單位通式：④界面濃度聯(lián)立解方程組Yi=mXI吸取系數(shù)在定態(tài)操作的吸取塔內(nèi)，任一氣、液接觸的地方，吸取質(zhì)通過氣膜、液膜的傳質(zhì)速率應(yīng)相等，即則合并經(jīng)整頓后，比較前式得則即總阻力=氣膜阻力+液膜阻力對于易溶氣體，H很大，，故這表明液膜阻力很小，傳質(zhì)阻力幾乎所有集中于氣膜中，這種狀況稱為氣膜控制。由于對易溶氣體來說，溶解度較大，這時氣體在交界面處溶解并穿過液膜的速度較快，吸取速率重要由溶質(zhì)穿過氣膜快慢所決定，換句話說，氣膜阻力與液膜阻力相比較，吸取阻力重要集中在氣膜。因而此種狀況屬于氣膜控制。如氯化氫溶解于水或稀鹽酸中，氨溶解于水或稀氨水中是屬于氣膜控制的狀況。顯然，當(dāng)氣膜控制時，要提高吸取系數(shù)（即減小阻力），應(yīng)加大氣體流速。同理，若系統(tǒng)服從亨利定律，則 則 合并經(jīng)整頓后，比較前式得 則 對于難溶氣體，H很小， ，故 這闡明傳質(zhì)阻力重要為液相一側(cè)的阻力所控制，故稱為液膜控制。由于對難溶氣體來說，溶解度很小，這時溶質(zhì)穿過氣膜速度要比氣體溶解快得多，故液膜阻力成為過程的重要矛盾，因而這種狀況屬于液膜控制。如用水吸取氧或氫是經(jīng)典的液膜控制。在這種狀況下，要提高吸取系數(shù)，應(yīng)增大液體流速。根據(jù)亨利定律的其他表達(dá)形式，同樣也可以導(dǎo)出： 同樣，對于易溶氣體 對于難溶氣體 對于中等溶解度的氣體，在吸取總阻力中氣膜阻力和液膜阻力均不可忽視，一般將這種狀況稱為雙膜控制；若要提高吸取系數(shù)，必須同步增大氣體和液體流速。由上討論可知，假如可以判斷吸取過程是受哪一側(cè)阻力所控制，則可以給強化吸取過程及選擇合適操作條件帶來很大的以便。實際生產(chǎn)中大多數(shù)吸取過程既有氣膜控制又有液膜控制。例：已知某低濃度氣體溶質(zhì)被吸取時，平衡關(guān)系服從亨利定律，氣膜吸取系數(shù)，液膜吸取系數(shù)，溶解度系數(shù)。試求氣相吸取總系數(shù)，并分析該吸取過程的控制原因。：解：因系統(tǒng)符合亨利系數(shù)，故可按計算總系數(shù)由計算過程可知：氣膜阻力，而

液膜阻力，液膜阻力遠(yuǎn)不不小于氣膜阻力，該吸取過程為氣膜控制。例：用清水吸取含低濃度溶質(zhì)A的混合氣體，平衡關(guān)系服從亨利定律?，F(xiàn)已測得吸取塔某橫截面上氣相主體溶質(zhì)A的分壓為5.1kPa,液相溶質(zhì)A的物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)為0.01，相平衡常數(shù)m為0.84，氣膜吸取系數(shù)kY＝2.776×10－5kmol/（m2·s），液膜吸取系數(shù)kX＝3.86×10－3kmol/（m2·s）。塔的操作總壓為101.33kPa。試求：（1）氣相總吸取系數(shù)KY，并分析該吸取過程的控制原因；（2）該塔橫截面上的吸取速率NA解：（1）氣相總吸取系數(shù)KY將有關(guān)數(shù)據(jù)代入前式，便可求得氣相總吸取系數(shù)，即：＝1／2.776×10－5＋0.84／3.86×10－3＝3.624×104（m2·s）／kmolKY＝1／3.624×104＝2.759×10－5kmol/（m2·s）由計算數(shù)據(jù)可知，氣膜阻力1/kY＝3.602×104（m2·s）／kmol，而液膜阻力m/kX＝2.176×102（m2·s）／kmol，液膜阻力約占總阻力的0.6％，故該吸取過程為氣膜阻力控制。（2）吸取速率用前式計算該塔截面上的吸取速率，式中有關(guān)參數(shù)為：Y＝X＝Y(jié)*＝mX＝0.84×0.0101＝0.00848NA＝KY(Y－Y*)＝2.759×10－5（0.53－0.00848）＝1.228×10－6kmol/（m2·s）第五節(jié)吸取計算吸取過程既可以采用板式塔又可采用填料塔。這里，將對持續(xù)接觸的填料吸取塔進(jìn)行分析。在填料塔內(nèi)氣液兩相既可作逆流也可作并流流動。在兩相進(jìn)出口濃度相似的狀況下，逆流的平衡推進(jìn)力不小于并流。同步，逆流時下降至塔低的液體與進(jìn)塔的氣體相接觸，有助于提高出塔的液體濃度，且減小吸取劑的用量；上升至塔頂?shù)臍怏w與進(jìn)塔的新鮮吸取劑接觸，有助于減少出塔氣體的濃度，可提高溶質(zhì)的吸取率。故一般吸取操作多采用逆流。吸取塔計算的內(nèi)容重要是通過物料衡算及操作線方程，確定吸取劑的用量和塔設(shè)備的重要尺寸（塔徑和塔高）。一、物料衡算與操作線方程（一）物料衡算假設(shè)單位時間內(nèi)通過吸取塔惰性氣體量和吸取劑量分別以V和L（）表達(dá)，而以,,分別為塔底、塔頂、塔內(nèi)任一截面氣相中吸取質(zhì)的比摩爾分率；,,分別為塔底、塔頂、塔內(nèi)任一截面液相中吸取質(zhì)的比摩爾分率。在逆流吸取塔中，顯然進(jìn)入吸取塔的溶質(zhì)量為出吸取塔的溶質(zhì)量為在無物料損失的狀況下，進(jìn)出吸取塔的溶質(zhì)量應(yīng)相等，因而可列出物料衡算式為：=或此外，在生產(chǎn)中為確定吸取任務(wù)或評價吸取效果的好壞，常引入吸取率的概念,即氣相中被吸取的吸取質(zhì)與氣相中原有的吸取質(zhì)的量之比，以η表達(dá)，即由原料氣的和規(guī)定的吸取率η，即可求出氣體出塔時的構(gòu)成，即（二）吸取塔操作線方程若對圖示的虛線框即塔底到塔中任一截面a-a’作物料衡算，則單位時間內(nèi)進(jìn)、出該系統(tǒng)吸取質(zhì)的量應(yīng)為：吸取過程操作線=吸取過程操作線則上式稱為吸取操作線方程。在定態(tài)吸取條件下，L，V，,均為定值，故該操作線為一直線。其斜率為（液氣比），截距為（），并通過D（，）及E（，）兩點。操作線與平衡線表達(dá)在同一圖上，可以從操作與平衡二個角度對吸取進(jìn)行分析。操作線上任一點表達(dá)吸取塔內(nèi)對應(yīng)截面上液、氣濃度。如E點表達(dá)塔底的液、氣濃度；D點表達(dá)塔頂?shù)囊骸鉂舛?。操作線與平衡線之間的距離，表達(dá)推進(jìn)力。如B點至平衡線的垂直距離C，即（），它代表塔底氣相推進(jìn)力，而B點至平衡線的水平距離BG，即（），它代表塔底液相推進(jìn)力。同樣，D點至平衡線的垂直距為塔頂氣相推進(jìn)力，D點至平衡線的水平距離為塔頂?shù)囊合嗤七M(jìn)力。由此可見，操作線離平衡線愈遠(yuǎn)，吸取推進(jìn)力愈大。為加大推進(jìn)力可從二方面著手：一是減少平衡線斜率，如減少操作溫度；另一是增大操作線斜率，如增大液氣比等。若氣液兩相為并流，吸取塔的操作線方程及操作線，可用同樣措施確定。且應(yīng)指出，無論逆流或并流操作的吸取塔，其操作線方程及操作線都是由物料衡算得來的，與系統(tǒng)的平衡關(guān)系、操作溫度和壓力、以及塔的構(gòu)造形式均無關(guān)。進(jìn)行吸取操作時，在塔內(nèi)任一橫截面上，溶質(zhì)在氣相中的實際濃度總是高于平衡濃度，因此吸取操作線總是位于平衡線的上方。反之，假如操作線位于平衡線下方，則應(yīng)進(jìn)行吸取的逆過程解吸過程。二、吸取劑用量確實定一般，吸取操作中需要處理的氣體量V，進(jìn)、出吸取塔的氣體構(gòu)成、（或吸取率）以及吸取劑進(jìn)塔構(gòu)成，均為過程自身和生產(chǎn)分離規(guī)定所規(guī)定，而吸取劑的用量則需要確定。將全塔物料衡算式寫為是操作線的斜率，亦稱液氣比。它是重要的操作參數(shù)，其值不僅決定塔設(shè)備的尺寸大小，并且還關(guān)系著操作費用的高下。假如在Y-X直角坐標(biāo)圖上繪制操作線，如圖所示。由于、已確定，故操作線的一端（塔頂）T點就已確定，而另一端（塔底）B點則伴隨斜率的變化，而在的水平線上移動。由于V值已定，故伴隨吸取劑用量L的減少，操作線斜率變小，則B點向右移動，操作線便向平衡線靠近，直至操作線與平衡線相交[圖（a）]或相切[圖（b）]。此時塔底排出液濃度X1逐漸變大，而推進(jìn)力Y對應(yīng)變小。若吸取劑用量恰好減少到使表達(dá)塔底橫截面的操作點移至平衡線ON上的B’點[圖(a)]時，對應(yīng)的操作線為，則，即塔底截面上氣液兩相到達(dá)平衡，這也是理論上吸取液所能在到達(dá)的最高濃度，但，是一種極限狀況。欲在此條件下完畢給定的分離任務(wù)就需要“無窮大”的傳質(zhì)面積，亦即塔要無限高，生產(chǎn)中無實際意義。此時操作線（TB’）的斜率稱為最小液氣比，對應(yīng)的吸取劑用量為至少吸取劑用量。反之，若增大吸取劑用量，使L值達(dá)“無窮大”，即，操作線如圖中線所示?？梢姵鏊∫簼舛葹樽钚?，。故增長吸取劑用量，可增長吸取推進(jìn)力，從而提高吸取速率。但吸取劑用量并非越大越好。當(dāng)吸取劑用量增大，吸取塔出塔溶液濃度變稀,這對吸取液的使用以及吸取劑回收都十分不利，并且吸取劑用量大，輸送吸取劑的動力消耗也大，從而導(dǎo)致操作費用增長。由此可見吸取劑用量不適宜過大。因此，吸取劑用量的大小，應(yīng)當(dāng)選擇合適的液氣比，使操作費和設(shè)備費（吸取劑用量和塔高）之和為最小。在實際操作中，為保證合理的吸取塔的生產(chǎn)能力,一般取或最小液氣比可以通過下式計算，但此時式中的采用圖解法求出。若平衡線如圖（a）所示的下凹曲線時，先求得水平線與ON線的交點，即可在橫坐標(biāo)上讀得，也即；當(dāng)平衡線如圖（b）所示的上凸曲線時，則過T點作ON的切線，對應(yīng)的。則若相平衡關(guān)系符合亨利定律，可改寫成為以上只是從吸取過程自身考慮來確定吸取劑的用量的，不過，有時確定的L值不一定能保證填料表面都能被液體充足潤濕，因此，還應(yīng)當(dāng)考慮噴淋密度（即每小時每平方米塔截面上噴淋的液體量），若低于最低容許值（5～12），即需增長L值，或?qū)⒉糠治∫涸傺h(huán)。例：填料吸取塔從空氣-丙酮的混合氣中回收丙酮，用水作吸取劑。已知混合氣入塔時丙酮蒸氣體積分率為6%，所處理的混合氣中的空氣量為1400，操作在293K和101.3kPa下進(jìn)行，規(guī)定丙酮的回收率達(dá)98%。若吸取劑用量為154，試問吸取塔溶液出口構(gòu)成為若干？解按題意，先將構(gòu)成換算成比摩爾分率塔底=6/(100-6)=0.0638塔頂(1-98%)=0.06380.02=0.00128入塔空氣流量為：V=1400/22.4273/293=58.2溶液出口構(gòu)成可由全塔物料衡算求出：將已知數(shù)據(jù)代入上式得：故出口溶液中溶質(zhì)組分的比摩爾構(gòu)成為0.0236。四、塔徑的計算式中：DT------塔徑，mVs---在操作條件下混合氣體的體積流量，m3/su----混合氣體的空塔速度，m/s塔徑的大小重要取決于空塔氣速，選擇較小的空塔氣速，則氣體通過塔時的阻力小，動力消耗小，但塔徑增大，設(shè)備投資大而生產(chǎn)能力低，且低氣速不利于氣液充足接觸，傳質(zhì)效率低。若選擇較高的空塔氣速，則通過填料層的壓降大，動力消耗大，且操作不平穩(wěn)，難以控制，但塔徑小，設(shè)備投資小。故塔徑確實定應(yīng)作多方案比較以求經(jīng)濟上優(yōu)化。一般u=(0.5—0.85)u泛。五、吸取塔高的計算1、填料層高度的基本計算式填料層高度計算圖在填料塔內(nèi)任一截面上的氣液兩相構(gòu)成和吸取的推進(jìn)力均沿塔高持續(xù)變化，因此不一樣截面上的傳質(zhì)速率各不相似。填料層高度計算圖在圖示的填料層內(nèi)，厚度為dZ微元的傳質(zhì)面積dA=adZ，其中a為單位體積填料所具有的相際傳質(zhì)面積，m2/m3；為填料塔的塔截面積，m2。定態(tài)吸取時，由物料衡算可知，氣相中溶質(zhì)減少的量等于液相中溶質(zhì)增長的量，即單位時間由氣相轉(zhuǎn)移到液相溶質(zhì)A的量可用下式體現(xiàn)：根據(jù)吸取速率定義，dZ填料段內(nèi)吸取溶質(zhì)的量為：式中GA——單位時間吸取溶質(zhì)的量，kmol/s；NA——為微元填料層內(nèi)溶質(zhì)的傳質(zhì)速率，kmol/m2·s；將吸取速率方程代入上式得將兩式聯(lián)立得：當(dāng)吸取塔定態(tài)操作時，V、L、、a皆不隨時間而變化，也不隨截面位置變化。對于低濃度吸取，在全塔范圍內(nèi)氣液相的物性變化都較小，一般可視為常數(shù)，將上式積分得此為填料層高度計算基本式。由于式中的a值與填料的類型、形狀、尺寸、填充狀況有關(guān)，還隨流體物性、流動狀況而變化。其數(shù)值不易直接測定，一般將它與傳質(zhì)系數(shù)的乘積作為一種物理量，稱為體積傳質(zhì)系數(shù)。則為氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)，單位為kmol/（m3·s）。低濃度吸取時在全塔范圍內(nèi)可取平均值。2、傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度分析填料層高度計算基本式中的單位為m，故將稱為氣相總傳質(zhì)單元高度，以HOG表達(dá)，即而積分項是一無因次的數(shù)值，以NOG表達(dá)，稱為氣相總傳質(zhì)單元數(shù)。即因此，填料層高度即為同理有HOG的物理意義令：，則Z=HOG而，即Y1-Y2=(Y-Y*)m意為：若在某一填料層中，進(jìn)入與離開的氣相濃度變化（Y1-Y2）恰好等于該層填料的平均推進(jìn)力(Y-Y*)m，則此填料層高度就為一種傳質(zhì)單元高度。HOG為完畢一種傳質(zhì)單元分離效果所需的填料層高度，反應(yīng)的是設(shè)備傳質(zhì)性能的好壞。HOG越小，傳質(zhì)性能越好。傳質(zhì)單元高度的物理意義為完畢一種傳質(zhì)單元分離效果所需的填料層高度。而NOG反應(yīng)的是傳質(zhì)的難易程度。NOG越小，則過程推進(jìn)力大、分離規(guī)定低，分離就越輕易。計算填料層高度的關(guān)鍵是怎樣求算傳質(zhì)單元數(shù)。3、傳質(zhì)單元數(shù)求法根據(jù)物系平衡關(guān)系的不一樣，傳質(zhì)單元數(shù)的求解有如下幾種措施：（1）對數(shù)平均推進(jìn)力法當(dāng)氣液平衡線為直線時，（5式中——與X1相平衡的氣相構(gòu)成；——與X2相平衡的氣相構(gòu)成?！斉c塔底兩截面上吸取推進(jìn)力的對數(shù)平均值，稱為對數(shù)平均推進(jìn)力。同理液相總傳質(zhì)單元數(shù)的計算式=式中———與Y1相平衡的液相構(gòu)成；——與Y2相平衡的液相構(gòu)成。注意：當(dāng)、時，對數(shù)平均推進(jìn)力可用算術(shù)平均推進(jìn)力替代，產(chǎn)生的誤差不不小于4%，這是工程容許的。例：在常壓填料吸取塔中，用清水吸取廢氣中氨氣，廢氣流量為2500m3/h（原則狀態(tài)下），其中氨氣濃度為0.02（摩爾分率），規(guī)定回收率不低于98%，若水用量為3.6m3/h，操作條件下平衡關(guān)系為Y*=1.2X（式中X,Y為摩爾比），氣相總傳質(zhì)單元高度為解：kmol/h（2）解析法若氣液平衡關(guān)系在吸取過程所波及的構(gòu)成范圍內(nèi)服從亨利定律，即平衡線為通過原點的直線，根據(jù)傳質(zhì)單元數(shù)的定義式可導(dǎo)出其解析式。式中為解吸因數(shù)（脫吸因數(shù)）。由上式可以看出，的數(shù)值與解吸因數(shù)S、有關(guān)。為以便計算，以S為參數(shù)，為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，在半對數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)繪上式的函數(shù)關(guān)系，得到圖所示的曲線。當(dāng)操作條件、物系一定期，S減少，一般是靠增大吸取劑流量實現(xiàn)的，而吸取劑流量增大會使吸取操作費用及再生負(fù)荷加大，因此一般狀況，S取0.7～0.8m經(jīng)濟合適的。第六節(jié)填料塔填料塔構(gòu)造簡樸，壓減少，易用耐腐蝕材料制造，是一種重要的氣液傳質(zhì)設(shè)備。近年來，伴隨性能優(yōu)良的新型填料不停涌現(xiàn)，大型填料塔目前在工業(yè)上已非罕見。一、填料塔的構(gòu)造1．填料塔的構(gòu)造填料塔的塔體為一圓形筒體，筒內(nèi)分層裝有一定高度的填料。自塔上部進(jìn)入的液體通過度布器均勻噴灑于塔截面上。在填料層內(nèi)液體沿填料表面呈膜狀流下。各層填料之間設(shè)有液體再分布器，將液體重新均勻分布，以防止發(fā)生“壁流現(xiàn)象”。氣體自塔下部進(jìn)入，通過填料縫隙中自由空間，從塔上部排除。離開填料層的氣體也許挾帶少許霧狀液滴，因此有時需要在塔頂安裝除沫器。氣液兩相在填料塔內(nèi)進(jìn)行逆流接觸傳質(zhì)。填料塔生產(chǎn)狀況的好壞與與否對的選用填料有很大關(guān)系。（壁流現(xiàn)象：液體沿填料層向下流動時，有偏向塔壁流動的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為壁流。）2．塔內(nèi)件填料塔的內(nèi)件有填料、填料支承裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體搜集再分布裝置等。（1）填料填料按其形狀可以分為環(huán)形、鞍形、波紋形。環(huán)形填料重要有：拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)。鞍形環(huán)重要有：矩鞍形、弧鞍形。波紋形重要有：板形波紋、網(wǎng)狀波紋。拉西環(huán)是最古老最經(jīng)典的一種填料，形狀簡樸。常用的拉西環(huán)為外徑與高相等的圓筒。拉西環(huán)的流體力學(xué)及傳質(zhì)規(guī)律研究完善。目前雖有應(yīng)用，但阻力大，傳質(zhì)效率差，已逐漸被新型填料所替代。鮑爾環(huán)的形狀是在一般拉西環(huán)的壁上開一層（Φ25mm如下的環(huán)）或兩層（Φ50mm以上的環(huán)）長方形小窗，制造時窗孔的母材并不從環(huán)上剪下，而是向中心彎入，在中心處相搭，上