化工基礎(chǔ)-第五章-5.1-5.2

第五章傳質(zhì)過程及塔設(shè)備物質(zhì)以擴散方式從一處轉(zhuǎn)移到另一處的過程，稱為質(zhì)量傳遞過程，簡稱傳質(zhì)。在一相中發(fā)生的物質(zhì)傳遞是單相傳質(zhì)，通過相界面的物質(zhì)傳遞為相間傳質(zhì)。傳質(zhì)過程廣泛運用于混合物的分離操作；它常與化學(xué)反應(yīng)共存，影響著化學(xué)反應(yīng)過程，甚至成為化學(xué)反應(yīng)的控制因素。掌握傳質(zhì)過程的規(guī)律，了解傳質(zhì)分離的工業(yè)實施方法，具有十分重要的意義。5.1傳質(zhì)過程及塔設(shè)備簡介

1.傳質(zhì)過程的類型

氣體吸收利用氣體中各組分在液體溶劑中的溶解度不同，使易溶于溶劑的物質(zhì)由氣相傳遞到液相。兩相間的傳質(zhì)過程，分為流體相間和流固相間的傳質(zhì)兩類。（1）流體相間的傳質(zhì)過程①氣相一液相包括氣體的吸收、液體的蒸餾、氣體的增濕等單元操作。

液體蒸餾是依據(jù)液體中各組分的揮發(fā)性不同，使其中沸點低的組分氣化，達到分離的目的。增濕是將干燥的空氣與液相接觸，水分蒸發(fā)進入氣相。①氣相一固相

含有水分或其它溶劑的固體，與比較干燥的熱氣體相接觸，被加熱的濕分氣化而離開固體進入氣相，從而將濕分除去，這就是固體的干燥。②液相一液相在均相液體混合物中加入具有選擇性的溶劑，系統(tǒng)形成兩個液相。（2）流一固相間的傳質(zhì)過程氣體吸附的相間傳遞方向恰與固體干燥相反，它是氣相某個或某些組分從氣相向固相的傳遞過程。含某物質(zhì)的過飽和溶液與同一物質(zhì)的固相相接觸時，其分子以擴散方式通過溶液到達固相表面，并析出使固體長大，這是結(jié)晶。②液相一固相固體浸取是應(yīng)用液體溶劑將固體原料中的可溶組分提取出來的操作。液體吸附是固液兩相相接觸，使液相中某個或某些組分擴散到固相表面并被吸附的操作。離子交換是溶液中陽離子或陰離子與稱為離子交換劑的固相上相同離子的交換過程。2．傳質(zhì)過程的共性

單相物系內(nèi)的物質(zhì)傳遞是依靠物質(zhì)的擴散作用來實現(xiàn)的，常見的擴散方式有分子擴散和渦流擴散兩種。前者物質(zhì)靠分子運動從高濃度處轉(zhuǎn)移到低濃度處，物質(zhì)在靜止或滯流流體中的擴散；后者是因流體的湍動和旋渦產(chǎn)生質(zhì)點位移，使物質(zhì)由高濃度處轉(zhuǎn)移到低濃度處的過程。（1）傳質(zhì)的方式與歷程某組分在兩相間傳質(zhì)，步驟是：從一相主體擴散到兩相界面的該相一側(cè)，然后通過相界面進入另一相，最后從此相的界面向主體擴散。渦流擴散、分子擴散，兩者統(tǒng)稱對流擴散。②條件的改變可破壞原有的平衡。其平衡體系的獨立變量數(shù)由相律決定：f=k–φ+2f為獨立變量數(shù),k為組分數(shù),φ為相數(shù)，“2”是指外界的溫度和壓力兩個條件。（2）傳質(zhì)過程的方向與極限相間傳質(zhì)和相際平衡的共有規(guī)律稀溶液，氣液兩相的平衡關(guān)系遵循亨利(Henry)定律；理想溶液的氣液相間符合拉烏爾(Raoult)定律。①一定條件下，處于非平衡態(tài)的兩相體系內(nèi)組分會自發(fā)地進行傳質(zhì)，使體系組成趨于平衡態(tài)的傳遞。③在一定條件下(如溫度、壓力)，兩相體系必然有一個平衡關(guān)系。

①若物質(zhì)在一相中(A相)實際濃度大于其在另一相(B相)實際濃度所要求的平衡濃度，則物質(zhì)將由A相向B相傳遞；PA＞PA*

相間傳質(zhì)過程的方向和極限的判斷：

③若物質(zhì)在A相實際濃度等于B相實際濃度所要求的平衡濃度，則無傳質(zhì)過程發(fā)生體系處于平衡狀態(tài)。

PA＝PA*

②物質(zhì)在A相實際濃度小于其在B相實際濃度所要求的平衡濃度，則傳質(zhì)過程向相反方向進行，即從B相向A相傳遞；

PA＜PA*相平衡關(guān)系指明傳質(zhì)過程的方向，平衡是傳質(zhì)過程的極限，而組分濃度偏離平衡狀態(tài)的程度便是傳質(zhì)過程的推動力。傳質(zhì)速率與傳質(zhì)推動力的大小有關(guān)，可以寫為：即傳質(zhì)速率=傳質(zhì)系數(shù)×傳質(zhì)推動力

（3）傳質(zhì)過程推動力與速率物質(zhì)傳遞的快慢以傳質(zhì)速率表示，定義為：單位時間內(nèi)，單位相接觸面上被傳遞組分的物質(zhì)的量相間傳質(zhì)的每一步有各自的速率方程，稱為分速率方程；整個過程速率方程為總速率方程，相應(yīng)的有傳質(zhì)分系數(shù)和總系數(shù)之分。3.塔設(shè)備簡介

傳質(zhì)過程有共同的規(guī)律，也有通用的傳質(zhì)設(shè)備。氣體吸收和液體精餾兩種氣液傳質(zhì)過程通常在塔設(shè)備內(nèi)進行。提供氣、液兩相充分接觸的機會。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式，分為填料塔與板式塔兩大類。（1）填料塔

①填料塔結(jié)構(gòu)如圖所示,圓筒形,內(nèi)裝填料液體由上往下流動時，由于塔壁處阻力較小而向塔壁偏流，使填料不能全部潤濕，導(dǎo)致氣液接觸不良，影響傳質(zhì)效果，稱之為塔壁效應(yīng)?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院3.1填料塔的結(jié)構(gòu)a、填料長期的研究，開發(fā)出許多性能優(yōu)良的填料，如圖是幾種填料的形狀?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院填料分類散堆填料環(huán)形鞍形球形拉西環(huán)鮑爾環(huán)階梯環(huán)弧鞍（貝鞍）矩鞍（英特洛克斯）金屬環(huán)矩鞍規(guī)整填料波紋型隔柵型絲網(wǎng)波紋孔板波紋格利希隔柵化學(xué)與材料工程學(xué)院

勒辛環(huán)鮑爾環(huán)拉西環(huán)化學(xué)與材料工程學(xué)院階梯環(huán)金屬環(huán)矩鞍弧鞍環(huán)化學(xué)與材料工程學(xué)院

規(guī)整填料混堆填料

拉西環(huán)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價低廉，缺點是氣液接觸面小，溝流及塔壁效應(yīng)較嚴重，氣體阻力大，操作彈性范圍窄等。

鞍形(弧鞍和矩鞍)填料像馬鞍形的填料，不易形成大量的局部不均勻區(qū)域，空隙率大，氣流阻力小。

鞍環(huán)填料綜合了鞍形填料液體分布性好和環(huán)形填料通量大的優(yōu)點，是目前性能最優(yōu)良的散裝填料。

波紋填料由許多層高度相同但長短不等的波紋薄板組成，整砌結(jié)構(gòu)，流體阻力小，通量大、分離效率高，不適合有沉淀物、易結(jié)焦和粘度大的物料，裝卸、清洗較困難，造價也高。

金屬絲網(wǎng)價格昂貴用于要求高,產(chǎn)量不大操作。

化學(xué)與材料工程學(xué)院

b、液體分布器作用：使液體能夠均勻地分布在填料層上。類型：多孔型、溢流型。（d）排管式(a)蓮蓬頭式(b)多孔環(huán)管式(c)溢流管式化學(xué)與材料工程學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院C、液體收集及再分布裝置作用：將上段填料層流下的液體收集充分混合后，重新分布在下段填料層上。形式：(a)截錐型(b)“羅賽脫”型化學(xué)與材料工程學(xué)院液體收集器液體再分布器化學(xué)與材料工程學(xué)院d、氣體分布器作用：使氣體能夠均勻分布。形式：塔氣體分布器小塔氣體分布器大塔氣體分布器化學(xué)與材料工程學(xué)院e、除沫裝置作用：回收氣體夾帶的液沫和霧滴。形式：折流板式除沫器旋轉(zhuǎn)板式除沫器化學(xué)與材料工程學(xué)院f、填料支承板作用：支撐填料及其所持液體。形式：(a)柵板(b)升氣管式化學(xué)與材料工程學(xué)院填料支撐板：它是氣、液兩相在多孔床層中逆向流動的復(fù)雜過程。受填料層壓降,液泛氣速,持液量,氣液分布等影響.空塔氣速是指按空塔計算得到的氣體線速度。下圖為不同噴淋密度下，單位高度填料層的壓降Δp/H與空塔氣速u的關(guān)系圖。②填料塔內(nèi)的流體力學(xué)狀況

L=0，即氣體通過干填料層時Δp／H～u呈直線關(guān)系，直線的斜率為1.8-2.0，表明Δp／H與u的1.8～2倍呈正比，氣流狀態(tài)為湍流。氣速增大至某值時，液體流動受到兩相流體間摩擦力的阻礙，填料層的持液量隨氣速的增加而增加，此現(xiàn)象稱攔液現(xiàn)象。將開始攔液的轉(zhuǎn)折點稱載點，載點對應(yīng)的空塔氣速稱載點氣速。

超過載點氣速后，

Δp/H～u關(guān)系線斜率加大，填料層內(nèi)的液流分布和表面潤濕程度均大有改變，兩相湍動程度加劇，塔內(nèi)持液量不斷增多，液體充滿整個塔空間，導(dǎo)致壓降急劇升高。液體由分散相變?yōu)檫B續(xù)相，氣體由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?，以鼓泡狀通過液層,把液體帶出塔頂，塔操作不穩(wěn)定，此現(xiàn)象稱液泛。開始發(fā)生液泛的轉(zhuǎn)折點為泛點，相應(yīng)的空塔氣速稱泛點氣速。影響泛點氣速的因素有填料特性、流體物性、氣液的流量等。實際操作氣速常取泛點氣速的50％～85％?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院(2)板式塔板式塔結(jié)構(gòu)及性能（1）板式塔結(jié)構(gòu)

板式塔的殼體為圓筒形，里面裝有若干塊水平的塔板功能：為混合物的氣、液兩相提供多級的充分、有效的接觸與及時、完全分離的條件。進料回流液塔頂氣相塔底液相化學(xué)與材料工程學(xué)院汽、液兩相接觸方式

兩相流動的推動力

全塔：逆流接觸塔板上：錯流接觸液體：重力氣體：壓力差塔板上的氣液兩相流動有錯、逆流之分，如圖所示。化學(xué)與材料工程學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院塔板結(jié)構(gòu)①氣體通道形式很多，如篩板、浮閥、泡罩等，對塔板性能影響很大。②降液管（液體通道）

液體流通通道，多為弓形。③受液盤

塔板上接受液體的部分。④溢流堰

使塔板上維持一定高度的液層，保證兩相充分接觸。浮閥塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)化學(xué)與材料工程學(xué)院塔板上理想流動情況：

液體橫向均勻流過塔板，氣體從氣體通道上升，均勻穿過液層。氣液兩相接觸傳質(zhì)，達相平衡，分離后，繼續(xù)流動。傳質(zhì)的非理想流動情況：

①反向流動

液沫夾帶、氣泡夾帶，即：返混現(xiàn)象

后果：使已分離的兩相又混合，板效率降低，能耗增加。②不均勻流動

液面落差（水力坡度）：引起塔板上氣速不均；塔壁作用（阻力）：引起塔板上液速不均，中間>近壁；后果：使塔板上氣液接觸不充分，板效率降低。塔板的結(jié)構(gòu)型式有a．泡罩塔板構(gòu)造如圖示。泡罩塔板有較好的操作彈性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，尤其是氣體流徑曲折，塔板壓降大、液泛氣速低、生產(chǎn)能力小。組成：升氣管和泡罩化學(xué)與材料工程學(xué)院圓形泡罩條形泡罩泡罩塔優(yōu)點：塔板操作彈性大，塔效率也比較高，不易堵。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，塔板阻力大但生產(chǎn)能力不大。b．浮閥塔板浮閥塔板是泡罩塔的改進型，如圖。浮閥塔生產(chǎn)能力與操作彈性大、板效率高、塔板阻力小、結(jié)構(gòu)簡單、造價低等優(yōu)點，但浮閥對材料的抗腐蝕性要較高，采用不銹鋼制造。

化學(xué)與材料工程學(xué)院圓形浮閥條形浮閥浮閥塔盤方形浮閥化學(xué)與材料工程學(xué)院優(yōu)點：浮閥根據(jù)氣體流量，自動調(diào)節(jié)開度，提高了塔板的操作彈性、降低塔板的壓降，同時具有較高塔板效率，在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。缺點：浮閥易脫落或損壞。方形浮閥F1型浮閥化學(xué)與材料工程學(xué)院c.舌形塔板

氣流方向：垂直→小角度傾斜，改善液沫夾帶、液面落差。氣液接觸狀態(tài)：噴射狀態(tài)連續(xù)相：氣相；分散相：液相促進兩相傳質(zhì)。形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直篩板等。缺點：氣泡夾帶現(xiàn)象比較嚴重。ⅠⅡⅢ20°α=R2550Ⅰ三面切口舌片;Ⅱ拱形舌片;Ⅲ50×50mm定向舌片的尺寸和傾角舌形塔板：d．篩孔塔板結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、氣體壓降小、生產(chǎn)能力較大；缺點是操作彈性范圍較窄，小孔篩板易堵塞。舌形塔板e．導(dǎo)向篩板如圖化學(xué)與材料工程學(xué)院（導(dǎo)向篩板）應(yīng)用：用于減壓塔的低阻力、高效率塔板。

斜臺：抵消液面落差的影響。

導(dǎo)向孔：使氣、液流向一致，減小液面落差。液流(a)斜臺裝置液流液流(b)導(dǎo)向孔

林德篩板

a.氣液接觸狀態(tài)孔速較低時,氣體以鼓泡形式通過液層，板上氣液兩相呈鼓泡接觸，圖(a).隨孔速的增大氣泡的數(shù)量而增加,氣泡表面連成一片發(fā)生合并與破裂,板上液體以泡沫形式存在于氣泡之中,但液體為連續(xù)相,氣體為分散相,圖5(b).孔速繼續(xù)增大,氣體從孔口噴出,液體由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?氣體則由分散相變?yōu)檫B續(xù)相,圖?.②板式塔上流體力學(xué)狀況塔板形式多樣，下面介紹塔板上氣液接觸狀態(tài)、漏液、霧沫夾帶、液泛等流體力學(xué)規(guī)律?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院

塔板上氣、液兩相接觸狀態(tài)從嚴重漏液到液泛整個范圍內(nèi)存在有四種接觸狀態(tài)，即：鼓泡狀態(tài)、泡沫狀態(tài)、噴射狀態(tài)及乳化狀態(tài)?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院①泡沫狀態(tài)

由于孔口處鼓泡劇烈，各種尺寸的氣泡連串迅速上升，將液相拉成液膜展開在氣相內(nèi)，因泡沫劇烈運動，使泡沫不斷破裂和生成，以及產(chǎn)生液滴群，泡沫為傳質(zhì)創(chuàng)造了良好條件。是工業(yè)上重要的接觸狀態(tài)之一。化學(xué)與材料工程學(xué)院②噴射狀態(tài)

從篩孔或閥孔中吹出的高速氣流將液相分散高度湍動的液滴群，液相由連續(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑾?，兩相間傳質(zhì)面為液滴群表面。由于液體橫向流經(jīng)塔板時將多次分散和凝聚，表面不斷更新，為傳質(zhì)創(chuàng)造了良好的條件，是工業(yè)塔板上另一重要的氣、液接觸狀態(tài)。

b．漏液氣體通過篩孔的速度較小時，氣體通過篩孔的動壓不足以阻止板上液體的流下，液體會直接從孔口落下，這種現(xiàn)象稱為漏液。正常操作時，一般控制漏液量不大于液體流量的10％。相應(yīng)的孔流氣速為漏液點氣速?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院

c．液泛

如果由于某種原因，使得氣、液兩相流動不暢，使板上液層迅速積累，以致充滿整個空間，破壞塔的正常操作，稱此現(xiàn)象為液泛。液泛現(xiàn)象化學(xué)與材料工程學(xué)院①過量霧沫夾帶液泛原因：①氣相在液層中鼓泡，氣泡破裂，將霧沫彈濺至上一層塔板；②氣相運動是噴射狀，將液體分散并可攜帶一部分液沫流動。

說明：開始發(fā)生液泛時的氣速稱之為液泛氣速。化學(xué)與材料工程學(xué)院②降液管液泛

當塔內(nèi)氣、液兩相流量較大，導(dǎo)致降液管內(nèi)阻力及塔板阻力增大時，均會引起降液管液層升高，當降液管內(nèi)液層高度難以維持塔板上液相暢通時，降液管內(nèi)液層迅速上升，以致達到上一層塔板，逐漸充滿塔板空間，即發(fā)生液泛。并稱之為降液管內(nèi)液泛。說明：兩種液泛互相影響和關(guān)聯(lián)，其最終現(xiàn)象相同。對塔設(shè)備的要求：①氣液負荷大，即單位塔截面處理物料量大，生產(chǎn)能力大；②傳質(zhì)效率高，達到規(guī)定分離要求的塔高較低；③操作穩(wěn)定，物料量在相當范圍內(nèi)變化時不致引起傳質(zhì)效率顯著變動；④氣體通過塔時阻力小，以適應(yīng)減壓操作或節(jié)省動力；⑤結(jié)構(gòu)簡單，易加工制造，維修方便，耐腐蝕，不堵塞。（3）填料塔與板式塔的比較

填料塔結(jié)構(gòu)簡單,直徑小,氣體通過阻力小,處理有腐蝕性的物料好,在壓降小的真空蒸餾系統(tǒng)和液氣比大的方面操作有優(yōu)勢；板式塔生產(chǎn)能力和操作彈性大,塔效率穩(wěn)定利于放大。吸收操作一般用填料塔；精餾操作采用板式塔。小結(jié)

傳質(zhì)過程有單相傳質(zhì)和相間傳質(zhì)之分，有流體相間和流固相間傳質(zhì)兩類。工業(yè)中常見的傳質(zhì)操作有吸收、精餾、干燥、萃取、吸附、離子交換、結(jié)晶等。它們遵循一些共同的傳質(zhì)規(guī)律，亦具有各自操作的特點，在實際分析中采用的方法也不盡相同，于本章的學(xué)習(xí)中應(yīng)悉心體會其實質(zhì)。填料塔和精餾塔是實現(xiàn)吸收和精餾操作的場所，它提供了氣液兩相接觸的表面。填料和塔板是塔設(shè)備的核心構(gòu)件，在很大程度上決定著填料塔和精餾塔的性能。優(yōu)良的塔設(shè)備應(yīng)具備效率高、阻力小、通量大、操作穩(wěn)定等特點。5.2氣體的吸收

1．概述

吸收是用于分離氣體混合物的一種常見的單元操作。吸收操作所用的液體稱為吸收劑，被溶解吸收的組分稱為吸收質(zhì)，不被吸收的組分稱為惰性組分，分別以S、A、B表示。工業(yè)生產(chǎn)中的吸收過程通常包括吸收與解吸兩部分。如用煉焦過程的副產(chǎn)物煤焦油(洗油)回收焦爐煤氣內(nèi)含有的少量苯、甲苯類低碳氫化合物，如圖所示。③吸收質(zhì)在吸收劑中的溶解度隨溫度的變化有較大的差異，以便吸收劑再生；吸收劑選擇原則：①對吸收質(zhì)有較大的溶解度，以加速吸收、減少吸收劑用量；②對所處理氣體必須有較高的選擇性；④蒸氣壓低，以減少吸收和再生過程中的揮發(fā)損失；⑤性質(zhì)穩(wěn)定，粘度小，價廉、易得、無毒、不易燃燒。能滿足這些條件的吸收劑很難找到,對可供選用的吸收劑應(yīng)作技術(shù)經(jīng)濟評價后合理選擇。2.吸收的相平衡在一定溫度和總壓下，混合氣與定量吸收劑共存并充分接觸，吸收質(zhì)在氣液兩相中的分配趨于平衡，吸收劑中吸收質(zhì)濃度達到飽和。吸收質(zhì)在氣相中的分壓稱平衡分壓，在液相中的組成稱平衡濃度或平衡溶解度，簡稱溶解度。吸收過程中，吸收質(zhì)與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的吸收稱化學(xué)吸收；不發(fā)生明顯化學(xué)反應(yīng)的吸收稱物理吸收。（1）氣體在液體中的溶解度影響吸收過程的因素有溫度、總壓、氣液相組成。氣體在液相中的溶解度，隨溫度和吸收質(zhì)在氣相的組成而變化。下圖為SO2、NH3、HCl的氣液相平衡關(guān)系。加壓和降溫都可以提高氣體的溶解度，尤其是溫度改變，溶解度變化較大。吸收操作盡量維持在較高壓力和較低溫度下進行。對于同樣濃度的溶液，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。吸收操作處理的氣體為低濃度氣體(10%),形成的是稀溶液。當總壓不太高時(0.5Mpa)，稀溶液的相平衡關(guān)系服從亨利定律：P*=E

x

式中

P*—與稀溶液相平衡的吸收質(zhì)氣相平衡分壓；

x—吸收質(zhì)在溶液中的摩爾分數(shù)；E—亨利系數(shù)，Pa。吸收質(zhì)在稀溶液上方的氣相平衡分壓與其在液相中的摩爾分數(shù)呈正比，比例系數(shù)為E。E的大小與吸收質(zhì)和吸收劑的種類及溫度有關(guān)。不同吸收質(zhì)，E越大，越難溶解；同一吸收質(zhì)，溫度升高，E增大，溶解度下降.故E的大小能夠反映氣體溶解的難易程度。

（2）亨利定律亨利定律有不同的數(shù)學(xué)表達形式：

P*=c/H

y*=mx

式中c——液相中吸收質(zhì)物質(zhì)的量濃度，

H——溶解度系數(shù)，

y*——與X相平衡的吸收質(zhì)在氣相中的摩爾分數(shù)；

m——相平衡常數(shù)，量綱為1。

吸收過程中，氣相中的吸收質(zhì)進入液相，氣、液相的量都發(fā)生變化。工程上采用在吸收過程中數(shù)量不發(fā)生變化的氣相中的惰性組分和液相中的純吸收劑為基準。以混合物中吸收質(zhì)的物質(zhì)的量與惰性組分物質(zhì)的量的比來表示氣相中吸收質(zhì)的量，稱為摩爾比，用Y表示；以液相中的吸收質(zhì)的物質(zhì)的量與純吸收劑的物質(zhì)的量的比來表示液相中吸收質(zhì)的量，用X表示。摩爾比與摩爾分數(shù)的關(guān)系是：

對稀溶液,X值很小，上式化簡為

Y*＝mX

式中

Y*為與X相平衡的氣相摩爾比。

定義單位體積溶液中吸收質(zhì)和吸收劑的物質(zhì)的量之和為溶液的總濃度，記作c0

，單位為

則:

式中ρ——溶液的密度，

Mr——溶液的平均摩爾質(zhì)量，

MA——吸收質(zhì)的平均摩爾質(zhì)量，

Ms——吸收劑的平均摩爾質(zhì)量，

對稀溶液，ρ≈ρsMr≈Ms

有可得E－H的關(guān)系亦可得E－m的關(guān)系由知道爾頓分壓定律化學(xué)與材料工程學(xué)院例5-1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=0.1的混合氣呈平衡的液相中SO2的平衡濃度為多少（）。該濃度范圍氣一液相平衡關(guān)系符合亨利定律?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院解：根據(jù)亨利定律=Hpp為氣相中SO2的實際分壓，由道爾頓分壓定律=101.3×0.1=10.1kPa查表知30℃下SO2的亨利系數(shù)E=4.85×103kPa，換算為溶解度系數(shù)

==0.0115所以

=10.1×0.0115＝0.1165

化學(xué)與材料工程學(xué)院3.吸收速率

①分子擴散速率吸收質(zhì)A在液相內(nèi)的分子擴散速率與其濃度梯度呈正比，用費克(Fick)定律來表示：（1）單相內(nèi)的擴散吸收質(zhì)在某一相中的擴散有分子擴散與渦流擴散兩種。式中NA—擴散速率,kmol·m-2·s-1

DAB—比例系數(shù),組分A在介質(zhì)B中的擴散系數(shù)m2·s-1dcA/dz—組分A在z方向上的濃度梯度,kmol·m-3·m-1；z為擴散距離,m；負號表示擴散方向沿組分A濃度降低的方向進行化學(xué)與材料工程學(xué)院擴散系數(shù)是物質(zhì)的物性常數(shù)，表示擴散質(zhì)在介質(zhì)中的擴散能力。定態(tài)條件下，若擴散在液相中進行，組分A在z方向上擴散δL距離，濃度由

變?yōu)?/p>

，則

若擴散在氣相中進行，且氣相為理想氣體混合物，組分A在z方向上擴散δG距離，分壓由

變化到

，則

化學(xué)與材料工程學(xué)院式中C0—液相總濃度,kmol·m-3

CBm—液體層兩側(cè)組分B濃度的對數(shù)平均值,kmol·m-3p—氣相總壓,PapBm—氣體層兩側(cè)組分B分壓的對數(shù)平均值,Pa液相氣相費克定律適用于兩組分A與B等分子逆向互相擴散的情形。在吸收過程中，用斯蒂芬定律表示：化學(xué)與材料工程學(xué)院其中和稱為漂流因子，其值大于1意義：漂流因子反映了總體流動對傳質(zhì)速率的影響，其值愈大總體流動作用越強。當A很低時，，，則漂流因子1，總體流動的影響消失。分子擴散系數(shù)DAB

物質(zhì)傳遞性質(zhì)的度量參數(shù)，表達組分擴散難易程度。物理意義：單位濃度梯度下的擴散通量。影響因素：系統(tǒng)的溫度、壓力和物系的組成。數(shù)據(jù)來源：一般由實驗確定、半經(jīng)驗公式計算?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院②對流擴散速率

由于對渦流流動中擴散認識上的不充分，只能仿照費克定律將渦流擴散速率表為：式中DE——渦流擴散系數(shù)，m2·s-1

渦流擴散系數(shù)不是物質(zhì)的特性常數(shù)，它與湍流程度有關(guān)，且隨質(zhì)點位置而異。湍流流體中，渦流擴散和分子擴散同時起著傳質(zhì)作用，對流擴散速率為：

湍流主體以渦流擴散為主，DE＞＞DAB，滯流底層為分子擴散，DAB＞＞DE，DE≈0；在過渡層，DAB和DE數(shù)量級相當。

化學(xué)與材料工程學(xué)院吸收操作中吸收質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)移至液相經(jīng)歷了氣相擴散、界面溶解和液相擴散三個步驟。

吸收質(zhì)在氣液界面兩側(cè)的分壓和濃度變化如圖中的實線所示。

（2）兩相間傳質(zhì)化學(xué)與材料工程學(xué)院

a.氣、液兩相間有一個穩(wěn)定的相界面，其兩側(cè)分別存在穩(wěn)定的氣膜和液膜；膜內(nèi)流體呈滯流狀態(tài)，膜外的流體呈湍流狀態(tài)；

b.相界面上氣液兩相處于平衡，即相界面上沒有傳質(zhì)阻力；

c.吸收質(zhì)在兩個膜內(nèi)以分子擴散形式通過。湍流主體中濃度分布均勻，不存在濃度梯度和傳質(zhì)阻力，故吸收的阻力全部集中在氣、液兩個膜內(nèi)。

研究者先后提出了許多描述它的物理模型，劉易斯(LewisWK)和惠特曼(WhitmanWG)提出的雙膜理論。雙膜理論的要點為：化學(xué)與材料工程學(xué)院雙膜理論提出的物理模型使復(fù)雜的兩相間傳質(zhì)簡化為兩個虛擬膜層內(nèi)的分子擴散。膜層是吸收過程的阻力所在，吸收質(zhì)在一定推動力pA-pAi和cAi-cA下克服兩個膜層的阻力進行傳質(zhì)。

雙膜理論對低氣速填料塔等具有固定傳質(zhì)界面的吸收過程適用性好。

氣膜內(nèi)液膜內(nèi)式中—分別為虛擬氣膜和液膜的厚度化學(xué)與材料工程學(xué)院穩(wěn)定操作下，氣、液相傳質(zhì)速率相等。由于考察范圍及推動力表示形式不同，將吸收速率方程分為兩類。（3）吸收速率方程①單相吸收速率方程液相氣相式中:kG—氣相傳質(zhì)系數(shù),kmol·m-2·s-1·Pa-1kL—液相傳質(zhì)系數(shù),m·s-1經(jīng)比較變換有化學(xué)與材料工程學(xué)院對一定物系DAB為定值，在定態(tài)操作條件下p、T、C、pBm、cBm均為定值，但由于虛擬膜層的厚度無法直接計算或測出，還需通過實驗確定kG和kL.其特征數(shù)關(guān)聯(lián)式為：

式中Sh—舍伍德（Sherwood）數(shù)，Sh=kd/DAB；k為kG或kL

；d為特性尺寸，m，可以是塔徑、填料直徑等；

Re—雷諾數(shù)，Sc—施米特(Schmit)數(shù)。系統(tǒng)分壓差和氣相摩爾比差表示吸收總推動力時，總吸收速率方程為②總吸收速率方程化學(xué)與材料工程學(xué)院式中KG—以系統(tǒng)分壓差(p-p*)為總推動力時的總傳質(zhì)系數(shù)，kmol·m-2·s-1·Pa-1

p——吸收質(zhì)在氣相中的分壓，Pa；

p*——與液相濃度相平衡的氣相平衡分壓，Pa；

KY——以氣相摩爾比差(Y-Y*)為總推動力時的總傳質(zhì)系數(shù)，

kmol·m-2·s-1

Y——吸收質(zhì)在氣相中的摩爾比；

Y*——與液相摩爾比相平衡的氣相摩爾比。當用系統(tǒng)液相濃度差和液相摩爾比差表示總推動力，總速率吸收方程為化學(xué)與材料工程學(xué)院式中KL——以系統(tǒng)濃度差（c*-c）為總推動力時的總傳質(zhì)系數(shù);

c——吸收質(zhì)在液相中的濃度；c*——與氣相濃度相平衡的液相平衡濃度；KX——以液相摩爾比差（X*-X）為總推動力時的總傳質(zhì)系數(shù);X——吸收質(zhì)在液相中的摩爾比；X*——與氣相摩爾比相平衡的液相摩爾比。根據(jù)雙膜理論，相界面上氣液兩相濃度達到平衡，服從亨利定律，則化學(xué)與材料工程學(xué)院代入式（5-22）中，并經(jīng)整理，有同理，氣相吸收速率方程可寫成：式（5-31）與式（5-32）相加，整理得（5－31）（5－32）（5－33）化學(xué)與材料工程學(xué)院與式（5-27）比較并整理有（5－34）同理可得（5－35）此兩式表明，吸收總阻力為氣相阻力和液相阻力兩者之和?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院將

代入式（5-27），有

與式（5-28）比較，有（5－36）（5－37）由于稀溶液的濃度很低，Y和Y*都較小，分母可以視為1，則（5－38）同理可推得（5－40）化學(xué)與材料工程學(xué)院③氣膜控制與液膜控制當氣體容易溶解時，溶解度系數(shù)H較大，液相阻力非常小，

KG≈kG

即易溶氣體的吸收阻力主要集中在氣膜內(nèi)，稱為氣膜控制。當氣體難于溶解時，溶解度系數(shù)小，氣膜阻力非常小，KL≈kL即難溶氣體的吸收阻力主要集中在液膜內(nèi)，稱為液膜控制。化學(xué)與材料工程學(xué)院例5-2110kPa下操作的氨吸收塔的某截面上，含氨摩爾分數(shù)為0.03的氣體與氨濃度為1的氨水相遇，已知氣相傳質(zhì)系數(shù),為，液相傳質(zhì)系數(shù)為，氨水的平衡關(guān)系可用亨利定律表示，溶解度系數(shù)H為7.3，試計算：(1）氣、液界面上的兩相組成；（2）以分壓差和摩爾濃度差表示的總推動力、總傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)速率；（3）氣膜與液膜阻力的相對大小?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院解：（1）相界面上氣液兩相組成相互平衡，即根據(jù)氣、液相速率方程聯(lián)立以上三式，并求解得化學(xué)與材料工程學(xué)院（2）以分壓差表示的總推動力以摩爾分數(shù)差表示的總推動力化學(xué)與材料工程學(xué)院4．填料吸收塔的計算

填料吸收塔計算包括設(shè)計計算和操作計算。設(shè)計計算主要是獲得達到指定分離要求所需要的塔的基本尺寸：填料層高度和塔徑。操作計算則要求算出給定的吸收塔的氣液相出口濃度等參數(shù)。

a．氣相中的惰性組分與液相中吸收劑的摩爾流量不變；

b．塔內(nèi)的溫度始終相同；

c．傳質(zhì)總系數(shù)在整個塔內(nèi)為常量。吸收操作一般多采用逆流。為計算方便，對塔內(nèi)的吸收過程作如下假設(shè)：(1)物料衡算與吸收操作線方程如圖，取塔底至塔截面M—M’間的塔段作為衡算范圍，對吸收質(zhì)作物料衡算：

qn,VY+qn,LX1=qn,VY1+qn,LX經(jīng)整理得上式稱為吸收操作線方程。式中，qn，V—惰性組分的摩爾流量，mol·s-1qn，L—吸收劑的摩爾流量，mol·s-1

Y1，Y—分別為吸收塔底及截面M上吸收質(zhì)的氣相摩爾比，mol(吸收質(zhì))/mol(惰性組分)X1，X—分別為吸收塔底及截面M上吸收質(zhì)的液相摩爾比，mol(吸收質(zhì))/mol(吸收劑)通過代表塔底組成的A（X1,Y1）點。Y2和X2是吸收塔頂截面上的實際氣液相濃度，服從吸收操作線方程。如圖所示。操作線離平衡線越遠，吸收推動力越大。吸收劑用量大小直接影響著操作費用和設(shè)備尺寸，必須首先確定。對吸收質(zhì)進行物料衡算：式中qn,L/qn,V

是每摩爾惰性組分所用吸收劑的物質(zhì)的量(mol)，稱為吸收液氣比。

吸收率的定義為：氣體經(jīng)過吸收塔被吸收的吸收質(zhì)的量與進入吸收塔的吸收質(zhì)的量之比，即qn,VY1+qn,LX2=qn,VY2+qn,LX1經(jīng)整理得（2）吸收劑用量線，吸收推動力增大，吸收速率加快，完成同等分離任務(wù)所需的氣液接觸面積減小，塔高減低，設(shè)備費用降低；但吸收劑消耗增加，輸送吸收劑所需的功率增加，液相出口濃度X1下降，再生費用也增加，操作費用上升。

如圖，吸收操作線的B點固定，若增大吸收劑用量，操作線斜率qn,L/qn,V增大,A點左移，操作線遠離平衡如下圖(a),(b)所示，當吸收劑用量減小到一定程度，操作線與平衡線將相交或相切。此時吸收推動力為零，要完成規(guī)定的氣體分離任務(wù)塔高必須無窮大。此時吸收劑的用量稱為最小吸收劑用量，以qn,Lm表示。

相應(yīng)的液氣比稱為最小液氣比，以

qn,L,m/qn,V表示.若減小吸收劑用量，操作線斜率減小,A點右移，操作線靠近平衡線，吸收推動力減小，吸收速率減慢，完成同等分離任務(wù)所需的氣液接觸面積增大。吸收劑用量大，設(shè)備費用低，操作費用高；吸收劑用量小，設(shè)備費用高，操作費用低，各有利弊。一般情況下取吸收劑用量為最小吸收劑用量的1.15～1.5倍較為適宜。此時X1＝X1＊，則最小液氣比為:

塔徑的大小主要根據(jù)塔設(shè)備單位時間處理氣體混合物的量塔內(nèi)所采用的氣流速度來決定。圓筒形填料塔的直徑為qv，s—操作條件下混合氣體體積流量；u0

—空塔氣體流速。（3）塔徑的計算（4）填料層高度的計算

如圖，取一微元填料層，其高度為dz，氣液接觸面積為dA，依據(jù)物料衡算，該微元段內(nèi)氣液之間吸收質(zhì)的傳遞量dG為：經(jīng)過該微元填料層內(nèi)氣相和液相吸收質(zhì)的變化量分別為:

①基本計算式該微元填料層的氣液接觸面積

式中Ω—填料塔的橫截面積，m2；

a—單位體積填料的有效氣液接觸面積。綜合以上三式，得

a的數(shù)值很難直接測定，因此常將KY與a或KX與a的乘積視為一體一并測定，稱為體積吸收系數(shù)。①傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)

HOG、HOL，分別稱氣相傳質(zhì)單元高度和液相傳質(zhì)單元高度；它與填料塔和填料的結(jié)構(gòu)、填料的潤濕狀況、流體流量和流動狀態(tài)等有關(guān)，反映吸收設(shè)備的優(yōu)劣。傳質(zhì)單元高度越小，KYa或KXa越大，吸收速率越大，所需填料層高度越小。傳質(zhì)單元數(shù)與吸收相平衡及分離要求的高低有關(guān)，判斷吸收的難易程度。推動力越大，要求氣體濃度變化小，吸收過程易進行，所需傳質(zhì)單元數(shù)越小，即填料層高度越小?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院類似地：化學(xué)與材料工程學(xué)院由于是有:令——吸收因子化學(xué)與材料工程學(xué)院傳質(zhì)單元：通過一定高度填料層的傳質(zhì)，使一相組成的變化恰好等于其中的平均推動力，這樣一段填料層的傳質(zhì)稱為一個傳質(zhì)單元。①傳質(zhì)單元數(shù)（以NOG為例）：可見，傳質(zhì)單元數(shù)決定于分離前后氣、液相組成和相平衡關(guān)系，其大小表示了分離任務(wù)的難易。HOGx2x1yjyj-1yej-1xe2yej(y-yj)m氣相總傳質(zhì)單元與傳質(zhì)單元高度概念示意圖化學(xué)與材料工程學(xué)院②傳質(zhì)單元高度（以HOG

為例）完成一個傳質(zhì)單元分離任務(wù)所需的填料層高度。說明：

▲

影響傳質(zhì)單元高度的因素：填料性能，流動情況；

▲其值大小反映了填料層傳質(zhì)動力學(xué)性能的優(yōu)劣。x2x1yjyj-1yej-1xe2yej(y-yj)mHOG化學(xué)與材料工程學(xué)院▲

數(shù)值變化范圍小，一般在0.2–1.5