传质过程化工基础化学.ppt

传质过程化工基础化学,传质过程在化学工程中占有极其重要的地位:它广泛应用于混合物的分离操作；它常与化学反应共存，影响化学反应过程，甚至成为化学反应的控制因素。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。液相一液相：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。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。,（2）流固相间的传质过程气相一固相：有固体干燥、气体吸附等操作。液相一固相：包括液体结晶、固体浸取（也叫固液萃取）、液体吸附、离子交换等单元操作。,2传质过程的共性（1）传质的方式与历程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：分子扩散：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便是此种。涡流扩散：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到低浓度处的过程。实际上，湍流流动有湍流主体和滞流底层之分，所以其中物质传递既靠涡流扩散也靠分子扩散，两者统称对流扩散。,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。,（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：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；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。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：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；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；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：,pp*时，氨从气相向液相传递；pp*时，氨由液相向气相转移；p=p*时，体系达到平衡状态。,（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。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。常见塔设备分为填料塔与板式塔两种。,（1）填料塔填料塔的结构塔体为圆筒形，里面充填一定高度的填料；填料的下方有支承板，上方为填料压网及液体分布装置。操作时，液体经塔顶的液体分布器分散后沿填料表面流下而润湿填料；气体从塔底进入，在压强差推动下，通过填料间的空隙与气体逆向接触，在填料表面进行传质。气、液两相的组成沿塔高连续地变化。,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，p/Hu呈直线关系，直线的斜率为1.82.O，表明H与u的1.82次方成比例，气流状态为湍流。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，p/Hu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pHu线几乎与干填料的直线平行。,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，p/Hu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。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。,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5085。,（2）板式塔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。气、液两相主要在塔板上进行传质，由于传质过程沿塔板逐级进行，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。塔板是板式塔的核心构件，其功能是使气、液两相保持密切而充分的接触，使之能在良好的条件下进行质、热传递。塔板上的气液两相流动方式有错流、逆流两种。,52气体的吸收1、概述气体混合物的分离在化工生产中应用广泛，例如工业生产中原料气的净化，气体中有用组分的回收，液体产品的制取以及废气的治理等。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：对吸收质有较大的溶解度，以加速吸收、减少吸收剂用量；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；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；蒸汽压要低，以减少吸收和再生过程中的挥发损失；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。,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。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。,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。,总压一定，温度下降，在同一溶剂中，溶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。,总压及摩尔分率相同，cO2cCO2cSO2cNH3,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。,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。,（2）亨利定律,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。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/HH溶解度系数。y*=mxm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。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=s/HMsm=E/PP: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。,分子扩散速率吸收质A在液相内的分子扩散速率与其浓度梯度成正比，可用费克定律来表示。式中负号表示扩散方向沿组分A浓度降低的方向进行DAB比例系数，组分A在介质B中的扩散系数,扩散系数是物质的物性常数，表示物质在介质中的扩散能力，随扩散物质、介质种类、体系温度和压力的变化而变化，其值由实验测定。常见物质的扩散系数可从有关手册中查到。气体的扩散系数较大，而液体的扩散系数很小。,对流扩散速率涡流扩散速率远大于分子扩散速率，但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示为：DE涡流扩散系数。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，涡流扩散和分子扩散同时起着传质作用，对流扩散速率为：式中DAB与DE的相对大小随位置而变。湍流主体以涡流扩散为主，DEDAB，滞流底层为分子扩散，DABDE，DE0；在过渡层，DAB和DE数量级相当，都不能忽略。化工生产中的流动多为湍流，对流扩散最常见。然而由于DE很难测定，上式并无实用价值。,（2）两相间传质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。一般情况下，气、液流主体呈湍流。在气、液两相界面两侧形成两个滞流底层，层内为分子扩散，浓度梯度在稳定条件下为常数；在过渡层，涡流扩散开始起作用，分压或浓度变化减慢；在湍流主体，涡流扩散起主导作用，分压或浓度几为均一。,对于吸收这一典型的传质过程，研究者先后提出了许多物理模型，其中的双膜理论，经实践检验，具有可用性，长期以来被广泛使用。,双膜理论的要点为：a、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，膜外的流体呈湍流状态；b、相界面上气液两相处于平衡，即相界面上没有传质阻力；c、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，故吸收的阻力全部集中在气、液两个膜内。,（3）吸收速率方程在稳定操作下，气、液相传质速率相等整个吸收过程的速率，即吸收速率只有一个。但由于考察的范围（气相或液相一侧，气液两相整个吸收过程）及推动力表示形式不同，将吸收速率方程分为两类。单相吸收速率方程气相N=kG(p-pi)液相N=kL(ci-c)总吸收速率方程由于气液相界面浓度pi，ci不容易测定，故吸收速率采用跨越相界面浓度的总推动力进行计算。N=KG（p-p*)N=KY(Y-Y*)N=KL(c*-c)N=KX(X*-X)KY=KGPKX=KLc0,吸收总阻力为气相阻力和液相阻力之和,气膜控制当气体容易溶解时，溶解度系数H较大，液相阻力非常小，可忽略，KGkG，即易溶气体的吸收阻力主要集中在气膜内，称为气膜控制。例，氨气溶于水，氯化氢溶于水等吸收过程。可以采用提高气相湍动程度的办法使总阻力降低。,液膜控制当气体难于溶解时，溶解度系数H很小，气膜阻力非常小，KLkL，即难溶气体的吸收阻力主要集中在液膜内，称为液膜控制。例如，水吸收氧或氢等吸收操作。可增大液相湍动程度以提高吸收速率。,对于中等溶解度的溶质，在传质总阻力中气膜和液膜阻力均不可忽略，要提高总传质系数，必须同时增大气相和液相的湍动程度。,4、填料吸收塔的计算吸收操作根据吸收塔内气液流动的方向可分为逆流吸收与并流吸收。由于逆流吸收速率快，吸收剂用量少，故一般多采用逆流吸收。为计算方便，可对塔内的吸收过程如下假设：a、气相中的惰性气体与液相中吸收剂的摩尔流量不变;b、塔内的温度始终相同;c、传质总系数在整个塔为常量。如此简化处理方法适用于低浓度气体吸收，以及混合气体吸收质的浓度虽然高，但被吸收的量不大的场合。,（1）物料衡算与吸收操作线方程通过吸收塔的物料衡算可获得塔内气液两相的操作关系。上式称为吸收操作线方程，它反映了塔内任一截面上气液两相浓度的关系。,操作线通过塔顶A（X2，Y2）及塔底B（X1，Y1）,操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。,在定态操作的条件下，qn,L、qn,V、Y1、X1均不随时间发生变化，故吸收操作线为在X-Y坐标上为一条直线，直线的斜率为qn,L/qn,V。,吸收操作线位于相平衡线的上方。操作线上任一点K的Y和X值代表塔中任一截面K-K的气、液相组成。K点与相平衡线的水平距离代表液相推动力X*-X，K点与相平衡线的垂直距离代表气相推动力Y-Y*。操作线离相平衡线越远，吸收推动力越大。,（2）吸收剂用量吸收剂用量大小直接影响着操作费用和设备费用。以整个吸收塔作为衡算范围，对吸收质进行物料衡算:式中qn,L/qn,V是每摩尔惰性组分所用吸收剂的摩尔数，称为吸收液气比。,通常，qn,V、Y1、Y2、X2作为吸收工艺条件都已确定。Y2有时通过吸收率间接给出。吸收率的定义为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。=（Y1-Y2）/Y1Y2=（1-）Y1,增大吸收剂用量，操作线斜率qn,L/qn,V增大，操作线远离平衡线，吸收推动力增大，吸收速率加快，完成同等分离任务所需的气液接触面积减小，塔高减低，设备费用降低；但吸收剂消耗增加，输送吸收剂所需的功率增加，并且由于液相出口浓度下降，再生费用也增加，故操作费用上升。若减小吸收剂用量,情况正相反。,当吸收剂用量减小到一定程度，操作线与平衡线将相交。此时气液两相达到平衡。吸收推动力为零，要完成规定的气液分离任务塔高必须无穷大。此时吸收剂的用量为所允许用量的最低值，称为最小吸收剂用量，以qn,L,m表示。相应的液气比称为最小液气比，以qn,L,m/qn,V表示,X1*为吸收液最大出口浓度X1，max,吸收剂用量大，设备费用低，操作费用高；吸收剂用量小，设备费用高，操作费用低，各有利弊。通常取总费用（设备费与操作费之和）最低时的吸收剂用量为适宜吸收剂用量，此时的液气比称为适宜液气比。根据生产经验，一般情况下取吸收剂用量为最小吸收剂用量的1.12.0倍较为适宜。最小吸收剂用量可用下式计算：若气液平衡关系服从亨利定律，X1*可通过计算得出，即X1*=Y1/m。,（3）塔径的计算塔径的大小主要根据塔设备单位时间处理气体混合物的量（即生产能力）和塔内所采用的气流速度来决定。圆筒形填料塔的直径为qv,s操作条件下混合气体体积流量。u0空塔气速。,计算时，首先要依据填料塔流体力学特性，由液泛气速确定空塔气速。选择较小的u0，塔压降小，动力消耗少，操作弹性大，完成一定的生产任务需要的塔径大，设备投资高且生产能力低。另外，低气速也不利于气液充分接触，使传质效率低。选用较大u0，则压降大