化工基础第五章 传质过程及塔设备

1、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 传质过程及塔设备第五章 传质过程及塔设备 传质过程简介传质过程简介 气体的吸收气体的吸收 吸收塔的计算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 常见传质过程常见传质过程溶解、结晶液固干燥、吸附气固吸收、蒸馏、精馏气液萃取液液 单相体系中，物质的传递方式 ： 相间传质扩散扩散分子扩散物质靠

2、分子运动从高浓度向低浓度转移涡流扩散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一相主体扩散相界面扩散另相界面另相主体扩散如气体吸收 传质的方向： 以氨气吸收为例相平衡的方向相平衡的方向密闭容器水（溶剂） 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 传质的极限：相平衡相平衡推动力：在两相分配中，在两相分配中，偏离平衡的程偏离平衡的程度度总压溶质（A）分压 与溶液中A的浓度成平衡的气相分压 亦可用浓度差表示动力*App*App*App*ApppAp*p密闭容器水（溶剂） 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 吸收吸收解吸解吸

3、平衡吸收推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？ 对工业吸收设备有什么要求？对工业吸收设备有什么要求？ 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，目前工业上常用的吸收设备使使塔设备塔设备。可以，但吸收效果不好，原因在于气、液两相接触情况不好尽可能提供气、液两相有足够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，尽可能使气、液两相的传质推动力大传质推动力大（逆流）填料塔溶剂填料塔气体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，

4、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。 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。拉西环十字环及螺旋环环鲍尔环阶梯环鞍形填料规整填料Corrugated MetalPlates Packings 6400金属板波纹规整填料 300脉冲规整填料各种陶瓷规整填料板式塔板式塔溶剂气体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

5、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。新型塔板、填料DJ 塔盘 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。液相降液管堰气相溢流塔板 (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。 液相气相逆流塔板（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，

6、生产能力较大；缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。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依据：利用混合气体中各组分在液体中 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。吸收塔混合气体溶液尾气吸收剂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。溶解程度的差异溶解程度的差异,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

7、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吸收剂的选择1 溶解度 溶解度越大，吸收速率越大,吸收剂用量越越少。2 选择性 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。3 挥发度 挥发度越大,则溶剂损失量越大,分离后气体中含溶剂量也越大。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

8、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。吸收进行的限度和方向吸收进行的限度和方向取决于取决于相平衡关系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*=ExE: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亨利定律的不同表达形式 p*=c/H 液相中溶质浓度表示液相中溶质浓度表示H:溶解度系数,单位:

9、kmol/(kN m)H=/Ems y*=mx 气、液相中溶质摩尔分数表示气、液相中溶质摩尔分数表示m:相平衡常数总压P一定时y*= p*/P = (E/P)x = mx m=E/PT p m 溶解度亨利定律是稀溶液定律,则x很小,1+（1-m）X 1则 Y*=mX 用摩尔比表示用摩尔比表示YYy1XXx1XXmYY11*XmmXY)1 (1*X液相中溶质摩尔数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 y*=mx相平衡与吸收的关系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*=0.940.05=0.047 x吸收吸收解吸解吸x=0.1 y=0

10、.05 y*=0.10.94=0.094 y x*=0.05/0.94=0.053 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。例如:用水吸收氨,氯化氢气体对于难溶气体,H很小,H/kG反之，则为脱吸过程脱吸操作线一定在相平衡线的下方操作线离平衡线越远，吸收推动力越大M(X.Y1)Y*平衡线离操作线越远?T p m 由工艺条件，物料进口浓度Y1,X2已知，出口气体浓度Y2由生产任务确定，所以操作线方程恒过定点B。如图。 若qn,L减小，即qn,L / qn,v操作线斜率减小，由于Y1不变，如图，操作线沿Y=Y1右移。则出口液浓度X1增大，吸收推动力 。吸收仍可进行

11、 qn,L继续减小，Y1移至相平衡线上，此时达到相平衡状态，变小(X2,Y2)吸收停止吸收停止推动力为零推动力为零 吸收剂用量不能无限小，有一个极限值。吸收剂用量不能无限小，有一个极限值。 相平衡时的吸收剂用量为最小用量，此时相平衡时的吸收剂用量为最小用量，此时的液气比称为的液气比称为最小液气比最小液气比 适宜液气比一般取最小液气比的适宜液气比一般取最小液气比的1.151.5倍倍,12*,12minn Ln VqYYqXXqn,L / qn,v的影响 液气比对吸收操作的影响 由全塔物料衡算式 qn,V(Y1-Y2)= qn,L (X1-X2)得 由右图可知，出口液浓度X1越小，吸收推动力越大，

12、吸收进行的越快，吸收效果越好。X1越小，则液气比越大即：在在qn,v一定的条件下，吸一定的条件下，吸收剂用量越大越好收剂用量越大越好1212YYXXY1Y1Y1吸收剂用量太大，经济成本高塔底排出液浓度的计算塔底排出液浓度的计算 由液气比即可确定塔底排出液的浓度由液气比即可确定塔底排出液的浓度X11212YYXX塔的有效高度的计算塔的有效高度的计算填料层高度填料层高度 填料层的气液相浓度沿塔高连续变化，故不同塔截面上吸收推动力和传质速率并不相同。因此，必须进行积分。塔内任意截面处的传质速率塔内任意截面处的传质速率*AYdNK dA YY*0AAYNKYYdA*0AYYYdAKAA平均推动力平均推

13、动力YmKY A的计算：对数平均值法的计算：对数平均值法mY塔顶推动力：塔底推动力Y1Y2X1X2Y2*Y1*Y2Y2*Y2Y1Y1*Y11212lnmYYYYYA气液有效接触面积AH填料塔的横截面积填料塔的横截面积填料层高度填料层高度单位体积填料的有效气液接触面单位体积填料的有效气液接触面积积填料不可能将塔的全部体积占据；且填料表面积不能完全倍吸收剂覆盖，故引入有效 表面积填料层高度填料层高度H的计算的计算AYmNAHKYAYmNHKY单位体积填料的有效接触面积AYmNHKY传质速率单位时间吸收质单位时间吸收质在气相减少或在在气相减少或在液相增加的量液相增加的量所以所以,12,12()An

14、Vn LNqYYqXX则则,12,12()n Vn LYmXmqYYqXXHKYKX,12n VYmqYYKY传质单元高度传质单元高度传质单元数传质单元数 解吸液浓度：X2=0.001 入塔气体浓度：Y1=0.02 液气比： 1.5 平衡关系：Y=1.2X 出塔浓度：0.002 解吸液浓度变为X2=0.0015 能否完成吸收任务？ 若该吸收过程为气膜控制，则分别增加相同比例气体流量和液体流量对吸收过程有什么影响？ 传质单元高度 反映的是传质阻力传质阻力 传质单元数传质单元数 反映的是吸收的难易反映的是吸收的难易程度程度,推动力的大小：所需传质单元数越推动力的大小：所需传质单元数越多，意味着吸收越难进行。多，意味着吸收越难进行。,n VYqK12mYYY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。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：圆筒形填料塔的直径为： 式中式中q qv v，s s操作条件下混合气体体积流量，操作条件下混合气体体积流量， ； u u0 0 空塔气体流速，空塔气体流速， 。由液泛气速由液泛气速uf确定空塔气速确定空塔气速u0