化工基础理论第5章传质过程及塔设备

物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质量传递过程，简称传质。在一相中发生的物质传递是单相传质，通过相界面的物质传递为相间传质。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。5.1传质过程及塔设备简介5.2气体的吸收5.3液体的精馏5.1传质过程及塔设备简介1.传质过程的类型气体吸收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。两相间的传质过程，分为流体相间和流固相间的传质两类。（1）流体相间的传质过程①气相一液相包括气体的吸收、液体的蒸馏、气体的增湿等单元操作。液体蒸馏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。增湿是将干燥的空气与液相接触，水分蒸发进入气相。①气相一固相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相，从而将湿分除去，这就是固体的干燥。②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。（2）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，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，这是结晶。②液相一固相固体浸取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。液体吸附是固液两相相接触，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。离子交换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。2．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现的，常见的扩散方式有分子扩散和涡流扩散两种。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。（1）传质的方式与历程某组分在两相间传质，步骤是：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。涡流扩散、分子扩散，两者统称对流扩散。②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：f=k-φ+2f为独立变量数,k为组分数,φ为相数，“2”是指外界的温度和压力两个条件。（2）传质过程的方向与极限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(Henry)定律；理想溶液的气液相间符合拉乌尔(Raoult)定律。①一定条件下，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。③在一定条件下(如温度、压力)，两相体系必然有一个平衡关系。①若物质在一相中(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；PA＞PA*相间传质过程的方向和极限的判断：③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。PA＝PA*②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；PA＜PA*相平衡关系指明传质过程的方向，平衡是传质过程的极限，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＝传质阻力传质推动力即传质速率=传质系数×传质推动力（3）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：单位时间内，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，称为分速率方程；整个过程速率方程为总速率方程，相应的有传质分系数和总系数之分。3.塔设备简介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，分为填料塔与板式塔两大类。（1）填料塔①填料塔结构如图所示,圆筒形,内装填料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，导致气液接触不良，影响传质效果，称之为塔壁效应。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。拉西环优点是结构简单、制造方便、造价低廉，缺点是气液接触面小，沟流及塔壁效应较严重，气体阻力大，操作弹性范围窄等。鞍形(弧鞍和矩鞍)填料像马鞍形的填料，不易形成大量的局部不均匀区域，空隙率大，气流阻力小。鞍环填料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。波纹填料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、分离效率高，不适合有沉淀物、易结焦和粘度大的物料，装卸、清洗较困难，造价也高。金属丝网价格昂贵用于要求高,产量不大操作。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,液泛气速,持液量,气液分布等影响.空塔气速是指按空塔计算得到的气体线速度。下图为不同喷淋密度下，单位高度填料层的压降Δp/H与空塔气速u的关系图。②填料塔内的流体力学状况L=0，即气体通过干填料层时Δp／H～u呈直线关系，直线的斜率为1.8—2.0，表明Δp／H与u的1.8～2次方呈正比，气流状态为湍流。气速增大至某值时，液体流动受到两相流体间摩擦力的阻碍，填料层的持液量随气速的增加而增加，此现象称拦液现象。将开始拦液的转折点称载点，载点对应的空塔气速称载点气速。超过载点气速后，Δp/H～u关系线斜率加大，填料层内的液流分布和表面润湿程度均大有改变，两相湍动程度加剧，塔内持液量不断增多，液体充满整个塔空间，导致压降急剧升高。液体由分散相变为连续相，气体由连续相变为分散相，以鼓泡状通过液层,把液体带出塔顶，塔操作不稳定，此现象称液泛。开始发生液泛的转折点为泛点，相应的空塔气速称泛点气速。影响泛点气速的因素有填料特性、流体物性、气液的流量等。实际操作气速常取泛点气速的50％～85％。①塔板的结构板式塔的壳体为圆筒形，里面装有若干块水平的塔板。（2）板式塔塔板上的气液两相流动有错、逆流之分，如图所示。塔板的结构型式有a．泡罩塔板构造如图示。泡罩塔板有较好的操作弹性，结构复杂、造价高，尤其是气体流径曲折，塔板压降大、液泛气速低、生产能力小。b．浮阀塔板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性大、板效率高、塔板阻力小、结构简单、造价低等优点，但浮阀对材料的抗腐蚀性要较高，采用不锈钢制造。c.舌形塔板如下图所示。舌形孔的典型尺寸为：φ＝20°，R=25mm，A＝25mm。舌形塔板结构简单、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。d．筛孔塔板结构简单、造价低廉、气体压降小、生产能力较大；缺点是操作弹性范围较窄，小孔筛板易堵塞。舌形塔板e．导向筛板如图a.气液接触状态孔速较低时,气体以鼓泡形式通过液层，板上气液两相呈鼓泡接触，图(a).随孔速的增大气泡的数量而增加,气泡表面连成一片发生合并与破裂,板上液体以泡沫形式存在于气泡之中,但液体为连续相,气体为分散相,图5(b).孔速继续增大,气体从孔口喷出,液体由连续相变为分散相,气体则由分散相变为连续相,图©.②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、雾沫夹带、液泛等流体力学规律。b．漏液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，液体会直接从孔口落下，这种现象称为漏液。正常操作时，一般控制漏液量不大于液体流量的10％。d．液泛气速增大，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下，造成淹塔，即液泛。c．雾沫夹带板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象称为雾沫夹带。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。应控制夹带量不超过0.1kg(液体)/kg(干气体)。对塔设备的要求：①气液负荷大，即单位塔截面处理物料量大，生产能力大；②传质效率高，达到规定分离要求的塔高较低；③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；④气体通过塔时阻力小，以适应减压操作或节省动力；⑤结构简单，易加工制造，维修方便，耐腐蚀，不堵塞。（3）填料塔与板式塔的比较填料塔结构简单,直径小,气体通过阻力小,处理有腐蚀性的物料好,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,塔效率稳定利于放大.吸收操作一般用填料塔；精馏操作采用板式塔。小结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。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、操作稳定等特点。5.2气体的吸收1．概述吸收是用于分离气体混合物的一种常见的单元操作。吸收操作所用的液体称为吸收剂，被溶解吸收的组分称为吸收质，不被吸收的组分称为惰性组分，分别以S、A、B表示。工业生产中的吸收过程通常包括吸收与解吸两部分。如用炼焦过程的副产物煤焦油(洗油)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。③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；吸收剂选择原则：①对吸收质有较大的溶解度，以加速吸收、减少吸收剂用量；②对所处理气体必须有较高的选择性；④蒸气压低，以减少吸收和再生过程中的挥发损失；⑤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,对可供选用的吸收剂应作技术经济评价后合理选择。2.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称平衡分压，在液相中的组成称平衡浓度或平衡溶解度，简称溶解度。吸收过程中，吸收质与吸收剂发生化学反应的吸收称化学吸收；不发生明显化学反应的吸收称物理吸收。（1）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。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SO2、NH3、HCl的气液相平衡关系。加压和降温都可以提高气体的溶解度，尤其是温度改变，溶解度变化较大。吸收操作尽量维持在较高压力和较低温度下进行。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。吸收操作处理的气体为低浓度气体(10%),形成的是稀溶液。当总压不太高时(0.5Mpa)，稀溶液的相平衡关系服从亨利定律：P*=Ex式中P*—与稀溶液相平衡的吸收质气相平衡分压；x—吸收质在溶液中的摩尔分数；E—亨利系数，Pa。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E。E的大小与吸收质和吸收剂的种类及温度有关。不同吸收质，E越大，越难溶解；同一吸收质，温度升高，E增大，溶解度下降.故E的大小能够反映气体溶解的难易程度。（2）亨利定律亨利定律有不同的数学表达形式：P*=c/Hy*=mx式中c——液相中吸收质物质的量浓度，3mkmolH——溶解度系数，3mkmol1Pay*——与X相平衡的吸收质在气相中的摩尔分数；m——相平衡常数，量纲为1。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。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，称为摩尔比，用Y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的比来表示液相中吸收质的量，用X表示。摩尔比与摩尔分数的关系是：yyY1xxX1XmmXY)1(1*对稀溶液,X值很小，上式化简为Y*＝mX式中Y*为与X相平衡的气相摩尔比。