化工 傳質(zhì)過程與塔設(shè)備

1、本章要點(diǎn)：吸收過程的氣液相平衡關(guān)系傳質(zhì)機(jī)理吸收速率吸收塔的計(jì)算：物料衡算，吸收劑用量計(jì)算，塔徑，填料層高度計(jì)算第五章 傳質(zhì)過程及塔設(shè)備第五章 傳質(zhì)過程及塔設(shè)備 傳質(zhì)過程簡(jiǎn)介傳質(zhì)過程簡(jiǎn)介 氣體的吸收氣體的吸收 吸收塔的計(jì)算吸收塔的計(jì)算傳質(zhì)過程簡(jiǎn)介 傳質(zhì)過程即物質(zhì)質(zhì)量傳遞的過程。傳質(zhì)過程即物質(zhì)質(zhì)量傳遞的過程。單相傳質(zhì) 僅在一相中發(fā)生的物質(zhì)傳遞 相間傳質(zhì) 通過相界面進(jìn)行的傳質(zhì)過程 常見的傳質(zhì)過程 傳質(zhì)過程的方式 傳質(zhì)過程的方向與極限 傳質(zhì)速率 常見傳質(zhì)設(shè)備 常見傳質(zhì)過程常見傳質(zhì)過程溶解、結(jié)晶液固干燥、吸附氣固吸收、蒸餾、精餾氣液萃取液液 單相體系中，物質(zhì)的傳遞方式 ： 相間傳質(zhì)擴(kuò)散擴(kuò)散分子擴(kuò)散物質(zhì)靠

2、分子運(yùn)動(dòng)從高濃度向低濃度轉(zhuǎn)移渦流擴(kuò)散靠流體的湍動(dòng)和渦流產(chǎn)生位移，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)由高濃度向低濃度轉(zhuǎn)移一相主體擴(kuò)散相界面擴(kuò)散另相界面另相主體擴(kuò)散如氣體吸收 傳質(zhì)的方向： 以氨氣吸收為例相平衡的方向相平衡的方向密閉容器水（溶劑） 氨氣(濃度高)空氣(惰性氣體)(溶質(zhì)，被吸收組分)氨氣（濃度低）空氣 傳質(zhì)的極限：相平衡相平衡推動(dòng)力：在兩相分配中，在兩相分配中，偏離平衡的程偏離平衡的程度度總壓溶質(zhì)（A）分壓 與溶液中A的濃度成平衡的氣相分壓 亦可用濃度差表示動(dòng)力*App*App*App*ApppAp*p密閉容器水（溶劑） 氨氣(濃度高)空氣(惰性氣體)(溶質(zhì)，被吸收組分)氨氣（濃度低）空氣 吸收吸收解吸解吸

3、平衡吸收推動(dòng)力傳質(zhì)速率傳質(zhì)推動(dòng)力傳質(zhì)阻力傳質(zhì)速率傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)推動(dòng)力塔設(shè)備 填料塔和板式塔 上述密閉容器能否用作工業(yè)吸收設(shè)備？上述密閉容器能否用作工業(yè)吸收設(shè)備？ 對(duì)工業(yè)吸收設(shè)備有什么要求？對(duì)工業(yè)吸收設(shè)備有什么要求？ 為達(dá)到上述要求，目前工業(yè)上常用的吸收設(shè)備為達(dá)到上述要求，目前工業(yè)上常用的吸收設(shè)備使使塔設(shè)備塔設(shè)備?？梢?，但吸收效果不好，原因在于氣、液兩相接觸情況不好盡可能提供氣、液兩相有足夠大的接觸面積大的接觸面積，盡可能使氣、液兩相接觸充分接觸充分，盡可能使氣、液兩相的傳質(zhì)推動(dòng)力大傳質(zhì)推動(dòng)力大（逆流）填料塔溶劑填料塔氣體在圓柱形殼體內(nèi)裝填一定高度的填料，液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料層頂部上，

4、依靠重力作用沿填料表面自上而下流經(jīng)填料層后自塔底排出；氣體則在壓強(qiáng)差推動(dòng)下穿過填料層的空隙，由塔的一端流向另一端。氣液在填料表面接觸進(jìn)行質(zhì)、熱交換，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化。 常用的填料可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。散裝填料在塔內(nèi)可亂堆，也可以整砌。拉西環(huán)十字環(huán)及螺旋環(huán)環(huán)鮑爾環(huán)階梯環(huán)鞍形填料規(guī)整填料Corrugated MetalPlates Packings 6400金屬板波紋規(guī)整填料 300脈沖規(guī)整填料各種陶瓷規(guī)整填料板式塔板式塔溶劑氣體在圓柱形殼體內(nèi)按一定間距水平設(shè)置若干層塔板，液體靠重力作用自上而下流經(jīng)各層板后從塔底排出，各層塔板上保持有一定厚度的流動(dòng)液層；氣體則在壓強(qiáng)差的推動(dòng)下，自

5、塔底向上依次穿過各塔板上的液層上升至塔頂排出。氣、液在塔內(nèi)逐板接觸進(jìn)行質(zhì)、熱交換，故兩相的組成沿塔高呈階躍式變化。新型塔板、填料DJ 塔盤 塔板類型 錯(cuò)流塔板和逆流塔板 塔板是板式塔的基本構(gòu)件，決定塔的性能。液相降液管堰氣相溢流塔板 (錯(cuò)流式塔板)：塔板間有專供液體溢流的降液管 (溢流管)，橫向流過塔板的流體與由下而上穿過塔板的氣體呈錯(cuò)流或并流流動(dòng)?？色@得較高的板效率，但降液管將占去塔板的傳質(zhì)有效面積，影響塔的生產(chǎn)能力。 液相氣相逆流塔板（穿流式塔板）：塔板間沒有降液管，氣、液兩相同時(shí)由塔板上的孔道或縫隙逆向穿流而過，板上液層高度靠氣體速度維持。優(yōu)點(diǎn)：塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，板上無液面差，板面充分利用，

6、生產(chǎn)能力較大；缺點(diǎn)：板效率及操作彈性不及溢流塔板。兩種塔的比較 填料塔 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氣體通過阻力小，便于用耐腐材料制造。 板式塔 生產(chǎn)能力大，塔效率穩(wěn)定，較適合處理量大的系統(tǒng)。氣體流過阻力大。 吸收概述 吸收中的相平衡關(guān)系亨利定律 吸收速率與傳質(zhì)機(jī)理吸收的依據(jù)和目的依據(jù)：利用混合氣體中各組分在液體中 作用：（1）原料氣的凈化。（2）有用組分回收。（3）制備有用溶液。（4）廢氣治理。吸收塔混合氣體溶液尾氣吸收劑溶解程度大的被吸收,難溶的則被留下了。被吸收的組分稱為吸收質(zhì)，不被吸收的組分成為惰性組分。溶解程度的差異溶解程度的差異,二、工業(yè)吸收過程必須解決問題：1、選擇合適的吸收劑；2、提供合適的氣液

7、傳質(zhì)設(shè)備；3、吸收劑的再生循環(huán)使用。吸收塔解吸塔吸收劑的選擇吸收劑的選擇1 溶解度 溶解度越大，吸收速率越大,吸收劑用量越越少。2 選擇性 吸收劑要對(duì)溶質(zhì)組分有良好的吸收能力,對(duì)其它組分基本上不吸收,或吸收甚微,否則不能實(shí)現(xiàn)有效的分離。3 揮發(fā)度 揮發(fā)度越大,則溶劑損失量越大,分離后氣體中含溶劑量也越大。4 粘度 粘度越小,流動(dòng)性越好,吸收速率越大,泵的功耗越小,且傳質(zhì)阻力減小。5 溫度敏感性6 其它 要求無毒,無腐蝕性,不易燃,不發(fā)泡,冰點(diǎn)底,價(jià)廉易得,具有化學(xué)穩(wěn)定性。吸收操作的分類吸收操作的分類按是否有化學(xué)反應(yīng)分:物理吸收、化學(xué)吸收按有無明顯溫度變化分:等溫吸收、非等溫吸收按組分?jǐn)?shù)分:單組

8、分吸收、多組分吸收按濃度分:低濃度氣體吸收、 高濃度氣體吸收本章主要討論:低濃度單組分等溫的物理吸收低濃度單組分等溫的物理吸收。吸收進(jìn)行的限度和方向吸收進(jìn)行的限度和方向取決于相平衡關(guān)系取決于相平衡關(guān)系稀溶液的氣液相平衡關(guān)系亨利定律亨利定律當(dāng)總壓不高時(shí),在一定溫度下,稀溶液上方氣體溶質(zhì)的平衡分壓與溶質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比,這就是亨利定律。其表達(dá)式為: p*=ExE:亨利系數(shù),由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，單位與壓強(qiáng)單位一致。T E 溶解度在同一溶劑中，難溶氣體的E值很大，易溶氣體的E值則很小。亨利定律的不同表達(dá)形式亨利定律的不同表達(dá)形式 p*=c/H 液相中溶質(zhì)濃度表示液相中溶質(zhì)濃度表示H:溶解度系數(shù),單位:

9、kmol/(kN m)H=/Ems y*=mx 氣、液相中溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)表示氣、液相中溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)表示m:相平衡常數(shù)總壓P一定時(shí)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,則x很小,1+（1-m）X 1則 Y*=mX 用摩爾比表示用摩爾比表示YYy1XXx1XXmYY11*XmmXY)1 (1*X液相中溶質(zhì)摩爾數(shù)液相中溶劑的摩爾數(shù)Y氣相中溶質(zhì)摩爾數(shù)氣相中溶劑的摩爾數(shù) y*=mx相平衡與吸收的關(guān)系相平衡與吸收的關(guān)系判斷過程進(jìn)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，則 KG=kG吸收阻力主要集中在氣膜中,這種吸收稱為氣膜控制。例如:用水吸收氨,氯化氫氣體對(duì)于難溶氣體,H很小,H/kG反之，則為脫吸過程脫吸操作線一定在相平衡線的下方操作線離平衡線越遠(yuǎn)，吸收推動(dòng)力越大M(X.Y1)Y*平衡線離操作線越遠(yuǎn)?T p m 由工藝條件，物料進(jìn)口濃度Y1,X2已知，出口氣體濃度Y2由生產(chǎn)任務(wù)確定，所以操作線方程恒過定點(diǎn)B。如圖。 若qn,L減小，即qn,L / qn,v操作線斜率減小，由于Y1不變，如圖，操作線沿Y=Y1右移。則出口液濃度X1增大，吸收推動(dòng)力 。吸收仍可進(jìn)行

11、 qn,L繼續(xù)減小，Y1移至相平衡線上，此時(shí)達(dá)到相平衡狀態(tài)，變小(X2,Y2)吸收停止吸收停止推動(dòng)力為零推動(dòng)力為零 吸收劑用量不能無限小，有一個(gè)極限值。吸收劑用量不能無限小，有一個(gè)極限值。 相平衡時(shí)的吸收劑用量為最小用量，此時(shí)相平衡時(shí)的吸收劑用量為最小用量，此時(shí)的液氣比稱為的液氣比稱為最小液氣比最小液氣比 適宜液氣比一般取最小液氣比的適宜液氣比一般取最小液氣比的1.151.5倍倍,12*,12minn Ln VqYYqXXqn,L / qn,v的影響 液氣比對(duì)吸收操作的影響 由全塔物料衡算式 qn,V(Y1-Y2)= qn,L (X1-X2)得 由右圖可知，出口液濃度X1越小，吸收推動(dòng)力越大，

12、吸收進(jìn)行的越快，吸收效果越好。X1越小，則液氣比越大即：在在qn,v一定的條件下，吸一定的條件下，吸收劑用量越大越好收劑用量越大越好1212YYXXY1Y1Y1吸收劑用量太大，經(jīng)濟(jì)成本高塔底排出液濃度的計(jì)算塔底排出液濃度的計(jì)算 由液氣比即可確定塔底排出液的濃度由液氣比即可確定塔底排出液的濃度X11212YYXX塔的有效高度的計(jì)算塔的有效高度的計(jì)算填料層高度填料層高度 填料層的氣液相濃度沿塔高連續(xù)變化，故不同塔截面上吸收推動(dòng)力和傳質(zhì)速率并不相同。因此，必須進(jìn)行積分。塔內(nèi)任意截面處的傳質(zhì)速率塔內(nèi)任意截面處的傳質(zhì)速率*AYdNK dA YY*0AAYNKYYdA*0AYYYdAKAA平均推動(dòng)力平均推

13、動(dòng)力YmKY A的計(jì)算：對(duì)數(shù)平均值法的計(jì)算：對(duì)數(shù)平均值法mY塔頂推動(dòng)力：塔底推動(dòng)力Y1Y2X1X2Y2*Y1*Y2Y2*Y2Y1Y1*Y11212lnmYYYYYA氣液有效接觸面積AH填料塔的橫截面積填料塔的橫截面積填料層高度填料層高度單位體積填料的有效氣液接觸面單位體積填料的有效氣液接觸面積積填料不可能將塔的全部體積占據(jù)；且填料表面積不能完全倍吸收劑覆蓋，故引入有效 表面積填料層高度填料層高度H的計(jì)算的計(jì)算AYmNAHKYAYmNHKY 不僅與設(shè)備大小、填料性質(zhì)有關(guān)，還受流體物性、流動(dòng)狀況的影響，難以測(cè)出。常常將KY與 或 KX 與 的乘積視為一體，一并測(cè)定，稱為體積吸收系數(shù)KY或 KX單位

14、體積填料的有效接觸面積AYmNHKY傳質(zhì)速率單位時(shí)間吸收質(zhì)單位時(shí)間吸收質(zhì)在氣相減少或在在氣相減少或在液相增加的量液相增加的量所以所以,12,12()An Vn LNqYYqXX則則,12,12()n Vn LYmXmqYYqXXHKYKX,12n VYmqYYKY傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元數(shù) 解吸液濃度：X2=0.001 入塔氣體濃度：Y1=0.02 液氣比： 1.5 平衡關(guān)系：Y=1.2X 出塔濃度：0.002 解吸液濃度變?yōu)閄2=0.0015 能否完成吸收任務(wù)？ 若該吸收過程為氣膜控制，則分別增加相同比例氣體流量和液體流量對(duì)吸收過程有什么影響？ 傳質(zhì)單元高度 反映的是傳質(zhì)阻

15、力傳質(zhì)阻力 傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元數(shù) 反映的是吸收的難易反映的是吸收的難易程度程度,推動(dòng)力的大?。核鑲髻|(zhì)單元數(shù)越推動(dòng)力的大?。核鑲髻|(zhì)單元數(shù)越多，意味著吸收越難進(jìn)行。多，意味著吸收越難進(jìn)行。,n VYqK12mYYY塔徑的計(jì)算 塔徑的大小主要根據(jù)塔設(shè)備單位時(shí)間處理氣體混合物塔徑的大小主要根據(jù)塔設(shè)備單位時(shí)間處理氣體混合物的量（即生產(chǎn)能力）和塔內(nèi)所采用的氣流速度來決定。的量（即生產(chǎn)能力）和塔內(nèi)所采用的氣流速度來決定。 圓筒形填料塔的直徑為：圓筒形填料塔的直徑為： 式中式中q qv v，s s操作條件下混合氣體體積流量，操作條件下混合氣體體積流量， ； u u0 0 空塔氣體流速，空塔氣體流速， 。由液泛氣速由液泛氣速uf確定空塔氣速確定空塔氣