注冊(cè)化學(xué)工程師 傳質(zhì)過(guò)程

第五章傳質(zhì)過(guò)程

質(zhì)量傳遞是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域普遍存在的現(xiàn)象，質(zhì)量傳遞理論是均相混合物分離的物理基

礎(chǔ)。以平衡分離為重點(diǎn)。所敘述的各傳質(zhì)單元操作均以質(zhì)量傳遞理論和處理工程問(wèn)題的方法論為兩條

主線，各單元操作的內(nèi)容順序編排和結(jié)構(gòu)層次基本相同，即各單元操作的物理化學(xué)原理、建立兩相體

系的手段、平衡關(guān)系、過(guò)程與設(shè)備的理想化模型、物料衡算（包括總衡算及操作線方程）、過(guò)程計(jì)算

（包括設(shè)計(jì)型和操作型）、主要工藝參數(shù)的選擇及優(yōu)化等，具有明顯的共性。同時(shí)，各單元操作又有

其不同的內(nèi)容，也就是有其特殊性。通過(guò)各單元操作的對(duì)比分析，加深對(duì)共性內(nèi)容的理解，擴(kuò)展不同

單元操作的個(gè)性知識(shí)。從而掌握傳質(zhì)過(guò)程的設(shè)計(jì)分析方法和工業(yè)應(yīng)用，提高對(duì)系統(tǒng)或單元設(shè)備的計(jì)算

技能?？荚囍斜静糠謨?nèi)容約占14%?？碱}含有客觀題（包括概念及綜合概念）、計(jì)算題（包括簡(jiǎn)單計(jì)

算及連鎖計(jì)算，但各小題的計(jì)算結(jié)果不相互株連）及案例分析等類(lèi)型。

本堂主要內(nèi)容包括：

（1）質(zhì)量平衡理論知識(shí)和在工業(yè)應(yīng)用中的計(jì)算技能；

（2）對(duì)吸收、解吸、吸附、蒸饋、干燥、萃取、蒸發(fā)、結(jié)晶、增濕和除濕等過(guò)程的分析和計(jì)算。

第一節(jié)質(zhì)量傳遞與化工分離過(guò)程概述

5.1質(zhì)量傳遞與化工分離過(guò)程概述

質(zhì)量傳遞過(guò)程又稱(chēng)擴(kuò)散過(guò)程。質(zhì)量傳遞的起因是系統(tǒng)內(nèi)部存在化學(xué)勢(shì)的差異（如濃度差、溫度差、

壓力差或外加電磁場(chǎng)等）。質(zhì)量傳遞可以在一相內(nèi)進(jìn)行，也可在相際間進(jìn)行。在近代化工、石油、生

物、制藥、環(huán)保、國(guó)防等工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，傳質(zhì)分離過(guò)程發(fā)揮了特別重要的作用，甚至是關(guān)鍵作用。

所有化學(xué)加工工業(yè)中都包括對(duì)原料或反應(yīng)產(chǎn)物的分離提純操作。傳質(zhì)分離的主要對(duì)象是均相混合物。

5.1.1傳質(zhì)分離方法的分類(lèi)

根據(jù)物理化學(xué)原理的不同，傳質(zhì)分離過(guò)程可分為平衡分離（又稱(chēng)擴(kuò)散分離）和速率分離（又稱(chēng)輸

送分離）兩大類(lèi)。

1.平衡分離過(guò)程

平衡分離過(guò)程系借助分離媒介（如熱能、溶劑、吸附劑等）使均相混合物系統(tǒng)變?yōu)閮上囿w系，再

以混合物中各組分在處于平衡的兩相中分配關(guān)系的差異為依據(jù)而實(shí)現(xiàn)分離。根據(jù)兩相狀態(tài)的不同，平

衡分離過(guò)程可分為如下幾類(lèi)：

①氣液傳質(zhì)過(guò)程，如吸收、氣體的增濕和減濕。

②汽液傳質(zhì)過(guò)程，如液體的蒸僧利精情。

③液液傳質(zhì)過(guò)程，如萃取。

④液固傳質(zhì)過(guò)程，如結(jié)晶、浸取、吸附、離子交換、色層分離、參數(shù)泵分離等。

⑤氣固傳質(zhì)過(guò)程，如固體干燥、吸附等。

上述的固體干燥、氣體的增濕與減濕、結(jié)晶等操作同時(shí)遵循熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的規(guī)律，一般將

其列入傳質(zhì)單元操作。

在平衡分離過(guò)程中，i組分在兩相中的組成關(guān)系常用分配系數(shù)（又稱(chēng)相平衡比）用（來(lái)表示，即

KFYi/Xi（5.1-1）

式中y-Xi分別表示i組分在兩相中的組成。習(xí)慣上yi表示蒸儲(chǔ)、吸收中汽（氣）相組成和萃取

中萃取相的組成。k值的大小取決于物系特性及操作條件（如溫度和壓力等）和兩個(gè)組分的相平衡比

ki和kj之比稱(chēng)為分離因子a”，即

Qij=Ki/Kj（5.1-2）

通常將數(shù)值大的當(dāng)作分子，故a.一般大于1。當(dāng)a,j偏離1時(shí)，便可采用平衡分離過(guò)程使均相混

合物得以分離，入」越大越容易分離。在某些傳質(zhì)單元操作中，分離因子又有專(zhuān)用名稱(chēng)，如蒸播中稱(chēng)

作相對(duì)揮發(fā)度，萃取中稱(chēng)作選擇性系數(shù)。

2.速率分離過(guò)程

速率分離過(guò)程是指借助某種推動(dòng)力，如濃度差、壓力差、溫度差、電位差等作用，某些情況下在

選擇性透過(guò)膜的配合下，利用各組分?jǐn)U散速度的差異而實(shí)現(xiàn)混合物的分離操作。這類(lèi)過(guò)程的特點(diǎn)是所

處理的物料和產(chǎn)品通常屬于同一相態(tài)，僅有組成的差別。

速率分離過(guò)程可分為兩大類(lèi)：

①膜分離，利用選擇性透過(guò)膜分割組成不同的兩股流體,如超濾、反滲透、滲析和電滲析等.

②場(chǎng)分離，如電泳、熱擴(kuò)散、高梯度磁力分離等。

從工程目的來(lái)看，上述過(guò)程都可達(dá)到混合物分離的目的，故又稱(chēng)為分離操作。

傳質(zhì)分離過(guò)程的能量消耗，常構(gòu)成單位產(chǎn)品成本的主要因素之一，因此，降低傳質(zhì)分離過(guò)程的能

耗，受到全球性普遍重視。膜分離和場(chǎng)分離是一類(lèi)新型的分離操作，具有節(jié)約能耗，不破壞物料，不

污染產(chǎn)品和環(huán)境等突出優(yōu)點(diǎn)，在稀溶液、生化產(chǎn)品及其他熱敏性物料分離方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.分離方法的選擇

面對(duì)一種均相混合物，往往有多種分離方法可供選擇。如何根據(jù)具體條件，選擇技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)

濟(jì)上合理、有利于可持續(xù)發(fā)展的最佳方案，是工程科技人員的根本任務(wù)。在進(jìn)行分離方法選擇時(shí)，應(yīng)

認(rèn)真考慮被分離物系的相態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)）和特性（熱敏性、可燃性、毒性等），對(duì)分離新產(chǎn)

品的質(zhì)量要求（純度、外觀等），經(jīng)濟(jì)程度（設(shè)備投資、操作費(fèi)用、動(dòng)力消耗等），當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件及

環(huán)境保護(hù)等因素，尤其要注意一些可變因素（如原料組成、溫度，甚至物態(tài)和設(shè)名等）的影響，以便

充分調(diào)動(dòng)有利因素，因地制宜，取得最大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5.1.2分離操作中的質(zhì)量衡算

1.相組成的表示方法

工程上常用如下方法表示相組成。

⑴濃度

單位體積內(nèi)所含物質(zhì)的量稱(chēng)為濃度。物質(zhì)的量可以是摩爾數(shù)，其單位為kmol/W或mol/L；也可

是質(zhì)量，其單位為kg/n?或kg/L

（2）摩爾分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)

混合物中某組分的量和總物質(zhì)量的比值稱(chēng)為分?jǐn)?shù)。根據(jù)基準(zhǔn)的不同，有摩爾分?jǐn)?shù)（對(duì)于理想氣體

也即體積分?jǐn)?shù)或分壓分?jǐn)?shù)）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)之分。習(xí)慣上輕相常用y表示，重相用x表示。

（3）摩爾比和質(zhì)量比組成

混合物系中某組分的量和其余組分量的比值稱(chēng)為比組成。根據(jù)基準(zhǔn)不同，分別用摩爾比和質(zhì)量比

表示。通常，輕、重相分別用Y及X表示.

分?jǐn)?shù)和比組成的換算關(guān)系為

了=六或?（5.1-3）

總成燈皆（5.1-4）

2.分離操作中的物料衡算

⑴物料衡算式

物料衡算的基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律。對(duì)于定態(tài)的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，進(jìn)入系統(tǒng)的物料質(zhì)量應(yīng)等于輸出系

統(tǒng)的物料質(zhì)量，即

尸EG。（5.1-5）

式中：一EG為進(jìn)入系統(tǒng)的物質(zhì)總量；二，‘為輸出系統(tǒng)的物料總量。

上式中各股物料的數(shù)量可用質(zhì)量或物質(zhì)量（即摩爾數(shù)）衡量。對(duì)于液體及處于恒溫、恒壓下的理

想氣體還可用體積計(jì)量。

對(duì)于不存在化學(xué)反應(yīng)的物理操作，式5.1-5也適用于物料中任一組分的衡算。

(2)物料衡算的基準(zhǔn)

對(duì)于連續(xù)操作過(guò)程，常以單位時(shí)間為基準(zhǔn)。對(duì)于間歇操作，則以一個(gè)操作循環(huán)為基準(zhǔn)，即以一批

物料為基準(zhǔn)。

(3)物料衡算的步驟

①根據(jù)題意畫(huà)出流程示意圖，在圖上用箭頭標(biāo)出物料的流向，并用數(shù)字和符號(hào)注明物流的數(shù)量和

單位。

②確定衡算范圍(控制體)。工程計(jì)算中，可根據(jù)具體情況以一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或某一設(shè)備，甚至設(shè)

備的某一局部作衡算。

③定出衡算基準(zhǔn)。

④列出衡算式，進(jìn)行物料衡算。

通過(guò)物料衡算，可求得各流股的流量、組成，計(jì)算收率，為分離設(shè)備工藝尺寸的計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)

據(jù)。

【例5.1-11直徑為0.1m的球形顆粒懸浮在水中，固體的體積百分?jǐn)?shù)為10%.用過(guò)濾方法進(jìn)行分

離。濾餅的孔隙率(即濾餅中水所占的體積分?jǐn)?shù))為0.6,每平方米過(guò)濾面積上獲得0.5n?的濾液，

則濾餅的厚度L為若干米。

解：以1過(guò)濾面積為衡算范圍，以每平方米上獲得0.5nf濾液為基準(zhǔn)，作水分的衡算，便可求

得濾餅厚度，即

料獎(jiǎng)中水的體積二濾液體積+濾餅中水的體積

(0.5+lxL)X(1-0.1)=0.5+1x0.6L

【例5.1-2］為了節(jié)能，在本例附圖所示廢氣循環(huán)的干燥流程中將物料的濕基含水量從W,=0.45

干燥至%=0.05濕物料的處理量為G,=lkg/s濕度為0.01kg/kg絕干氣的新鮮空氣與濕度為0.04kg/kg

絕干氣混合后進(jìn)入預(yù)熱器。采用的循環(huán)比為20試求新鮮空氣的流量及°

解：在本例條件下，以整個(gè)干燥裝置為衡算范圍最為簡(jiǎn)便。以1s基準(zhǔn)作水分的平衡，則

■用-%)=6(七->2)

式中，乩、Ho為己知，被干燥物料的有關(guān)參數(shù)為

x\懸=68182kg/kg絕干料

同理&=0.05263kg/kg絕干料

J6(1-叫)=1x(1-0.45)?O,55kg/s

C(X】一&)0.55x(0.8182-0.05263)...如工々,

Ls

FT%=-------0^0.01-----------=1%(Mkg箔干氣/B

Lo=H1+/)=14.Mx(l+0.01)=14.18kg新鮮空氣/s

例5J?2附圖

5.1.3傳質(zhì)設(shè)備

應(yīng)月于平衡分離過(guò)程的設(shè)備，其功能是提供兩相密切接觸的條件，進(jìn)行相際傳質(zhì)，爾后兩相又能

完善分離，從而達(dá)到組分分離的目的。性能優(yōu)良的傳質(zhì)設(shè)備，一般應(yīng)滿足以下要求：

①單位體積中，兩相的接觸面積應(yīng)盡可能大，兩相分布均勻，避免或抑制短路及返混。

②流體的通量大，單位設(shè)備體積的處理量大。

③流動(dòng)阻力小，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)力消耗低。

④操作彈性大，對(duì)物料的適應(yīng)性強(qiáng)。

⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，操作調(diào)節(jié)方便，運(yùn)行可靠安全。

傳質(zhì)設(shè)備種類(lèi)繁多，而且不斷有新型女備問(wèn)世。傳質(zhì)設(shè)備可按照不同方法進(jìn)行分類(lèi)：

①按照所處理物系的相態(tài)可分為氣（汽）液傳質(zhì)設(shè)備（用于蒸儲(chǔ)及吸收等）、液液傳質(zhì)設(shè)備（用

于萃取等）、氣固傳質(zhì)設(shè)備（用于干燥、吸附）、液固傳質(zhì)設(shè)備（用于吸附、浸取、離子交換等。

②按照兩相的接觸方式可分為分級(jí)接觸設(shè)備（如各種帶降液管的板式塔、多級(jí)混合-澄清槽、多

層流化慶吸附等）和微分接觸設(shè)備（如填料塔、膜式塔、噴淋塔、移動(dòng)床吸附柱等）。在級(jí)式接觸設(shè)

備中，兩相組成呈階梯式變化，而在微分裝觸設(shè)備中，兩相組成沿設(shè)備高度連續(xù)變化。

③技促使兩相混合和實(shí)現(xiàn)兩相密切接觸的能量可分為兩類(lèi)。一類(lèi)是依靠一種流體自身所具有的能

量分散到另一相中去的設(shè)備，如大多數(shù)的板式塔、填料塔、流化床、移動(dòng)床等；另一類(lèi)是依靠外加能

量促使兩相密切接觸的設(shè)備，如攪拌式混合-澄清槽、轉(zhuǎn)盤(pán)塔、脈沖填料塔、往復(fù)式篩板塔及離心萃

取器等。

此外，對(duì)于氣固和液固傳質(zhì)設(shè)備，還可按固體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為固定床、移動(dòng)床、流化床和攪拌槽

等。其中流化床傳質(zhì)設(shè)備采用流態(tài)化技術(shù)，將固體顆粒懸浮在流體中，使兩相均勻接觸，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化

傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的目的。

傳質(zhì)設(shè)備在化工、石油、輕工、冶金、食品、醫(yī)藥、環(huán)保等工業(yè)部門(mén)的整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備中占很大比

例，因此，合理選擇設(shè)備，完善設(shè)備設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)備操作對(duì)于節(jié)省投資，減少能耗和降低成本，提高

經(jīng)濟(jì)效益，有著十分重要的意義。。

5.2傳質(zhì)分離過(guò)程的分析和計(jì)算

5.2.1吸收及解吸

1.吸收過(guò)程

工業(yè)上，吸收過(guò)程通常在吸收塔中進(jìn)行。根據(jù)氣、液兩相的流動(dòng)方向，分為逆流操作和并流操

作兩類(lèi)，工業(yè)生產(chǎn)中以逆流操作為主。圖5.2T所示為逆流吸收塔的計(jì)算模型示意圖。

1）物料街算與操作線,方程

V.Y2L,Xi

u（1）物料衡算

在全塔范圍內(nèi)對(duì)溶質(zhì)作物料衡算,可得

y（匕-y”L（xr）（5.2-1）

>X

式中：V為單位時(shí)間通過(guò)吸收塔的惰性氣體量,kmol（B）/s;L為單位時(shí)間

通過(guò)吸收塔的溶劑量,kmJ（S）AHr,、打?yàn)檫M(jìn)塔、出塔氣體中溶質(zhì)組分的

摩爾比?kmol（A）/kn?l（B）;再、易為出塔,進(jìn)塔液體中溶質(zhì)組分的摩爾

n比,kmol（A）/kmo1（S）9

V.Yit.Xi溶質(zhì)的吸收率為

圖5.2?1啜收塔的弘工4f^（5.2-2）

計(jì)算糧量示意用

若已知溶質(zhì)的吸收率,則氣體出塔的盥成匕為

h=%（l-fA）（5.2-3）

（2）吸收塔的費(fèi)作坡方程

逆流吸收塔的操作線方程為

y=，X+（匕-舞）（5.2-4）

或

丫申+（打-匆）（525）

由操作線方程可知，塔內(nèi)任一橫截面上的氣相組成1，與液相組成x成線性關(guān)系，直線的斜率為

L/V,該直線通過(guò)點(diǎn)3（X|，X）及點(diǎn)，（蒞，丫2）。圖5.2-2中的直線網(wǎng)即為逆流吸收的操

作線。

圖5.2?2逆流吸收塔的操作線圖5.2?3吸收塔的最小液氣比

2）吸收劑用量的確定

(1)最小液氣比

操作線斜率L/v稱(chēng)為液氣比。如圖5.2-3所示，在y值一定的情況下，吸收劑用量L減小，操作

線斜率也將變小，操作線向平衡線靠近。當(dāng)吸收劑用量減小到某一數(shù)值，恰使操作線與平衡線相交，

此時(shí)吸收過(guò)程的推動(dòng)力為零，所需的填料層為無(wú)限高，此種狀況下操作線的斜率稱(chēng)為最小液氣比，以

(L/V)min表示，相應(yīng)的吸收劑用量即為最小吸收劑用量，以Lmin表示。

最小液氣比可用圖解法求得，即

(p)—？(5.2-6)

或J%二1(5.2-6?)

若氣液平衡方程為

r?mX

財(cái)件).■經(jīng)627)

或\工”了—7(5.2-7?)

(2)適宜的液氣比

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，適宜液氣比的范圍為

9(1」~2.0)闈(5.2⑹

sin

或L=(l.N2.0)L^(5.2&)

3)塔徑的計(jì)算

吸收塔的直徑可按下式計(jì)算，即

0=(去(5.2-9)

式中：D為吸收塔的直徑，m；V，為操作條件下混合氣體的體積流量(以塔底的氣量為依據(jù))，m7s；

u為空塔氣速，即按空塔截面計(jì)算的混合氣體的線速度，m/so

4)吸收塔有效高度的計(jì)算

吸收塔的有效高度是指塔內(nèi)進(jìn)行氣液芍質(zhì)部分的高度，也即填料層的高度，填料層高度的計(jì)算可

分為傳質(zhì)單元數(shù)法和等板高度法。

(1)傳質(zhì)單元數(shù)法

采用傳質(zhì)單元數(shù)法計(jì)算填料層高度的基本公式為

(5.2-10)

式中：Z為填料層高度，m;h為氣相總傳質(zhì)單元高度，m;N%為氣相總傳質(zhì)單元數(shù)，量綱為1。

氣相總傳質(zhì)單元高度的計(jì)算公式為

V

〃(5.2-11)

式中：a為填料的有效比表面積(單位體積填料層所提供的有效傳質(zhì)面積)，而小\口為吸收塔

J

截面積in?;人為氣相總吸收系數(shù),kmol/(m.s)0

應(yīng)予指出，填料的有效比表面積a一般很難直接測(cè)量，通常將其與吸收系數(shù)的乘積Kya視為一體，

稱(chēng)為氣相總體積吸收系數(shù)，其單位為kmol/(m3-s)o

氣相總傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算公式為

NOGNAM(1-+s](5.2-12)

I-bIJj-12J

式中：S為脫吸因數(shù)，

5=乎,無(wú)因次；丫；為與進(jìn)塔液相組成蒞成平衡的氣相組成，由平衡方

L程計(jì)算。

式5.2-12經(jīng)進(jìn)一步整理可得

Aroc=4v^(5.2-13)

0'?

△%

式中為以氣相組成表示的對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力，其計(jì)算式為

△K-△匕(匕-匕*)一(匕一好)

迎

(2)等板高度法

采用等板高度法計(jì)算填料層高度的基本公式為

ZfHEJP(5.2-14)

式中：NT為完成指定的分離任務(wù)所需的理論級(jí)數(shù)：HETP為等板高度(分離效果與一個(gè)理論級(jí)的

作用的填料層高度)，mo

In”

=-；_7^-1(5.2-15)

inA

A=±

式中：A為吸收因數(shù)，mP,無(wú)因次；6為相對(duì)吸收率(吸收塔內(nèi)溶質(zhì)的吸收率與理論最大

吸收率的比值)，其計(jì)算式為

【例5.2-1]在填料吸收塔中用清水吸收氨-空氣混合物中的氨。已知進(jìn)塔混合氣的流量為52

kmol/h,其組成為0.055(摩爾分?jǐn)?shù))，操作條件下的氣液平衡關(guān)系為y=0.88X,吸收劑的用量為最小

用量的1.6倍，要求溶質(zhì)的回收率為95%。試計(jì)算：

(1)出塔尾氣的摩爾組成；

(2)吸收劑的用量，kg/ho

解：(1)出塔尾氣的摩爾組成

力0.055

=0.0582

1-%1-0.055

Y2=匕(1-^A)=0.0582x(1-0.95)=0.00291

均0.00291

72=1^=1+0.00291=0.0029

(2)吸收劑的用量

最個(gè)液氣比為

/L\_Y}-Y2_0.0582-0.00291

Ea-y；/m二至"0.0582/0.88-0=0.836

操作液氣比為

y=1.6x0.836=1.338

進(jìn)塔惰性氣體的流量為

y=52x(]-0.055)=49.14kmol/h

￡=1.338x49.14=65.75kmol/h

r=65.75x18=1183.5kg/h

分析：①本題要求計(jì)算出塔尾氣的摩爾組成，故應(yīng)將摩爾比丫2轉(zhuǎn)換成摩爾分?jǐn)?shù)力。

②不能采用以下方法計(jì)算出塔尾氣的摩爾組成y2

九=%(1-^A)=0,055x(1-0.95)=0.00275

因?yàn)槿苜|(zhì)的回收率夕A的定義式為

③本題要求計(jì)算吸收劑的質(zhì)量流量(kg/h),故求出摩爾流量(kmol/h)后需乘以吸收劑的相對(duì)摩

爾質(zhì)量。

【例5.2?2】常壓下，在填料吸收塔中用洗油吸收焦?fàn)t氣中的芳燃。已知焦?fàn)t氣中芳燃的含量為

0.026(摩爾分?jǐn)?shù)，下同),要求出塔氣體中芳燃的含量不超過(guò)0.002,進(jìn)入吸收塔頂?shù)南从椭蟹紵?/p>

含量為0.005,物系在操作條件下的氣液立衡關(guān)系為y=0.262X,吸收劑的用量為最小用量的2.0倍。

試計(jì)算：

(1)芳煌的回收率；

(2)吸收液的組成(摩爾分?jǐn)?shù)).

解：(1)芳煌的回收率

丫產(chǎn)之0.026

F-0.儂=0.0267

y20y2ss0002

匕-匕0.0267-0.002

%二F-0.0267~=92.51%

(2)吸收液的組成(摩爾分?jǐn)?shù))

吸收塔頂?shù)南从椭兴既嫉哪柋葹?/p>

蒞2町=0.005

最個(gè)液氣比為

L匕-Y20.0267-0.002

VL二匕/m-M=0.0267/0.262-0.005=0.255

操作液氣比為

y=2.0x0.255=0.51

由物料衡算式

八匕-丫2）=￡（&-&）

x產(chǎn)四產(chǎn)+%=四端半+0.005=0,0534

吸收液的摩爾組成為

X0.0534

T+X"1+0.0534=0.0507

分析：①當(dāng)溶質(zhì)的組成很低（一般小于0.005）時(shí)，其摩爾比近似等于摩爾分?jǐn)?shù)。

②本題要求計(jì)算吸收液的摩爾組成，故求出吸收液的摩爾比后，需將其轉(zhuǎn)換成摩爾分?jǐn)?shù)。

【例5.2.3】在直徑為0.6m的填料塔內(nèi)，用清水吸收混于空氣中的丙酮蒸氣。已知操作壓力

為110.0kPa,操作溫度為26℃,混合氣體的流量為500m/h,丙酮的體積分?jǐn)?shù)為0.05,要求丙酮

回收率為96%,清水用量為最小用量的1.5倍，操作條件下的氣液平衡關(guān)系為y=2.38X,氣相總體積

3

吸收系數(shù)為0.0342kmol/（^.s）,試求所需填料層高度。

解;丫二xx27^^26'（1-0.05）=21.02kmol/h

匕=I=0.0526

11-711-0.05

打=匕（1-PA）=0.0526x（l-0.96）=0.0021

最小液氣比為

田-一匕0.0526—0.0021_,小

\VI^T.—7~0.0526/2.38-0=

操作液氣比為

y=1.5x2.285=3.428

mV_2.38

T"l428=0.694

/VoG=T^Sln[^1'S)y；.疝+s]

=1^4山1-也694)^§4^+0,694]=6.939

V2L02/3600

=0.604m

-0.0342x0.785x0.62

^=//OG^OG=0.604x6.939=4.191m

分析：①本題給出混合氣體的體積流量，計(jì)算中應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成惰性氣體的摩爾流量y,kmol/h.

②本題給出氣相總體積吸收系數(shù)為0.0342kmol/(m3-s),為保持單位的一致性，在h的計(jì)算式

中，y的單位應(yīng)為kmol/s,故應(yīng)除以36000

【例5.2-4］在某壓力下，用清水在填料塔內(nèi)吸收混于空氣中的丙酮蒸氣。已知混合氣體的流量

為40knol/h,丙酮的體積分?jǐn)?shù)為0.015,要求丙酮的回收率為96%,清水用量為最小用量的1.6倍,

操作條件下的氣液平衡關(guān)系為y=2.53X,填料的等板高度為0.525m.試求所需的填料層高度。

解：V=40x(1-0.015)=39.4kmol/h

%0.015八

v匕->--1-0.015-0,0152

-4

丫2=匕。-9?A)=00152x(1-0.96)=6.08x10

最小液氣比為

(L\匕-左0.0152-6.08x10-4

E「TTT二一而152/2.53-0=2.429

荷-蒞

操作液氣比為

~=1.6x2.429=3,886

吸收因數(shù)為

AL3.88610c

對(duì)于純?nèi)軇┪?，?8A=。，96

所需的理論級(jí)數(shù)為

卡lnL^96

1-(P1-0.96

=6.215

InAIn1.536

填料層高度為

Z=HETPx/VT=0.525x6.215=3.263m

分析：①本題給出填料的等板高度，故求填料層高度時(shí)應(yīng)采用等板高度法。

(

②對(duì)于純?nèi)軇┪者^(guò)程，相對(duì)吸收率等于溶質(zhì)的吸收率，即7<p=rpAA=0.96o

2.解吸過(guò)程

解吸也稱(chēng)為脫吸，它是使溶質(zhì)從吸收液中釋放出來(lái)的過(guò)程。工業(yè)上，解吸過(guò)程通常在解吸塔中進(jìn)

行，可采用氣提解吸、減壓解吸及加熱解吸等不同的解吸方法。氣提解吸與逆流吸收是互逆的過(guò)程。

因此，從原理上講，氣提解吸與逆流吸收是相同的，只是在解吸中傳質(zhì)的方向與吸收的方向相反，即

兩者的推動(dòng)力互為負(fù)值。從X-Y圖上看，吸收過(guò)程的操作線在平衡線的上方，而解吸過(guò)程的操作線則

在平衡線的下方。因此，吸收過(guò)程的分析方法和計(jì)算方法均適用于解吸過(guò)程，只是在解吸計(jì)算時(shí)要將

吸收計(jì)算式中表示推動(dòng)力的項(xiàng)前面加上負(fù)號(hào)。

在解吸計(jì)算中，一般待解吸的吸收液流量L及其進(jìn)出塔組成^2、11均由工藝規(guī)定，入塔載氣組

成’1,也由工藝規(guī)定（通常為零），待求的量為載氣流量V及填料層高度2等。

對(duì)于解吸塔，仍用下標(biāo)1表示塔底，下標(biāo)2表示塔頂，由物料衡算可得解吸過(guò)程的操作線方程為

(5.2-16)

或r=y（x-xt）?n(5.2-17)

上式表明，解吸過(guò)程的操作線是斜率為

L/V并且通過(guò)點(diǎn)3（乂，匕）和點(diǎn)T（T,r）

22的直線，如圖5.2-4中BT所示。圖中

的OE為平衡線。解吸過(guò)程的最大液氣比為直線BT”的斜率，即

（凡(5.2-18)

所以,最小氣液比為

（y\3_i__(5.2-19)

I*mX2-Yy

通常取卜

(5.2-20)

(5.2-20a)

解吸塔的有效S5度（填料層高度）計(jì)算式為

315.2.4解吸操作線及Z工(5.2-21)

最小氣液比的確定式中:Z為斛吸塔的填料層高度.m;/八為液相總傳質(zhì)單元高

度皿;*“為液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無(wú)因次。

液相總傳質(zhì)單元高度的計(jì)算公式為

=（5222）

式中&為液相總吸收系數(shù),

何理，填料的有效比表面積與液相總吸收系數(shù)的乘積稱(chēng)為液相總體積吸收系數(shù)，其

單位為kmd/（m1*3）9

液相總傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算公式為

(5.2-23)

或(5.2-24)

【例5.2-5】用填料塔解吸某含二氧化碳的碳酸丙烯酯吸收液。已知進(jìn)、出解吸塔的液相組成分

別為0.010和0.002（均為摩爾比）。解吸所用載氣為含二氧化碳0.0005（摩爾分?jǐn)?shù)）的空氣，操作

條件下的平衡關(guān)系為Y=106.03X.操作氣液比為最小氣液比的1.8倍，試計(jì)算：

（1）載氣的出塔組成（摩爾分?jǐn)?shù)）；

（2）液相總傳質(zhì)單元數(shù)。

解：（D載氣的出塔組成（摩爾分?jǐn)?shù)）

進(jìn)塔載氣中二氧化碳的摩爾比為

Yl^yl=0.0005

最小氣液比為

苞-'_0,010-0.002

一族2ThM03x0.010-0.0005=

操作氣液比為

-=1.8x0.00755=0.0136

y（無(wú)?匕）?心（正-茶）

MXz-x)

+匕=:+0,0005=0.589

?\z1J。

載氣的出塔摩爾分?jǐn)?shù)為

0.589

力=百元=1+0,589=0.371

（2）液相總傳質(zhì)單元數(shù)

吸收因數(shù)為

4;病=血伯僅用.0136;0,693

液相總傳質(zhì)單元數(shù)為

0.0005

0.010-

106.03

l-0.693ln(1-0.693)+0.693=2,614

0,0005

0.002-106.03

分析：①因進(jìn)塔載氣中二氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)為0.0005,該值很低，故摩爾比近似等于摩爾分?jǐn)?shù),

但應(yīng)注意計(jì)算中必須采用摩爾比。

②載氣的出塔組成可通過(guò)物料衡算求緡

③本題要求計(jì)算載氣的出塔摩爾分?jǐn)?shù)，故經(jīng)過(guò)物料衡算求出摩爾比丫2后，要轉(zhuǎn)換成摩爾分?jǐn)?shù)丫2。

5.2.2吸附

固體表面對(duì)流體分子的吸著現(xiàn)象稱(chēng)作吸附。其中，固體物質(zhì)稱(chēng)為吸附劑，被吸附物質(zhì)稱(chēng)為吸附質(zhì)。

吸附是分離和純化氣體或液體混合物的重要單元操作之一，在化工、煉油、輕工、食品、生化、制藥、

環(huán)保等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

1.概述

(1)吸附分離原理

固體表面上的質(zhì)點(diǎn)處于受力不平衡狀態(tài)，具有表面能。固體表面可以芻動(dòng)吸附那些能降低其表

面自由蠟的物質(zhì)。吸附過(guò)程中釋放出吸附熱。在化工類(lèi)生產(chǎn)過(guò)程中，利用吸附劑對(duì)混合物中組分的選

擇性吸附而實(shí)現(xiàn)氣體或液體混合物中組分的分離。

(2)物理吸附和化學(xué)吸附

根據(jù)被吸附物質(zhì)與吸附劑分子間結(jié)合力的性質(zhì)，吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。

物理吸附是由吸附質(zhì)與吸附劑分子間引力引起，結(jié)合力較弱，吸附熱較小，是一種可逆過(guò)程，容

易解附。活性炭對(duì)氣體的吸附即屬物理吸附。

化學(xué)吸附則由吸附質(zhì)與吸附劑間的化學(xué)鍵所引起，猶如化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合力強(qiáng)，吸附熱大，一般為

不可逆過(guò)程。如氣相催化加氫反應(yīng)中銀催化劑對(duì)氫的吸附即屬此例。

實(shí)驗(yàn)表明，同一物質(zhì)，在低溫時(shí)進(jìn)行物理吸附；當(dāng)溫度升高到一定程度后便轉(zhuǎn)化為化學(xué)吸附。有

時(shí)，兩種吸附同迸發(fā)揮作用。

(3)吸附劑

性能優(yōu)良的吸附劑應(yīng)具有如下性質(zhì):

①單位質(zhì)量吸附劑應(yīng)具有較大的表面積(工業(yè)上常用吸附劑的比表面積在300^1600m7g的范圍),

對(duì)吸附質(zhì)有高的吸附能力和高選擇性。

②平衡吸附量對(duì)溫度或壓力敏感，易于再生。

③機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)及熱穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)。

④制備簡(jiǎn)單，成本低，原料來(lái)源充足。

目前，工業(yè)上最常用的吸附劑有如下幾類(lèi)：

①活性白土、硅藻土等天然物質(zhì)。主要用于油品和糖液的脫色精制。

②活性炭。由含碳物質(zhì)經(jīng)炭化與活化處理制得。主要用于溶劑蒸氣的P1收、低分子燒類(lèi)的分離、

氣體或液體的除臭、脫色，水的凈化等。

③硅膠。由硅酸鈉脫鈉離子加工制成的堅(jiān)硬多孔凝膠顆粒。主要用于氣體及有機(jī)溶劑的干燥、氣

體吸收，色層分析和催化劑等。

④活性氧化鋁。由氧化鋁加熱、脫水和活化制得。主要用于氣體或液體的干燥。

⑤分子篩。主要由人工合成的硅鋁酸鹽制成，具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性及高選擇性。其多孔及結(jié)晶型

結(jié)構(gòu)，使分子大小不同的組分分離。其主要用于各種氣體或液體的干燥、燒類(lèi)混合物的分離等。

在某些場(chǎng)合，還應(yīng)用其他吸附劑，如吸附樹(shù)脂、活性粘土等。

工業(yè)上常用吸附劑的主要性能如表5.2-1所示。

?5.2-1常用吸附劑的特性

孔林d.孔歐率粒子密度M比表面枳。

吸附附

run<?.媼小/工

括性弱化廢酸技1-7.50.51.2S150-城

小孔2.2-2.50.47109750-850

大孔10-150.71062300-350

活性炭

小孔101.230.4-0.60.5-0.94007600

大孔>3—0.6-0.B200-700

分子篇0.3-10.2-0.50.9?1.3400-750

敏附忖密4-250.4-0.55一一80-700

活性白土8780.4-0.70.6-1.2I00-2S0

2.吸附的平衡與吸附機(jī)理

(1)吸附的相平衡

當(dāng)氣體或液體混合物與吸附劑經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間充分接觸后，系統(tǒng)即達(dá)平衡狀態(tài)。吸附質(zhì)的平衡吸附

量（即單位質(zhì)量吸附劑在達(dá)到吸附平衡時(shí)所吸附的吸附質(zhì)量）首先取次于吸附劑的化學(xué)組成與物理結(jié)

構(gòu)，同時(shí)和系統(tǒng)的壓力與溫度、混合物組成（或吸收質(zhì)的分壓）密切相關(guān)。

吸附的平衡關(guān)系常用一定溫度下吸附質(zhì)的平衡吸附量與其在混合物中的組成（或分壓）之間的關(guān)

系曲線表示。該類(lèi)曲線稱(chēng)為吸附等溫線。對(duì)于壓力不高的氣體吸附，惰性組分對(duì)吸附等溫線基本上沒(méi)

有影響；而液體混合物中的溶劑通常對(duì)吸附等溫線產(chǎn)生影響。這是由于溶劑的種類(lèi)對(duì)吸收質(zhì)的吸著產(chǎn)

生影響；而且吸附質(zhì)在不同溶劑中溶解度不同，同時(shí)溶劑本身的吸附也會(huì)影響吸附質(zhì)的吸附。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同一體系的吸附等溫線隨溫度而變。溫度升高平衡吸附量呈下降的趨勢(shì)。

對(duì)于液體的吸附，溶質(zhì)在溶劑中的溶解度愈小，吸附量愈大；溫度升高，吸附量降低。

當(dāng)混合物中有幾個(gè)組分同時(shí)被吸附時(shí)各被吸附組分的平衡吸附量之比，一般不同于原混合物中各

組分的比例（即分離因子不等于1）.吸附劑的選擇性愈高，愈有利于吸附分離。

吸附等溫線由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。不同體系的吸附等溫線有顯著的差異。

吸附的相平衡決定了吸附過(guò)程進(jìn)行的方向和限度，同時(shí)是吸附過(guò)程計(jì)算（包括設(shè)計(jì)型和操作型）

的基本依據(jù)。

（2）吸附機(jī)理和吸附速率

吸附是流-固之間的傳質(zhì)過(guò)程。通常，一個(gè)吸附過(guò)程應(yīng)包括如下三個(gè)基本步驟，即

①外擴(kuò)散：吸附質(zhì)分子從流體主體以對(duì)流方式傳遞到吸附劑固體表面。在緊貼固體表面的有效滯

流膜層內(nèi)吸附質(zhì)以分子擴(kuò)散方式進(jìn)行傳遞，

②內(nèi)擴(kuò)散：吸附質(zhì)分子從吸附劑的表面進(jìn)入微孔道，進(jìn)而擴(kuò)散到微孔道的內(nèi)表面處。

③吸著：吸附質(zhì)分子被微孔道的內(nèi)表面所吸著。

對(duì)于物理吸附過(guò)程，“吸著”速率較外擴(kuò)散或內(nèi)擴(kuò)散速率快得多，吸附速率通常由外擴(kuò)散速率或

內(nèi)擴(kuò)散速率控制。外擴(kuò)散或內(nèi)擴(kuò)散的速率卻一般的膜傳質(zhì)速率方程沒(méi)有多大區(qū)別。如外擴(kuò)散速率方程

可表達(dá)為

常（5.2-25）

dq

式中：q為1kg吸附劑吸附的吸附質(zhì)量，kg/kg吸附劑；,為時(shí)間，s；d0為吸附速率，kg/

（s.kg吸附劑）；0。為吸附劑的外比表面積，

m?/kg吸附劑；及為流體側(cè)的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù),m/s;c、q為流體中的吸附質(zhì)濃

度，,kg/m3o

吊值與流體性質(zhì)、流體流動(dòng)狀況、吸附劑幾何特性、溫度、壓力等操作條件有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

同理，以流體總濃度差為推動(dòng)力的總吸附速率方程可表達(dá)為

需二K卬…D（5.2-26）

式口：（為以（c-c）為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù),m/s;c、c分別為流體主體及與吸

附質(zhì)含量為g的吸附劑呈平衡的流體中吸附質(zhì)的濃度，'kg/m?0

假設(shè)在操作濃度范圍內(nèi)吸附平衡線為直線，即

q（5.2-27）

或c*?q/m（5227，）

式中的m為相平衡常數(shù).m'/ka吸附劑e

吸附的總阻力等于外擴(kuò)散與內(nèi)擴(kuò)散的阻力之和，即

之十六⑸>28）

,kg/（s*m2）

式中的為內(nèi)擴(kuò)散（即吸附劑固體側(cè)）的傳質(zhì)系數(shù)，&o

若過(guò)程為外擴(kuò)散控制，則

治.兒（5.2-29）

若過(guò)程為內(nèi)擴(kuò)散控制，則

（5.2-30）

顯然，欲提高吸附速率，就必須降低控制側(cè)的阻力。

3.工業(yè)的吸附裝置

D吸附操作流程與設(shè)備

工業(yè)的吸附過(guò)程大都包括吸附和脫附（再生）兩個(gè)基本步驟，因此，吸附操作流程除吸附設(shè)備還

須有脫附再生設(shè)備。

根據(jù)原料流體中吸附質(zhì)含量的不同，將吸附分為純化吸附和分離吸附過(guò)程。通常，將原料流體中

被吸附組分的分?jǐn)?shù)大于10%的分離視為分離吸附。工業(yè)上應(yīng)用最廣的吸附設(shè)答類(lèi)型和操作方式分為：

①攪拌槽接觸吸附法，也稱(chēng)接觸過(guò)淀法，主要用于液體純化（如脫色），多為間歇操作。

②固定床周期性間歇操作方法。既可用于分離，也可用于純化。因脫附方法的不同，出現(xiàn)多種操

作流程，如變溫解附、變壓吸附?解附、惰性氣體解附、置換解附等。

③模擬移動(dòng)床連續(xù)逆流操作方法。

吸附分離常用的工業(yè)方法如表5.2-2所示。

?5.2-2吸附分離常用的工業(yè)方法

進(jìn)科相市吸附裝置耍附劑再生方法主要應(yīng)用

液體攪拌槽吸附劑不再生液體純化（脫色）

液體樹(shù)定床加熱?附液體飩化

液體模根移動(dòng)床?接解附液體配臺(tái)物分H

代體團(tuán)定床變混5附氣體飩化

氣體流化一移動(dòng)床盥含空溫解時(shí)氣悻鈍化

氣體因定保情性氣體第附氣體飩化

氣體固定床克溫?附氣體混合物分青

氣體固定床★空解的氣體/合物分離

氣體固定床置拯解附氣體程合物分周

2)吸附操作的應(yīng)用和操作評(píng)價(jià)

(1)吸附操作的應(yīng)用

吸附操作常用來(lái)分離或純化吸附質(zhì)濃度較低的流體混合物，也可用作其他傳質(zhì)分離操作的補(bǔ)充，

以達(dá)到組分完全的分離的目的。對(duì)于揮發(fā)度很接近的料液，精儲(chǔ)難以實(shí)現(xiàn)有效的分離，用吸附分離可

能會(huì)較經(jīng)濟(jì)。目前，吸附操作在工業(yè)上的主要應(yīng)用有：

①氣體或液體的深度干燥；

②食品、藥品、石油產(chǎn)品的脫色、脫臭；

③有機(jī)異構(gòu)物(如混合二甲苯)的分離；

④空氣分離制備富氧氣或制取氮?dú)猓?/p>

⑤從廢水或廢氣中除去有害物質(zhì)等。

2.吸附操作的評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)吸附分離操作的主要指標(biāo)有如下幾項(xiàng)：

①吸附質(zhì)的回收率(當(dāng)吸附質(zhì)是有價(jià)值的物質(zhì)時(shí))或凈化率(當(dāng)吸附質(zhì)是有害雜質(zhì)時(shí))；

②設(shè)備的操作強(qiáng)度，即單位體積設(shè)備所處理的流體混合物量；

③能量消耗，包括輸送物料和吸附劑的能耗、脫附能耗等。

影響如上指標(biāo)的因素為吸附的平衡吸附量、吸附劑的選擇性、吸附劑的用量以及操作溫度、壓力

等。

隨著新型高效吸附劑的研制和新工藝過(guò)程的開(kāi)發(fā)，吸附操作必將愈來(lái)愈廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)生產(chǎn)

部門(mén)。

5.2.3蒸儲(chǔ)

1.單級(jí)蒸饋過(guò)程

(1)平衡蒸儲(chǔ)

平衡蒸儲(chǔ)乂稱(chēng)閃急蒸儲(chǔ)，簡(jiǎn)稱(chēng)閃蒸，是一種連續(xù)、穩(wěn)態(tài)的單級(jí)蒸儲(chǔ)操作，圖5.2-5所示為平衡蒸

儲(chǔ)的計(jì)算模型示意圖。

平衡蒸儲(chǔ)的物料衡算關(guān)系為：

F=D+W(5.2-31)

Fx^Dy^Wx(5232)

式中：F、D、W分別為原料液、氣相和液相產(chǎn)品流量，Kmol/h;x.-.x、y分別為原料液、氣相和液

相產(chǎn)品中易揮發(fā)組分的摩爾分率。

圖5.2-5平衡蒸儲(chǔ)計(jì)算模型示意圖

設(shè)q=W/F

則1-q二D/F

式中q稱(chēng)為原料液