第五章傳質(zhì)過(guò)程及塔設(shè)備物質(zhì)以擴(kuò)散方式從一處轉(zhuǎn)移到另一處的過(guò)程，稱(chēng)為質(zhì)量傳遞過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)傳質(zhì)。在一相中發(fā)生的物質(zhì)傳遞是單相傳質(zhì)，通過(guò)相界面的物質(zhì)傳遞為相間傳質(zhì)。傳質(zhì)過(guò)程廣泛運(yùn)用于混合物的分離操作；它常與化學(xué)反應(yīng)共存，影響著化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，甚至成為化學(xué)反應(yīng)的控制因素。掌握傳質(zhì)過(guò)程的規(guī)律，了解傳質(zhì)分離的工業(yè)實(shí)施方法，具有十分重要的意義。5.1傳質(zhì)過(guò)程及塔設(shè)備簡(jiǎn)介

1.傳質(zhì)過(guò)程的類(lèi)型

氣體吸收利用氣體中各組分在液體溶劑中的溶解度不同，使易溶于溶劑的物質(zhì)由氣相傳遞到液相。兩相間的傳質(zhì)過(guò)程，分為流體相間和流固相間的傳質(zhì)兩類(lèi)。（1）流體相間的傳質(zhì)過(guò)程①氣相一液相包括氣體的吸收、液體的蒸餾、氣體的增濕等單元操作。

液體蒸餾是依據(jù)液體中各組分的揮發(fā)性不同，使其中沸點(diǎn)低的組分氣化，達(dá)到分離的目的。增濕是將干燥的空氣與液相接觸，水分蒸發(fā)進(jìn)入氣相。①氣相一固相

含有水分或其它溶劑的固體，與比較干燥的熱氣體相接觸，被加熱的濕分氣化而離開(kāi)固體進(jìn)入氣相，從而將濕分除去，這就是固體的干燥。②液相一液相在均相液體混合物中加入具有選擇性的溶劑，系統(tǒng)形成兩個(gè)液相。（2）流一固相間的傳質(zhì)過(guò)程氣體吸附的相間傳遞方向恰與固體干燥相反，它是氣相某個(gè)或某些組分從氣相向固相的傳遞過(guò)程。含某物質(zhì)的過(guò)飽和溶液與同一物質(zhì)的固相相接觸時(shí)，其分子以擴(kuò)散方式通過(guò)溶液到達(dá)固相表面，并析出使固體長(zhǎng)大，這是結(jié)晶。②液相一固相固體浸取是應(yīng)用液體溶劑將固體原料中的可溶組分提取出來(lái)的操作。液體吸附是固液兩相相接觸，使液相中某個(gè)或某些組分?jǐn)U散到固相表面并被吸附的操作。離子交換是溶液中陽(yáng)離子或陰離子與稱(chēng)為離子交換劑的固相上相同離子的交換過(guò)程。2．傳質(zhì)過(guò)程的共性

單相物系內(nèi)的物質(zhì)傳遞是依靠物質(zhì)的擴(kuò)散作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，常見(jiàn)的擴(kuò)散方式有分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散兩種。前者物質(zhì)靠分子運(yùn)動(dòng)從高濃度處轉(zhuǎn)移到低濃度處，物質(zhì)在靜止或滯流流體中的擴(kuò)散；后者是因流體的湍動(dòng)和旋渦產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)位移，使物質(zhì)由高濃度處轉(zhuǎn)移到低濃度處的過(guò)程。（1）傳質(zhì)的方式與歷程某組分在兩相間傳質(zhì)，步驟是：從一相主體擴(kuò)散到兩相界面的該相一側(cè)，然后通過(guò)相界面進(jìn)入另一相，最后從此相的界面向主體擴(kuò)散。渦流擴(kuò)散、分子擴(kuò)散，兩者統(tǒng)稱(chēng)對(duì)流擴(kuò)散。②條件的改變可破壞原有的平衡。其平衡體系的獨(dú)立變量數(shù)由相律決定：f=k–φ+2f為獨(dú)立變量數(shù),k為組分?jǐn)?shù),φ為相數(shù)，“2”是指外界的溫度和壓力兩個(gè)條件。（2）傳質(zhì)過(guò)程的方向與極限相間傳質(zhì)和相際平衡的共有規(guī)律稀溶液，氣液兩相的平衡關(guān)系遵循亨利(Henry)定律；理想溶液的氣液相間符合拉烏爾(Raoult)定律。①一定條件下，處于非平衡態(tài)的兩相體系內(nèi)組分會(huì)自發(fā)地進(jìn)行傳質(zhì)，使體系組成趨于平衡態(tài)的傳遞。③在一定條件下(如溫度、壓力)，兩相體系必然有一個(gè)平衡關(guān)系。

①若物質(zhì)在一相中(A相)實(shí)際濃度大于其在另一相(B相)實(shí)際濃度所要求的平衡濃度，則物質(zhì)將由A相向B相傳遞；PA＞PA*

相間傳質(zhì)過(guò)程的方向和極限的判斷：

③若物質(zhì)在A相實(shí)際濃度等于B相實(shí)際濃度所要求的平衡濃度，則無(wú)傳質(zhì)過(guò)程發(fā)生體系處于平衡狀態(tài)。

PA＝PA*

②物質(zhì)在A相實(shí)際濃度小于其在B相實(shí)際濃度所要求的平衡濃度，則傳質(zhì)過(guò)程向相反方向進(jìn)行，即從B相向A相傳遞；

PA＜PA*相平衡關(guān)系指明傳質(zhì)過(guò)程的方向，平衡是傳質(zhì)過(guò)程的極限，而組分濃度偏離平衡狀態(tài)的程度便是傳質(zhì)過(guò)程的推動(dòng)力。傳質(zhì)速率與傳質(zhì)推動(dòng)力的大小有關(guān)，可以寫(xiě)為：即傳質(zhì)速率=傳質(zhì)系數(shù)×傳質(zhì)推動(dòng)力

（3）傳質(zhì)過(guò)程推動(dòng)力與速率物質(zhì)傳遞的快慢以傳質(zhì)速率表示，定義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，單位相接觸面上被傳遞組分的物質(zhì)的量相間傳質(zhì)的每一步有各自的速率方程，稱(chēng)為分速率方程；整個(gè)過(guò)程速率方程為總速率方程，相應(yīng)的有傳質(zhì)分系數(shù)和總系數(shù)之分。3.塔設(shè)備簡(jiǎn)介

傳質(zhì)過(guò)程有共同的規(guī)律，也有通用的傳質(zhì)設(shè)備。氣體吸收和液體精餾兩種氣液傳質(zhì)過(guò)程通常在塔設(shè)備內(nèi)進(jìn)行。提供氣、液兩相充分接觸的機(jī)會(huì)。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式，分為填料塔與板式塔兩大類(lèi)。（1）填料塔

①填料塔結(jié)構(gòu)如圖所示,圓筒形,內(nèi)裝填料液體由上往下流動(dòng)時(shí)，由于塔壁處阻力較小而向塔壁偏流，使填料不能全部潤(rùn)濕，導(dǎo)致氣液接觸不良，影響傳質(zhì)效果，稱(chēng)之為塔壁效應(yīng)。化學(xué)與材料工程學(xué)院3.1填料塔的結(jié)構(gòu)a、填料長(zhǎng)期的研究，開(kāi)發(fā)出許多性能優(yōu)良的填料，如圖是幾種填料的形狀?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院填料分類(lèi)散堆填料環(huán)形鞍形球形拉西環(huán)鮑爾環(huán)階梯環(huán)弧鞍（貝鞍）矩鞍（英特洛克斯）金屬環(huán)矩鞍規(guī)整填料波紋型隔柵型絲網(wǎng)波紋孔板波紋格利希隔柵化學(xué)與材料工程學(xué)院

勒辛環(huán)鮑爾環(huán)拉西環(huán)化學(xué)與材料工程學(xué)院階梯環(huán)金屬環(huán)矩鞍弧鞍環(huán)化學(xué)與材料工程學(xué)院

規(guī)整填料混堆填料

拉西環(huán)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、造價(jià)低廉，缺點(diǎn)是氣液接觸面小，溝流及塔壁效應(yīng)較嚴(yán)重，氣體阻力大，操作彈性范圍窄等。

鞍形(弧鞍和矩鞍)填料像馬鞍形的填料，不易形成大量的局部不均勻區(qū)域，空隙率大，氣流阻力小。

鞍環(huán)填料綜合了鞍形填料液體分布性好和環(huán)形填料通量大的優(yōu)點(diǎn)，是目前性能最優(yōu)良的散裝填料。

波紋填料由許多層高度相同但長(zhǎng)短不等的波紋薄板組成，整砌結(jié)構(gòu)，流體阻力小，通量大、分離效率高，不適合有沉淀物、易結(jié)焦和粘度大的物料，裝卸、清洗較困難，造價(jià)也高。

金屬絲網(wǎng)價(jià)格昂貴用于要求高,產(chǎn)量不大操作。

化學(xué)與材料工程學(xué)院

b、液體分布器作用：使液體能夠均勻地分布在填料層上。類(lèi)型：多孔型、溢流型。（d）排管式(a)蓮蓬頭式(b)多孔環(huán)管式(c)溢流管式化學(xué)與材料工程學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院C、液體收集及再分布裝置作用：將上段填料層流下的液體收集充分混合后，重新分布在下段填料層上。形式：(a)截錐型(b)“羅賽脫”型化學(xué)與材料工程學(xué)院液體收集器液體再分布器化學(xué)與材料工程學(xué)院d、氣體分布器作用：使氣體能夠均勻分布。形式：塔氣體分布器小塔氣體分布器大塔氣體分布器化學(xué)與材料工程學(xué)院e、除沫裝置作用：回收氣體夾帶的液沫和霧滴。形式：折流板式除沫器旋轉(zhuǎn)板式除沫器化學(xué)與材料工程學(xué)院f、填料支承板作用：支撐填料及其所持液體。形式：(a)柵板(b)升氣管式化學(xué)與材料工程學(xué)院填料支撐板：它是氣、液兩相在多孔床層中逆向流動(dòng)的復(fù)雜過(guò)程。受填料層壓降,液泛氣速,持液量,氣液分布等影響.空塔氣速是指按空塔計(jì)算得到的氣體線速度。下圖為不同噴淋密度下，單位高度填料層的壓降Δp/H與空塔氣速u(mài)的關(guān)系圖。②填料塔內(nèi)的流體力學(xué)狀況

L=0，即氣體通過(guò)干填料層時(shí)Δp／H～u呈直線關(guān)系，直線的斜率為1.8-2.0，表明Δp／H與u的1.8～2倍呈正比，氣流狀態(tài)為湍流。氣速增大至某值時(shí)，液體流動(dòng)受到兩相流體間摩擦力的阻礙，填料層的持液量隨氣速的增加而增加，此現(xiàn)象稱(chēng)攔液現(xiàn)象。將開(kāi)始攔液的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱(chēng)載點(diǎn)，載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空塔氣速稱(chēng)載點(diǎn)氣速。

超過(guò)載點(diǎn)氣速后，

Δp/H～u關(guān)系線斜率加大，填料層內(nèi)的液流分布和表面潤(rùn)濕程度均大有改變，兩相湍動(dòng)程度加劇，塔內(nèi)持液量不斷增多，液體充滿(mǎn)整個(gè)塔空間，導(dǎo)致壓降急劇升高。液體由分散相變?yōu)檫B續(xù)相，氣體由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?，以鼓泡狀通過(guò)液層,把液體帶出塔頂，塔操作不穩(wěn)定，此現(xiàn)象稱(chēng)液泛。開(kāi)始發(fā)生液泛的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為泛點(diǎn)，相應(yīng)的空塔氣速稱(chēng)泛點(diǎn)氣速。影響泛點(diǎn)氣速的因素有填料特性、流體物性、氣液的流量等。實(shí)際操作氣速常取泛點(diǎn)氣速的50％～85％?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院(2)板式塔板式塔結(jié)構(gòu)及性能（1）板式塔結(jié)構(gòu)

板式塔的殼體為圓筒形，里面裝有若干塊水平的塔板功能：為混合物的氣、液兩相提供多級(jí)的充分、有效的接觸與及時(shí)、完全分離的條件。進(jìn)料回流液塔頂氣相塔底液相化學(xué)與材料工程學(xué)院汽、液兩相接觸方式

兩相流動(dòng)的推動(dòng)力

全塔：逆流接觸塔板上：錯(cuò)流接觸液體：重力氣體：壓力差塔板上的氣液兩相流動(dòng)有錯(cuò)、逆流之分，如圖所示。化學(xué)與材料工程學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院塔板結(jié)構(gòu)①氣體通道形式很多，如篩板、浮閥、泡罩等，對(duì)塔板性能影響很大。②降液管（液體通道）

液體流通通道，多為弓形。③受液盤(pán)

塔板上接受液體的部分。④溢流堰

使塔板上維持一定高度的液層，保證兩相充分接觸。浮閥塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)化學(xué)與材料工程學(xué)院塔板上理想流動(dòng)情況：

液體橫向均勻流過(guò)塔板，氣體從氣體通道上升，均勻穿過(guò)液層。氣液兩相接觸傳質(zhì)，達(dá)相平衡，分離后，繼續(xù)流動(dòng)。傳質(zhì)的非理想流動(dòng)情況：

①反向流動(dòng)

液沫夾帶、氣泡夾帶，即：返混現(xiàn)象

后果：使已分離的兩相又混合，板效率降低，能耗增加。②不均勻流動(dòng)

液面落差（水力坡度）：引起塔板上氣速不均；塔壁作用（阻力）：引起塔板上液速不均，中間>近壁；后果：使塔板上氣液接觸不充分，板效率降低。塔板的結(jié)構(gòu)型式有a．泡罩塔板構(gòu)造如圖示。泡罩塔板有較好的操作彈性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，尤其是氣體流徑曲折，塔板壓降大、液泛氣速低、生產(chǎn)能力小。組成：升氣管和泡罩化學(xué)與材料工程學(xué)院圓形泡罩條形泡罩泡罩塔優(yōu)點(diǎn)：塔板操作彈性大，塔效率也比較高，不易堵。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，塔板阻力大但生產(chǎn)能力不大。b．浮閥塔板浮閥塔板是泡罩塔的改進(jìn)型，如圖。浮閥塔生產(chǎn)能力與操作彈性大、板效率高、塔板阻力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但浮閥對(duì)材料的抗腐蝕性要較高，采用不銹鋼制造。

化學(xué)與材料工程學(xué)院圓形浮閥條形浮閥浮閥塔盤(pán)方形浮閥化學(xué)與材料工程學(xué)院優(yōu)點(diǎn)：浮閥根據(jù)氣體流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)度，提高了塔板的操作彈性、降低塔板的壓降，同時(shí)具有較高塔板效率，在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)：浮閥易脫落或損壞。方形浮閥F1型浮閥化學(xué)與材料工程學(xué)院c.舌形塔板

氣流方向：垂直→小角度傾斜，改善液沫夾帶、液面落差。氣液接觸狀態(tài)：噴射狀態(tài)連續(xù)相：氣相；分散相：液相促進(jìn)兩相傳質(zhì)。形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直篩板等。缺點(diǎn)：氣泡夾帶現(xiàn)象比較嚴(yán)重。ⅠⅡⅢ20°α=R2550Ⅰ三面切口舌片;Ⅱ拱形舌片;Ⅲ50×50mm定向舌片的尺寸和傾角舌形塔板：d．篩孔塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、氣體壓降小、生產(chǎn)能力較大；缺點(diǎn)是操作彈性范圍較窄，小孔篩板易堵塞。舌形塔板e(cuò)．導(dǎo)向篩板如圖化學(xué)與材料工程學(xué)院（導(dǎo)向篩板）應(yīng)用：用于減壓塔的低阻力、高效率塔板。

斜臺(tái)：抵消液面落差的影響。

導(dǎo)向孔：使氣、液流向一致，減小液面落差。液流(a)斜臺(tái)裝置液流液流(b)導(dǎo)向孔

林德篩板

a.氣液接觸狀態(tài)孔速較低時(shí),氣體以鼓泡形式通過(guò)液層，板上氣液兩相呈鼓泡接觸，圖(a).隨孔速的增大氣泡的數(shù)量而增加,氣泡表面連成一片發(fā)生合并與破裂,板上液體以泡沫形式存在于氣泡之中,但液體為連續(xù)相,氣體為分散相,圖5(b).孔速繼續(xù)增大,氣體從孔口噴出,液體由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?氣體則由分散相變?yōu)檫B續(xù)相,圖?.②板式塔上流體力學(xué)狀況塔板形式多樣，下面介紹塔板上氣液接觸狀態(tài)、漏液、霧沫夾帶、液泛等流體力學(xué)規(guī)律?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院

塔板上氣、液兩相接觸狀態(tài)從嚴(yán)重漏液到液泛整個(gè)范圍內(nèi)存在有四種接觸狀態(tài)，即：鼓泡狀態(tài)、泡沫狀態(tài)、噴射狀態(tài)及乳化狀態(tài)?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院①泡沫狀態(tài)

由于孔口處鼓泡劇烈，各種尺寸的氣泡連串迅速上升，將液相拉成液膜展開(kāi)在氣相內(nèi)，因泡沫劇烈運(yùn)動(dòng)，使泡沫不斷破裂和生成，以及產(chǎn)生液滴群，泡沫為傳質(zhì)創(chuàng)造了良好條件。是工業(yè)上重要的接觸狀態(tài)之一?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院②噴射狀態(tài)

從篩孔或閥孔中吹出的高速氣流將液相分散高度湍動(dòng)的液滴群，液相由連續(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑾?，兩相間傳質(zhì)面為液滴群表面。由于液體橫向流經(jīng)塔板時(shí)將多次分散和凝聚，表面不斷更新，為傳質(zhì)創(chuàng)造了良好的條件，是工業(yè)塔板上另一重要的氣、液接觸狀態(tài)。

b．漏液氣體通過(guò)篩孔的速度較小時(shí)，氣體通過(guò)篩孔的動(dòng)壓不足以阻止板上液體的流下，液體會(huì)直接從孔口落下，這種現(xiàn)象稱(chēng)為漏液。正常操作時(shí)，一般控制漏液量不大于液體流量的10％。相應(yīng)的孔流氣速為漏液點(diǎn)氣速?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院

c．液泛

如果由于某種原因，使得氣、液兩相流動(dòng)不暢，使板上液層迅速積累，以致充滿(mǎn)整個(gè)空間，破壞塔的正常操作，稱(chēng)此現(xiàn)象為液泛。液泛現(xiàn)象化學(xué)與材料工程學(xué)院①過(guò)量霧沫夾帶液泛原因：①氣相在液層中鼓泡，氣泡破裂，將霧沫彈濺至上一層塔板；②氣相運(yùn)動(dòng)是噴射狀，將液體分散并可攜帶一部分液沫流動(dòng)。

說(shuō)明：開(kāi)始發(fā)生液泛時(shí)的氣速稱(chēng)之為液泛氣速。化學(xué)與材料工程學(xué)院②降液管液泛

當(dāng)塔內(nèi)氣、液兩相流量較大，導(dǎo)致降液管內(nèi)阻力及塔板阻力增大時(shí)，均會(huì)引起降液管液層升高，當(dāng)降液管內(nèi)液層高度難以維持塔板上液相暢通時(shí)，降液管內(nèi)液層迅速上升，以致達(dá)到上一層塔板，逐漸充滿(mǎn)塔板空間，即發(fā)生液泛。并稱(chēng)之為降液管內(nèi)液泛。說(shuō)明：兩種液泛互相影響和關(guān)聯(lián)，其最終現(xiàn)象相同。對(duì)塔設(shè)備的要求：①氣液負(fù)荷大，即單位塔截面處理物料量大，生產(chǎn)能力大；②傳質(zhì)效率高，達(dá)到規(guī)定分離要求的塔高較低；③操作穩(wěn)定，物料量在相當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí)不致引起傳質(zhì)效率顯著變動(dòng)；④氣體通過(guò)塔時(shí)阻力小，以適應(yīng)減壓操作或節(jié)省動(dòng)力；⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工制造，維修方便，耐腐蝕，不堵塞。（3）填料塔與板式塔的比較

填料塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,直徑小,氣體通過(guò)阻力小,處理有腐蝕性的物料好,在壓降小的真空蒸餾系統(tǒng)和液氣比大的方面操作有優(yōu)勢(shì)；板式塔生產(chǎn)能力和操作彈性大,塔效率穩(wěn)定利于放大。吸收操作一般用填料塔；精餾操作采用板式塔。小結(jié)

傳質(zhì)過(guò)程有單相傳質(zhì)和相間傳質(zhì)之分，有流體相間和流固相間傳質(zhì)兩類(lèi)。工業(yè)中常見(jiàn)的傳質(zhì)操作有吸收、精餾、干燥、萃取、吸附、離子交換、結(jié)晶等。它們遵循一些共同的傳質(zhì)規(guī)律，亦具有各自操作的特點(diǎn)，在實(shí)際分析中采用的方法也不盡相同，于本章的學(xué)習(xí)中應(yīng)悉心體會(huì)其實(shí)質(zhì)。填料塔和精餾塔是實(shí)現(xiàn)吸收和精餾操作的場(chǎng)所，它提供了氣液兩相接觸的表面。填料和塔板是塔設(shè)備的核心構(gòu)件，在很大程度上決定著填料塔和精餾塔的性能。優(yōu)良的塔設(shè)備應(yīng)具備效率高、阻力小、通量大、操作穩(wěn)定等特點(diǎn)。5.2氣體的吸收

1．概述

吸收是用于分離氣體混合物的一種常見(jiàn)的單元操作。吸收操作所用的液體稱(chēng)為吸收劑，被溶解吸收的組分稱(chēng)為吸收質(zhì)，不被吸收的組分稱(chēng)為惰性組分，分別以S、A、B表示。工業(yè)生產(chǎn)中的吸收過(guò)程通常包括吸收與解吸兩部分。如用煉焦過(guò)程的副產(chǎn)物煤焦油(洗油)回收焦?fàn)t煤氣內(nèi)含有的少量苯、甲苯類(lèi)低碳?xì)浠衔铮鐖D所示。③吸收質(zhì)在吸收劑中的溶解度隨溫度的變化有較大的差異，以便吸收劑再生；吸收劑選擇原則：①對(duì)吸收質(zhì)有較大的溶解度，以加速吸收、減少吸收劑用量；②對(duì)所處理氣體必須有較高的選擇性；④蒸氣壓低，以減少吸收和再生過(guò)程中的揮發(fā)損失；⑤性質(zhì)穩(wěn)定，粘度小，價(jià)廉、易得、無(wú)毒、不易燃燒。能滿(mǎn)足這些條件的吸收劑很難找到,對(duì)可供選用的吸收劑應(yīng)作技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)后合理選擇。2.吸收的相平衡在一定溫度和總壓下，混合氣與定量吸收劑共存并充分接觸，吸收質(zhì)在氣液兩相中的分配趨于平衡，吸收劑中吸收質(zhì)濃度達(dá)到飽和。吸收質(zhì)在氣相中的分壓稱(chēng)平衡分壓，在液相中的組成稱(chēng)平衡濃度或平衡溶解度，簡(jiǎn)稱(chēng)溶解度。吸收過(guò)程中，吸收質(zhì)與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的吸收稱(chēng)化學(xué)吸收；不發(fā)生明顯化學(xué)反應(yīng)的吸收稱(chēng)物理吸收。（1）氣體在液體中的溶解度影響吸收過(guò)程的因素有溫度、總壓、氣液相組成。氣體在液相中的溶解度，隨溫度和吸收質(zhì)在氣相的組成而變化。下圖為SO2、NH3、HCl的氣液相平衡關(guān)系。加壓和降溫都可以提高氣體的溶解度，尤其是溫度改變，溶解度變化較大。吸收操作盡量維持在較高壓力和較低溫度下進(jìn)行。對(duì)于同樣濃度的溶液，易溶氣體在溶液上方的平衡分壓小，難溶氣體在溶液上方的平衡分壓大。吸收操作處理的氣體為低濃度氣體(10%),形成的是稀溶液。當(dāng)總壓不太高時(shí)(0.5Mpa)，稀溶液的相平衡關(guān)系服從亨利定律：P*=E

x

式中

P*—與稀溶液相平衡的吸收質(zhì)氣相平衡分壓；

x—吸收質(zhì)在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)；E—亨利系數(shù)，Pa。吸收質(zhì)在稀溶液上方的氣相平衡分壓與其在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)呈正比，比例系數(shù)為E。E的大小與吸收質(zhì)和吸收劑的種類(lèi)及溫度有關(guān)。不同吸收質(zhì)，E越大，越難溶解；同一吸收質(zhì)，溫度升高，E增大，溶解度下降.故E的大小能夠反映氣體溶解的難易程度。

（2）亨利定律亨利定律有不同的數(shù)學(xué)表達(dá)形式：

P*=c/H

y*=mx

式中c——液相中吸收質(zhì)物質(zhì)的量濃度，

H——溶解度系數(shù)，

y*——與X相平衡的吸收質(zhì)在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)；

m——相平衡常數(shù)，量綱為1。

吸收過(guò)程中，氣相中的吸收質(zhì)進(jìn)入液相，氣、液相的量都發(fā)生變化。工程上采用在吸收過(guò)程中數(shù)量不發(fā)生變化的氣相中的惰性組分和液相中的純吸收劑為基準(zhǔn)。以混合物中吸收質(zhì)的物質(zhì)的量與惰性組分物質(zhì)的量的比來(lái)表示氣相中吸收質(zhì)的量，稱(chēng)為摩爾比，用Y表示；以液相中的吸收質(zhì)的物質(zhì)的量與純吸收劑的物質(zhì)的量的比來(lái)表示液相中吸收質(zhì)的量，用X表示。摩爾比與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系是：

對(duì)稀溶液,X值很小，上式化簡(jiǎn)為

Y*＝mX

式中

Y*為與X相平衡的氣相摩爾比。

定義單位體積溶液中吸收質(zhì)和吸收劑的物質(zhì)的量之和為溶液的總濃度，記作c0

，單位為

則:

式中ρ——溶液的密度，

Mr——溶液的平均摩爾質(zhì)量，

MA——吸收質(zhì)的平均摩爾質(zhì)量，

Ms——吸收劑的平均摩爾質(zhì)量，

對(duì)稀溶液，ρ≈ρsMr≈Ms

有可得E－H的關(guān)系亦可得E－m的關(guān)系由知道爾頓分壓定律化學(xué)與材料工程學(xué)院例5-1在操作溫度為30℃，總壓為101.3kPa的條件下，含SO2的混合氣與水接觸，試求與=0.1的混合氣呈平衡的液相中SO2的平衡濃度為多少（）。該濃度范圍氣一液相平衡關(guān)系符合亨利定律。化學(xué)與材料工程學(xué)院解：根據(jù)亨利定律=Hpp為氣相中SO2的實(shí)際分壓，由道爾頓分壓定律=101.3×0.1=10.1kPa查表知30℃下SO2的亨利系數(shù)E=4.85×103kPa，換算為溶解度系數(shù)

==0.0115所以

=10.1×0.0115＝0.1165

化學(xué)與材料工程學(xué)院3.吸收速率

①分子擴(kuò)散速率吸收質(zhì)A在液相內(nèi)的分子擴(kuò)散速率與其濃度梯度呈正比，用費(fèi)克(Fick)定律來(lái)表示：（1）單相內(nèi)的擴(kuò)散吸收質(zhì)在某一相中的擴(kuò)散有分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散兩種。式中NA—擴(kuò)散速率,kmol·m-2·s-1

DAB—比例系數(shù),組分A在介質(zhì)B中的擴(kuò)散系數(shù)m2·s-1dcA/dz—組分A在z方向上的濃度梯度,kmol·m-3·m-1；z為擴(kuò)散距離,m；負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散方向沿組分A濃度降低的方向進(jìn)行化學(xué)與材料工程學(xué)院擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的物性常數(shù)，表示擴(kuò)散質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能力。定態(tài)條件下，若擴(kuò)散在液相中進(jìn)行，組分A在z方向上擴(kuò)散δL距離，濃度由

變?yōu)?/p>

，則

若擴(kuò)散在氣相中進(jìn)行，且氣相為理想氣體混合物，組分A在z方向上擴(kuò)散δG距離，分壓由

變化到

，則

化學(xué)與材料工程學(xué)院式中C0—液相總濃度,kmol·m-3

CBm—液體層兩側(cè)組分B濃度的對(duì)數(shù)平均值,kmol·m-3p—?dú)庀嗫倝?PapBm—?dú)怏w層兩側(cè)組分B分壓的對(duì)數(shù)平均值,Pa液相氣相費(fèi)克定律適用于兩組分A與B等分子逆向互相擴(kuò)散的情形。在吸收過(guò)程中，用斯蒂芬定律表示：化學(xué)與材料工程學(xué)院其中和稱(chēng)為漂流因子，其值大于1意義：漂流因子反映了總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響，其值愈大總體流動(dòng)作用越強(qiáng)。當(dāng)A很低時(shí)，，，則漂流因子1，總體流動(dòng)的影響消失。分子擴(kuò)散系數(shù)DAB

物質(zhì)傳遞性質(zhì)的度量參數(shù)，表達(dá)組分?jǐn)U散難易程度。物理意義：?jiǎn)挝粷舛忍荻认碌臄U(kuò)散通量。影響因素：系統(tǒng)的溫度、壓力和物系的組成。數(shù)據(jù)來(lái)源：一般由實(shí)驗(yàn)確定、半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院②對(duì)流擴(kuò)散速率

由于對(duì)渦流流動(dòng)中擴(kuò)散認(rèn)識(shí)上的不充分，只能仿照費(fèi)克定律將渦流擴(kuò)散速率表為：式中DE——渦流擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1

渦流擴(kuò)散系數(shù)不是物質(zhì)的特性常數(shù)，它與湍流程度有關(guān)，且隨質(zhì)點(diǎn)位置而異。湍流流體中，渦流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散同時(shí)起著傳質(zhì)作用，對(duì)流擴(kuò)散速率為：

湍流主體以渦流擴(kuò)散為主，DE＞＞DAB，滯流底層為分子擴(kuò)散，DAB＞＞DE，DE≈0；在過(guò)渡層，DAB和DE數(shù)量級(jí)相當(dāng)。

化學(xué)與材料工程學(xué)院吸收操作中吸收質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)移至液相經(jīng)歷了氣相擴(kuò)散、界面溶解和液相擴(kuò)散三個(gè)步驟。

吸收質(zhì)在氣液界面兩側(cè)的分壓和濃度變化如圖中的實(shí)線所示。

（2）兩相間傳質(zhì)化學(xué)與材料工程學(xué)院

a.氣、液兩相間有一個(gè)穩(wěn)定的相界面，其兩側(cè)分別存在穩(wěn)定的氣膜和液膜；膜內(nèi)流體呈滯流狀態(tài)，膜外的流體呈湍流狀態(tài)；

b.相界面上氣液兩相處于平衡，即相界面上沒(méi)有傳質(zhì)阻力；

c.吸收質(zhì)在兩個(gè)膜內(nèi)以分子擴(kuò)散形式通過(guò)。湍流主體中濃度分布均勻，不存在濃度梯度和傳質(zhì)阻力，故吸收的阻力全部集中在氣、液兩個(gè)膜內(nèi)。

研究者先后提出了許多描述它的物理模型，劉易斯(LewisWK)和惠特曼(WhitmanWG)提出的雙膜理論。雙膜理論的要點(diǎn)為：化學(xué)與材料工程學(xué)院雙膜理論提出的物理模型使復(fù)雜的兩相間傳質(zhì)簡(jiǎn)化為兩個(gè)虛擬膜層內(nèi)的分子擴(kuò)散。膜層是吸收過(guò)程的阻力所在，吸收質(zhì)在一定推動(dòng)力pA-pAi和cAi-cA下克服兩個(gè)膜層的阻力進(jìn)行傳質(zhì)。

雙膜理論對(duì)低氣速填料塔等具有固定傳質(zhì)界面的吸收過(guò)程適用性好。

氣膜內(nèi)液膜內(nèi)式中—分別為虛擬氣膜和液膜的厚度化學(xué)與材料工程學(xué)院穩(wěn)定操作下，氣、液相傳質(zhì)速率相等。由于考察范圍及推動(dòng)力表示形式不同，將吸收速率方程分為兩類(lèi)。（3）吸收速率方程①單相吸收速率方程液相氣相式中:kG—?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù),kmol·m-2·s-1·Pa-1kL—液相傳質(zhì)系數(shù),m·s-1經(jīng)比較變換有化學(xué)與材料工程學(xué)院對(duì)一定物系DAB為定值，在定態(tài)操作條件下p、T、C、pBm、cBm均為定值，但由于虛擬膜層的厚度無(wú)法直接計(jì)算或測(cè)出，還需通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定kG和kL.其特征數(shù)關(guān)聯(lián)式為：

式中Sh—舍伍德（Sherwood）數(shù)，Sh=kd/DAB；k為kG或kL

；d為特性尺寸，m，可以是塔徑、填料直徑等；

Re—雷諾數(shù)，Sc—施米特(Schmit)數(shù)。系統(tǒng)分壓差和氣相摩爾比差表示吸收總推動(dòng)力時(shí)，總吸收速率方程為②總吸收速率方程化學(xué)與材料工程學(xué)院式中KG—以系統(tǒng)分壓差(p-p*)為總推動(dòng)力時(shí)的總傳質(zhì)系數(shù)，kmol·m-2·s-1·Pa-1

p——吸收質(zhì)在氣相中的分壓，Pa；

p*——與液相濃度相平衡的氣相平衡分壓，Pa；

KY——以氣相摩爾比差(Y-Y*)為總推動(dòng)力時(shí)的總傳質(zhì)系數(shù)，

kmol·m-2·s-1

Y——吸收質(zhì)在氣相中的摩爾比；

Y*——與液相摩爾比相平衡的氣相摩爾比。當(dāng)用系統(tǒng)液相濃度差和液相摩爾比差表示總推動(dòng)力，總速率吸收方程為化學(xué)與材料工程學(xué)院式中KL——以系統(tǒng)濃度差（c*-c）為總推動(dòng)力時(shí)的總傳質(zhì)系數(shù);

c——吸收質(zhì)在液相中的濃度；c*——與氣相濃度相平衡的液相平衡濃度；KX——以液相摩爾比差（X*-X）為總推動(dòng)力時(shí)的總傳質(zhì)系數(shù);X——吸收質(zhì)在液相中的摩爾比；X*——與氣相摩爾比相平衡的液相摩爾比。根據(jù)雙膜理論，相界面上氣液兩相濃度達(dá)到平衡，服從亨利定律，則化學(xué)與材料工程學(xué)院代入式（5-22）中，并經(jīng)整理，有同理，氣相吸收速率方程可寫(xiě)成：式（5-31）與式（5-32）相加，整理得（5－31）（5－32）（5－33）化學(xué)與材料工程學(xué)院與式（5-27）比較并整理有（5－34）同理可得（5－35）此兩式表明，吸收總阻力為氣相阻力和液相阻力兩者之和?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院將

代入式（5-27），有

與式（5-28）比較，有（5－36）（5－37）由于稀溶液的濃度很低，Y和Y*都較小，分母可以視為1，則（5－38）同理可推得（5－40）化學(xué)與材料工程學(xué)院③氣膜控制與液膜控制當(dāng)氣體容易溶解時(shí)，溶解度系數(shù)H較大，液相阻力非常小，

KG≈kG

即易溶氣體的吸收阻力主要集中在氣膜內(nèi)，稱(chēng)為氣膜控制。當(dāng)氣體難于溶解時(shí)，溶解度系數(shù)小，氣膜阻力非常小，KL≈kL即難溶氣體的吸收阻力主要集中在液膜內(nèi)，稱(chēng)為液膜控制?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院例5-2110kPa下操作的氨吸收塔的某截面上，含氨摩爾分?jǐn)?shù)為0.03的氣體與氨濃度為1的氨水相遇，已知?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù),為，液相傳質(zhì)系數(shù)為，氨水的平衡關(guān)系可用亨利定律表示，溶解度系數(shù)H為7.3，試計(jì)算：(1）氣、液界面上的兩相組成；（2）以分壓差和摩爾濃度差表示的總推動(dòng)力、總傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)速率；（3）氣膜與液膜阻力的相對(duì)大小?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院解：（1）相界面上氣液兩相組成相互平衡，即根據(jù)氣、液相速率方程聯(lián)立以上三式，并求解得化學(xué)與材料工程學(xué)院（2）以分壓差表示的總推動(dòng)力以摩爾分?jǐn)?shù)差表示的總推動(dòng)力化學(xué)與材料工程學(xué)院4．填料吸收塔的計(jì)算

填料吸收塔計(jì)算包括設(shè)計(jì)計(jì)算和操作計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算主要是獲得達(dá)到指定分離要求所需要的塔的基本尺寸：填料層高度和塔徑。操作計(jì)算則要求算出給定的吸收塔的氣液相出口濃度等參數(shù)。

a．氣相中的惰性組分與液相中吸收劑的摩爾流量不變；

b．塔內(nèi)的溫度始終相同；

c．傳質(zhì)總系數(shù)在整個(gè)塔內(nèi)為常量。吸收操作一般多采用逆流。為計(jì)算方便，對(duì)塔內(nèi)的吸收過(guò)程作如下假設(shè)：(1)物料衡算與吸收操作線方程如圖，取塔底至塔截面M—M’間的塔段作為衡算范圍，對(duì)吸收質(zhì)作物料衡算：

qn,VY+qn,LX1=qn,VY1+qn,LX經(jīng)整理得上式稱(chēng)為吸收操作線方程。式中，qn，V—惰性組分的摩爾流量，mol·s-1qn，L—吸收劑的摩爾流量，mol·s-1

Y1，Y—分別為吸收塔底及截面M上吸收質(zhì)的氣相摩爾比，mol(吸收質(zhì))/mol(惰性組分)X1，X—分別為吸收塔底及截面M上吸收質(zhì)的液相摩爾比，mol(吸收質(zhì))/mol(吸收劑)通過(guò)代表塔底組成的A（X1,Y1）點(diǎn)。Y2和X2是吸收塔頂截面上的實(shí)際氣液相濃度，服從吸收操作線方程。如圖所示。操作線離平衡線越遠(yuǎn)，吸收推動(dòng)力越大。吸收劑用量大小直接影響著操作費(fèi)用和設(shè)備尺寸，必須首先確定。對(duì)吸收質(zhì)進(jìn)行物料衡算：式中qn,L/qn,V

是每摩爾惰性組分所用吸收劑的物質(zhì)的量(mol)，稱(chēng)為吸收液氣比。

吸收率的定義為：氣體經(jīng)過(guò)吸收塔被吸收的吸收質(zhì)的量與進(jìn)入吸收塔的吸收質(zhì)的量之比，即qn,VY1+qn,LX2=qn,VY2+qn,LX1經(jīng)整理得（2）吸收劑用量線，吸收推動(dòng)力增大，吸收速率加快，完成同等分離任務(wù)所需的氣液接觸面積減小，塔高減低，設(shè)備費(fèi)用降低；但吸收劑消耗增加，輸送吸收劑所需的功率增加，液相出口濃度X1下降，再生費(fèi)用也增加，操作費(fèi)用上升。

如圖，吸收操作線的B點(diǎn)固定，若增大吸收劑用量，操作線斜率qn,L/qn,V增大,A點(diǎn)左移，操作線遠(yuǎn)離平衡如下圖(a),(b)所示，當(dāng)吸收劑用量減小到一定程度，操作線與平衡線將相交或相切。此時(shí)吸收推動(dòng)力為零，要完成規(guī)定的氣體分離任務(wù)塔高必須無(wú)窮大。此時(shí)吸收劑的用量稱(chēng)為最小吸收劑用量，以qn,Lm表示。

相應(yīng)的液氣比稱(chēng)為最小液氣比，以

qn,L,m/qn,V表示.若減小吸收劑用量，操作線斜率減小,A點(diǎn)右移，操作線靠近平衡線，吸收推動(dòng)力減小，吸收速率減慢，完成同等分離任務(wù)所需的氣液接觸面積增大。吸收劑用量大，設(shè)備費(fèi)用低，操作費(fèi)用高；吸收劑用量小，設(shè)備費(fèi)用高，操作費(fèi)用低，各有利弊。一般情況下取吸收劑用量為最小吸收劑用量的1.15～1.5倍較為適宜。此時(shí)X1＝X1＊，則最小液氣比為:

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塔內(nèi)所采用的氣流速度來(lái)決定。圓筒形填料塔的直徑為qv，s—操作條件下混合氣體體積流量；u0

—空塔氣體流速。（3）塔徑的計(jì)算（4）填料層高度的計(jì)算

如圖，取一微元填料層，其高度為dz，氣液接觸面積為dA，依據(jù)物料衡算，該微元段內(nèi)氣液之間吸收質(zhì)的傳遞量dG為：經(jīng)過(guò)該微元填料層內(nèi)氣相和液相吸收質(zhì)的變化量分別為:

①基本計(jì)算式該微元填料層的氣液接觸面積

式中Ω—填料塔的橫截面積，m2；

a—單位體積填料的有效氣液接觸面積。綜合以上三式，得

a的數(shù)值很難直接測(cè)定，因此常將KY與a或KX與a的乘積視為一體一并測(cè)定，稱(chēng)為體積吸收系數(shù)。①傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)

HOG、HOL，分別稱(chēng)氣相傳質(zhì)單元高度和液相傳質(zhì)單元高度；它與填料塔和填料的結(jié)構(gòu)、填料的潤(rùn)濕狀況、流體流量和流動(dòng)狀態(tài)等有關(guān)，反映吸收設(shè)備的優(yōu)劣。傳質(zhì)單元高度越小，KYa或KXa越大，吸收速率越大，所需填料層高度越小。傳質(zhì)單元數(shù)與吸收相平衡及分離要求的高低有關(guān)，判斷吸收的難易程度。推動(dòng)力越大，要求氣體濃度變化小，吸收過(guò)程易進(jìn)行，所需傳質(zhì)單元數(shù)越小，即填料層高度越小。化學(xué)與材料工程學(xué)院類(lèi)似地：化學(xué)與材料工程學(xué)院由于是有:令——吸收因子化學(xué)與材料工程學(xué)院傳質(zhì)單元：通過(guò)一定高度填料層的傳質(zhì)，使一相組成的變化恰好等于其中的平均推動(dòng)力，這樣一段填料層的傳質(zhì)稱(chēng)為一個(gè)傳質(zhì)單元。①傳質(zhì)單元數(shù)（以NOG為例）：可見(jiàn)，傳質(zhì)單元數(shù)決定于分離前后氣、液相組成和相平衡關(guān)系，其大小表示了分離任務(wù)的難易。HOGx2x1yjyj-1yej-1xe2yej(y-yj)m氣相總傳質(zhì)單元與傳質(zhì)單元高度概念示意圖化學(xué)與材料工程學(xué)院②傳質(zhì)單元高度（以HOG

為例）完成一個(gè)傳質(zhì)單元分離任務(wù)所需的填料層高度。說(shuō)明：

▲

影響傳質(zhì)單元高度的因素：填料性能，流動(dòng)情況；

▲其值大小反映了填料層傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)性能的優(yōu)劣。x2x1yjyj-1yej-1xe2yej(y-yj)mHOG化學(xué)與材料工程學(xué)院▲

數(shù)值變化范圍小，一般在0.2–1.5