化工基础 第三章 传质过程－I.ppt

第三章第三章 传质过程传质过程 本本本本章章章章重重重重点点点点：吸吸吸吸收收收收过过过过程程程程相相相相平平平平衡衡衡衡和和和和传传传传质质质质机机机机理理理理，吸吸吸吸收收收收速速速速率率率率方方方方程程程程，填填填填料料料料吸吸吸吸收收收收塔塔塔塔及及及及其其其其计计计计算算算算，液液液液体体体体蒸蒸蒸蒸馏馏馏馏方方方方法法法法及及及及分分分分离离离离原原原原理理理理，精精精精馏馏馏馏过过过过程程程程物物物物料料料料衡衡衡衡算算算算和和和和塔塔塔塔板板板板数数数数计计计计算算算算，传传传传质设备、特殊精馏方法和塔设备简介。质设备、特殊精馏方法和塔设备简介。质设备、特殊精馏方法和塔设备简介。质设备、特殊精馏方法和塔设备简介。难难难难 点点点点：吸吸吸吸收收收收速速速速率率率率方方方方程程程程和和和和填填填填料料料料吸吸吸吸收收收收塔塔塔塔计计计计算算算算，精精精精馏馏馏馏过过过过程程程程物料衡算和塔板数计算。物料衡算和塔板数计算。物料衡算和塔板数计算。物料衡算和塔板数计算。第第部分部分 气液相传质过程的机气液相传质过程的机理与设备简介理与设备简介物物物物质质质质的的的的传传传传递递递递过过过过程程程程（简称传传传传质质质质过过过过程程程程）：物质以扩扩扩扩散散散散的方式从一处转移到另一处的过程。传传传传质质质质过过过过程程程程分分分分类类类类：当传质在不同相间进行时，按相来划分，有液液固固相相传传质质过过程程（如浸取），气气固固相相传传质质过过程程（如吸附），液液液液相相传传质质过过程程（如萃取），气气液液相相传传质质过过程程（如精馏、吸收）等等。本章仅介绍气液相传质过程气液相传质过程气液相传质过程气液相传质过程。1 气液相传质过程的机理气液相传质过程的机理 化学工程中所有涉及气、液两相接触的单元操作（如精馏、吸收）都有物质在相间的转移。在一定的条件下，物质的转移具有一定的速度，也就是说需要一定的时间才能完成。物质传递过程三阶段：物质传递过程三阶段：1.1.物质从一相主体转移到两相界面的一侧；物质从一相主体转移到两相界面的一侧；物质从一相主体转移到两相界面的一侧；物质从一相主体转移到两相界面的一侧；2.2.物质从界面的一侧转移到另一相的一侧，并发物质从界面的一侧转移到另一相的一侧，并发物质从界面的一侧转移到另一相的一侧，并发物质从界面的一侧转移到另一相的一侧，并发 生相应的物理化学变化；生相应的物理化学变化；生相应的物理化学变化；生相应的物理化学变化；3.3.物质从另一相界面一侧转移到另一相的主体中。物质从另一相界面一侧转移到另一相的主体中。物质从另一相界面一侧转移到另一相的主体中。物质从另一相界面一侧转移到另一相的主体中。从传质的角度来考虑，可以把上面三个阶段概括为两种情况：（1）物质在一相内部的传递单单相相中中物物质质的扩散的扩散；（2）两相界面上发生的过程相间传质相间传质。1-1 单相中的物质的扩散单相中的物质的扩散 物质在单相中的扩散有分分分分子子子子扩扩扩扩散散散散和对对对对流流流流扩扩扩扩散散散散两种方式。分分子子扩扩散散是物质分子在静止流体或层流流体中的扩散，相当于传热中的传导。对对流流扩扩散散是物质在湍流流体中发生质点位移的结果，相当于传热中的对流。分子扩散分子扩散分子扩散分子扩散 （1）当流体作为整体是处于相对静止状态时，只要流体内部组分在各部位上分布不均匀，也就是说有浓浓浓浓度度度度差差差差存在，则由于分子运动的结果，组分的分子将扩散开来，直到组分在流体内各处的浓度相等为止。（2）工程上遇到的扩散过程，大多数是在流体处于流动状态中进行的，在做层流运动的流体中，与流动方向垂直的截面上如果存在着浓浓浓浓度度度度差差差差，则在此平面上的物质也会借助于分子运动从浓度高的地方移向浓度低的地方。以上两种均为分子扩散。分子扩散的速率与物质的性质、传质面积、浓度差和扩散距离有关。这一关系可以用下列数学式，即费费费费克克克克（FickFick）定定定定律律律律表示：在稳定情况下在稳定情况下在稳定情况下在稳定情况下：式中：N分扩散组分的分子传质速率分子传质速率分子传质速率分子传质速率 kmol/s或kmol/h；G 扩散物质量 kmol；时间 s或 h；等号右边的负号表明传质的方向与浓度增加的方向相反；A 传质面积 m2；c 扩散组分的浓度 kmol/m3；n 扩散距离 m；D 比例系数，称为物质的分子扩散系数物质的分子扩散系数 cm2/s或 m2/h。稳定情况下稳定情况下稳定情况下稳定情况下，分子扩散速率的积分形式为：式中：(c1-c2)扩散组分的浓度差 kmol/m3；扩散层厚度 m；式（3-I-1a）也 经 常 写 成 分分分分 子子子子 传传传传 质质质质 通通通通 量量量量 kmol/m2s或 kmol/m2h的形式：分分分分子子子子扩扩扩扩散散散散系系系系数数数数D D是物质的特性常数之一，表示物质在介质中的扩散能力。在沿扩散方向的单位距离内，扩散组分浓度降低一个单位时，单位时间内通过单位面积的物质量，即为该该该该物质的分子扩散系数物质的分子扩散系数物质的分子扩散系数物质的分子扩散系数，其数值的大小取决于以下各因素：扩散组分本身的性质扩散组分本身的性质。扩散组分所在的介质的性质扩散组分所在的介质的性质。温度温度：一般温度升高，扩散系数增大。压力压力：一般压力对物质在液体中的扩散系数的影响小，在气体中影响大。浓度浓度：一般在液体中浓度对扩散系数的影响大，在 气体中影响小。如果没有实验数据，物质的分子扩散系数值D D可以由经验或半经验公式进行估算。（1 1）扩扩扩扩散散散散组组组组分分分分A A在在在在气气气气体体体体B B中中中中的的的的扩扩扩扩散散散散系系系系数数数数常常常常采采采采用用用用下下下下面面面面的的的的半半半半经经经经验公式估算验公式估算验公式估算验公式估算：式中：D 扩散系数 m2/h；P 气体总压强 大气压（绝压）MA、MB 气体A、B的摩尔质量 g/mol；、气体A、B的摩尔体积，它是指1摩尔物料在它的沸点下呈液态时的体积（以 cm3计）。对于较复杂的分子，其摩尔体积可看成是各组成元素的原子体积之和，原子体积一般可从有关手册中查得。分子结构较简单的气体的摩尔体积，一般可不用加和法，而从表中直接查到。经验公式（3-I-2）虽然误差较大，但能说明影响扩散的诸因素中，既有物质本身的性质如分子量和摩尔体积，又有外部条件如温度和压力，而且使用也比较方便，可用于估算D值。从式（3-I-2）也可以看出，扩散系数与气体浓度无关，但随温度升高和压力下降而加大。如果已经知道在热力学温度T0和压力P0下的扩散系数D0，则可按下式计算出它在热力学温度T和压力P时的扩散系数D的数值：（2 2）物物物物质质质质在在在在液液液液体体体体中中中中的的的的扩扩扩扩散散散散系系系系数数数数，可可可可按按按按下下下下式式式式进进进进行行行行计计计计算算算算（此式不适用于电解溶液和浓溶液）（此式不适用于电解溶液和浓溶液）（此式不适用于电解溶液和浓溶液）（此式不适用于电解溶液和浓溶液）：式中：物质在液体中的扩散系数 cm2/s；热力学温度 K；液体的粘度 泊；摩尔体积 cm3/mol；常数，用于水、甲醇、苯三者稀溶液时，分别为8.0、1.49、22.88 cm3/mol。对流扩散对流扩散对流扩散对流扩散 在静止或层流流体中进行的分子扩散，其速度非常缓慢，所以更具有实际意义的是在湍流流体中进行的扩散。湍流流体内物质的传递，即靠分分分分子子子子扩扩扩扩散散散散，又靠涡流扩散涡流扩散涡流扩散涡流扩散，两者合称对流扩散对流扩散对流扩散对流扩散。涡流扩散基本上是一种混和过程，它是由于漩涡中质点的强烈混合而进行传质的，传递的速度也与浓度梯度称正比，比例系数以 表示，称为涡涡涡涡流流流流扩扩扩扩散散散散系系系系数数数数。涡流扩散系数的大小除与流体的性质有关外，在很大程度上取决于流体的流动情况湍动程度湍动程度。在稳定情况下，对流扩散传质速率：上式也可写成传质通量的形式：由于目前对湍流流体扩散的认识还不够深刻，还难于完全根据理论来计算，于是仿照传热中处理对流传热的方法处理对流扩散的问题。首首首首先先先先建建建建立立立立虚虚虚虚拟拟拟拟膜膜膜膜的的的的概概概概念念念念。湍流流体经过固体壁面时，在壁面附近有一个层层层层流流流流底底底底层层层层，或称流流流流体体体体膜膜膜膜。若有扩散物质从固体表面扩散出来（例如食糖溶于水中，或萘升华到空气中），则扩散物质只能靠分分分分子子子子扩扩扩扩散散散散通过层流底层，分子扩散速度小，所以层流底层中浓度差很大，即浓度梯度大。在层流底层外，从过渡区到外流区（湍流主体），逐步依靠流体质点的位移和混和进行传质，浓度的变化也逐渐减慢，至外流区后几乎不存在浓度梯度了，如图3-I-1所示。图3-I-1传质边界层传质边界层传质边界层传质边界层（也称有效膜有效膜有效膜有效膜）：有浓度梯度存在浓度梯度存在浓度梯度存在浓度梯度存在的区域。对对对对流流流流扩扩扩扩散散散散也也也也看看看看作作作作为为为为相相相相当当当当于于于于通通通通过过过过厚厚厚厚度度度度为为为为 的的的的传传传传质质质质边边边边界界界界层层层层的分子扩散过程的分子扩散过程的分子扩散过程的分子扩散过程。此传质边界层中，包括了实际的层层层层流流流流底底底底层层层层厚厚厚厚度度度度和虚虚虚虚拟拟拟拟层层层层厚厚厚厚度度度度，虚虚拟拟层层厚厚度度是是指指过过渡渡区区及及湍湍流流主主体体的的传传质质阻阻力力折折合合成成与与层层流流底底层层处处的的传传质质阻阻力力相相当当的的厚厚度度。根据上述关于扩散传质边界层的概念，对于对流扩散传质过程进行数学处理，得到在稳定情况下对流扩散传质速率：式中：对流扩散有效膜厚度或扩散距离 m。上式中 的是难以确定的。但是上式及大量的实验结果都表明，单相流体间的扩散传质速率的提高，在很大程度上取决于流体在该相中的流动状况（湍流愈快，愈薄），如果单靠提高分子扩散的系数，效果是不明显的。单相传质方程式及单相传质系数单相传质方程式及单相传质系数单相传质方程式及单相传质系数单相传质方程式及单相传质系数 根据上面引出的有效膜（传质边界层）的概念，从壁面到湍流主体的对流扩散传质速率方程式，就可以按直接通过厚度为 的层流流体的分子扩散传质速率来考虑。同处理传热问题一样，把传质速率写成如下形式：或 比较（3-I-6a）和（3-I-7）可得：则 k在数值上表示在在在在单单单单位位位位时时时时间间间间内内内内，当当当当扩扩扩扩散散散散传传传传质质质质推推推推动动动动力力力力为为为为1 1 kmol/mkmol/m3 3 时时时时，通通通通过过过过单单单单位位位位面面面面积积积积的的的的扩扩扩扩散散散散传传传传质质质质量量量量 kmolkmol，它直接标志着扩散传质速率的大小。上述处理对流扩散传质速率的方式，实质上是把单相内的传质阻力看作为全部都集中在一层虚拟的流体膜内，这种处理方式也是膜模型膜模型的基础。1-2 相间传质相间传质双膜理论双膜理论及其它有关理论及其它有关理论 上面已经提到，物质由一相转移到另一相的过程是由三个阶段组成的。第一与第三阶段属于单相中的扩散过程，上面已予讨论。下面我们着重讨论第二阶段，即当当两两相相接接触触时时相相间间界界面面的的状状况况及及在在界界面面上上发发生生的的过过程程。必须指出，由于这个问题比较复杂，直到目前为止，尚没有统一的成熟的理论足以完善地反映相间传质地内在规律。现将有关理论简单介绍如下。双双双双膜膜膜膜理理理理论论论论 这是1923年提出并一直盛行的一种传质机理模型。它主要有三个方面的论点：（1）过过过过程程程程：物质经过扩散，到达气液相接触面上；达到气液相接触面的物质溶于溶剂（液相）；溶解的物质，从气液相接触面扩散到液相中。（2）滞滞滞滞流流流流膜膜膜膜层层层层：在上节所述膜模型概念的基础上，假设不管是气相或是液相，是层流还是湍流，在气液相接触面附近总有层流膜层层流膜层层流膜层层流膜层存在。假设在气相和液相主体中浓度是均匀的，但是界面两边有效膜层内存在浓度差，它是传质阻力的根本所在，此膜层的厚度与气相、液相的流动情况有关。（3）假假假假设设设设气气气气液液液液相相相相界界界界面面面面上上上上每每每每一一一一点点点点的的的的气气气气相相相相和和和和液液液液相相相相是是是是互互互互相相相相平平平平衡衡衡衡的的的的，如图3-I-2所示，pi和ci呈平衡关系，但p和ci以及c和pi也不存在平衡关系。图3-I-2即为双膜理论示意图。图形表明，这个理论假设在界面两侧分别存在着有效膜（气膜和液膜），在那里，物质传递全部借助分子扩散来进行，浓度梯度在两个层中的分布是线性的，而在有效膜以外浓度梯度消失，即假设折线pGpi和ciHc代表实际浓度变化pBpi和ciEc。膜层厚度假设为L1和L2。因为已假设界面上气、液相存在着平衡，其关系为p*=f(c)。所以pi、ci的相对位置由相与相的平衡关系所决定。图3-I-2 双膜理论示意图 根据近年的研究，在高流速下的两相流体间的传质，具有下述特点：（1）具有自由相界面的两相流体系统，相界面不是固定不变的。当两相流速增大，湍流迅速发展，在相界面上将形成众多的漩涡，相界面由于这些漩涡所冲刷和贯穿而大大增加，从而严重地影响稳定的滞流膜。甚至有人认为在这种情况下这个膜层已经不复存在。（2）在上述情况下，物质传递主要靠漩涡来进行，即传质方式主要是对流扩散，而分子扩散很少。此时的传质速率主要取决于流体力学条件，而与流体性质的关系极小。继双膜理论之后又陆续提出了一些理论，如溶质渗透理论，表面更新理论，界面动力状态理论，无规漩涡模型等。这些理论在说明自由界面的非稳态漩涡扩散和流体力学影响因素等方面又大大向前发展了。它们所提出的传质机理和实际情况更为接近。但是由于这些理论所依据的主要参数（如表面单元暴露时间，新表面的形成速率等）还难于直接测出，因此直接根据它们进行计算来解决实际问题尚有困难，而只是在指导研究上有较大作用。2 传质设备传质设备 为完成气液相（蒸馏、吸收）传质操作，通常采用的主要设备是塔式设备塔式设备塔式设备塔式设备。塔式设备主要有两类：一类是填填填填料料料料式式式式，另一类是板板板板式式式式。传质操作对设备的共同要求是：设备小，产率大，操作范围宽，稳定，阻力小，结构简单，造价低，维修方便。另外，从传质速率方程（3-I-7）还可以看到，传质速率与两相接触面积和浓度差成正比，而与两相传质阻力成反比，所以应该选用能促进相际接触的结构，以增加两相传质面积，或者是设法实现合理的湍动程度来提高传质系数，从而改善传质效果。2-1 填料式塔填料式塔 填料塔填料塔填料塔填料塔 对对填填料料的的要要求求：具有较大的比表面积；对液体有很好的湿润性，以增加传质效率；填料的自由空间大（自自由由空空间间有时又称“空空空空隙隙隙隙率率率率”，它它它它是是是是指指指指单单单单位位位位体体体体积积积积堆堆堆堆积积积积填填填填料料料料所所所所具具具具有有有有的的的的空空空空隙隙隙隙，用 m3/m3堆积填料表示），以使气体通过填料的阻力小；密度小；机械强度高；造价便宜。但是，并不是每种填料都能满足上述各项要求，实际选择时要根据具体情况而定。图3-I-4 填料塔结构示意图 湍球塔湍球塔 湍球塔制造、安装、维修都比较方便；可以用大小、比重不同的球来增大操作范围；实际生产中操作也比较稳定；可适用于有沉淀或较脏的吸收体系（由于小球剧烈冲击，不易堵塞）。但它也存在一些缺点，如小球易裂（一般实使用寿命0.51年），不耐高温，床层高度较大。图3-I-6 湍球塔结构示意图 2-2 板式塔板式塔板式塔是在塔内装有一层层的塔板（或称塔盘），气液的传质、传热过程是在各个塔板上进行的。塔板形式很多，主要有泡罩塔，筛板塔，浮阀塔和浮动舌形塔。详情参见课本P104。综上所述，传质操作常用的塔设备主要有填填填填料料料料塔塔塔塔和板板板板式式式式塔塔塔塔两大类。对塔设备的主要要求是生生生生产产产产强强强强度度度度大大大大，操操操操作作作作范范范范围围围围宽宽宽宽，阻阻阻阻力力力力小小小小，结结结结构构构构简简简简单单单单。对处理量较小的物料可用填料塔，因其结构简单，拆洗方便，多用于小厂和实验室装置，但它不适宜于处理悬浮液及其它不清洁的液体，在塔径较大时应安装液体分布板或折流板。2-3 喷射式传质装置喷射式传质装置 各种类型的塔设备，都是按照气气气气液液液液逆逆逆逆流流流流方式设计的，其优点是推动力大，作用比较完全，但气速不能过大，否则，阻力增加，而且会造成液泛。但气速小，就要求塔设备具有较大的塔径，且传质效果也较差。喷射吸收器则常采用气气气气液液液液并并并并流流流流操作，流速不受液泛速度限制，通常喉管处的流速可达40130 m/s。这样不仅可提高生产能力，而且高速气流也易将液滴打碎，造成很大的接触面积和强烈的湍动，从而大大提高传质效果。但是应该指出，喷射吸收器因为采用并流操作，故传质的最终浓度受到限制。在这种情况下，虽然可以采用几个喷射吸收器，逐段逆流，但增加了设备和操作的复杂程度，此外，此种装置设备消耗能量甚大，也是其缺点。补充：液泛的内涵补充：液泛的内涵 在精馏塔内，液体沿塔板通过溢流斗逐块下流，与温度较高的蒸气在塔板上接触，发生传热和部分蒸发、部分冷凝的过程。如果塔板上的液体难于沿溢流斗流下，造成溢流斗内液面越涨越高，直至与塔板上的液面相平，液体无法下流，就叫“液悬”或“液泛”。