1、第四章第四章 传质过程传质过程4.1概述概述传质过程传质过程:在含有两个或两个以上组分的混合体系中，在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果如果存在浓度梯度存在浓度梯度，某一组分或某些组分将由高浓度向，某一组分或某些组分将由高浓度向低浓度移动，该移动过程称为传质过程低浓度移动，该移动过程称为传质过程分为两种形式：分为两种形式：两相中的传递，如吸收、蒸馏、萃取、吸附两相中的传递，如吸收、蒸馏、萃取、吸附单相中的传递，如膜分离单相中的传递，如膜分离传质可分为三个步骤传质可分为三个步骤（1 1）扩散物质由一相主体扩散到相界面（单相中传质）；）扩散物质由一相主体扩散到相界面（单相中传质）；（2 2）
2、 在相界面上的物质从一相侧进入界面另一相侧（相在相界面上的物质从一相侧进入界面另一相侧（相际传质）际传质）（3 3）自界面另一相侧扩散到该相主体（单相中传质）自界面另一相侧扩散到该相主体（单相中传质） 总传质速率取决于单相传质速率总传质速率取决于单相传质速率单相中的传质同时存在着单相中的传质同时存在着分子扩散与对流扩散分子扩散与对流扩散。4.2 传质过程机理传质过程机理扩散扩散(通量）速率通量）速率：单位时间内通过垂直于扩散方向的单：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积上扩散的物质量，用位截面积上扩散的物质量，用NA,0表示表示 mol/(m2s) 分子扩散速率与分子扩散速率与物质性质、浓
3、度差和扩散距离物质性质、浓度差和扩散距离等因素有关。等因素有关。恒温恒恒温恒压下，组分压下，组分A相对于组分相对于组分B作定常态分子扩散时，其扩散速率可用费作定常态分子扩散时，其扩散速率可用费克定律描述克定律描述4.2.1单相中的传质单相中的传质分子扩散分子扩散：流体内某一组分存在：流体内某一组分存在浓度差时，则因分子无规则的热浓度差时，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处的现象至浓度较低处的现象ABpp图1费克定律费克定律：温度、总压一定，组分：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一在扩散方向上任一 点处的扩散速率与该处点处的扩散速率与该处A
4、的浓度梯度成正比的浓度梯度成正比 ，其表达，其表达式为：式为： NA,0组分组分A扩散速率（扩散通量）扩散速率（扩散通量），kmol/（m2s） 组分组分A A在扩散方向在扩散方向z z上的浓度梯度上的浓度梯度（kmol/m3）/m DAB组分组分A在在B组分中的扩散系数组分中的扩散系数，m2/s Z组分组分A沿扩散方向的距离，沿扩散方向的距离，m负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行降低的方向进行 dzdcDNAABA0,分子扩散传质速率方程分子扩散传质速率方程分子扩散两种形式：分子扩散两种形式：等物质量反向扩散，单
5、向扩散等物质量反向扩散，单向扩散 1 1等物质量反向扩散及传质速率方程等物质量反向扩散及传质速率方程TcM（P）cA1(pA1）cB1(pB1)TcM（P）cA2(pA2)cB2(pB2)NANB设如图实验装置中的两个容器为设如图实验装置中的两个容器为无限大，则抽掉隔板后，有无限大，则抽掉隔板后，有 由于由于1、2截面上的物质量不随截面上的物质量不随时间而变，所以在联通管中的分时间而变，所以在联通管中的分子扩散是稳定的。子扩散是稳定的。cA1(pA1）cB1(pB1)cA2(pA2)cB2(pB2)z1z2z12dzdcDNAABA0,dzdcDNBBAB0,在联通管中除浓度差引起的分子扩散外
6、，没有其他原在联通管中除浓度差引起的分子扩散外，没有其他原因引起质量的传递因引起质量的传递 联通管中的传质速率就等于联通管中的传质速率就等于分子扩散通量，分子扩散通量，根据费克定律根据费克定律定常态扩散条件下，双组分混合物系各处总浓度相等定常态扩散条件下，双组分混合物系各处总浓度相等，即，即constcccBAMconstcccBAMdzdcdzdcBAdzdcDNAABA0,dzdcDNBBAB0,若分子扩散发生在两组分气相混合物或两组分性质相似若分子扩散发生在两组分气相混合物或两组分性质相似的液相混合物时的液相混合物时DDDBAAB0,0,BANN等物质量的反向分子扩散（等等物质量的反向分
7、子扩散（等摩尔逆向扩散摩尔逆向扩散）：双组分混合）：双组分混合物系中，当总浓度（总压）不物系中，当总浓度（总压）不变，两组分分子扩散的物质量变，两组分分子扩散的物质量必然相等，方向相反必然相等，方向相反cM(p）cA1(pA1）cB1(pB1)cA2(pA2)cB2(pB2)z1z2z图3传质通量传质通量：单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质量称为传质单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质量称为传质通量通量NA，包括分子扩散通量和物质整体流动所带来的通量包括分子扩散通量和物质整体流动所带来的通量对于单纯的等物质量反向扩散过程，传质通量等于分子扩散对于单纯的等物质量反向扩散过程，传质通
8、量等于分子扩散通量，即通量，即dzdcDdzdcDNNAAABAA0,积分积分2,1,210AAccAzzAdcDdzN)(2,1 ,AAAcczDN对于理想气体，浓度可用分压表示对于理想气体，浓度可用分压表示（3）)(2,1 ,AAAppRTzDNRTpVncAAA同样，对于同样，对于B组分组分)(2,1 ,BBBppRTzDN例例4-1 两容器中氨气（组分两容器中氨气（组分A）与氮气（组分）与氮气（组分B）作等物质量反向扩散。已知两容器间距为作等物质量反向扩散。已知两容器间距为0.1m，在总压为在总压为1.013105Pa ，温度为，温度为298k时，扩散系时，扩散系数为数为0.2310-
9、4m2/s，氨在两容器的分压分别为，氨在两容器的分压分别为1.013104Pa 和和7.01103Pa ，计算定常态下氨气，计算定常态下氨气和氮气的扩散通量和氮气的扩散通量2.2.单向扩散及速率方程单向扩散及速率方程 界面总体流动总体流动：因溶质扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与：因溶质扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，促使混合气体向界面流动主体的微小压差，促使混合气体向界面流动, ,流动通量表示为流动通量表示为NM 单方向扩散单方向扩散：A.B双组双组分气体混合物，如果分气体混合物，如果组分组分A溶解于液相，而溶解于液相，而组分组分B不溶，那么吸收不溶，那么吸收过程是组分过程
10、是组分A的单方向的单方向扩散扩散图4图5界面图5对于组分对于组分B:B:在整体流动时，使相界在整体流动时，使相界面上组分面上组分B B的浓度增加，导致组分的浓度增加，导致组分B B从相界面向流体主体作反方向扩散从相界面向流体主体作反方向扩散在定常态下，分子扩散方向与整体在定常态下，分子扩散方向与整体移动带入相界面组分移动带入相界面组分B B的量，两者的量，两者数值相等，方向相反，数值相等，方向相反，使得相界面使得相界面处处B B组分的量恒定组分的量恒定，即，即N NB B=0=0总体流体是由于系统内流体主体与相界面处存在的总总体流体是由于系统内流体主体与相界面处存在的总压差引起流体的宏观运动，
11、但其起因还是分子扩散压差引起流体的宏观运动，但其起因还是分子扩散在气相整体移动中，组分在气相整体移动中，组分A A的传递速率与组分的传递速率与组分B B的传递速率的传递速率的比值等于它们的分压力之比的比值等于它们的分压力之比AMABMBNpNpAAMBMBpNNp组分组分A:A:分子扩散方向与整体移动方向相同，传质通量分子扩散方向与整体移动方向相同，传质通量为为分子扩散通量与整体移动中组分分子扩散通量与整体移动中组分A A的传质通量之和的传质通量之和 单向扩散传质速率方程单向扩散传质速率方程0,0,MBBBNNN组分组分B:B:净传质通量为零净传质通量为零BAMBAMAAAppNNNNN,0,
12、0,0,BMBNNBAMBAMAAAppNNNNN,0,0,dzdpRTDdzdcDNAAA0,0,0,BANN0,BMBNNdzdppppRTDdzdpppRTDppNppNNNAAABABAABAAAA)()1 ()1 (0,0,0,单方向扩散组分单方向扩散组分A传质通量：传质通量：210AAZpAApAdpDpN dZRT pp 积分积分稳态吸收，稳态吸收，N NA A为定值，操作条件一定时，为定值，操作条件一定时，D D、p p、T T均为常数均为常数2211lnlnABAABpppDpDpNRTZppRTZp气相组分气相组分A A单方向扩散的传质速率方程单方向扩散的传质速率方程引入分
13、压的对数平均值引入分压的对数平均值122211lnAABABBBpppDpNRTZ ppp1122ABABppppp（6）21lnBABpDpNRTZp12()AAABmDpNppRTZ p2121lnBBBBBmppppp1 ,2,2,1 ,BBAApppp12()AAABmDpNppRTZ p阻力推动力DpRTZpppNBmAAA2,1 ,单方向扩散的传质速率与溶质的分压差成正比，与单方向扩散的传质速率与溶质的分压差成正比，与温度、扩散距离和惰性组分的对数平均分压成反比温度、扩散距离和惰性组分的对数平均分压成反比12()AAABmD cNccZ c一般说来，液相中的扩散速度远远小于气相中的
14、扩散一般说来，液相中的扩散速度远远小于气相中的扩散速度。速度。液相中发生等摩尔反向扩散的机会很少，发生单向分液相中发生等摩尔反向扩散的机会很少，发生单向分子扩散则较为多见。子扩散则较为多见。 若用组分浓度代替分压若用组分浓度代替分压1 .2,1 ,2,lnBBBBBmccccc12()AAABmD cNccZ c)(2,1 ,AAAcczDN12()AAABmDpNppRTZ p)(2,1 ,AAAppRTzDN比较等物质量反向扩散和单方向扩散传质速率方程比较等物质量反向扩散和单方向扩散传质速率方程由于混合体系总压总是大于分压，所以由于混合体系总压总是大于分压，所以1/Bmpp说明说明组分组分
15、A单向扩散时的传质通量比等物质量反向扩散单向扩散时的传质通量比等物质量反向扩散时大时大，由于，由于整体流动使组分整体流动使组分A的传质通量增大的传质通量增大。p/pBm(c/cBm)称为称为“漂流因子漂流因子”，其大小反映了整体流动，其大小反映了整体流动对传质速率的影响程度对传质速率的影响程度例题例题4-2 在在20及及101.325kPa下下CO2与空气的混合物缓与空气的混合物缓慢地沿慢地沿Na2CO3溶液液面流过，空气不溶于溶液液面流过，空气不溶于Na2CO3溶液，溶液， CO2透过厚透过厚1mm的静止空气层扩散到的静止空气层扩散到Na2CO3溶液中。溶液中。气体中气体中CO2的摩尔分数为
16、的摩尔分数为0.2。在。在Na2CO3溶液面上，溶液面上， CO2被迅速吸收，故相界面上的被迅速吸收，故相界面上的CO2浓度极小，可忽略浓度极小，可忽略不计，不计， 20及及101.325kPa时，时， CO2在空气中的扩散系在空气中的扩散系数数D为为0.18cm2/s. CO2的扩散速率是多少？的扩散速率是多少？21101.32581.0621101.32581.0690.8lnlnBBBBBmpppppkPa245121.810101.32520.2708.3142930.00190.81.6710/.()AAABmkmolm sDpNppRTZ p气相主体空气气相主体空气( (惰性气体）
17、的分压力惰性气体）的分压力p pB1B1=p- p=p- pA1A1=101.325-20.27=81.06KPa=101.325-20.27=81.06KPa 气液界面上空气的分压力气液界面上空气的分压力p pB2B2=101.325KPa=101.325KPa 空气在气相主体和界面上分压力的对数平均值为空气在气相主体和界面上分压力的对数平均值为解：此题属单方向扩散，可用单方向扩散传质速率方程计算此题属单方向扩散，可用单方向扩散传质速率方程计算 扩散系数扩散系数D= 0.18cmD= 0.18cm2 2/s=1.8/s=1.81010-5-5m m2 2/s/s 扩散距离扩散距离Z=1mm=
18、0.001m,Z=1mm=0.001m,气相总压力气相总压力p= 101.325kPap= 101.325kPa 气相主体中的气相主体中的COCO2 2分压力分压力p pA1A1=p=p* *y yA1A1=101.325=101.3250.2=20.27kPa0.2=20.27kPa 气液界面上的气液界面上的COCO2 2分压力分压力p pA2A2=0=0 3 3 扩散系数扩散系数 扩散系数是扩散物质在单位面积、单位浓度梯度下的扩散速率，表示物质的传递特性一、气相扩散系数 ),(ACPTfD介质种类估算查图表实测23/1312175. 16)()()11(10013. 1BABAVVPMMT
19、D),(PTfD介质种类分子扩散体积分子扩散体积相对分子质量相对分子质量T为绝对温度为绝对温度二、液相扩散系数二、液相扩散系数 ),(ACTfD介质种类75. 1000)(TTPPDD smD/1051012996 . 02/118)(10859. 1VTMD由上式，得由上式，得 （非电解质稀溶液）（非电解质稀溶液） smD/100 . 1101 . 0244溶剂的缔合参数溶剂的缔合参数溶剂的相对分子质量溶剂的相对分子质量溶液温度溶液温度溶液的粘度溶液的粘度溶质的摩尔体积溶质的摩尔体积例例4-3 水蒸气在空气中扩散系数的实验测定水蒸气在空气中扩散系数的实验测定将如图所示的装置放在将如图所示的装
20、置放在328k的恒温箱内，立管中盛的恒温箱内，立管中盛水，最初水面离上端管口的距离为水，最初水面离上端管口的距离为0.125m，迅速向，迅速向上部横管中通入干燥的空气（空气流量达到足以保上部横管中通入干燥的空气（空气流量达到足以保证 被 测 气 体 在 管 口 的 分 压 大 致 为 零 ） 压 力 为证 被 测 气 体 在 管 口 的 分 压 大 致 为 零 ） 压 力 为101.3kPa。实验中测得经。实验中测得经290h后，管中的水面离上后，管中的水面离上端管口距离增加到端管口距离增加到0.150m，求水蒸气在空气中的扩，求水蒸气在空气中的扩散系数散系数干空气对流传质对流传质 对流传质：
21、湍流流体与两相界面之间的传质。湍流流体中，物质传递主要是分子扩散和涡流扩散两种传质作用之和，即 式式中中 dzdcDdzdcDNAEAAsmDE/,2涡流扩散系数DE越大，表明流体质点在其浓度梯度方向上的脉动越剧烈，传越大，表明流体质点在其浓度梯度方向上的脉动越剧烈，传质速率越高。与分子扩散系数不同，涡流扩散系数不是流体的物质速率越高。与分子扩散系数不同，涡流扩散系数不是流体的物理性质，而是雷诺数的函数理性质，而是雷诺数的函数涡流扩散：由流体质点的宏观运动（湍动和漩涡）引起的物涡流扩散：由流体质点的宏观运动（湍动和漩涡）引起的物质传递过程。（静止流体内部依靠分子扩散）质传递过程。（静止流体内部
22、依靠分子扩散）对流传质方式和浓度分布对流传质方式和浓度分布 1层流层流 分子扩散分子扩散 线性线性 2湍流湍流 层流底层层流底层 分子扩散分子扩散 近似线性近似线性 过渡流区过渡流区 分子扩散和分子扩散和 涡流扩散涡流扩散 非线性非线性 湍流主体区湍流主体区 涡流扩散为主涡流扩散为主 近似水平近似水平线线 有效膜有效膜：仿照湍流传热处理方法，把全部传质阻力看：仿照湍流传热处理方法，把全部传质阻力看作集中在有效膜层中，用分子扩散速率描述对流扩散作集中在有效膜层中，用分子扩散速率描述对流扩散速率，有效膜层厚度为速率，有效膜层厚度为zG对流传质速率方程对流传质速率方程1气膜传质速率方程气膜传质速率方
23、程 设有效膜的流体按层流流动，则由气相主体到界面的设有效膜的流体按层流流动，则由气相主体到界面的扩散相当于通过有效膜的单方向分子扩散，所以扩散相当于通过有效膜的单方向分子扩散，所以)(AiABmGAppppRTzDNBmGGppRTzDk)(AiAGAppkN令令kG为气膜传质系数为气膜传质系数, 单位为单位为mol/m2.s.Pa)(AAiBmMLAcccczDNBmMLLcczDk )(AAiLAcckN令令kL为液膜传质系数，单位为为液膜传质系数，单位为m/s2液膜传质速率方程液膜传质速率方程 同理可得同理可得 传质系数体现了传质通量的大小，其倒数表示传质阻传质系数体现了传质通量的大小，
24、其倒数表示传质阻力的大小。传质系数与流体的物理性质和流体流动状力的大小。传质系数与流体的物理性质和流体流动状况等因素有关。可通过实验测定或由经验公式计算。况等因素有关。可通过实验测定或由经验公式计算。双膜理论双膜理论双膜理论的基本点双膜理论的基本点 （1 1）气液两相存在一个稳）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存在定的相界面，界面两侧存在稳定的气膜和液膜。稳定的气膜和液膜。膜内为膜内为层流，溶质以分子扩散方式层流，溶质以分子扩散方式通过气膜和液膜通过气膜和液膜。膜层的厚。膜层的厚度随流体的流动状态而变化。度随流体的流动状态而变化。（2 2）相界面处两相达平衡，）相界面处两相达平衡，无传质
25、阻力无传质阻力（3 3）有效膜以外主体中，）有效膜以外主体中，充分湍动，充分湍动，物质浓度均匀物质浓度均匀，浓度梯度为零浓度梯度为零。溶质主要以溶质主要以涡流扩散的形式传质涡流扩散的形式传质。双膜理论模型示意图双膜理论模型示意图4.2.2 相际间的传质相际间的传质溶质渗透理论、表面更新理论、双膜理论溶质渗透理论、表面更新理论、双膜理论2022-2-830两相相内传质速率可用下面的形式表达为：两相相内传质速率可用下面的形式表达为： igAppkNcckNicABmGgpPRTDk1BmmLcccDk2DG、DL 溶质组分在气膜与液膜中的分子扩散系数；P/pBm 气相扩散漂流因子；cm/cBm 液
26、相扩散漂流因子；1、2 界面两侧气液相等效膜层厚度，待定参数。 双膜理论将两流体相际传质过程简化为经两膜层的稳定双膜理论将两流体相际传质过程简化为经两膜层的稳定分子扩散的串联过程。分子扩散的串联过程。吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。 基于以上模型，将传质阻力全部折算到虚拟膜内，传基于以上模型，将传质阻力全部折算到虚拟膜内，传质过程简化为质过程简化为气液两有效膜层的分子扩散气液两有效膜层的分子扩散。则传质速。则传质速率方程可表示为以分子扩散形式表示的传质速率，为率方程可表示为以分子扩散形式表示的传质速率，为吸收速率计算提供了方便吸收速率
27、计算提供了方便. . 用双膜理论解释具有固定相界面及气速不高的气液两用双膜理论解释具有固定相界面及气速不高的气液两流体间的传质过程如低气速填料塔，基本能符合实际流体间的传质过程如低气速填料塔，基本能符合实际结果结果 本章内容本章内容第一节第一节 概述概述第二节第二节 气液相平衡气液相平衡第三节吸收速率方程第三节吸收速率方程第四节吸收塔的计算第四节吸收塔的计算吸收是用液体处理气体混合物，吸收是用液体处理气体混合物，根据气体混合根据气体混合物中各组分在液相中溶解度的不同物中各组分在液相中溶解度的不同，使某些易使某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留
28、在气相，从而实现混合气体的分离。留在气相，从而实现混合气体的分离。气体吸收是传质分离过程气体吸收是传质分离过程气体吸收过程包含有组分从一相到另一相的转移气体吸收过程包含有组分从一相到另一相的转移过程的推动力为：浓度差过程的推动力为：浓度差 C C吸收过程在吸收塔吸收塔中进行吸收质或溶质吸收质或溶质：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体或载体惰性气体或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂吸收剂：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液吸收液：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A吸收尾气吸收尾气：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。 吸收塔混合气混合气(A+B)吸收
29、液吸收液(A+S)吸收剂吸收剂(S)吸收尾气吸收尾气(A+B)1.从被吸收的组分数分：从被吸收的组分数分：单组分吸收：单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。多组分吸收：多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。2. 从过程是否发生的明显温度变化分：从过程是否发生的明显温度变化分：等温吸收：等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。非等温吸收：非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。3. 从过程是否发生化学反应分：从过程是否发生化学反应分：物理吸收：物理吸收：可视为单纯的气体溶解于液相的过程。化学吸收：化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用
30、氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。二、吸收过程的设备二、吸收过程的设备工业吸收设备应尽可能提供气、液两相足够大的接触面积，工业吸收设备应尽可能提供气、液两相足够大的接触面积，使气、液两相接触充分，尽可能使气、液两相的传质推动使气、液两相接触充分，尽可能使气、液两相的传质推动力大（逆流方式）。力大（逆流方式）。目前工业上常用的吸收设备使塔设备，按气、液两相在塔目前工业上常用的吸收设备使塔设备，按气、液两相在塔中的接触方式不同分为级式接触和连续接触两大类。中的接触方式不同分为级式接触和连续接触两大类。同样也可用于液体精馏、萃取等其他传质单元操作。同样也可用于液体精馏、萃取等其
31、他传质单元操作。溶剂b 级式接触a a 微分接触图9-2 填料塔和板式塔气体溶剂气体本章吸收主要本章吸收主要讨论填料塔的讨论填料塔的计算方法，下计算方法，下章精馏主要讨章精馏主要讨论板式塔的计论板式塔的计算方法算方法。 填料塔填料塔塔体：一般为圆筒形，由金属、塑塔体：一般为圆筒形，由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。以防腐材料。 填料：大致可分为散装填料和规整填料：大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所填料两大类，是传热和传质的场所塔内件：包括填料支承板与压紧装塔内件：包括填料支承板与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分置、液体与气
32、体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。布器以及气体除沫器等。7653421液体气体8操作原理操作原理：液体经塔顶喷淋装置：液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下从填料缝用沿填料表面自上而下从填料缝隙中流动，并与穿过填料空隙的隙中流动，并与穿过填料空隙的气体相互接触，气体相互接触，两相间的传热和两相间的传热和传质主要在填料表面进行传质主要在填料表面进行，气液气液组成则沿填料层高度连续变化组成则沿填料层高度连续变化。 7653421液体气体8填料填料 填料是填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传填料是填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热
33、传递的场所。递的场所。 填料的流体力学和传质性能与填料的材质、大小和几填料的流体力学和传质性能与填料的材质、大小和几何形状紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主何形状紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：要有：比表面积比表面积（a）：单位体积填料层所具有的表面积）：单位体积填料层所具有的表面积(m2/m3)。被液体润湿的填料表面就是气液两相的接触面被液体润湿的填料表面就是气液两相的接触面。大的比表面积和良好的润湿性能有利于传质速率的提。大的比表面积和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。对同种填料，填料尺寸越小，比表面积越大，但气高。对同种填料，填料尺寸越小，比表面积越大，但气体流
34、动的阻力也要增加。体流动的阻力也要增加。空隙率空隙率（）：单位体积填料所具有的空隙体积）：单位体积填料所具有的空隙体积(m3/m3)。代表的是气液两相流动的通道。代表的是气液两相流动的通道,大，气大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。、液通过的能力大，气体流动的阻力小。= 0.450.95。填料因子填料因子（）：填料比表面积与空隙率三次方）：填料比表面积与空隙率三次方的比值的比值(1/m)，a/ 3，表示填料的流体力学性能，表示填料的流体力学性能，值越小，流动阻力越小。值越小，流动阻力越小。填料类型填料类型拉西环：最早使用的一种填料，为高径比相等的陶瓷和金拉西环：最早使用的一种填料，为高径
35、比相等的陶瓷和金属等制成的空心圆环。属等制成的空心圆环。优点：易于制造，价格低廉。优点：易于制造，价格低廉。缺点：高径比大，堆积时填料间易缺点：高径比大，堆积时填料间易形成线接触，故形成线接触，故液体常存在严重的液体常存在严重的沟流和壁流现象。沟流和壁流现象。且拉西环填料的且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率内表面润湿率较低，因而传质速率也不高。也不高。鲍尔环鲍尔环： 在环的侧壁上开一层或两层长在环的侧壁上开一层或两层长方形小孔，小孔的母材并不脱离侧方形小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。上下两壁而是形成向内弯的叶片。上下两层长方形小孔位置交错。层长方形小孔位置交错。 同
36、尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但鲍尔环同的比表面积和空隙率，但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，在其侧壁上的小孔可供气液流通，使环的内壁面得以充分利用。使环的内壁面得以充分利用。 比之拉西环，鲍尔环不仅具有较比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低离效率较高，沟流现象也大大降低一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质型填料质型填料 ( (马鞍填料马鞍填料) )。弧鞍填料在塔。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道内呈相互搭接状态，形
37、成弧形气体通道优点：空隙率高，气体阻力小，液体分优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，填料性能优于拉西环。布性能较好，填料性能优于拉西环。矩鞍填料矩鞍填料的两端为矩形，且填料两面大的两端为矩形，且填料两面大小不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺小不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，填料的均匀性得到改善。液体分布点，填料的均匀性得到改善。液体分布均匀，气液传质速率得到提高。瓷矩鞍均匀，气液传质速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料。填料是目前采用最多的一种瓷质填料。缺点：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从缺点：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影响传质速率。而
38、影响传质速率。马鞍填料马鞍填料 在工业上，两种形式的塔设备大多情况均为定态连续操作，在工业上，两种形式的塔设备大多情况均为定态连续操作，即设备内的即设备内的参数都不随时间变化参数都不随时间变化。故后面除特殊说明外，均指。故后面除特殊说明外，均指连续定态操作。连续定态操作。 水水( (溶溶剂剂、吸吸收收剂剂) ) 尾尾气气 氨氨水水溶溶液液 氨氨气气 NH3(吸吸收收质质、溶溶质质) 空空气气( (惰惰性性气气体体，载载体体) ) 三、工业吸收流程三、工业吸收流程由吸收流程可见，采用吸收操作实现气体混合物的分离由吸收流程可见，采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题：必须解决下列问题：
39、选择合适的溶剂，使能选择性地溶解某个（或某些）选择合适的溶剂，使能选择性地溶解某个（或某些）被分离组分；被分离组分； 提供适当的传质设备（多为填料塔，也有板式塔）以提供适当的传质设备（多为填料塔，也有板式塔）以实现气液两相的接触，使被分离组分得以从气相转移到实现气液两相的接触，使被分离组分得以从气相转移到液相（吸收）或气相液相（吸收）或气相( (解吸解吸) )； 溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离组分以便循溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。环使用。四、溶剂的选择吸收操作的成功与否在很大程度上决定于溶剂的性质，特别是溶剂与气体混合物之间的相平衡关系。评价溶剂优劣的主要依据应
40、包括以下几点溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解度，或者说在一定的温度与浓度下，溶质的平衡分压要低。从平衡角度来说，处理一定量混合气体所需溶剂量较少，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低；就过程速率而言，溶质平衡分压，过程推动力大，传质数率快，所需设备尺寸小。 溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶剂应具备较高的选择性剂应具备较高的选择性。若溶剂的选择性不高，将。若溶剂的选择性不高，将同时吸收混合物中的其他组分，只能实现组分间某同时吸收混合物中的其他组分，只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较为完全的分离。种程度的增浓而不能实现较为完全的分离。溶剂
41、再生方便。溶剂再生方便。 溶剂的蒸汽压要低，不易挥发。一方面是为了减溶剂的蒸汽压要低，不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸收和再生过程的损失，另一方面也是避少溶剂在吸收和再生过程的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂质。免在气体中引入新的杂质。 溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质；发生变质； 溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离。吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离。 溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济
42、和安全条件。烧等经济和安全条件。 2022-2-851本章所作的基本假定本章所作的基本假定 单组分吸收单组分吸收, ,其余组分可视为一个惰性组分。其余组分可视为一个惰性组分。 溶剂的蒸汽压很低，因此气相中不含溶剂蒸汽溶剂的蒸汽压很低，因此气相中不含溶剂蒸汽 。气体吸收是物质气体吸收是物质自气相到液相自气相到液相转移转移的一种的一种传质过程传质过程。混合气体中某一组分能否进入溶液里，既取决于该组分混合气体中某一组分能否进入溶液里，既取决于该组分的的分压分压，也取决于溶液里该组分的平衡蒸汽压也取决于溶液里该组分的平衡蒸汽压。混合气中某组分气体的分压大于溶液的平衡蒸汽压，该混合气中某组分气体的分压大
43、于溶液的平衡蒸汽压，该组分便可自气相转移至液相，即被吸收。转移至组分便可自气相转移至液相，即被吸收。转移至气液两相气液两相达到平衡达到平衡，传质过程停止。反之，如果溶液中的某组分的平衡蒸汽压大于混合气体反之，如果溶液中的某组分的平衡蒸汽压大于混合气体中该组分的分压，该组分便从溶液中释放出来，即从液中该组分的分压，该组分便从溶液中释放出来，即从液相转移到气相，这种情况称为相转移到气相，这种情况称为解吸（或脱吸）解吸（或脱吸）。根据根据两相的两相的平衡关系平衡关系可以判断可以判断传质过程的方向与极限传质过程的方向与极限，两相的浓度两相的浓度距离平衡愈远距离平衡愈远，则传质的，则传质的推动力愈大，传
44、质推动力愈大，传质速率也愈大速率也愈大。因此，吸收操作的分析，因此，吸收操作的分析，从气液两相的平衡关系与传质从气液两相的平衡关系与传质速率关系着手。速率关系着手。2022-2-853相平衡：相平衡：在一定的温度与总压下，溶质由气相向液相在一定的温度与总压下，溶质由气相向液相转移，随着溶液浓度的逐渐增高，传质速率将逐渐减转移，随着溶液浓度的逐渐增高，传质速率将逐渐减慢，最后降为零，此时液相中溶质达到饱和，浓度达慢，最后降为零，此时液相中溶质达到饱和，浓度达到一最大限度到一最大限度 这时称气液两相达到相平衡这时称气液两相达到相平衡平衡状态平衡状态下气相中下气相中溶质溶质的分压的分压称为平衡分压或
45、饱和称为平衡分压或饱和分压分压，与之对应的液相浓度液相浓度称为平衡浓度或气体在液称为平衡浓度或气体在液体中的体中的溶解度溶解度。5.2.1 气体的溶解度气体的溶解度对单组分物理吸收的物系，根据相律，自由度数对单组分物理吸收的物系，根据相律，自由度数F F为：为： F=C-+2=3-2+2=3 (F=C-+2=3-2+2=3 (独立组分数独立组分数C=3,C=3,溶质溶质A A，惰性，惰性组分组分B,B,溶剂溶剂S S，2 2，气、液两相，气、液两相) )即在温度，总压，气、液相组成共即在温度，总压，气、液相组成共4 4个变量中，有个变量中，有3 3个自个自变量（独立变量），另变量（独立变量），
46、另1 1个是它们的函数，故可将平衡个是它们的函数，故可将平衡时溶质在气相中的分压表达为温度、总压和溶解度的函时溶质在气相中的分压表达为温度、总压和溶解度的函数：数：在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应关系有一一对应关系。 xptgpe、2022-2-855当总压不太高当总压不太高（5105Pa）时，一定温度下的时，一定温度下的稀溶液稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。与其在气相中的分压成正比。式中： p* 溶质在气相中的平衡分压，kPa；
47、 xA 溶质在液相中的摩尔分数； E 亨利系数，kPa。 AAExp 亨利定律亨利系数的特点：亨利系数的特点：E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；易程度；同一溶剂中，难溶气体同一溶剂中，难溶气体 E 值很大，易溶气值很大，易溶气体体 E 值很小；值很小；亨利系数的值随物系特性及温度而异；亨利系数的值随物系特性及温度而异；物系一定，物系一定，E 值一般随温度的上升而增大；值一般随温度的上升而增大；E 的单位与气相分压的压强单位一致。的单位与气相分压的压强单位一致。y* 与组成为与组成为 x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔的液相呈平衡的气相中溶质的摩
48、尔分数；分数；m 相平衡常数；是温度和压强的函数。温度和压相平衡常数；是温度和压强的函数。温度和压强一定，易溶气体的强一定，易溶气体的m值较小值较小 AAmxy 溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率x x、y y表示表示AAAAAmxxpEyxpEpppEm AAcHp1气相用平衡分压，液相用物质的量浓度表示气相用平衡分压，液相用物质的量浓度表示 对于一定的溶质和溶剂，对于一定的溶质和溶剂，H值一般随温度升高减小。易溶值一般随温度升高减小。易溶气体气体H值较大，难溶气体值较大，难溶气体H值较小。值较小。 H 溶解度系数；溶解度系数；kmol/(m3 kP
49、a)；是温度的函数是温度的函数c A 溶质在液相中的摩尔浓度，溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；式中 cM为溶液的总摩尔浓度（kmol/m3）。对于稀溶液，因溶质的浓度很小，因此对于稀溶液，因溶质的浓度很小，因此 cM = / Ms ，其中，其中 为溶液的为溶液的密度，密度，Ms 为溶剂的摩尔质量。为溶剂的摩尔质量。 三个比例系数之间的关系：PEm EcHMMMMMC溶液平均密度 溶液平均分子量 对稀水溶液，5 .5502.181000MCKmol/m3，2022-2-860在低浓度气体吸收计算中，通常采用在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变（气相中基准不变（气相中以惰性气体量，液相
50、中以溶剂量）的摩尔比以惰性气体量，液相中以溶剂量）的摩尔比 Y（ 或或 X ）表示组成表示组成。 XA 溶质在液相中的摩尔比浓度；Y* 与X 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。当 m 趋近 1 或当 X 很小时AAAyyBAY1的摩尔数气相中惰气的摩尔数气相中溶质AAAxxSAX1的摩尔数液相中溶剂的摩尔数液相中溶质AAAXmmXY)1 (1AAmXY AAmxy 例例5-1 在温度为在温度为25 ，总压为，总压为1.013 105Pa的条件下，的条件下，将含氢气为将含氢气为0.001（摩尔分数）的混合气用水吸收。已知（摩尔分数）的混合气用水吸收。已知该温度下氢气的亨利系数为该温度下氢气的亨利系
