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1、第五章传质过程及塔设备物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质量传递过程，简称传质。在一相中发生的物质传递是单相传质，通过相界面的物质传递为相间传质。传质过程广泛运用于混合物的分离操作；它常与化学反应共存，影响着化学反应过程，甚至成为化学反应的控制因素。掌握传质过程的规律，了解传质分离的工业实施方法，具有十分重要的意义。5.1 传质过程及塔设备简介 1.传质过程的类型 气体吸收利用气体中各组分在液体溶剂中的溶解度不同，使易溶于溶剂的物质由气相传递到液相。两相间的传质过程，分为流体相间和流固相间的传质两类。（1）流体相间的传质过程气相一液相 包括气体的吸收、液体的蒸馏、气体的增湿等单元操作
2、。液体蒸馏是依据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点低的组分气化，达到分离的目的。增湿是将干燥的空气与液相接触，水分蒸发进入气相。 气相一固相 含有水分或其它溶剂的固体，与比较干燥的热气体相接触，被加热的湿分气化而离开固体进入气相，从而将湿分除去，这就是固体的干燥。液相一液相 在均相液体混合物中加入具有选择性的溶剂，系统形成两个液相。（2）流一固相间的传质过程气体吸附的相间传递方向恰与固体干燥相反，它是气相某个或某些组分从气相向固相的传递过程。含某物质的过饱和溶液与同一物质的固相相接触时，其分子以扩散方式通过溶液到达固相表面，并析出使固体长大，这是结晶。液相一固相固体浸取是应用液体溶剂将固体原
3、料中的可溶组分提取出来的操作。液体吸附是固液两相相接触，使液相中某个或某些组分扩散到固相表面并被吸附的操作。离子交换是溶液中阳离子或阴离子与称为离子交换剂的固相上相同离子的交换过程。2传质过程的共性 单相物系内的物质传递是依靠物质的扩散作用来实现的，常见的扩散方式有分子扩散和涡流扩散两种。前者物质靠分子运动从高浓度处转移到低浓度处，物质在静止或滞流流体中的扩散；后者是因流体的湍动和旋涡产生质点位移，使物质由高浓度处转移到低浓度处的过程。（1）传质的方式与历程某组分在两相间传质，步骤是：从一相主体扩散到两相 界面的该相一侧，然后通过相界面进入另一相，最后从此相 的界面向主体扩散。涡流扩散、分子扩
4、散，两者统称对流扩散。条件的改变可破坏原有的平衡。其平衡体系的独立变量数 由相律决定：f = k + 2 f为独立变量数, k为组分数, 为相数，“2”是指外界的温度 和压力两个条件。 （2）传质过程的方向与极限相间传质和相际平衡的共有规律稀溶液，气液两相的平衡关系遵循亨利(Henry)定律；理想溶 液的气液相间符合拉乌尔(Raoult)定律。一定条件下，处于非平衡态的两相体系内组分会自发地进 行传质，使体系组成趋于平衡态的传递。在一定条件下(如温度、压力)，两相体系必然有一个平衡 关系。若物质在一相中(A相)实际浓度大于其在另一相(B相)实际浓度所要求的平衡浓度，则物质将由A相向B相传递；
5、PA PA* 相间传质过程的方向和极限的判断：若物质在A相实际浓度等于B相实际浓度所要求的平衡浓度，则无传质过程发生体系处于平衡状态。 PA PA*物质在A相实际浓度小于其在B相实际浓度所要求的平衡浓度，则传质过程向相反方向进行，即从B相向A相传递； PA PA*相平衡关系指明传质过程的方向，平衡是传质过程的极限 ，而组分浓度偏离平衡状态的程度便是传质过程的推动力。传质速率与传质推动力的大小有关，可以写为：即 传质速率=传质系数传质推动力 （3）传质过程推动力与速率物质传递的快慢以传质速率表示，定义为：单位时间内， 单位相接触面上被传递组分的物质的量相间传质的每一步有各自的速率方程，称为分速率
6、方程 ；整个过程速率方程为总速率方程，相应的有传质分系数和 总系数之分。3. 塔设备简介 传质过程有共同的规律，也有通用的传质设备。气体吸收和液体精馏两种气液传质过程通常在塔设备内进行。提供气、液两相充分接触的机会。 根据塔内气液接触部件的结构型式，分为填料塔与板式塔两大类。 （1）填料塔填料塔 结构如图所示,圆筒形,内装填料液体由上往下流动时，由于塔壁处阻力较小而向塔壁偏流，使填料不能全部润湿，导致气液接触不良，影响传质效果，称之为塔壁效应。3.1 填料塔的结构a、填料长期的研究，开发出许多性能优良的填料，如图是几种填料的形状。填料分类散堆填料环形鞍形球形拉西环 鲍尔环阶梯环 弧鞍（贝鞍）矩
7、鞍（英特洛克斯） 金属环矩鞍规整填料波纹型隔栅型丝网波纹孔板波纹格利希隔栅勒辛环鲍尔环拉西环阶梯环金属环矩鞍弧鞍环规整填料混堆填料拉西环优点是结构简单、制造方便、造价低廉，缺点是气 液接触面小，沟流及塔壁效应较严重，气体阻力大，操作弹性 范围窄等。鞍形(弧鞍和矩鞍)填料像马鞍形的填料，不易形成大量的局 部不均匀区域，空隙率大，气流阻力小。鞍环填料综合了鞍形填料液体分布性好和环形填料通量大的 优点，是目前性能最优良的散装填料。波纹填料由许多层高度相同但长短不等的波纹薄板组成 ，整砌结构，流体阻力小，通量大、分离效率高，不适合 有沉淀物、易结焦和粘度大的物料，装卸、清洗较困难， 造价也高。金属丝网
8、价格昂贵用于要求高,产量不大操作。 b、液体分布器作用：使液体能够均匀地分布在填料层上。 类型：多孔型、溢流型。（d）排管式(a)莲蓬头式(b)多孔环管式(c)溢流管式C、液体收集及再分布装置作用：将上段填料层流下的液体收集充分混合后，重新分布 在下段填料层上。形式：(a)截锥型(b) “罗赛脱”型液体收集器液体再分布器d、气体分布器作用：使气体能够均匀分布。形式：塔气体分布器小塔气体分布器大塔气体分布器e、除沫装置作用：回收气体夹带的液沫和雾滴。形式：折流板式除沫器旋转板式除沫器f 、填料支承板作用：支撑填料及其所持液体。形式：(a)栅板(b)升气管式填料支撑板：它是气、液两相在多孔床层中逆
9、向流动的复杂过程。受填料层压降,液泛气速,持液量,气液分布等影响.空塔气速是指按空塔计算得到的气体线速度。下图为不同喷淋密度下，单位高度填料层的压降p/H与空塔气速u的关系图。填料塔内的流体力学状况L=0，即气体通过干填料层时pHu呈直线关系，直线的斜率为1.8-2.0，表明pH与u的1.82倍呈正比，气流状态为湍流。气速增大至某值时，液体流动受到两相流体间摩擦力的阻 碍，填料层的持液量随气速的增加而增加，此现象称拦液现 象。将开始拦液的转折点称载点，载点对应的空塔气速称载 点气速。 超过载点气速后， p/Hu关系线斜率加大，填料层内 的液流分布和表面润湿程度均大有改变，两相湍动程度加剧， 塔
10、内持液量不断增多，液体充满整个塔空间，导致压降急剧升 高。液体由分散相变为连续相，气体由连续相变为分散相，以 鼓泡状通过液层,把液体带出塔顶，塔操作不稳定，此现象称液 泛。开始发生液泛的转折点为泛点，相应的空塔气速称泛点气 速。影响泛点气速的因素有填料特性、流体物性、气液的流量 等。实际操作气速常取泛点气速的 5085。(2) 板 式 塔板式塔结构及性能（1） 板式塔结构 板式塔的壳体为圆筒形，里面装有若干块水平的塔板功能：为混合物的气、液两相提供多级的充分、有效的接触与及时、完全分离的条件。进料回流液塔顶气相塔底液相汽、液两相接触方式 两相流动的推动力 全塔：逆流接触塔板上：错流接触液体：重
11、力气体：压力差塔板上的气液两相流动有错、逆流之分，如图所示。塔板结构 气体通道形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等，对塔板性能影响很大。 降液管（液体通道）液体流通通道，多为弓形。 受液盘塔板上接受液体的部分。 溢流堰使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。浮阀塔内部结构塔板上理想流动情况：液体横向均匀流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。传质的非理想流动情况：反向流动 液沫夹带、气泡夹带 ，即：返混现象 后果：使已分离的两相又混合，板效率降低，能耗增加。不均匀流动液面落差（水力坡度）：引起塔板上气速不均；塔壁作用（阻力）：引起塔板上液速不均
12、，中间 近壁；后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。塔板的结构型式有a泡罩塔板 构造如图示。泡罩塔板有较好的操作弹性，结构复杂、造价高，尤其是气体流径曲折，塔板压降大、液泛气速低、生产能力小。组成：升气管和泡罩圆形泡罩条形泡罩泡罩塔优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大但生产能力不大。 b浮阀塔板浮阀塔板是泡罩塔的改进型，如图。浮阀塔生产能力与操作弹性大、板效率高、塔板阻力小、结构简单、造价低等优点，但浮阀对材料的抗腐蚀性要较高，采用不锈钢制造。 圆形浮阀条形浮阀浮阀塔盘方形浮阀优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔
13、板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。缺点：浮阀易脱落或损坏。方形浮阀F1型浮阀c. 舌形塔板 气流方向：垂直 小角度倾斜，改善液沫夹带、液面落差 。 气液接触状态：喷射状态连续相：气相；分散相：液相 促进两相传质。形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直筛板等。缺点：气泡夹带现象比较严重。20=R2550三面切口舌片; 拱形舌片; 5050mm定向舌片的尺寸和倾角舌形塔板：d筛孔塔板 结构简单、造价低廉、气体压降小、生产能力较大；缺点是操作弹性范围较窄，小孔筛板易堵塞。舌形塔板e导向筛板 如图（导向筛板）应用：用于减压塔的低阻力、高效率塔板。斜台：抵消液面落差的影响。导向孔
14、：使气、液流向一致，减小液面落差。液流(a)斜台装置液流液流(b)导向孔林德筛板a.气液接触状态 孔速较低时,气体以鼓泡形式通过液层，板上 气液两相呈鼓泡接触，图(a). 随孔速的增大气泡的数量而增加, 气泡表面连成一片发生合并与破裂,板上液体以泡沫形式存在于 气泡之中,但液体为连续相,气体为分散相,图5(b).孔速继续增大, 气体从孔口喷出,液体由连续相变为分散相,气体则由分散相变 为连续相,图.板式塔上流体力学状况 塔板形式多样，下面介绍塔板上气液接触状态、漏液、雾沫夹 带、液泛等流体力学规律。塔板上气、液两相接触状态从严重漏液到液泛整个范 围内存在有四种接触状态 ，即：鼓泡状态、泡沫状态
15、、 喷射状态及乳化状态。 泡沫状态 由于孔口处鼓泡剧烈，各种尺寸的气泡连串迅速上升，将液相拉成液膜展开在气相内，因泡沫剧烈运动，使泡沫不断破裂和生成，以及产生液滴群，泡沫为传质创造了良好条件。是工业上重要的接触状态之一。 喷射状态从筛孔或阀孔中吹出的高速气流将液相分散高度湍动的液滴群，液相由连续相转变为分散相，两相间传质面为液滴群表面。由于液体横向流经塔板时将多次分散和凝聚，表面不断更新，为传质创造了良好的条件，是工业塔板上另一重要的气、液接触状态。 b漏液 气体通过筛孔的速度较小时，气体通过筛孔的动压不足以阻止板上液体的流下，液体会直接从孔口落下，这种现象称为漏液。正常操作时，一般控制漏液量
16、不大于液体流量的10。相应的孔流气速为漏液点气速 。c液泛 如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为液泛。液 泛现象 过量雾沫夹带液泛原因： 气相在液层中鼓泡，气泡破裂， 将雾沫弹溅至上一层塔板； 气相运动是喷射状，将液体分散 并可携带一部分液沫流动。说明：开始发生液泛时的气速称之 为液泛气速 。 降液管液泛当塔内气、液两相流量较大，导致降液管内阻力及塔板阻力增大时，均会引起降液管液层升高，当降液管内液层高度难以维持塔板上液相畅通时，降液管内液层迅速上升，以致达到上一层塔板，逐渐充满塔板空间，即发生液泛。并称之为降液管内液泛。说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。对塔设备的要求：气液负荷大，即单位塔截面处理物料量 大，生产能力大；传质效率高，达到规定分离要
