第四章传质过程

第四章传质过程 • 第一节传质分离过程概述 • 在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将由高浓度区向低浓度区移动，该移动过程称为传质过程。传质过程可以在一相中进行，也可以在两相间进行，两相间的传质过程是分离过程的基础。 • 一、传质分离操作在化工生产中的作用 • 化学反应是化工生产的核心，但是分离提纯反应混合物所用的设备投资却在整个工艺中占有较大比例。如石油化学工业中，用于物料分离的设备投资大约占总投资额的50％～90％，而用于分离操作的费用在生产成本中也占有很大的比例。所以分离操作是化工生产中重要的单元操作。 • 二、分离操作的种类 • 分离过程可分为机械分离和传质分离两类。

1．机械分离 • 它是对两相混合物料的简单分离（如过滤、沉降等），不发生相间的物质传递。 • 2 ．传质分离 • 是质量传递过程，又分为两种形式： • 1）一种是在两相中进行的物质分离； • 当组成不同的两相互相接触时，其中一个或几个组分可以从一相转移到另一相。通常是对均相混合物提供热量或加入某种溶剂，使之形成两相，并利用混合物中各组分在两相中的溶解性或挥发性等物理性质的差异来实现某些组分在相间的转移（如吸收、蒸馏、萃取等）以达到对混合物分离提纯的目的。 • 2）另一种是在一相中进行，如热扩散、膜分离等。

三、化工生产中常见的传质分离操作 • 1）蒸馏 • 利用液体混合物中各组分挥发性的差异来进行的分离，通过部分汽化和部分冷凝交替进行，使气液两相充分接触进行物质交换，达到将混合物分离的目的。 • 2）吸收与解吸 • 对于气体混合物，可选择合适的液体溶剂（吸收剂）在专用设备中使之与气体充分接触，气体中的一个或几个组分由气相转入液相，从而实现对混合气体的分离，这种操作称为吸收；此外伴有化学反应的吸收操作称为化学吸收。 • 解吸是将被吸收的气体组分从吸收剂中脱出的过程。

3）液－液萃取 • 利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶解度的差异来分离液体混合物的方法。 • 可分离各组分沸点接近的混合液、恒沸溶液以及热敏性混合液，也能处理低浓度的物料，且回收率较高，所以广泛用于工业生产中。 • 4）吸附 • 当某些固体与液体或气体混合物接触时，气体或液体中某一或某些组分能以扩散的方式从气相或液相进入固相。 • 吸附分离操作是根据气体或液体混合物中不同组分在固体上被吸附的程度不同而进行分离的过程。 • 常用于微量杂质和毒物的吸附，也用于对物料脱色、除臭、回收溶剂以及干燥等生产过程，也可以分离那些性质非常相近的组分，如从混合二甲苯中分离出邻、间、对二甲苯。

5）干燥 • 是对湿物料加热，使物料中所含的湿分气化，并不断排出湿蒸气而得到干燥固体的操作。 • 在干燥过程中传热和传质同时进行，并伴有相变。 • 6）膜分离 • 以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当膜的两侧存在某种动力（如压力差、浓度差等）时，混合物中的某一组分或某些组分可选择性地透过膜而与混合物中其他组分分离。与常规分离手段相比，膜分离技术具有低能耗、单级分离效率高、过程简单、无污染等优点。 • 反渗透、电渗析、超虑、微虑等。 • 7）热扩散 • 是由温度梯度而引起的物质扩散，如同位素3H和4H的分离。

第二节气－液传质过程机理 • 物质在两相间从一相转移到另一相的传递过程一般经历三个步骤： ①．物质从一相主体扩散到两相界面； ②．物质由一相进入另一相； ③．进入另一相的物质从界面向该相主体扩散。凡相间传质过程，物质从一相主体到相界面和从相界面到另一相主体的扩散，属于单相中的传质；而在界面上从一相至另一相的转移则属于相际传质。

式中：cA为扩散组分的浓度；D为分子系数；NA’扩散组分的扩散速率；l为组分A沿扩散方向上的距离。式中：cA为扩散组分的浓度；D为分子系数；NA’扩散组分的扩散速率；l为组分A沿扩散方向上的距离。 • 一、单相中的传质 • 在单相流体内，物质的传递分为分子扩散和对流扩散两种形式。分子扩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；对流扩散是物质湍流流体中发生质点位移的结果，相当于传热中的对流。 • 1．分子扩散 • 在单相物系内，以分子扩散方式迁移物质的速度，即为分子扩散速度，遵循Fick定律：分子扩散速度与扩散面积成正比，与浓度梯度成正比，物质传递的方向沿浓度降低的方向。其数学表达式为：

式中为扩散层的厚度 • 上式也可以写成扩散通量的形式，即：稳定情况下，NA恒定，则：既可用于气液传质过程的吸收，也可用于精馏。二元混合物气体分子扩散分为分子逆流扩散和单相扩散两种。

＝常数 则： ∴ 等物质的量反向扩散 ∵ ∴ • 1）等分子逆流扩散 • 若二组分A和B混合气体为理想气体，且各处的总压强及温度相同，那么各点的总浓度应相等。即：若边界条件为：

＝ • 则可以得到：若用分压表示，则：两组分混合物的精馏过程就是等分子逆流扩散。在气相中难挥发组分从气相主体向气液界面扩散，易挥发组分从界面向气相主体扩散。

两相之间的传递 过程示意图 • 2）单向扩散 • 吸收过程就是单向扩散。在吸收操作中，惰性组分B不溶于液体中，而组分A则不断溶于液相，使得流体主体与相界面处之间形成总压梯度，促成了A和B从流体向界面处的总体流动传递的量为NA’’+NB’’，且NA’’﹕NB’’ ＝cA﹕cB；组分B在两相界面处的浓度高于气相主体，因此B将由分子扩散离开界面。总体流动挟带的惰性组分B 的量恰好与B的分子扩散量相等，保持B的净传递量为0，即：

组分A在单向扩散中的传递速率为：

式中为组分B的对数平均浓度。 • 边界条件：积分得：

式中为组分B的对数平均分压。 • 若以分压表示：与等分子逆流扩散相比，在单向扩散中，因存在主体流动，使组分A的传递速率NA较等分子扩散增大了cT/cBm或pT/pBm倍，此倍数称为漂流因子，其值恒大于1，当混合物中的浓度很低时， cBm≈cT或pT ≈pBm，则漂流因子接近于1。物料系统内的分子扩散是由物质浓度（或分压）差而引起的分子微观运动；而总体流动是因系统内流体主体与界面处存在总压差引起的流体宏观运动，其起因还是分子扩散，所以总体流动是分子扩散的伴生现象。

3）扩散系数 • 是物质的物性常数，它表明该物质在均匀介质中的扩散能力。其物理意义是：扩散物质在单位面积、单位浓度梯度下的扩散速率，单位为m2/s。 • 影响扩散的因素有： a．扩散组分本身的性质； b．扩散组分所在介质的性质； c．温度； d．压力； e．浓度。

式中VmA , VmA分别为A,B两组分在正常沸点下的摩尔体积，cm3/mol。 • 扩散系数的数值由实验测定，若数据不完备，需要根据经验公式计算。 • 扩散组分A在气体B中的扩散系数常采用Maxwell-Gilliland经验式估算： • 对于很稀的电解质溶液，溶质的扩散系数可按下式估算：式中M为溶剂的摩尔质量，g/mol；为溶剂的粘度Pa·s；Vm为溶质的摩尔体积，cm3/mol；为溶剂的缔合程度，水： ＝2.6，甲醇： ＝1.9等，乙醇： ＝ 1.5，不缔合溶剂： ＝ 1。

2．对流扩散 • 湍流流体的质点沿各方向作不规则运动，使流体内产生漩涡，因此物质的传递既靠分子扩散，又靠漩涡扩散，两者合称对流扩散。涡流扩散的速度也与浓度梯度成正比，比例系数为g。因此对流扩散速度方程可以写成：涡流扩散系数g与分子扩散系数随有相同的单位，但是分子扩散系数是物质的物理性质，同时与所在的介质有关；而涡流扩散系数则受流体流体流动状况和扩散部位等复杂因素的影响。在静止流体或层流流体中， g＝0，高度湍流时g>>D。

气相内： 停滞膜模型示意图液相内： • 1）停滞膜模型（stagnant-film model） • 简称膜模型，其基本论点为： a．在流体靠近相界面处存在一层虚拟的停滞膜，膜以外为流体湍流区，相内对流传质的阻力集中于虚拟的停滞膜内，虚拟停滞膜G比层流底层厚； b．假定停滞膜非常薄，因此任一时刻溶质在膜内的容量与传质速率相比可忽略，即膜内无溶质的积累，溶质以稳态的分子扩散通过停滞膜。因此一组分通过另一组分的对流扩散速率可写成：

气相内： 液相内： • 2）对流传质速率方程 • 因lG，lL难于测定，仿照牛顿冷却定律，令：则有：式中kG和kL分别为气膜和液膜传质分系数。由上两式可知，提高传质速率的途径有3种： a．提高传质分系数kG和kL； b．提高传质推动力p和c； c．增加两相的接触面积。

二、相间传质 物质由一相转移到另一相的过程是由三个阶段组成，第一与第二阶段属于单相中的扩散，而第二阶段两相接触时相间界面的状况及在界面上发生的过程则比较复杂，直到现在尚没有统一的理论足以完善地反映相间传质的内在规律。

最为简便和实用的模型是1923年惠特曼（Whitman）提出来的双膜理论，基本论点如下： 最为简便和实用的模型是1923年惠特曼（Whitman）提出来的双膜理论，基本论点如下： 1）相互接触的气液两流体间存在有稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的停滞气膜和液膜。溶质组分以稳态的分子扩散通过这两层膜； 2）在相界面处，气液两相一经接触就达到平衡，即：pi=ci/H，界面上无传质阻力； 3）在停滞膜以外，气液两流体都充分湍动，组成均一，溶质每一相内的传质阻力都集中在虚拟的停滞膜内。

基于以上假定，将气液相际传质机理简化为溶质组分通过气液两层虚拟膜的稳定分子扩散过程。膜层厚度假设为lG和lL，因为已假设界面上气液两相平衡，其关系可表示为pi=f(ci)，所以pi和ci的相对位置由相与相的平衡关系所决定，这一理论把复杂的问题大为简化。基于以上假定，将气液相际传质机理简化为溶质组分通过气液两层虚拟膜的稳定分子扩散过程。膜层厚度假设为lG和lL，因为已假设界面上气液两相平衡，其关系可表示为pi=f(ci)，所以pi和ci的相对位置由相与相的平衡关系所决定，这一理论把复杂的问题大为简化。 • 双膜理论对于固定相界面的传质以及两相流体流速不很高的自由界面相际传质过程都符合很好，而对高度湍动的两流体间的传质过程则表现出一定的局限性。

第三节传质设备 • 一、评价塔设备的指标 • 气液传质设备通常采用塔式设备，主要有：填料塔和板式塔两种。评价它们的性能指标有以下几项： • 1．分离效率 • 是指每层塔板或单位高度填料层所能达到的分离程度。塔的分离效率不仅取决于被分离物系的性质和操作状态（压力、温度，流量等），而且也取决于塔的型式及结构。 • 对于常压或减压操作，填料塔具有较高的分离效率；而加压操作，板式塔则具有较高的分离效率。 • 2．生产能力 • 是指单位时间单位塔截面上处理物料的量，生产能力的大小与空塔速度有关。

3．压力降 • 是指气相通过每层塔板或单位高度填料层的压力降。塔内压降过大，必然导致塔底釜压过高，能耗增加，对于热敏性物料，则易引起分解和结焦，因此它是衡量塔设备的一个重要参数。 • 4．操作弹性 • 是指在负荷变化时，仍能维持稳定操作并保持较高分离效率的能力。 • 5．持液量 • 是指塔在正常操作时填料表面，塔内构件和塔板上所保持的液体量，它随操作负荷的变化而增减。对于填料塔一般小于6％，而板式塔则高达8％～12％。持液量大对操作因素的脉冲变化或突然变化可起到缓冲作用，不易引起产品质量的变化；但过大，要达到各部位上组成稳定平衡的时间很长，以致会延长开工时间。

1－气体出口，2－液体入口，3－液体分布器，4－壳体，5、7－填料，6－液体再分布器，8－支撑栅板，9－气体入口，10－液体出口1－气体出口，2－液体入口，3－液体分布器，4－壳体，5、7－填料，6－液体再分布器，8－支撑栅板，9－气体入口，10－液体出口 • 二、填料塔 • 填料塔为连续接触式的气液传质设备，它由填料、塔内构件及筒体组成。气液两相呈逆流流动，两间的传热、传质主要在填料表面上进行，气液组成则沿填料高度连续变化。优点：通量大，压降低，持液量少以及操作弹性大。

1．填料特性 • 填料塔的性能好坏与所用填料直接有关，通常填料应符合以下基本要求： • 1）比表面积大 • 比表面积是指单位体积的填料层所具有的填料表面积，单位m2/m3。只有被被流动的液相所润湿的填料表面，才是有效的传质面积，因此填料应具有良好的润湿性能和有利于液体均匀分布的形状。 • 2）空隙率大 • 空隙率是指单位体积填料层所具有的空隙体积，单位m3/m3。在填料塔中，气液两相均在填料空隙中流动，空隙率大则阻力减小，通量大。

3）机械强度大，稳定性好 • 填料要有足够的机械强度与良好好的化学稳定性，以防止破碎或腐蚀。 • 4）堆积密度小 • 堆积密度p是指单位体积填料的质量，单位kg/m3。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小堆积密度，这样既增大了空隙率，又降低了成本。 • 5）价格便宜 • 2．常用填料 • 填料可分为规整填料和散装填料两大类。规整填料是在塔内按几何形状均匀、整齐排列堆砌的填料；散装填料是以乱堆形式填充在塔内的小尺寸填料，缺点气液分布不均，传质效率低等。

1）散装填料

波纹填料结构示意图 • 2）规整填料 • 主要有下面几种结构： ①．板波纹与网波纹填料，如左图； ②．格栅型填料。

填料支承装置 (a)栅板式；(b)升气管式 • 3．填料塔附件 • 1）填料支承装置作用在于支承塔内填料及液体的重量，同时具有一定的开孔面积以供气、液两相均匀顺畅通过，否则气速过大，将首先在支承板处发生液泛。

液体喷淋装置图 • 2）液体喷淋装置液体喷淋装置是使液体均匀地喷淋到塔内截面各点处的重要构件。

截锥式再分布器 • 3）液体再分布器液体再分布器是为了克服塔内流体向塔壁的所谓“壁流现象”的塔构件，用再分布器将液体收集起来后，再重新均匀淋下的装置。如上图截锥式再分布器。

板式塔典型结构 • 三、板式塔板式塔是在圆筒形塔体内每隔一定间距安装多层塔板组成。塔板是板式塔的核心部件，其主要功能是为气液两相充分接触提供场所。板式塔是逐级接触型的气液传质设备，气相以气泡的形式通过塔板上的液层，因为通过塔板上的气泡和液滴的传质速度要比填料表面的液膜大得多，所以板式塔的单位体积生产强度往往比填料塔大许多倍。板式塔放大时，塔板效率较为稳定，但压降比填料塔高。

溢流塔板与穿流塔板 • 按塔内气液流动方式，板式塔可以分为溢流式（即错流式）与穿流式两类。溢流式在板间有专供液体流过的降液管（又称溢流管）。适当安排降液管的位置及堰的高度，可以控制板上流体的流径和液层厚度，从而获得较高的效率；穿流式塔板不设降液管，气液同时由塔板上孔道逆向传流而过。

1．泡罩塔板 • 泡罩塔板主要元件为泡罩。每层塔板上安装有若干短管作为上升气体的通道，称为升气管，由于升气管高出液面，所以泡罩塔不易漏液。泡罩安装在升气管上，从下层塔板上升的气体经升气管从泡罩下部周边开设的齿缝中吹出，上升气体通过齿缝被分成细小的气泡或流股进入液层。这种塔板具有性能稳定，操作弹性大，塔板效率比较高不易堵塞等优点，但结构较复杂，板压降大，生产强度低和造价高。

浮阀塔示意图 • 2．浮阀塔浮阀塔与泡罩塔大体相同，浮阀塔在塔板上开孔，孔的上方安装可以上下浮动的阀片。优点：生产能力大，塔板压降小，构造比泡罩塔简单，效率比泡罩塔高，而且能处理较脏和粘性物料。

径流型舌形塔板 • 3．浮动舌形塔板舌形塔板的基本结构部件是在板上充出舌孔和舌片，舌片可随气流速度的改变而上下浮动，从而保证适宜的缝隙气速，在舌形塔板上气液呈并流。舌形塔板上液面梯度较小、液层较低，塔板压降小，处理能力大。

筛板塔示意图 • 4．筛板塔板上开有许多均匀分布的筛孔，上升气流通过筛孔分散成细小的流股，在板上液层中鼓泡，与液体密切接触，塔板上设置溢流堰，以维持板上一定深度的液层。筛板塔结构简单，制造方便，成本低，压降小，处理量大；但操作弹性小，小孔筛板容易堵塞。

立式筛板（VST） • 立式筛板（VST）在塔板上垂直配列具有开孔的圆筒，从圆筒下部的小孔流出的液体夹带在从塔板下侧上升的气流中，在上部的筛孔处相接触时进行传质，通过筛孔的液体降落在塔板上，蒸气则上升到上块板。立式筛板压降小，操作稳定，应用在高真空塔中有其独特的优势。

第四章 传质过程