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5.1 传质过程及塔设备简介

    1.传质过程的类型

    根据相态不同，可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

    ①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。

    气体吸收利用气体混合物中各组分在液体溶剂中的溶解度不同，将气体混合物与液体溶剂相接触，使易溶于溶剂的物质由气相传递到液相而分离气体混合物。

    液体蒸馏时，则是依据液体混合物中各组分的挥发性不同，加热使其中沸点低的组分气化，从而达到分离的目的。

    在气体增湿操作中，将干燥的空气与液体水相接触，水分蒸发而进入气相。

    ②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。由于原溶液中各组分在溶剂中的溶解度不同，它们将在两个液相之间进行分配，即发生相间传质过程，这就是通常所说的液一液萃取。

    （2）流一固相间的传质过程

①气相一固相这类传质过程有固体干燥、气体吸附等操作。

    含有水分或其它溶剂（统称湿分）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。在干燥过程中，物质由固相向气相传递。

    　②液相一固相包括液体结晶、固体浸取（也叫固一液萃取）、液体吸附、离子交换等单元操作。

    含某物质的过饱和溶液与同一物质的固相相接触时，其分子将扩散通过溶液到达固相表面并析出而使固体长大，这就是结晶。固体浸取是应用液体溶剂将固体原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慣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

    （1）传质的方式与历程

    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便是此种；后者则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。所以物质传递既靠涡流扩散也靠分子扩散，两者统称对流扩散。

    所经历的步骤是：物质首先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。

      （2）传质过程的方向与极限

分析氨和空气的气体混合物与水在一恒温恒压的容器中进行两相接触的传质过程。易溶于水的氨会向液相传递，氨分子跨过相界面进入水中，同时，水相中的氨分子也会有一部分返回到气相中。

如果保持相同的温度和压力，向容器中注入氨气或水，或者直接改变温度或压力，上述动态平衡将会被破坏，但再经过一定的时间后，体系又可达到新的动态平衡。

    由此，我们可得出相间传质和相际平衡所共有的几点规律。

    ①一定条件下，处于非平衡状态的两相体系内组分会自发地进行旨在使体系的组成趋于平衡态的传递。经足够长的时间，体系最终将达到平衡状态，相间没有净的质量传递；

    ②条件的改变可破坏原有的平衡状态。如改变后，条件保持恒定，一定时间后，体系又可达到新的平衡。平衡体系的独立变量数（或称自由度）由相律所决定：

f=k-+2

式中f为独立变量数, k为组分数, 为相数，“2”是指外界只有温度和压力两个条件可以改变体系的平衡状态。

    如压力和温度一定，则平衡体系只有一个独立变量。若两相中的一相的组成已定，则另一相的组成也随之而定；

    ③在一定条件下（如温度、压力），两相体系必然存在着一个平衡关系。

    相平衡关系主要依靠实验测定，很多体系的平衡数据可从有关手册中查到。还有许多描述两相之间浓度关系的方程，对稀溶液，气液两相间的平衡关系遵循亨利（Henry）定律；理想溶液的气相和液相间的平衡关系符合拉乌尔（Raoult）定律等。具体的平衡关系，在以后的内容中再作介绍。

    相间传质过程的方向和极限可用组分在一相中的实际浓度与另一相实际浓度所对应的平衡浓度的相对大小来判断。

    ①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；

    ②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；

    ③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。

    若以表示气相中氨的实际分压；表示达到与所要求的液相实际浓度平衡时的分压，则：>时，氨从气相向液相传递；<时，氨由液相向气相转移；=时两相间无净的氨传递，体系达到平衡状态。

    （3）传质过程推动力与速率

    相平衡关系指明了传质过程的方向，平衡是传质过程的极限，而组分在两相分配偏离平衡状态的程度便是传质过程的推动力。

    传质过程中，物质传递的快慢常以传质速率来表示，其定义为：单位时间内，单位相接触面上被传递组分的物质的量，单位为。传质速率与传质推动力的大小有关，与其它速率过程一样，传质速率可以写为：

实际上，常把传质阻力看成是传递系数的倒数，即

                    传质速率=传质系数×传质推动力

    这样，把速率问题的关键转化为求取不同体系在不同条件下的传质系数。相间传质过程的每一步都有各自的速率方程，称为分速率方程；整个过程的速率方程为总速率方程，相应的也有传质分系数和总系数之分。

3. 塔设备简介

    传质过程存在共同的规律，也有通用的传质设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使传质、传热两种传递过程能够迅速有效地进行，同时还要能使接触之间的气、液两相及时分开，互不夹带。

     根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为填料塔与板式塔两大类。

（1）             填料塔

①填料塔的结构填料塔的结构如图5—1所示。塔体为圆筒形，里面填充一定高度的填料，填料的下方有支承板，上方为填料压网及液体分布装置。操作时，液体经塔顶的液体分布器分散后沿填料表面流下而润湿填料，气体用机械输送设备从塔底进入，在压强差推动下，通过填料间的空隙与液体逆向接触，在填料表面进行传质、气、液两相的组成沿塔高连续地变化。

    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。为了防止塔壁效应，通常在填料层较高的塔中将填料分层装置，

各层间设置液体再分布器，将液体重新分布后再送入下层填料。选择尺寸合适的填料，也可以减弱和防止塔壁效应。为分离气体可能夹带的少量雾状液滴，在塔顶还安装有除沫器。

填料塔的操作性能，关键在于填料。性能优良的填料应该有较大的比表面积、良好的润湿性能、较高的空隙率以及重量轻、造价低、坚牢耐用等。图5—2是几种填料的形状。