1,第八章 吸收、吸附、离子交换,对于单一均相物系的分离，一般是采用引入另一相，利用各成分物质对两相的亲和性上的差异而由一相向另一相转移的方法实现分离。这种物质由一相向另一相转移的过程称为传质过程。,2,1气体吸收和脱吸 饮料冲气（CO2）、通气发酵、挥发性香精回收、油脂氢化、糖汁饱充、天然油料脱臭等。 2空气调节 空气的增湿与减湿。 3吸附 动、植物油脱色、自来水净化等。,一、食品工业中的传质过程,3,4结晶 蔗糖、葡萄糖、蜂蜜中糖分、冰淇淋中乳糖等。 5固液萃取 从油料种子中提取油脂、从甘蔗（甜菜）中提糖等。 6干燥 果蔬干制、奶粉制造、面包和饼干的焙烤、淀粉制造、以及酒糟、酵母、麦芽、砂糖的干燥等。 7蒸馏 在酿酒工业中是应用最早的单元操作。,4,1. 质量浓度单位体积混合物中某组分的质量。 rA=mA/V 2. 物质的量浓度单位体积混合物中某组分的物质的量。 cA=nA/V 3. 质量分数某组分的质量mA与混合物总质量m之比。 wA=mA/m 归一方程： SwAi=1,二、混合物组成的表示方法,4. 摩尔分数某组分的物质的量nA与混合物总物质的量n之比。 xA =nA/n 归一方程： SxAi=1 当混合物为气液两相体系时，常以x表示液相中的摩尔分数，y表示气相中的摩尔分数。,5,通量：单位时间通过垂直于流动方向上单位面积的物质量。 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。 传质速率：单位接触时间内传递的物质量。,三、传质通量,6,第一节 传质原理,在混合物中一相的两点间，只要有浓度差就会产生传质。传质总是由高浓度处向低浓度处进行，物质在相内的传递是靠扩散作用。 一、单相中的扩散 发生在流体中的扩散有分子扩散与涡流扩散两种。,7,分子扩散是在相内有浓度差存在的条件下，由分子的无规则运动而导致的物质传递现象。,（一）分子扩散和菲克定律,8,Fick第一定律只适用于由于分子无规则热运动而引起的扩散。若在扩散的同时伴有混合物的主体流动，则实际传递通量除分子扩散通量外，还应考虑由于主体流动而形成的通量。,Fick定律,Fick 定律是对分子扩散基本规律的描述。,JA,9,分子扩散形式,1.等摩尔逆向扩散 2.单向扩散,10,1涡流扩散 分子扩散只有在固体、静止或层流流动的流体内才会单独发生。在湍流流体中，存在着凭借流体质点的湍动和旋涡来传质的现象，称为涡流扩散，其通量远大于分子扩散的通量。,（二）对流扩散,2对流扩散 对流传质是指壁面与运动流体之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递，是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和。,11,二、相际间的传质,相际间的传质是指发生在运动着的流体与相界面之间的传质过程。,溶质A穿过气膜的吸收速率方程为： NA=kg(p-pi) 而溶质A穿过液膜的吸收速率方程式则为： NA=kL(ci-c),12,（一）双膜模型 （1）在气液两相间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一层很薄的停滞膜，溶质A经过两膜层的传质方式为分子扩散，传质阻力集中在此两层膜内； （2）在气液相界面处，气液两相处于平衡状态； （3）在两层停滞膜以外的气液两相主体中，由于流体的强烈湍动，各处浓度均匀一致。,三、自由界面相际传质理论,13,在许多实际传质设备中，由于气液两相在高度湍动状况下互相接触，不可能存在一个稳定的相界面，从而也不会存在两个稳定的停滞膜层，应根据不稳定扩散模型来处理这类问题。,（二）溶质渗透模型,14,（1）液面是由无数微小的流体单元所组成，当气液两相处于湍流状态相互接触时，液相主体中的某些流体微元从主体向界面运动，至界面便停滞下来，停留一段很短的时间后又回到流体主体中。在界面停留时即与气体接触，发生传质。经过qc时间后，旧的流体微元即被新的流体微元所置换而回到液相主体中去，同时即将溶质带到液相主体。(2）流体微元不断进行交换，每批流体微元在界面暴露的时间qc都是一样的。,15,该模型同样认为溶质向液相内部的传质为非稳态分子 扩散过程，但它认为表面上的流体微元不可能有相同的暴露 时间，而是有不同的暴露时间，整个液体表面是由具有不同 暴露时间（或称“年龄”）的液体微元所构成。整个表面上的 平均传质通量是各微元在传质上所占份额之和。,（三）表面更新模型,表面更新模型实际上是溶质渗透模型的修正。就准确性而言， 应当优于溶质渗透模型。,16,气体吸收是使液体与混合气体相接触，混合气体中的某一个或某几个组分溶于液体，从而实现分离的传质操作。吸收操作的逆过程称为脱吸。不被吸收的组分称为惰性气体或载体。 应用举例： （1）用水吸收SO3制取硫酸；制取产品 （2）用油吸收油厂空气中汽油；净化气体 （3）用含石灰乳的糖汁吸收CO2。糖汁提纯,一、概述,第二节 吸收与脱吸,17,（1）按是否发生化学反应分： 物理吸收与化学吸收 （2）按被吸收的组分数分： 单组分吸收与多组分吸收 （3）按吸收的热效应分： 等温吸收与非等温吸收 （4）按被吸收组分的浓度分： 低浓度吸收与高浓度吸收,分类：,18,恒温、恒压下： p*=f (x) 平衡关系 在一定条件下使气体与液体长时间接触，气液两相将趋于平衡，达到平衡时气体不再继续溶解，称为平衡溶解度。平衡溶解度表示吸收过程所能达到的极限。 关于溶解度的规律: （1）总压不太高时，可认为溶解度与总压无关，只与分压有关。 （2）温度上升，溶解度下降，不利于吸收的进行。,（一）气体在液体中的溶解度,一、吸收操作中的气液相平衡,19,几种气体 在水中的 溶解度：,易溶气体NH3,20,中等溶解度气体SO2,21,难溶气体O2,22,一定温度下，溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度间存在一定的关系，称为平衡关系。当浓度较低时，在一定的范围内平衡关系为线性关系。 亨利定律： p*=Ex,（二）亨利定律,23,（1）溶解度 吸收剂对于溶质组分应具有较大的溶解度。当吸收剂与溶质组分间有化学反应发生时，溶解度可以大大提高，但若要循环使用吸收剂，则化学反应必须是可逆的。 （2）选择性 吸收剂要在对溶质组分有良好吸收能力的同时，对混合气体中的其他组分都基本上不吸收或吸收甚微，否则不能实现有效的分离。 （3）挥发度 操作温度下吸收剂的蒸汽压要低。吸收剂的挥发度愈高，其损失量便愈大。 （4）粘度 操作温度下吸收剂的粘度要低，可以改善吸收塔内的流动状况。 （5）其他 吸收剂还应尽可能无毒性，无腐蚀性，不易燃，不发泡，冰点低，价廉易得，并具有化学稳定性。,（三）吸收剂的选择,24,二、吸收速率,吸收速率是指单位传质面积上单位时间内吸收的溶质量。 吸收速率 = 推动力 / 阻力,推动力为浓度差。,吸收阻力的倒数称为吸收系数。,25,根据双膜理论，溶质A穿过气膜的吸收速率方程为： NA=kG(p-pi) 而溶质A穿过液膜的吸收速率方程式则为： NA=kL(ci-c) 稳定操作时应有： NA=kG(p-pi)= kL(ci-c),（一）吸收速率方程,26,第三节 填料塔,1.具有尽可能大的接触表面积和尽可能好的流体力学条件，以利于提高吸收速率，减少设备的尺寸。 2.气体通过设备的阻力要小，以节省动力消耗。 3.设备还必须能耐腐蚀并符合卫生要求。,27,一、填料塔的结构与填料,（一）填料塔的结构与操作 支撑板、 分布器、液体再分布器,28,要求：（1）比表面大； （2）空隙率高； （3）润湿性好； （4）质轻、价廉、机械强度高。 指标：（1）比表面积s； （2）空隙率e ； （3）填料因子s /e 3。,（二）填料类型,29,（1）拉西环,高与直径相等的圆环，常用直径为2575mm的陶瓷环。构造简单，气体通过能力低，阻力大，润湿不充分，传质效果差。,常用填料：,30,（2）十字环,在拉西环的中间加一十字，可增加比表面积，也使湍流更剧烈。,（3）鲍尔环,在拉西环的壁面上开二排孔，断开三条边，另一边弯入环内，在环中心对接。气、液流通舒畅，有利于气、液进入环内。气体通过能力与体积传质系数都显著提高，阻力也减少。,31,（4）阶梯环,是一端有喇叭口的开孔环形填料，环高与直径之比略小于1，环内有筋，起加固与增大接触面的作用。喇叭口能防止填料并列靠紧，使空隙率提高，并使表面更易暴露。,（5）矩鞍,两侧表面不能叠合，较耐压力，构形简单，加工比弧鞍方便，多用陶瓷制造。它的水力学性能和传质性能都较优越。,32,（6）弧鞍,形如马鞍，表面不分内外，全部敞开，液体在两侧表面分布同样均匀。堆放在塔内时，对塔壁侧压力比环形填料小。但由于两侧表面构形相同，堆放时填料容易叠合。多用陶瓷制造。,鞍的背部冲出两条狭带，弯成环形筋，筋上又冲出四个小爪弯入环内。兼有鞍形填料液体分布均匀与开孔填料通量大，阻力小的优点。,（7）金属鞍环,33,（8）波纹填料,34,（1）比表面积 比表面积大，则能提供的相接触面积大。同一种填料其尺寸愈小，则比表面积愈大。 （2）空隙率 空隙率大则气体通过时的阻力小，因而流量可以增大。 （3）填料因子 定义为s/e3，是表示填料阻力及液泛条件的重要参数之一。按干填料算出的s/e3值不能确切地表示填料淋湿后的水力学性能，故把在有液体淋洒的条件下实测的相应数值称为填料因子，以f表示，单位亦为1/m。f值愈小，则阻力愈小，发生液泛时的气流速度高，水力学性能好。,（三）填料的特性及其数据,35,补充,液泛：在逆流接触的气-液反应器或传质分离设备中，气体从下往上流动。当气体的流速增大至某一数值，液体被气体阻拦不能向下流动，愈积愈多，最后从塔顶溢出。 产生液泛时的气体速度或连续相速度称为液泛速度；这种操作状态称为液泛点。在设计设备时，必须使设备的操作不致发生液泛。,36,1. 填料支承板,（1）直流式,（2）侧流式,（四）填料塔附件,37,2. 液体淋洒装置,38,乱堆的填料实际上形成固定床，近壁处的流动阻力较小，液体有趋向器壁流动的趋势。当填料层较高时，应将塔分成几段，段与段之间设液体再分布器。 液体再分布器的作用是将流到塔壁近旁的液体重新汇集并引向中央区域。,3 液体再分布器,39,二、填料塔的流体力学性能,（一）气体通过填料层的压降 气体的流速以其体积流量与塔截面积之比表示，称为空塔气速。,40,41,L0=0（干填料），p/Zu为直线关系 斜率1.82（湍流） L0， Dp/Zu为折线，载点以下为恒持液区。 泛点以上为液泛区。 正常操作区域：载点和泛点之间 u=(5085%)泛点气速 气流把大量的液体带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至被完全破坏，这一现象称为液泛。,42,填料塔中气液两相的传质是在填料表面流动的液膜上进行的，为使塔操作良好，必须使填料表面维持一定的液膜，即保持润湿。 必须保证一定的喷啉密度，方能使润湿良好。,umin 最小喷淋密度 s 填料比表面积 (Lw)min最小润湿率,讨论：（1）实际润湿面积常小于比表面积； （2）即使填料被润湿，也不一定是有效传质面积，只有被流动液体润湿时才是有效传质面积。,umin=(Lw)mins,（三）润湿性能,43,吸附过程：使气体或液体流动相与多孔固体颗粒相接触，以实现吸附。可分为气体吸附和液体吸附两类。,一、吸附的基本概念与吸附剂,吸附：属于传质分离过程，是使气体或液体流动相与多孔 固体颗粒相接触，使流动相中一种或多种组分被吸附于固 体表面，以达到分离的操作。,液体吸附的复杂性： （1）除溶质外，溶剂也被吸附； （2）易为带异性电荷的吸附剂所吸附(极性吸附)； （3）极性吸附还常伴有离子交换(交换吸附)。,第四节 吸附,44,（一）吸附的基本概念,极性吸附：在电解质溶液中，能吸附离子，离子很容易为带异性电荷的吸附剂所吸附。 交换吸附：在极性吸附中，吸附剂与溶液之间发生离子交换现象，称为交换吸附。 物理吸附：固体物质表面有吸附能力，