气液相平衡.

第八章气体吸收教学时数12学时第8章气体吸收8.1概述8.2气液相平衡8.3扩散和单相传质8.4相际传质8.5低含量气体吸收的计算8.6高浓度气体吸收8.7化学吸收8.1概述传质过程气体吸收工业吸收流程溶剂的选择物理吸收和化学吸收吸收操作的经济性吸收过程中气液两相的接触方式吸收操作的条件定态和非定态操作传质过程气体吸收和精馏是讨论化工传质过程及其典型设备。传质过程：物质通过相界面从一相迁移至另一相的过程。研究传质过程：研究物质通过相界面迁移过程的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作。8.1概述表8-1各种传质过程气体吸收吸收操作：分离气体混合物。分离依据：混合物各组分在溶剂溶解度的差异。实例。吸收组份名称：溶质或吸收质，惰性气体，吸收剂或溶剂，吸收液，吸收尾气。吸收的应用：（1）回收有用组分和分离混合气体。例洗油吸收焦炉气中的苯、甲苯蒸汽。（2）除去有害组分净化气体。（3）制备某种气体的溶液或产物。（4）作为生产的辅助环节。例如氨碱法生产中的应用。（5）环保要求和职业保健要求。实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。8.1概述工业吸收流程8.1概述工业吸收过程的流程和吸收塔的流程。一个完整的吸收分离过程包括吸收和解吸两个组成部分。吸收操作解决三个问题（1）选择合适的溶剂使其能选择性的溶解某个（或某些）被分离组分；（2）提供适当的传质设备（吸收塔），以实现气液两相的接触，使被分离组分得以自气相转移至液相。（3）溶剂的再生，既脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。8.1概述溶剂的选择（1）溶解度大，溶质的平衡分压要低。可提高吸收速率并减小吸收剂的耗用量，气体中溶质的残余浓度可降低；（2）选择性高；对其它组分的溶解度要小。（3）溶解度与温度的关系敏感，溶剂易再生；（4）挥发度小，不污染被吸收的气体。吸收剂的蒸汽压要低，否则吸收和再生过程中吸收剂的挥发损越大。（5）粘性小。粘度低、吸收过程中不易产生泡沫，塔内气液接触良好和塔顶气液易于分离，输液功耗小；（6）化学性能稳定性，以免发生变质；（7）价廉、易得、无毒、无害、不易燃烧等。（8）操作或处理不当，不污染环境。应对选用吸收剂作全面评价后做出经济合理的选择。8.1概述物理吸收物理吸收的定义：吸收质简单地从气相溶入液相，吸收质与溶剂间没有显著的化学反应或只有微弱的化学反应，吸收后吸收质在溶液中是以游离的或结合很弱，条件改变，解吸即可发生。如水吸收CO2，洗油吸收煤气中的苯等。物理吸收的极限：是吸收质在溶剂中的溶解度。吸收速率：吸收质从气相传递到液相主体的扩散速率。物理吸收的特点：可逆的，热效应一般很小，气相分压变化也很小。温度压力对吸收的影响：压力升高、温度降低有利于吸收，反之有利于解吸；温度太低，扩散速度减慢，吸收速率可能降低。8.1概述化学吸收化学吸收的定义：溶质与溶剂间发生明显的化学反应。大幅提高溶剂对溶质组分的吸收能力。例如K2CO3水溶液吸收CO2。化学吸收的极限：极限是化学反应平衡，吸收速率取决于反应速率或扩散速率，其中最慢的为控制步骤。化学吸收的特点：化学吸收操作具有高度选择性。化学吸收的条件：（1）可逆性。如不可逆，不能再生和循环使用溶剂。（2）较高的反应速率。若反应速率很慢，吸收过程速率决定于反应速率，可加入适当的催化剂。8.1概述吸收操作的经济性吸收操作的费用主要包括：（1）气液两相流经吸收设备的能量消耗。（2）溶剂的挥发损失和变质损失。（3）溶剂的再生费用，此项所占的比例最大。解吸方法：升温、减压、吹气。同时使用最为常见。设备费用：吸收塔及辅助设备（泵、风机、加热器、冷却器等）的费用。吸收操作的经济性：由总费用（即操作费用加设备费用）来衡量的。最经济的吸收操作应是操作费用与设备费用之和即总费用为最小8.1概述吸收过程中气液两相的接触方式级式与微分式接触的计算方法不同，本章讨论微分式吸收的计算，并且限于（1）气体混合物中只有一个组分溶于溶剂，其余组分在溶剂中的溶解度均不计，因而可视为一个惰性组分。（2）溶剂的蒸汽压很低，挥发不计，气体中不含溶剂。8.1概述湿壁塔填料塔吸收设备：级式接触微分式接触板式塔吸收操作的条件吸收操作条件：选择吸收剂，吸收操作的温度、压力、吸收设备。为了提高吸收传质速率和吸收率，应注意以下问题：（1）采用连续操作，有利于稳定生产和控制操作条件。（2）气液间逆流接触，有利于吸收完全和提高推动力。（3）使气相或液相分散，增加气液间的有效接触面积。（4）增大相际间湍动程度降低传质阻力。8.1概述定态和非定态操作在吸收操作或其它传质过程中，吸收过程中各参数不随时间而变化，为定态传质过程；否则为非定态传质过程。8.1概述8.2气液相平衡8.2.1平衡溶解度溶解度溶解度曲线亨利定律亨利定律的其它表形式用摩尔比表示相平衡关系8.2.2相平衡方程的应用判别过程的方向指明过程的极限计算过程的推动力溶解度曲线p、T一定，吸收剂与混合气体接触，溶质向液相转移，直至液相中溶质饱和，浓度不增加，此时气液两相达到平衡，这个饱和浓度就叫做气体溶质在液体中的溶解度。气液两相的相平衡关系，取决于吸收的极限-溶解度，即系统的吸收率和溶液的浓度。溶质的组成表示方法。摩尔分数y或x，物质量的浓度c（kmol/m3），摩尔比X或Y。当压力（分压）一定时，气体的溶解度只与温度有关；当温度一定时，气体的溶解度只与平衡分压有关。8.2.1平衡溶解度氨在水中的溶解度二氧化硫在水中的溶解度吸收平衡时，与温度、压力、浓度和吸收剂的性质有关。在一定温度下，将平衡时溶质在气相中的分压pe与液相中的摩尔分数x相关联，即为溶解度曲线。亨利定律吸收操作最常用于分离低浓度溶质的气体混合物。稀溶液的溶解度曲线通常近似为一直线。此时溶解度x与平衡分压pe之间服从亨利定律，即pe＝E·x温度增大，亨利系数E增大，溶液浓度下降，溶解度下降。8.2.1平衡溶解度亨利定律的其它表形式溶解度系数H用物质的量浓度c（kmol/m3）表示：pe=H·cH为溶解度系数，kmol·m-3/Pa。相平衡常数mye=m·x或y=m·xem为相平衡常数，m值愈大，溶解度愈小。m、H、E之间的关系总压p不高，气体为理想气体，服从道尔顿分压定律pe=p·ye亨利定律pe=E·x和ye=m·x可得m=E/p即T↑，p↓，则m↑，不利吸收操作，反之亦然。8.2.1平衡溶解度亨利定律的其它表形式E与H间的关系由于液相浓度，如果是稀深夜，则亨利定律pe＝E·x或pe=H·c则常见物系的气液溶解度数据，亨利常数E（或H）可在有关手册中查到。xccM)1(xMMxcsMssMMcssMMHHcxHcE用摩尔比表示相平衡关系为了计算方便，用气体中的惰性组分和液体中的溶剂作为计算标准，用摩尔比X、Y表示气液相溶质的浓度。或或将Y、X的值代入相平衡关系y=m·x，得对于稀溶液，X较小，上式简化为：Y=m·XXXx1xxX1YYy1yyY18.2.1平衡溶解度XmmXY)1(1判别过程的方向当气液两相接触时，要使溶质自气相转移至液相，即发生吸收过程的充要条件是y＞ye或x＜xe8.2.2相平衡方程的应用溶质自液相转移至气相，即发生解吸过程。如果相等，则达到平衡。氨水的溶解和解吸过程例8-1设1atm，20℃下稀氨水的相平衡方程为ye=0.94x，今使含氨y=10％的混合气和x=0.05的氨水接触，试判别传质过程的方向。x与y浓度对调，则判别传质过程的方向。解：ye=0.94x=0.94×0.05=0.047＜y=0.10发生吸收过程或xe=y/m=0.10/0.94=0.106＞x=0.05发生吸收过程反之，若以y=0.05的含氨混合气与x=0.1的氨水接触，ye=0.94x=0.94×0.1=0.94发生解吸过程，或xe=y/m=0.05/0.94=0.053发生解吸过程指明过程的极限吸收剂用量很大而气体流量较小时，在无限高的塔内进行逆流吸收，出口气体浓度极限y2,min为入口浓度x2平衡浓度y2ey2,min=y2e=mx28.2.2相平衡方程的应用在吸收塔中，当溶剂量下降，塔底出口浓度x1增大。在塔很高、溶剂量很小的情况下，x1达到极限，其极限浓度x1,max与气相浓度y1相平衡的液相浓度x1ex1e=y1/m计算过程的推动力过程的极限是平衡，不平衡两相接触发生吸收或解吸。实际浓度与平衡浓度的差表示吸收的推动力。在吸收塔某截面，气相和液相为y、x，气相推动力为：(Y-Ye)、(y-ye)、(p–pe)液相推动力表示为：(Xe-X)、(xe-x)、(ce–c)与传热过程比较传热推动力(T-t)，传质推动力为(y-ye)或(xe-x)，不是两相浓度差(y-x)。8.2.2相平衡方程的应用