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第五章气体吸收第一节概述第二节气液相平衡第三节分子扩散第四节对流传质第五节在填料塔低浓度气体吸收过程的计算第六节气体解吸第七节高浓度气体吸收§5.1概述一.传质分离过程简介二.吸收与传质三.物理吸收和化学吸收四.吸收与解吸五.溶剂的选择一.传质分离过程简介1、传质分离过程的研究对象•混合物的分离是化工类生产中的重要过程。•混合物的分类：a）非均相混合物，其分离主要依靠力学的，即质点运动与流体力学原理进行分离，已在第三章中进行了讨论；b）均相混合物，其分离特点主要依靠物质的传递（分子传递和涡流传递）特性来实现混合物中各组分的分离。•对b）均相混合物的分离称为传质分离过程•另外，对干燥和浸取等一类过程也列入传质分离过程。如：湿物料的干燥，也是依靠水分传递到气相来达到分离目的。§5.1概述2、传质分离过程的分类平衡分离过程：根据混合物中诸组分在两相间的平衡分配不同来实现混合物的分离，这类方法称为～。例如：蒸馏、吸收、萃取、吸附、干燥etc。速率分离过程：根据混合物中各组分在某种力场的作用下扩散速度不同的性质来实现混合物的分离，这类方法称为～。例如：气体扩散、电泳、喷嘴扩散etc。在一般化工生产中主要应用平衡分离过程。3、根据生产目的来分类化工生产中遇到的混合物多种多样的，它们可以是g、l、s，可以均相，可以非均相，其中各组分的性质可以相差很大，也可以是十分相似，各组分的含量可以相差很大，也可以相差不大（处一个量级）分离目的也不尽相同。一般分为四类：•分离：将混合物中各组分完全分开，得到各个纯组分或若干种产品。eg：air-----N2、O2、各种稀有气体；原油----汽油、煤油、柴油etc。§5.1概述•提取和回收：从混合物中提取某种或某几种有用的组分。eg：从矿石中提取有用金属；从工厂排放的废料中，回收有价值的物质，除去污染环境的物质；另外在医药上中成药的提取etc。•纯化：除去混合物中少量杂质。eg：合成氨原料气中含有CO、CO2等有害气体，易使cat.中毒，现一般采用铜氨液洗涤法、深冷分离法和甲烷化法，这些方法在经济性、选择性等方面都在不同程度上存在着缺点，吸附分离，特别是PSA方法是新的发展方向。•浓缩：将含有组分少的稀溶液增浓，称为～。eg：在医药上中成药的提取，可以通过膜过程对此进行浓缩。4、根据组分在两相间的分配差大小来分：•相配很大：吸收、萃取、浸取、干燥蒸馏、吸附etc。其特点为：只须引一股流，两相接触即可。•相配不大：精馏、回流萃取分馏吸附etc。其特点为：须引两股流，分段形成两相接触。§5.1概述二.吸收与传质1、引子均相混合物分离特点：主要依靠物质的分子、涡流传递特性来实现混合物中各组分的分离。气体混合物分离特点：总是根据混合物中各组分间某种物理化学性质差异而进行的。气体混合物的分离方法：•膜分离------主要依靠筛分作用，尺寸差异；•精馏---主要依据沸点差异，eg：空分得到N2和O2；•吸附分离------主要依靠筛分作用，尺寸差异；也有络合作用，eg：Cu＋－CO；•吸收------主要依靠混合物中各组分在某种溶剂中的溶解度的不同得到分离目的。eg：用水吸收混合气体中的NH3能使NH3、air加以分离，并回收NH3，其原因为：它们在水中的溶解度差异很大，将它们通入水中，NH3很容易溶解于水中，形成氨水溶液，而air几乎不溶于水中。§5.1概述2、吸收定义：气体溶解于液体的过程，称之为～。气体吸收在工业及环保中的应用•回收产品：用洗油（焦化厂副产品，数十种C、H化合物的混合物）吸收焦炉煤气中的苯、甲苯、二甲苯。※有机合成八大基础原料：三苯、三稀（1,3-丁二稀、乙稀、丙稀）、一萘一炔。•气体净化：合成氨原料气中含有CO、CO2、CO2S、H2S等有害气体，易使cat.中毒。对微量CO、CO2现一般采用铜氨液洗涤法、深冷分离法和甲烷化法，但净化度和能耗高，目前正开发络合变压吸附（PSA）的技术是‘无热源技术’，是非常节能的发展方向。•制备某种气体的溶液：HCl（g)＋H2O----HCl(L)3NO2＋H2O==2HNO3＋NOSO2-----SO3＋H2O---H2SO4一般采用92.5%H2SO4吸收成为98%-----105%H2SO4。•实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。§5.1概述3、传质气体吸收是传质分离过程。•前面提到的传质分离过程中，重点是要讲述平衡分离过程，是组分在两相间的分配不同（平衡）来实现分离。•气体吸收过程包含有组分从一相到另一相的转移。•过程的推动力为：浓度差C过程简介以NH3和air用水吸收为例：•示意图如右侧图一所示•过程1)NH3易溶解于水中，其浓度为C0，而air难溶于水，液，而air几乎不溶于水中；液面处浓度C主体浓度C0，故NH3由气相主体向气液界面转移；2)界面处液相中NH3浓度CL液相主体浓度CL0，故在液相中从界面向深处移动；3)随着吸收的进行，气相中NH3浓度减少，液相中NH3浓度增加，推动力C减少；4)当气液相达到平衡时，C＝0，NH3的转移速率＝0。§5.1概述气体吸收过程的特点•需加入另一物质，使该物质与原均相混合物接触构成并存的两相；•判断是否发生组分的相际转移？可以假想：每一相中各组分的浓度都均匀一致，若转移的组分在两相中的浓度偏离平衡态越远，则该组分的转移速率越大；•当转移的组分在两相中呈平衡态，则该组分的转移速率为零。相关术语介绍•溶质气体或吸收质：混合气体中容易溶解的组份称为～，用A表示，eg：NH3；•惰性成分或载体：混合气体中很难溶解的组份称为～，用B表示，eg：空气（air);•吸收剂或溶剂：吸收中所用的能够溶解某一组分的物质称为～，用S表示，eg：水；•吸收液：吸收操作中溶剂吸收了溶质气体后所得的溶液称为～，用S+A表示;•吸收尾气：吸收操作中排除的气体称为～，用（A）+B表示•单组分吸收：溶质气体为单组分的吸收过程，称为～•单组分吸收：溶质气体为多组分的吸收过程，称为～。§5.1概述三.物理吸收和化学吸收物理吸收•定义：溶质气体溶于液相中不发生显著化学反应的吸收过程，称之为～•例如：CO2＋H2O＝H2CO3HCl（g）＋H2O＝HCl（L）丙酮（g）＋H2O＝丙酮（L）化学吸收•定义：液相中有某种组分，能够与溶质气体（溶解于L）进行化学反应的吸收过程，促进了吸收过程的进行速率；•例如：Na2CO3（K2CO3)＋CO2＋H2O=Na2HCO3（KHCO3)四.吸收与解吸一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和解吸两部分。解吸：从溶液中释放出溶解吸收的溶质气体的操作，称为～解吸的方法：•加热，因温度升高，溶解度降低；•减压，因压力降低，溶解度降低；•惰性气体与溶液逆流接触，一般采用过热蒸汽，一方面由于较高温度，另一方面由于惰性气体可以降低溶质气体的分压，从而带出溶质气体。§5.1概述吸收与解吸联合操作图5-1吸收与解吸联合操作§5.1概述•从焦炉煤气中回收粗苯（苯、甲苯、二甲苯等）的生产流程图如图5-1所示。•在吸收塔内：焦炉煤气与洗油（焦化厂副产品，数十种C、H化合物的混合物）逆流接触，气相中粗苯蒸汽被洗油吸收，脱苯煤气从吸收塔顶排出；吸收粗苯后的洗油，称为富油；•在解吸塔内：利用过热蒸汽对其解吸，在解吸塔顶排出的气相为过热水蒸汽和粗苯蒸汽混合物；•相分离器的原理是两种液体不互溶，且密度有差异。•在相分离器内：过热水蒸汽和粗苯蒸汽混合物冷凝后因两种凝液不互溶，并依据密度不同而分层，粗苯在上，水在下。分别引出则可以得到粗苯产品，从而实现混合物的分离；•解吸后的液相成为贫油，经过冷却器降温后，再进入吸收塔循环使用；•如此循环往复，从而实现吸收和解吸的联合操作过程。§5.1概述五.溶剂的选择溶剂又称吸收剂，选择良好的吸收剂是设计吸收过程的重要一环；选择原则•吸收剂对溶质应有较大的溶解度，以提高吸收速率，减少吸收剂的用量；•同时为了便于吸收剂的再生回用，其溶解度应随操作条件的改变有显著的差异；•吸收剂对溶质应有良好的选择性，即对于混合气中待吸收组分的溶解度要大，对其余组分的溶解度要小；•溶剂的挥发性要小，即蒸气压低，以减少溶剂的损失量；•溶剂的粘度要低，这样有利于气、液接触，提高吸收速率，也便于输送；•无毒；•难燃；•腐蚀性小；•易得价廉；•易于再生利用；•不污染环境。§5.2气液相平衡一.气液平衡关系二.亨利定律三.过程方向判断与过程推动力引子：溶质在气、液相间的平衡关系是分析判断溶质在相间传递过程中的方向、极限以及确定传递过程推动力大小的依据。一.气液平衡关系本节只讨论单组分物理吸收的气液平衡关系，即：气相中只有溶质A和惰性气体B两个组分，液相中只有溶质A和吸收剂（溶剂）S两个组分。单组分物理吸收的气液平衡关系如图5-2所示。图5-2单组分物理吸收气液平衡§5.2气液相平衡1、气液平衡关系的确定（1）根据相律，单组分物理吸收体系的自由度F应为：F＝C－＋2＝3－2＋2＝3式中：相数＝2（为G、L）组分数C＝3（分别为A、B、S）（2）由F＝3知：三组分气液两相平衡时，在温度t和总压P和气、液组成四个变量中，有三个是独立变量，另一个是它们的函数。（3）约束条件说明：G:yA＋yB＝1L:XA＋XS＝1所以:P、t、yA、XA中知道三个,气、液平衡就确定了。（4）小结：在温度t和总压P一定的条件下，气液相平衡时，气相组成是液相组成的单值函数。（5）平衡时气液相组成的表示•气相中溶质的分压，称为平衡分压或饱和分压；•液相中溶质的组成，称为平衡组成，或者称为气体在液体中的溶解度；（6）实际上，对于多数体系，在总压P不很高的情况下，可以认为气体在液相中的溶解度只取决于该气体在气相中的分压，与P无关。§5.2气液相平衡2、气液平衡关系的测定气液平衡关系一般通过实验测出。前人做了很多的工作，故我们可以查阅文献和有关手册得到部分需要的气液平衡数据。3、气液平衡关系的表示方法•列表•关系式-----如：Hery定律•图线。用二维坐标绘成的气液相平衡关系曲线，又称为溶解度曲线。参见《化工原理》P204图5-3、5-4、5-5所示。分别从这三图中查得在P＝60kPa、t＝20℃时NH3、SO2、O2在水中的溶解度为：390g/1000g、68g/1000g、0.025g/1000g。3、溶质浓度的表示方法1）对气相(GasPhase)采用两种:•分压P•摩尔分率y2）对液相(LiquidPhase)采用三种:•溶质A与溶剂S质量比x’，其单位为：gA/1000gs•体积摩尔浓度C－kmol/m3•摩尔分率x－mol/mol§5.2气液相平衡二.亨利定律1.内容1）定义：对于稀溶液或难溶气体，在一定温度t和总压不大的情况下，溶质在液相中的溶解度与它在气相中的分压呈正比，这一关系称为亨利定律（Hery）。2）数学表达式：P*A=ExA式中p*A--溶质A在气相中的平衡分压，单位：mmHg，atm，Paetc；E----Hery系数,与P*A单位一致;xA---溶质A在液相中的摩尔分数。4、不同溶质浓度间的关系：x=(x’/MA)/(x’/MA+1000/MS)C=(x’/MA)/(x’+1000)/C=x/[xMA+(1－x)MS]/说明：（1）在公式的转换过程中主要利用的基本原理是化学中的相关内容，即：质量＝物质的量×摩尔质量物质的量＝质量÷摩尔质量溶液体积＝质量/溶液密度（2）x’g＋1000gx-----mol，（1－x）溶剂§5.2气液相平衡3）亨利系数特性亨利系数的值决定于物系的特性及体系的温度。溶质或溶液不同，体系不同，E也就不同。E的大小反映了气相组分在该溶剂中溶解度的大小。E越大，溶解度越小。因为：气体在液体中的溶解度随温度的升高而降低，故：E随着温度T升高而E升高。2.亨利定律的不同表示方法1)原因：由于气液相中溶质A的组成有各种不同的表示方法，因此：Hery定律有不同的表示方法。2)采用摩尔浓度时的Hery形式P*A=CA/HCA—溶质A在溶液中的摩尔浓度