化工分离工程 第三章 吸收..

TSHY3吸收3.1吸收过程在化学工业中的应用√3.2吸收过程的设计变量和对工艺生产的适应性√3.3气液相平衡√3.4传质理论3.5传质速率和传质系数3.10塔高√TSHY3吸收1、吸收的基本原理吸收是利用液体处理气体混合物，根据气体混合物中各组分在液体中溶解度的不同，而达到分离目的传质过程。吸收是一个分离过程，且分离的是气体混合物，分离的介质是某一种液体溶剂称之为吸收剂，被吸收的气体混合物称为溶质。吸收是一个从气相往液相的传质过程。被吸收的气体通过适当的方法与吸收液分离的过程称为解吸过程，对吸收液而言，则成为再生。应用：常用于获得产品、分离气体混合物、净化原料气以及脱除尾气中的有毒有害物质。TSHY3吸收2、流程图TSHY3吸收3、吸收操作的分类依据吸收的机理可分成物理吸收（甲醇-CO2）化学吸收（K2CO3-CO2）★物理吸收的特点：所溶组分与吸收剂不起化学反应极限：溶解平衡=f(T,P)★化学吸收的特点：所溶组分与吸收剂起化学反应极限：相平衡=f(T,P,反应组分B)TSHY3吸收4、吸收过程的特点吸收与精馏操作的相同点：☆平衡分离过程☆热、质同传过程，由MESH方程求解吸收与精馏的不同点：①原理不同：吸收是根据各组分溶解度不同进行分离的。精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分离。②塔式不同③传质形式不同吸收过程：单向传质，气相传质到液相，需外加吸收剂；精馏过程：双向传质，液相传质到汽相，汽相传质到液相，不需加质量分离剂。TSHY1.吸收剂不需要再生的吸收装置使用对象：主要用于制备液相产品，如硫酸吸收SO3吸收制硫酸、水吸收HCl制盐酸、吸收甲醛制福尔马林液、碱液吸收CO2或SO2制碳酸氢盐或亚硫酸盐等。流程特点：吸收剂不再生，且循环操作。3.1.1吸收装置的工业流程TSHY3.1.1吸收装置的工业流程典型实例：硫酸吸收SO3吸收制硫酸TSHY2.吸收剂需要解吸的吸收装置使用对象：气体的净化或回收；流程特点：至少有两个塔（多了一个再生过程）。减压冷再生：通过改变P，改变相平衡，使溶质解吸。适用：高压下化学吸收液的初脱。气提冷再生：用惰性气体降低溶质在气相的分压促使解吸；适用：溶质不必回收的场合或稀释溶质在气相的含量。间接蒸汽热再生：利用间接蒸汽，升高温度，改变液面上活性组分的平衡分压，加速解吸速率；适用：化学吸收。3.1.1吸收装置的工业流程TSHY3.1.1吸收装置的工业流程(1)吸收剂不重复利用的装置典型实例：氯气吸收TSHY3.1.1吸收装置的工业流程(2)减压冷再生流程典型实例：CO2吸收-再生(3)气提冷再生流程典型实例：脱除H2S吸收-再生TSHY3.1.1吸收装置的工业流程(4)间接蒸汽热再生流程典型实例：热钾碱法脱碳流程TSHY3.1.2吸收过程的应用1.获得产品将气体中的有效成分用吸收剂吸收下来得到产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收HCl制盐酸。2.气体混合物的分离吸收剂选择性吸收气体中的某一组分达到分离目的。如用有机溶剂吸收煤气中的苯，用丙酮吸收天然气裂解气中的乙炔。3.气体净化用吸收剂将气体中的有害组分吸收以达到气体净化目的。如天然气的脱硫，生产尾气的SO2脱除。4.回收有价值组分为防止有价值组分从气相流失，用吸收剂将其吸收下来达到回收的目的。如一些易挥发溶剂的回收。TSHY3.2吸收过程的设计变量和对生产工艺的适应性吸收过程的重要因素(1)设备条件设备形式、尺寸、内部构件等，都与传质效率有关。同等处理规模下，效率越高，设备投资越少。(2)吸收剂选择性是关键，解吸条件也非常重要。(3)操作条件温度：温度越高，越不利于吸收；压力：压力越高，越有利于吸收。TSHY3.2.1设计关键参数分析(1)吸收塔的直径(2)再生塔的直径(3)再生塔的压强(4)贫液和回流液的温度(5)各种换热器的热负荷(6)吸收塔和再生塔的高度TSHY3.2.2吸收过程对生产工艺的适应性(1)操作压强压力高利于吸收，但操作费用将增加，通常选择气体来时的压力。特殊情况可考虑增压操作。(2)溶质的气相浓度关键是控制吸收塔出口气中的溶质指标。(3)毒性这里指的是对吸收剂的毒性，即产生沉淀、使吸收剂分解、或生成不可还原的产物等。(4)能耗主要是吸收剂再生的能耗，应充分回收利用。TSHY3.3气液相平衡气液相平衡的概念气液相平衡主要是指气相组分溶解于液相，使气相组分与液相中的相同组分达到平衡的状态。而汽液相平衡则主要是指液相组分挥发到汽相形成的平衡。两种平衡尽管过程方向不同，但相平衡原理却是相同的：LiGiffˆˆTSHY3.3.1物理溶解时的相平衡(1)气液平衡常数mi式中，、分别为i组分在气相的逸度系数和在液相的活度系数；p为气相总压，为纯i组分液相在体系温度和压力下的逸度。(2)二元组分溶解的气液平衡关系式中，x0是在溶液中吸收剂的摩尔分率，x0=1-xi；Hi为亨利系数，kPa；A是与温度和压力有关的一个常数。此式适合于任何浓度的电解质溶液和很低浓度的非电解质溶液。iiLiiiipfxymˆ)1(lnˆln20xRTAHxfiii(3-11)iˆiLifTSHY3.3.1物理溶解时的相平衡对式(3-11)，在理想溶液时，A=0，于是：在低压下，可用平衡分压取代，得到亨利定律的表达形式：再以浓度取代摩尔分率：cM为溶液的总摩尔浓度，H只和温度有关，随温度升高而增大(见表3-2)，与溶液的总压和组成无关。与温度的关系为：式中的Ci、φi是常数，与物系有关。iiGixHfˆiiiCRTHlniieixHpeipifiiMiieicHccHpTSHY当系统压力较大时，体系偏离理想状态较远，按上述方法计算的偏差较大。考虑到液体体积通常随压力变化不大，此时，可用以下式子来计算气相逸度。式中，pi为纯组分的蒸汽压；Hi为亨利常数；为组分的偏摩尔体积，即无限大混合物体积中加入1mol组分时所引起的体积变化，当混合气体服从道尔顿分压定律时，保持体积的加和性，即就是1mol气体在温度T和压强p时所占有的体积。)(lnˆlniiiiGippRTVHxfiiVVGifˆiV3.3.1物理溶解时的相平衡TSHY例3-1计算乙烷在温度为293K，压强为2000kPa下与同系物组成理想溶液时的相平衡常数mi值。已知乙烷的临界温度tc=305.1K，临界压力pc=4900kPa，饱和蒸汽压pis=3900kPa(在293K时)，以及在3900kPa下的密度ρ=350kg/m3。TSHY解例3-1①计算系统压强下气态乙烷的逸度先计算293K，2000kPa下的对比温度和压强。对比温度：对比压强：查图3-8得：逸度计算：②计算293K下乙烷饱和蒸汽压的逸度对比温度：对比压强：查图3-8得：逸度计算：96.01.35029341.04900200082.0ˆi)kPa(164082.02000ˆˆiGipf79.04900390067.0ˆi96.01.350293)kPa(261067.03900ˆˆisiGispfTSHY解例3-1③计算液相乙烷的逸度对于温度为T，饱和蒸汽压为的纯液体组分的逸度应等于饱和蒸汽的逸度。而当压强为p时，液相逸度可近似用下式计算：式中，Vi为在一定p和T时，组分i的摩尔体积：计算：所以：)(ˆˆlnsiiGisLippRTVff)mol/m(0857.0350303MVi067.0)39002000(293314.80857.02610ˆlnLif)kPa(2440ˆLifsipLisfˆGisfˆTSHY解例3-1④计算相平衡常数对于理想溶液，，则相平衡常数为：49.116402440ˆˆGiiLiiiiffxym1iTSHY亨利定律不适用化学吸收的相平衡，化学吸收的气液平衡，既要服从溶解时的相平衡又要服从化学反应时的相平衡关系.3.3.2伴有化学反应的吸收相平衡aA+bBmM+nNaAKaHATSHY3.3.2伴有化学反应的吸收相平衡则反应平衡常数为：理想溶液时，Kγ=1，则：因为溶解平衡关系服从亨利定律：用(3-21)解出CA，带入上式得：∵(CA)物＞(CA)化，∴(PA)物＞(PA)化KccccccccKbBAnNmMbBAnNmMbBAnNmMbBAnNmMaaaaa(3-21)aA+bBmM+nNaAKaHAbBAnNmMccccKKKaaa/1bBnNmMAAcKccHpAAAcHpTSHY3.3.2伴有化学反应的吸收相平衡1.被吸收组分与溶剂相互作用（1）溶质A与溶剂B反应生成M若其反应关系为：溶液中A组分的初始浓度可写成：而反应平衡常数为：则：总平衡又服从物理溶解时的亨利定律，因此：MAAccc0(3-26)BAAAcKcHp10A(g)A(L)+B(L)M(L)KaHA0AcBAAABAMcccccccK0BAAcKcc10TSHY01ABAAcckHp(3-26)讨论：1）与物理吸收比较∵0,Bck∴表观亨利系数BAckH1比纯物理吸收小当PA恒定时，0AC（溶解量增大）2）稀溶液时Bck,，近似为常数，pA和cA的关系仍符合亨利定律，∴0AAcp，亨利系数缩小了(1+K’cB)倍3.3.2伴有化学反应的吸收相平衡TSHY3.3.2伴有化学反应的吸收相平衡（2）生成物M发生离解若反应生成物发生离解：此时，气液平衡不按反应平衡计算而按离解平衡计算。离解平衡常数为：若忽略水的离解，则有：，因此：而溶液中A的初始浓度可表示为：联立求解以上方程，得：其中，所以：-AKcc(3-33))4()2[()1(2a0aa0KcKKccKHcHpAABAAAAMAK1cccKMK+A-+K1M1KcKcAMAAcccc0)1(2)4()2(a0aa0BAAAcKKcKKccBBcKcKKK11a(3-29)(3-30)TSHY3.3.2伴有化学反应的吸收相平衡2.被吸收组分与溶剂中活性组分的作用若其反应关系为：当平衡反应率为R时：由气液平衡得：其中：，将上两式联立求解，可得：若物理溶解量可以忽略不计时，有：AABAABAAppcHpRccc1/000(3-36))1()1(RRRKRHcHpAAAA)1()1(00RcRRccRccccKABABBAMAHK/AABBAppcRcc1000AHA(g)kaA(aq)+B(aq)M(aq)TSHY例3-3P113~P114α是化学反应平衡常数与物理吸收平衡常数（亨利系数）的比值。1，以化学吸收为主；1，以物理吸收为主。注意观察表中数据。AHK/TSHY3.3.3相平衡曲线比较物理吸收遵循：化学吸收遵循：(3-37)AAAcHpAABAppcc100(3-14)TSHY3.3.3相平衡曲线比较①物理吸收，溶质的浓度ci～气相中的平衡分压pi呈线形关系，不存在浓度界限；（适宜高压或高浓度气体的脱除）②化学吸收，ci↑有极限，pi急剧升高而超过同浓度下的物理溶解之平衡分压；适用于低压、低浓度下高净化度的吸收过程；③当α1，化学吸收优于物理吸收；④当α1，物理吸收优于化学吸收。⑤溶质浓度过高会降低气体在溶液中的溶解度常数(H’↑），降低净化度。TSHY3.3.4工业应用实例1.K2CO3溶液吸收CO2其反应关系为：定义溶液碳化度为：其中：分析：当气相近似看作理想气体①当液相为理想溶液时，且液相近似看作稀溶液，②当液相为非理想溶液时，可看作稀溶液，该体系的相平衡关系如何？-23-3-23COHCO0CO21ccc-23CO2/-3HCO2/-3HCO0]-23CO[碳酸钾溶液的起始浓度盐浓度转化为碳酸氢钾的碳酸ccccf