化工原理 PPT 气体吸收

化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering第五章气体吸收GasAbsorption化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering化工生产中所处理的原料、中间产品、粗产品等几乎都是混合物，而大部分是均匀物系。为进一步加工和使用，常需要将这些混合物分离为纯净或几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个两相物系，利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。物质在相间转移的过程称为物质传递过程（简称为传质过程）。化学工业中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥、萃取和吸附等单元操作。化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering5.1概述（Introduction）利用混合气体中各组分(component)在某液体溶剂中的溶解度(solubility)的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或难溶组分仍留在气相(gasphase)，从而实现混合气体的分离。•气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。吸收剂气体yx界面气相主体液相主体相界面气相扩散液相扩散yixi化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering概述（Introduction）吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体(inertgas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液(strongliquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。吸收尾气(dilutegas)：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。吸收塔混合尾气(A+B)吸收液(A+S)吸收剂(S)吸收尾气(A+B)化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering一、吸收操作的用途：(1)制取产品用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林溶液，用水吸收氯化氢制盐酸等。(2)分离混合气体吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来。(3)气体净化一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering1.根据溶质与溶剂是否反应：物理吸收和化学吸收2.根据热效应：非等温吸收和等温吸收3.根据被吸收溶质的数目：单组分吸收和多组分吸收4.根据操作压力：常压吸收和加压吸收5.根据溶质的浓度不同：低浓度吸收和高浓度吸收BA惰性气体溶质气相SA吸收剂溶质液相二、吸收操作分类化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering物理吸收(physicalabsorption)：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。化学吸收(chemicalabsorption)：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。低浓度吸收：溶质在气液两相中的摩尔分数不超过0.1。本章主要研究：常压、等温、单组分、低浓度物理吸收化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering水粗苯水直接蒸汽焦炉煤气脱苯煤气贫油富油吸收塔解吸塔换热器冷却器冷却-冷凝器吸收液贮槽脱吸液贮槽从焦炉煤气中回收粗苯的流程示意图三、吸收的流程化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering从合成氨原料气中回收CO2的流程化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering必须解决问题：1、选择合适的吸收剂（溶剂）；2、提供合适的气液传质设备；3、吸收剂的再生循环使用。吸收塔解吸塔工业吸收过程吸收剂应具有的特点：溶解度：大敏感性：好选择性：高蒸汽压：低（不易挥发，减少溶剂损失，避免在气体中引入新的杂质）粘度：低（利于传质及输送）比热：小（再生时耗热量小）发泡性：低（以免过分限制气速而增大塔的体积）腐蚀性：低（减少设备费和维修费）安全性：好（避免易燃易爆）经济性：易得到、易再生T↓、p↑，有利于吸收；T↑、p↓，有利于解吸四、溶剂选择化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering5.2吸收过程的相平衡关系气体吸收是一种典型的相际间的传质过程，气液相平衡关系是研究气体吸收过程的基础，该关系通常用气体在液体中的溶解度及亨利定律表示。化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering5.2.1气体在液体中的溶解度气体溶解示意图如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering气体的溶解度在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应关系。平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压，与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解度。这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的溶解度，也就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加而增加。如果要使一种气体在溶液中里达到某一特定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力。气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则气体的溶解度增高。气体的溶解度1.对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度升高而减小；2.对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。加压和降温有利于吸收操作，反之，减压和升温有利于解吸操作。化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100120pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC120溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]250200020406080100pSO2/kPa1501005012050oC40oC30oC20oC10oC0oC在相同条件下，NH3在水中的溶解度较SO2大得多。用水作吸收剂时，称NH3为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2在30℃和溶质的分压为40kPa的条件下，1kg水中溶解的质量仅为0.014g)。5.2.2亨利定律（Henry’slaw）当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。式中：p*——溶质在气相中的平衡分压，kPa；x——溶质在液相中的摩尔分数；E——亨利系数，kPa。ExpA*——亨利定律亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，E值一般随温度的上升而增大；E值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小；E的单位与气相分压的压强单位一致。化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering亨利定律其它表示方法当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有：cA——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；H——溶解度系数；kmol/(m3kPa)，随温度升高而减小，易溶气体的H值很大，而难溶气体的H值很小。AAcHp1*（1）气相组成用溶质A的分压PA*,液相组成用物质的浓度cA表示：溶解度系数可视为在一定温度下溶质气体分压为1kPa的平衡浓度。化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineeringy*——与组成为x的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；m——相平衡常数，m值越大，表明该气体的溶解度越小；mxy*（2）气、液相组成分别用溶质A的摩尔分数y、x表示：化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering三个比例系数之间的关系：（1）H与E的关系ExpA*AAcHp1*ExcHA溶液的总浓度cm=kmol（溶质）+kmol（溶剂）m3溶质的浓度cA=cmxMcLM溶液密度，kg/m3溶液的平均分子量，kg/kmol化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering由于溶液很稀，即溶质很少，故溶液的密度可近似用溶剂的密度代替，即sLSMMxccMcmASSm溶液的平均摩尔质量可用溶剂的摩尔质量代替，即xMcSSASSEMH化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineeringPEmxpEy*（3）E与m的关系由理想气体的分压定律:ExpypA**mxy*化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering亨利定律在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比Y（或X）表示组成。以摩尔比表示组成的相平衡关系X——溶质在液相中的摩尔比浓度；Y*——与X呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。当溶液的浓度很低时，m趋近1或当X很小时yyBAY1的摩尔数气相中惰气的摩尔数气相中溶质xxSAX1的摩尔数液相中溶剂的摩尔数液相中溶质XmmXY)1(1*mXY*化工与材料工程学院---DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering5.2.3吸收过程相平衡关系应用（1）判断传质方向:y*=mxx*=y/m若yy*，吸收过程若xx*，解吸过程y=y*，平衡过程x=x*，平衡过程yy*，解吸过程xx*