化工原理上册课件第三版资料

学习情境六、吸收6.1概述6.2气液相平衡6.1概述一、吸收的定义与工业背景在合成氨工厂，合成氨的原料气中含有30%的CO2，如何将CO2从原料气中分离？在焦化厂，焦炉气中含有多种气体。如：CO、H2、NH3、苯类等，如何将氨从焦炉气中分离？在硫酸厂，硫铁矿经焙烧氧化得到SO3，如何由SO3制造硫酸？吸收:利用气体混合物中各组分在某种液体中溶解度的差异来分离气体混合物的操作。几个概念：吸收剂——溶剂吸收质——气体中能被溶解的组分惰性气体——气体中不被溶解的组分各种气体在碳酸丙烯酯中的溶解度Nm3气体/m3溶剂（P=1atm,t=25oC)气体CO2H2COCH4溶解度3.470.030.50.3二、工业吸收流程三、吸收的应用—制备某种气体的液体产品如用H2SO4吸收SO3制取发烟H2SO4，用水吸收NO2以制造硝酸。—回收混合气体中的有用物质如用硫酸处理焦炉气以回收其中的氨。—气体净化原料气的净化尾气、废气的净化以保护环境气体吸收是控制工业废气污染的主要方法—生化工程在废气处理中采用曝气法以及污泥氧化法等，均要应用空气中的氧在水中溶解(吸收)这一过程.四、吸收剂的选择—成本：吸收的成本通常呈指数上升成本(99%)=2×成本(90%)成本(99.9%)=2×成本(99%)—依据：H2S浓度溶剂备注很高乙二醇或碳丙物理溶剂较低乙醇胺化学溶剂微量氢氧化钠NaOH+H2S=NaHS+H2O取决于原料气中溶质的浓度以及所要求的脱除率例：H2S的脱除—选择要求溶解度大提高吸收速率，减少吸收剂用量选择性好以实现直接有效的分离挥发度低降低吸收剂的损失量粘度低提高流动性安全性好选择原则：经济、合理说明气体吸收过程产生了含有高浓度溶质的液体。其中溶质可以通过加热变成气泡而脱除。我们常常在热的液体中通入惰性气体，作为吹扫蒸气，以加速脱除过程。近来化工厂由于大量吸收液的加热成本高，不得不开始改用对压力敏感的吸收剂。因为压力的改变比温度的改变要便宜，因此改用压力敏感的吸收剂还会继续发展。五、气液两相间的接触方式微分接触：填料塔级式接触设备：板式塔六、操作方式定态连续操作设备内的过程参数不随时间变化非定态操作间歇操作或脉冲式的操作七、本章所作假设气体混合物中只有一个组分溶于吸收剂溶剂的蒸气压很低，其挥发损失可忽略气相：溶质+惰性组分液相：溶质+吸收剂6.2气液相平衡讨论(1)在T、p、y、x中仅有3个独立变量(2)温度一定时，pe(=py)与x一一对应(3)T、p一定时，y与x一一对应气液相平衡体系的自由度吉布斯相律F=C-P+2F—自由度;C—组分数；P—相数F=3-2+2=3气液相平衡的表示方法相图T恒定时的pe~x相图T恒定时一系列y-x相图p恒定时一系列y-x相图方程pe=f(x)T恒定y=f(x)T、p恒定在T、p、y、x中仅有3个独立变量温度一定时，pe(=py)与x一一对应T、p一定时，y与x一一对应NH3水一、溶解度在一定温度、压力下，气液两相长期充分接触至液相中溶质浓度不再增加，这时两相达到相平衡。此时溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度，其单位为g溶质/100g溶剂。例：NH3溶于水的速率等于NH3逸出水的速率，这时氨达到动态平衡。此时水中溶解的氨量，称为该温度、压力下氨在水中的溶解度。6.2.1气体的溶解度曲线6.2气液相平衡二、溶解度曲线氨在水中的溶解度1atm下SO2在水中的溶解度式中：E—亨利系数，kPa;P*—溶质A在气相中的平衡分压，kPa;x—液相中溶质的摩尔分数二、亨利定律p*=Ex亨利定律x较小p*∝x适用条件：低分压，稀溶液。1803年英国WillamHenry（一）亨利定律的其他表达形式气相组成液相组成亨利定律各系数间的换算关系1234xX*cpH*1(1)mXYmX*ymx*pExSSEMHPEmxp*p*cy*Y**1(1)mXYmX(气液相平衡方程）当溶解度很低的时候*YmX平衡线近似为过零点的直线。（二）对亨利系数的讨论压力的影响温度的影响p↓，m↑,溶解度↓t↑，E↑，H↑，m↑，溶解度↓p5atm,H、E与压力无关。温度对E，H，m，都有影响判别准则吸收：xx*（或yy*)解吸：xx*(或yy*)（三）相平衡的应用一、判断传质方向例2.101.325kPa,20℃下稀氨水的相平衡方程为ye=0.94x,试判断以下2种情况的传质方向。解(1)y*=0.94×0.05=0.0470.1即yy*此过程为吸收过程(2)y*=0.94×0.1=0.0940.05即yy*此过程为解吸过程说明:一切偏离平衡的气液系统都不稳定，溶液由一相传递到另一相，其结果是使气液两相逐渐趋于平衡，溶质的传递方向就是使系统趋于平衡的方向.问：对以制取液相产品为目的的逆流吸收过程x1,max=?答：x1,max=x1*问：（对以净化气体为目的吸收过程）y2,min=?答：y2,min=y2*二、指明传质过程的极限说明:一切平衡状态都是有条件的，通过改变平衡条件可以得到有利于传质过程所需要的相平衡关系。三、计算传质过程的推动力推动力：实际含量与平衡含量的偏离程度说明:实际组成偏离平衡组成的程度越大，过程的推动力就越大，其传质速率也将越大。吸收过程推动力气相：pA-pA*y-y*Y-Y*液相：cA*-cAx*-xX*-X解吸过程推动力气相：pA*-pAy*-yY*-Y液相：cA-cA*x-x*X-X*例3:在总压1000kPa,温度25℃下，含CO20.06(摩尔分数）的空气与含CO2为0.1g/L的水溶液接触。试问：(1)将发生吸收还是解吸过程？(2)以分压差表示的推动力为多少？(3)如气体与水溶液逆流接触，空气中CO2的含量最低可能降到多少？（25℃下CO2溶解在水中的亨利系数E=1.66×105kPa）解：(1)判别过程方向521.66101.66101000EmP平衡浓度ye=mx=1.66×10-2×4.1×10-5=0.006810.06=y故该过程为CO2由气相转入液相的吸收过程。0.1/4454.110997/18x(2)推动力△p=pCO2-pCO2,e=0.06×1000－1.66×105×4.1×10-5=53.2kPa(3)吸收过程的极限ymin=y2e=1.66×105×4.11×10-5=0.00681对稀溶液ρL≈ρS，ML≈MSBackepExeMcpEcepHcMEHcmmEHcHM亨利系数SSHEMpe-f(c)关系式的推导Mcxc相平衡常数BackepExEmpepyExye=f(x)关系式的推导eeppyeymxBackx1xX液相中溶剂的摩尔数液相中溶质的摩尔数y1yY数气相中惰性气体的摩尔气相中溶质的摩尔数11eeeeymxYyYXxX1(1)emXYmXYe=f(X)关系式的推导8.3扩散与单相传质8.3.1双组分混合物中的分子扩散8.3.2扩散系数8.3.3对流传质8.3.4物质传递与动量、热量传递的类比8.3.5对流传质理论吸收过程溶质A的传质步骤：（1）溶质A由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；（2）溶质A在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面发生的溶解过程；（3）溶质A自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。单相内传递方式：分子扩散，对流传质。(1)分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在温度梯度、压强梯度及浓度梯度，则因分子无规则的热运动而导致的物质传递现象。类似于间壁换热过程的热传导。(2)对流传质：因流体的宏观流动导致的物质传递。通常指流体与某一界面（如气液界面）之间的传质。注意：对流传质中一定有分子扩散。类似于间壁换热过程的对流给热过程。8.3.1双组分混合物中的分子扩散一、费克定律1.分子扩散现象扩散通量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，以J表示，kmol/(m2·s)。费克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。2.费克定律传质速率：任一固定的空间位置上，单位时间内通过单位面积的物质量，以N表示,kmol/(m2·s)。zcDJddAABAJA——组分A扩散速率（扩散通量），kmol/(m2·s）；—组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）；zcddADAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行恒温恒压的一维定态扩散理想气体：RTpcAAzcddAzpRTdd1A=zpRTDJddAABAzcDJddAABA关于Fick定律的讨论zcDJddAABA对双组分混合物，若总浓度处处相等MABcccConstdzdcdzdcBABAJJdzdcDJBBABDDDBAAB二、分子扩散与主体流动研究对象：定态传质中，设气液界面的一侧有一厚度为δ的静止气层，气层内总压各处相等。浓度cA扩散距离zδcAcAi相界面气相主体界面液相主体JAJA气相主体界面JB问题：如何保持组分B在界面处浓度恒定？②由气相提供(混合气体产生宏观的流动，混合物流动时向界面将提供的组分B的量正好等于组分的反向扩散量，从而保持cAi定态)——单向扩散问题：如何保持组分B在界面处浓度恒定？可能的措施：①由液相提供（液相能以速率JA通过界面向气相提供组分）——等分子反向扩散等分子反向扩散的前提：界面能等速率地向气相提供组分B.单向扩散：设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A为扩散组分，组分B为停滞组分，（不扩散组分），则组分A通过停滞组分B的扩散，称为单向扩散或A通过停滞组分B的扩散。界面阻留组分BcBicB组分B反向扩散组分A在界面溶解p主体p界面混合物由气相主体向界面移动主体流动：混合物由主体向界面的流动。(1)因分子本身扩散引起的宏观流动。(2)A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率。主体流动的特点:三、分子扩散速率方程扩散距离z主体流动气液界面PQJANMJBN(净物流)PQ:与气液界面平行的静止平面通过平面PQ的物流:JAJBNMN:通过静止考察平面PQ的净物流对平面PQ作总物料衡算ABMNJJNABMNJJNABJJMNN对双组分物系ABNNNAAAMcNJNc()AAAABMcNJNNc组分A的分子扩散速率方程四、分子扩散速率的积分式1.等分子反向扩散（精馏）特点:NA=－NBJA=－JBAAddApDNJRTz气相：()AAAABMcNJNNcAANJAA1A2()DNppRTAA1A2()DNccAAABddAcNJDz液相：讨论(1)21AAAppN(2)组分的浓度与扩散距离z成直线关系。(3)等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。浓度cA扩散距离zδcA1cA2等分子反向扩散2．单向扩散AMAAANccdzdCDNdzdcDccNAMAA)1(特点:JA=-JBNB=0()AAAABMcNJNNc2211AAzCAAMzCMAdcNdzDccc1212ln)(AMAMMAccccDczzN)(ln2112AABMMBBMAccccDCCDcN1212lnBBBBBMccccc2121ln()BAAABBMpDpDpNppRTpRTp2121lnBBBMBBppppp)(ln2112AABMMBBMAccccDCCDcN1212lnBBBBBMccccc漂流因子讨论(1)组分的浓度与扩散距离z成指数关系。(2)漂流因子：其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。1BmppBm1Mcc(3)单向扩散体现在吸收过程中。8.3.2扩散系数一般情况扩散