化工原理-气体吸收

15气体吸收本章学习要求1、掌握的内容相组成的表示法及换算；气体在液体中溶解度，亨利定律各种表达式及相互间的关系；相平衡的应用；分子扩散、菲克定律及其在等分子反向扩散和单向扩散的应用；对流传质概念；双膜理论要点；吸收的物料衡算、操作线方程及图示方法；最小液气比概念及吸收剂用量的确定；填料层高度的计算，传质单元高度与传质单元数的定义、物理意义，传质单元数的计算（平推动力法和吸收因数法）；吸收塔的设计计算。2、熟悉的内容各种形式的传质速率方程、传质系数和传质推动力的对应关系；各种传质系数间的关系；气膜控制与液膜控制；吸收剂的选择；吸收塔的操作型分析；解吸的特点及计算。3、了解的内容分子扩散系数及影响因素；塔高计算基本方程的推导。5．1概述5．1．1化工生产中的传质过程传质分离过程：利用物系中不同组分的物理性质或化学性质的差异来造成一个两相物系，使其中某一组分或某些组分从一相转移到另一相，达到分离的目的，这一过程称为传质分离过程。以传质分离过程为特征的基本单元操作在化工生产中很多，如：（1）气体吸收选择一定的溶剂（外界引入第二相）造成两相，以分离气体混合物。如用水作溶剂来吸收混合在空气中的氨，它是利用氨和空气在水中溶解度的差异，进行分离。（2）液体蒸馏对于液体混合物，通过改变状态，如加热气化，使混合物造成两相，它是利用不同组分挥发性的差异，进行分离。（3）固体干燥对含一定湿分（水或其它溶剂）的固体提供一定的热量，使溶剂汽化，利用湿分压差，使湿分从固体表面或内部转移到气相，从而使含湿固体物料得以干燥。2（4）液-液萃取向液体混合物中加入某种溶剂，利用液体中各组分在溶剂中溶解度的差异分离液体混合物，在其分离过程中，溶质由一液相转移到另一液相。（5）结晶对混合物（蒸汽、溶液或熔融物）采用降温或浓缩的方法使其达到过饱和状态，析出溶质，得到固体产品。（6）吸附利用多孔固体颗粒选择性地吸附混合物（液体或气体）中的一个组分或几个组分，从而使混合物得以分离。其逆过程为脱附过程。（7）膜分离利用固体膜对混合物中各组分的选择性渗透从而分离各个组分。5．1．2相组成表示法1．质量分率与摩尔分率质量分率：质量分率是指在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分率。对于混合物中的A组分有mmwAA（5-1）式中Aw——组分A的质量分率；Am——混合物中组分A的质量，kg；m——混合物总质量，kg。1NBA（5-2）摩尔分率：摩尔分率是指在混合物中某组分的摩尔数nA占混合物总摩尔数n的分率。对于混合物中的A组分有气相：nnyAA（5-3）液相：nnxAA（5-4）式中Ay、Ax——分别为组分A在气相和液相中的摩尔分率；An——液相或气相中组分A的摩尔数，n——液相或气相的总摩尔数。31NBAyyy（5-5）1NBAxxx（5-6）质量分率与摩尔分率的关系为：NNBBAAAAx/Mw/Mw/Mw/MwA（5-7）式中BAMM、——分别为组分A、B的分子量。2．质量比与摩尔比质量比是指混合物中某组分A的质量与惰性组分B（不参加传质的组分）的质量之比，其定义式为BAmmaA（5-8）摩尔比是指混合物中某组分A的摩尔数与惰性组分B（不参加传质的组分）的摩尔数之比，其定义式为BAAnnY（5-9）BAAnnX（5-10）式中AY、AX——分别为组分A在气相和液相中的摩尔比；质量分率与质量比的关系为AAA1aaw（5-11）AAA-1wwa（5-12）摩尔分率与摩尔比的关系为XXx1（5-13）YYy1（5-14）-xxX1（5-15）4-yyY1（5-16）3．质量浓度与摩尔浓度质量浓度定义为单位体积混合物中某组分的质量。AAVmG（5-17）式中AG—组分A的质量浓度，3kg/m；V—混合物的体积，m3；Am—混合物中组分A的质量，kg。摩尔浓度是指单位体积混合物中某组分的摩尔数。AAVnc式中Ac—组分A的摩尔浓度，3kmol/m；An—混合物中组分A的摩尔数，kmol。质量浓度与质量分率的关系为AAwG（5-18）摩尔浓度与摩尔分率的关系为cxcAA（5-19）式中c—混合物在液相中的总摩尔浓度，3kmol/m；—混合物液相的密度，3kg/m。4．气体的总压与理想气体混合物中组分的分压总压与某组分的分压之间的关系为AApyp摩尔比与分压之间的关系为AAApppY摩尔浓度与分压之间的关系为5RTpVncAAA【例5-1】在一常压、298K的吸收塔内，用水吸收混合气中的SO2。已知混合气体中含SO2的体积百分比为20%，其余组分可看作惰性气体，出塔气体中含SO2体积百分比为2%，试分别用摩尔分率、摩尔比和摩尔浓度表示出塔气体中SO2的组成。解：混合气可视为理想气体，以下标2表示出塔气体的状态。02.02y02.002.0102.01222-yyYkPa026.202.03.10122Apyp34A2A2A2kmol/m10018.8298314.8026.2RTpVnc5．1．3气体吸收过程吸收过程：利用混合气中各组分在溶液中溶解度差异而使气体混合物中各组分分离的单元操作称为吸收过程。吸收操作的依据：混合物各组分在某种溶剂（吸收剂）中溶解度（或化学反应活性）的差异。溶质：混合气体中，能够显著溶解的组分称为溶质或吸收质；惰性组分：不被溶解的组分称为惰性组分（惰气）或载体；吸收剂：吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂或溶剂；吸收液：吸收操作中所得到的溶液称为吸收液或溶液，其成分为溶质A和溶剂S；吸收尾气：吸收操作中排出的气体称为吸收尾气，其主要成分是惰性气体B及残余的溶质A。现以煤气脱苯为例介绍吸收操作流程。65．1．4气体吸收过程的应用吸收过程作为一种重要的分离手段被广泛地应用于化工、医药、冶金等生产过程，其应用目的有以下几种：（1）分离混合气体以获得一定的组分或产物；（2）除去有害组分以净化或精制气体；（3）制备某种气体的溶液；（4）工业废气的治理。5．1．5吸收剂的选用吸收剂性能往往是决定吸收效果的关键。在选择吸收剂时，应从以下几方面考虑：（1）溶解度溶质在溶剂中的溶解度要大，即在一定的温度和浓度下，溶质的平衡分压要低，这样可以提高吸收速率并减小吸收剂的耗用量，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低。当吸收剂与溶质发生化学反应时，溶解度可大大提高。但要使吸收剂循环使用，则化学反应必须是可逆的。（2）选择性吸收剂对混合气体中的溶质要有良好的吸收能力，而对其它组分应不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。图5-1用洗油吸收苯系物质的吸收与解吸流程7（3）溶解度对操作条件的敏感性溶质在吸收剂中的溶解度对操作条件（温度、压力）要敏感，即随操作条件的变化溶解度要显著的变化，这样被吸收的气体组分容易解吸，吸收剂再生方便。（4）挥发度操作温度下吸收剂的蒸气压要低，因为离开吸收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。（5）粘性吸收剂粘度要低，流体输送功耗小。（6）化学稳定性吸收剂化学稳定性好可避免因吸收过程中条件变化而引起吸收剂变质。（7）腐蚀性吸收剂腐蚀性应尽可能小，以减少设备费和维修费。（8）其它所选用吸收剂应尽可能满足价廉、易得、易再生、无毒、无害、不易燃烧、不易爆等要求。对吸收剂作全面评价后做出经济、合理、恰当的选择。5．1．6吸收过程的分类1．物理吸收和化学吸收物理吸收：在吸收过程中溶质与溶剂不发生显著化学反应，称为物理吸收。化学吸收：如果在吸收过程中，溶质与溶剂发生显著化学反应，则此吸收操作称为化学吸收。2．单组分吸收与多组分吸收单组分吸收：在吸收过程中，若混合气体中只有一个组分被吸收，其余组分可认为不溶于吸收剂，则称之为单组分吸收；多组分吸收：如果混合气体中有两个或多个组分进入液相，则称为多组分吸收。3．等温吸收与非等温吸收等温吸收：气体溶于液体中时常伴随热效应，若热效应很小，或被吸收的组分在气相中的浓度很低，而吸收剂用量很大，液相的温度变化不显著，则可认为是等温吸收；非等温吸收：若吸收过程中发生化学反应，其反应热很大，液相的温度明显变化，则该吸收过程为非等温吸收过程。4．低浓度吸收与高浓度吸收高浓度吸收：通常根据生产经验，规定当混合气中溶质组分A的摩尔分数大于0.1，且被吸收的数量多时，称为高浓度吸收；8图5-2氨在水中的溶解度图5-420℃下SO2在水中的溶解度低浓度吸收：如果溶质在气液两相中摩尔分数均小于0.1时，吸收称为低浓度吸收。低浓度吸收的特点：（1）气液两相流经吸收塔的流率为常数；（2）低浓度的吸收可视为等温吸收。本章重点研究低浓度、单组分、等温的物理吸收过程。5．2气液相平衡关系本节教学要求1、重点掌握的内容：相平衡的影响因素及相平衡关系在吸收过程中的应用；2、熟悉的内容：溶解度、平衡状态、平衡分压、亨利定律。5．2．1气体在液体中的溶解度1．溶解度曲线平衡状态：在一定压力和温度下，使一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质便向液相溶剂中转移，经长期充分接触之后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡，此状态为平衡状态。饱和浓度：气液平衡时，溶质在液相中的浓度为饱和浓度（溶解度）。平衡分压：气液平衡时，气相中溶质的分压为平衡分压。相平衡关系：平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关系为相平衡关系。溶解度曲线：气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度曲线。9图5-4101.3kPa下SO2在水中的溶解度图5-5几种气体在水中的溶解度曲线由图5-2可见，在一定的温度下，气相中溶质组成y不变，当总压p增加时，在同一溶剂中溶质的溶解度x随之增加，这将有利于吸收，故吸收操作通常在加压条件下进行。由图5-4可知，当总p、气相中溶质y一定时，吸收温度下降，溶解度大幅度提高，吸收剂常常经冷却后进入吸收塔。结论：加压和降温有利于吸收操作过程；而减压和升温则有利于解吸操作过程。易溶气体：溶解度大的气体如NH3等称为易溶气体；难溶气体：溶解度小的气体如O2、CO2等气体称为难溶气体；溶解度适中的气体：介乎其间的如SO2等气体称为溶解度适中的气体。2．亨利定律亨利定律的内容：总压不高（譬如不超过5×105Pa）时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。亨利定律的数学表达式Exp*A（5-21）式中*Ap————溶质在气相中的平衡分压，kPa；10E——亨利系数，kPa；T，E。x——溶质在液相中的摩尔分率。亨利定律有不同的表达形式：（1）HcpA*A（5-22）式中cA——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；H——溶解度系数，kmol/（m3·kPa）；*Ap——溶质在气相中的平衡分压，kPa。溶解度系数H与亨利系数E的关系为：S1SEMH(5-23)式中S——为溶剂的密度，kg/m3。T，H（2）mxy*（5-24）式中x——液相中溶质的摩尔分率；*y——与液相组成x相平衡的气相中溶质的摩尔分率；m——相平衡常数，无因次。相平衡常数m与亨利系数E的关系为：pEm（5-25）当物系一定时，T或P，则m。（3）mXY*（5-26）式中X—液相中溶质的摩尔比；*Y—与液相组成X相平衡的气相中溶质的摩尔比；【例5-2】某系统温度为10℃，总压101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？解：空气按理想气体处理，由道尔顿分压定律可知，氧气在气相中的分压为：11pyp*A=101.3×0.21=21.27kPa氧气为难溶气体，故氧气在水中的液相组成x很低，气液相平衡关系服从亨利定律，由表5-1查得10℃时，氧气在水中的亨利系数E为3.31×106kPa。SSEMHA*AHpcSAS*AEMpc故181031.327.2110006*Ac3.57×10-4kmol/m3mA=3.57×10-4×32×1000=11.42g/