第五章-气体吸收

276第五章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，亨利定律及各种表达式和相互间的关系；相平衡的应用；分子扩散、菲克定律及其在等摩尔反向扩散和单向扩散的应用；对流传质概念；双膜理论要点；总传质系数及总传质速率方程；吸收过程物料衡算，操作线方程推导、物理意义；最小液气比概念及吸收剂用量的计算；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（平均推动力法和吸收因数法）；吸收塔的设计计算。2、熟悉的内容吸收剂的选择；各种形式的单相传质速率方程、膜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；传质单元数的图解积分法；吸收塔的操作型分析；解吸的特点及计算；填料塔液泛气速的设计及空塔气速的确定；气体通过填料的压降计算；吸收过程的强化。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；填料塔的结构及填料特性；填料塔附件。第一节概述5-1-1化工生产中的传质过程化工生产过程以化学反应为核心，然而反应前后往往需要预处理和后处理分离过程，如反应前将原料净化和将反应后产物纯化分离成不同的产品。其分离的方法视物系的性质和要求而定，如对于某些非均相物系，可利用物系内部相界面两侧物质性质的不同，采用机械方法（如沉降、过滤等）进行分离；而对于均相物系（单一相），由于内部不存在相界面，各点处的物理性质又完全相同，这时可利用物系中不同组分的物理性质或化学性质的差异，通过引入第二相、外加能量造成两相或引入第二相与外加能量并举的手段，使其中某一组分或某些组分从一相转移到另一相，即进行相际传质，以达到分离的目的，这一过程称为传质分离过程。组分通过相界面从一相转移至另一相的过程，如图5-1所示。277设初始状态相包括A、B组分，相包括C物质。转移的结果使得在相中的A、B两物质在一定程度上得以部分或完全分离，而相形成了A、C两物质的混合物。因此在相内进行的是A、B的分离过程，相内进行的是A、C的混合过程。本书将研究各组分在相内转移及通过相界面转移的基本规律，以及以该基本规律为基础的若干单元操作。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，典型的传质单元操作见表1。表1典型的传质单元操作单元操作处理的物系状态操作特点操作原理实例气体吸收气体混合物选择一定的溶剂（外界引入第二相）造成两相。利用混合气体中的某组分由气相转移到液相（溶剂），以分离气体混合物。用水作溶剂来吸收混合在空气中的氨，水吸收甲醛制福尔马林溶液等。液体蒸馏液体混合物对于液体混合物，通过外加能量，如对液体混合物加热使其部分汽化，造成两相。利用不同组分挥发性的差异，使各组分在气相与液相间浓度不同而进行分离。工业乙醇水溶液精制得无水乙醇，原油蒸馏制汽油、煤油、柴油等。固体干燥含溶剂的固体混合物对含一定湿分（水或其它溶剂）的固体提供具有一定的热量惰性气体，使溶剂汽化，并被气体带走。利用湿分分压差，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。用热空气除去某些固体物料中多余的水分。相（分离过程）相（混合过程）A+B相界面A+CACACABAAABABACCAABACAACBA图5-1传质过程示意图278液-液萃取液体混合物向液体混合物中加入某种液体溶剂造成两相。利用液体中各组分在溶剂中溶解度的差异，使组分在两液相中重新进行分配而分离液体混合物，溶质由一液相转移到另一液相。用苯萃取煤焦油液体中的苯酚，用醋酸戊酯萃取含青霉素发酵液中的青霉素等。结晶液体或气体混合物对混合物（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。利用溶质在不同温度下溶解度的不同，使结晶物质由液相转入固相。糖溶液中产生糖的晶粒，海水制盐等。吸附气体混合物或液体混合物混合物与多孔固体吸附剂相接触。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。用活性炭回收混合气体中的某些溶剂蒸气，海水提钾等。膜分离气体混合物或液体混合物对分离物系施加一种能对组分产生分离作用的场（浓度、压力、温度、电场）。利用混合物中各组分在有关场的作用下具有不同的运动速度从而分离混合物。超滤获得纯水，盐水淡化，天然气中提取氦等。传质分离过程的目的是使混合物中的各组分在两相中平衡时分配不同，所以首先介绍混合物中各组分组成的表示方法。5-1-2相组成表示法均相混合物系中各组分的组成常采用以下几种方法表示：1．质量分率与摩尔分率（质量分数与摩尔分数）279质量分率：质量分率是指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。若混合物中有组分A、B、···N，则1NBA（5-2）摩尔分率：摩尔分率是指混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的分率。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——混合物总摩尔数。显然，混合物中所有组分的摩尔分率之和为1，即1NBAyyy（5-5）1NBAxxx（5-6）根据摩尔分率和质量分率的定义，可以推导出质量分率与摩尔分率的关系为：NNBBAAAAAA////MmwMmwMmwMmwnnxNNBBAAAA/Mw/Mw/Mw/Mw（5-7）式中BAMM、——分别为组分A、B的摩尔质量，kg/mol。2．质量比与摩尔比280在传质分离计算时，有时为计算方便，以某一组分为基准来表示混合物中其它组分的组成。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，其定义式为气相：BAAnnY（5-9）液相：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）-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；281Am—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—混合物的总摩尔浓度，3kmol/m；—混合物的密度，3kg/m。4．气体的总压与理想气体混合物中组分的分压对于气体混合物，总浓度常用气体的总压p表示。当压力不太高（通常小于500kPa）、温度不太低时，混合气体可视为理想气体，其中某组分的浓度常用分压Ap表示。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（5-20）摩尔浓度与分压之间的关系为RTpVncAAA【例5-1】在一压力为常压、温度为298K的吸收塔内，用水吸收混合气中的NH3。已知混合气体中含NH3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NH3体积百分比为0.2%，试分别用摩尔分率、摩尔比和摩尔浓度表示出塔气体中NH3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。282200.02y200.0200.01200.01222-yyYkPa20260.200.03.10122Apyp35-A2A2A2kmol/m10177.8298314.820260.RTpVnc5-1-3气体吸收过程当气体混合物与具有选择性的液体接触时，混合物中的一个或几个组分在该液体中溶解度较大，其大部分进入液相形成溶液，而溶解度小或几乎不溶解的组分仍留在气相中。这种利用混合气中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来分离气体混合物的单元操作称为吸收（absorption）。如以水为溶剂处理空气和氨的混合物，因氨和空气在水中的溶解度差异很大，氨在水中的溶解度很大，而空气几乎不溶于水，因此混合气体中的氨几乎全部溶解于水而与空气分离。吸收操作中所用的液体称为吸收剂（absorptent）或溶剂，用S表示（如上述的水）；混合气体中能够显著溶解的组分称为溶质(solute)或吸收质，用A表示（如上述的氨）；不被溶解的组分称为惰性气体（inertgas）或载体，用B表示（如上述的空气）；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，用S+A表示；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，用（A）+B表示。为获得纯净的产品和溶剂再生后循环使用，溶质需从吸收所得到的吸收液中回收出来，这种使溶质从溶液中脱除的过程为解吸（desorption）。一个完整的吸收流程包括吸收和解吸两部分，下面以煤气脱苯为例介绍吸收操作的流程。在炼焦制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气中含有少量的苯、甲苯类低碳氢化合物的蒸气，含量约为35g/m3，现采用如图5-2的流程对焦炉煤气进行分离，以回收苯系物质。该流程利用生产过程中的副产物，即煤焦油的精制品（又称洗油），作为吸收剂来吸收苯系物质。283冷凝器脱苯煤气洗油苯吸加冷解收热却吸含苯煤气塔器器塔过热蒸汽含苯煤气在常温下进入吸收塔底部，塔内装有填料，洗油从塔顶喷淋而下，与煤气逆流接触，在接触过程中煤气中的苯溶解于洗油，使塔顶出去的煤气中苯的含量降到某一允许值（2g/m3），而溶入大量苯系溶质的洗油（称为富油）由吸收塔底排出。为获取富油中的苯系物质并回收洗油而循环使用，将其送入解吸塔。在解吸塔中，则进行与吸收相反的过程——解吸。它是将富油预热至一定温度再由解吸塔顶喷淋而下，与塔底通入上升的过热水蒸汽逆流接触，经脱除溶质（苯）的洗油（称为贫油）再冷却后送入吸收塔循环使用。而富油中的苯在高温下逸出，并被水蒸汽带走，经冷凝分层除水得到粗苯。5-1-4气体吸收过程的应用吸收操作是分离气体混合物的重要方法，它在化工、医药、冶金等生产过程中应用十分广泛，其应用目的有以下几种：（1）分离混合气体并回收有用的组分例如：用硫酸吸收煤气中的氨，并得到副产物硫酸铵；用洗油吸收焦炉气回收其中的苯、甲苯蒸汽；用液态烃处理石油裂解气以回收其中的乙烯、丙烯等。（2）除去气体混合物中的有害组分以精制气体通常采用吸收的方法除去混合物中的杂质。如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，用丙酮脱除石油裂解气中的乙炔等。（3）制备某种气体的溶液如用水吸收氯化氢、三氧化硫、二氧化氮制得相应的酸，用水吸收甲醛制备福尔马林溶液等。（4）工业废气的治理在煤矿、冶金、医药等生产过程中所排放的废气中常含有SO2、NO、NO2等有害成分，其特点是有害成分的浓度低且具有强酸性。如将其直接排入大气对人体和自然环境的危害很大。所以，工业上在这些废气排放之前，通常选用碱性吸收剂来吸收这些有害气体。图5-2用洗油吸收苯系物质的吸收与解吸流程284实际吸收过程往往同时兼有净化和回收等多重目的。例如，在聚氨酯合成革生产过程中，废气净化，DMF（二甲基甲酰胺）的回收利用等场合。5-1-5吸收剂的选用吸收操作是溶质在气液两相之间的传质过程，是靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的。显然，用吸收方法分离气体混合物时，要想使过程进行得既经济又有效，选择性能优良的吸收剂至关重要。这可从以下几方面考虑：（1）溶解度溶剂对混合气体中的溶质有较大的溶解度，即在一定的温度和浓度下，溶质的平衡分压要低。这样，完成一定的吸收任务，其设备的体积和吸收剂的用量或循环量均可减少，从而大大