化工单元操作-气体吸收

化工原理ChemicalEngineering模块六气体吸收学习指导1.学习目的了解传质机理，掌握吸收速率方程以及低浓度气体吸收过程及计算；了解高含量气体吸收及化学吸收的特点及计算，掌握吸收塔的过程及计算。2.学习内容气液相平衡、传质机理与吸收速率、吸收塔的计算、吸收系数。项目一.概述项目二.气液相平衡项目三.吸收过程的计算项目四.填料塔项目五.解吸项目一概述一.吸收的基本定义二.吸收操作的用途三.吸收操作的分类四.气液两相的接触方式五.吸收剂的选择吸收：利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差异而分离气体混合物的单元操作。气体吸收：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。气相主体液相主体相界面气相扩散液相扩散yixi一、基本定义分离的依据：混合气中各组分在液体溶剂中溶解度的不同。分离的对象：气体混合物。操作性质：气-液相间的传质过程。（单向）•吸收质或溶质：混合气体中的溶解组分（A）•惰性气体或载体：不溶或难溶组分（B)•吸收剂：吸收操作中所用的溶剂(S)•吸收液：吸收操作后得到的溶液(A+S)•吸收尾气：吸收操作中所排出的气体（B+S）吸收塔混合尾气(A+B)吸收液(A+S)吸收剂(S)吸收尾气(A+B)逆流操作吸收塔示意图(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液，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。二、吸收操作的用途：三、吸收操作的分类•物理吸收：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。如油吸收苯，水吸收CO2、SO2等。•化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。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。溶解热：气体溶解于液体时所释放的热量。化学吸收时，还会有反应热。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。四、气液两相的接触方式连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变化。如板式塔。填料塔板式塔五、溶剂的选择吸收操作的成功与否在很大程度上决定于溶剂的性质，选择吸收剂时一般应考虑以下几点：①溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解度。处理一定量混合气体所需溶剂量减少，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低。②溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即应具备较高的选择性。若溶剂的选择性不高，将同时吸收混合物中的其他组分，只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较为完全的分离。③溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小，而且随着温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升。这样，被吸收的气体容易解吸，溶剂再生方便。④溶剂的蒸汽压要低，不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸收和再生过程的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂质。⑤溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质。⑥溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离。⑦溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。实际上很难找到一个理想的溶剂能够满足上述所有要求，应对可供选择的溶剂做全面评价，以便作出经济合理的选择。项目二气液相平衡一.相组成表示方法二.气体在液体中的溶解度三.气液相平衡关系—亨利定律四.吸收机理与吸收速率1.质量分数与摩尔分数质量分数：在混合物中某组分的质量占混合物总质量的比值。摩尔分数：混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的比值。一.相组成表示方法AwAmxm气相：nnyAA液相：nnxAA1NBAyyy1NBAxxx质量分数与摩尔分数的关系：NBAAxxxx/M/M/M/MwNwBwAwANBAAmmmmnnxAA/M/M/M/MwNwBwAwA2．比质量分数与比摩尔分数比质量分数：混合物中某两个组分的质量之比。比摩尔分数：混合物中某两个组分的摩尔数之比。wAwAm(Y)mABX或BAAnnY气相：BAAnnX液相：比质量分数与质量分数的关系（双组分混合物）：比摩尔分数与摩尔分数的关系（双组分混合物）：wAwAwAwAwBwBm(Y)mABmxxXmxx或-xxnnnnnnnnnXAAAABA1/1/XXx1YYy1-yyY13.质量浓度与摩尔浓度质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。摩尔浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。cxVnxVncAAAAAAWmCV4.气体混合物的组成VPpAvAAy摩尔分数=压力分数=体积分数VmxWAWAx例：某吸收塔处理焦炉气量为1200m3/h，焦炉气中含苯117kg，塔内操作压力为108kPa，操作温度为25℃。试求焦炉气中苯的摩尔分数和摩尔比。5.178117苯nkPa3.11200)25273(314.85.1VRTnp苯苯029.01081.3ppy苯苯M苯=78解：0299.0029.0-1029.0-1苯苯苯yyY二.气体在液体中的溶解度1.气-液相平衡关系吸收的相平衡关系：气液两相达到平衡后，被吸收组分（吸收质）在两相中的组成关系。平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时气液两相达到平衡。内涵：此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，在宏观上过程就象是停止了。平衡状态下，溶液上方气相中溶质的分压称为当时条件下的平衡分压；而液相中所含溶质的组成，称为当时条件下气体在液体中的平衡溶解度(溶解度)。2.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。温度、压强一定，在同一溶剂中，不同气体的溶解度不同；溶质、温度一定，溶质气体分压提高，溶解度加大；溶质、分压一定，温度升高，溶解度降低。溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100120pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC120溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]250200020406080100pSO2/kPa1501005012050oC40oC30oC20oC10oC0oC溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]三、气液相平衡关系—亨利定律吸收操作最常用于分离低浓度的气体混合物，此时液相的浓度通常比较低（在稀溶液范围内）。稀溶液的溶解度曲线通常近似地为一过原点的直线，即气液两相的浓度成正比，这一关系称为亨利定律。气液组成用不同的单位表示时，亨利定律形式不同：Exp*1.亨利定律（p-x）溶质在液相中的摩尔分数溶质在气相中的平衡分压，kPa亨利系数，kPa讨论：1）E的影响因素：溶质、溶剂、T物系一定，ET2）E大的，溶解度小，难溶气体E小的，溶解度大，易溶气体3）E的来源：实验测得；查手册2.亨利定律其它形式*AcpH（1）当液相组成以摩尔浓度表示，气相以分压表示（p-c）HT讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体2）P对H影响小溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3溶解度系数，kmol/（m3·kPa）*ymx(2)当溶质在气相和液相中的组成分别用摩尔分数表示（y-x）溶质在气相中的摩尔分数相平衡常数，无因次(3)当溶质在两相中的组成分别用比摩尔分数表示（Y-X）Y*=mXm值的大小同样可以用来判断气体组分溶解度的大小1）m大，溶解度小，难溶气体讨论：mTmP2）E与H的关系：HcE0L0A0(1)cMMxMxM00EHM0—溶剂的密度，kg/m3M0—溶剂的摩尔质量，kg/kmolExp*AE与m的关系：Exp*cxH**AcHpccEmpExp***Apypmxy*[例]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（氧气在空气中的体积分数为21%）？解：查得10℃时，氧气在水中的亨利系数E为3.31×106kPapyp*A=101.3×0.21=21.27kPaSSEMH*AcpHSAS*AEMpc6100021.273.311018=3.57×10-4kmol/m3m=3.57×10-4×32×1000=11.42gyy*或x*x或A*Acc*AAppA由气相向液相传质，吸收过程*AApp平衡状态*AAppA由液相向气相传质，解吸过程吸收过程：3.相平衡关系在吸收过程中的应用由于气液相平衡是吸收进行的极限，因此，在一定条件下，吸收若能进行，溶质在气相中的分压必须大于与液相平衡时的平衡分压。1.传质基本方式2.吸收机理—双膜理论3.吸收速率方程4.吸收总系数四、吸收机理与吸收速率吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤：气相主体液相主体相界面溶解气相扩散液相扩散(1)溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)；(2)溶质在界面上溶解(通过界面的传质)；(3)溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。因此，在讨论吸收机理之前，首先要说明物质在单相（气相或液相）中的传递规律。吸收是溶质从气相向液相转移的传质过程，通过扩散实现，因此传质过程又称扩散过程。1.传质基本方式发生在流体中的扩散有两种：a.分子扩散（依靠分子热运动进行物质传递）b.涡流扩散（依靠分流体质点的湍动和漩涡进行物质传递）分子扩散现象：a.分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。推动力：浓度差影响因素：温度、流体的物理性质c.对流扩散与传热中的对流传热类似，对流扩散就是湍流主体与相界面之间的涡流扩散和分子扩散两种传质作用过程。对流扩散速率比分子扩散速率大得多，对流扩散主要取决于流体的湍流程度。将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水，则将甜得更快更均匀，那便是对流传质的结果。b.涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部存在浓度梯度，流体质点便会靠质点的无规则运动，相互碰撞和混合，组分从高浓度向低浓度方向传递，这种借助质点的湍动和漩涡来传递物质的现象称为涡流扩散。2.吸收机理—双膜理论双膜模型（双膜阻力模型）的基本论点（假设）气液两相间有一稳定的相界面，界面两侧存在稳定的气膜和液膜层，溶质以分子扩散方式通过二膜层。相界面上的气、液两相互成平衡，即pi=f(ci)。气、液两相主体中，流体充分湍动，溶质主要以涡流扩散的形式传质，没有任何形式的扩散阻力，即认为两相主体中浓度梯度为零，扩散阻力全部集中在两个膜层内。根据双膜理论，吸收质从气相主体中以对流扩散的方式到达气膜边界，又以分子扩散的方式通过气膜到达气液界面，在界面上吸收质不受任何阻力从气相进入液相，然后以分子扩散的方式穿过液膜到达液膜边界，最后以对流扩散的方式转移到液相主体。双膜理论示意图气相主体ZGZLpCi界面气膜液膜C液相主体传质方向pi双膜模型对流扩