化工原理 电子教案 第六章 气体吸收

9.吸收9.1概述利用不同组分在溶剂中溶解度的差异，分离气体混合物的过程，称为吸收；能被溶解的组分——溶质A；不能被溶解的组分——惰性组分（载体）B；所用溶剂——吸收剂S。吸收液)(AS。一．工业生产中的吸收过程1．工业上的应用（1）原料气的净化：如煤气中的H2S除去。（2）有用组分的回收：如合成氨厂的放空气中用水回收氨。（3）某些产品的制取：将气体中需要的成份以指定的溶剂吸收出来，成为液态的产品或半成品，如：从含HCｌ气体中盐酸(4)废气的治理：如含SO2，NO，NO2等废气中，要除去这些有害成份。2．吸收的分类(1)按性质划分物理吸收：溶质不发生明显的化学反应，如水吸收CO2，SO2等。化学吸收：溶质与溶剂或溶液中其它物质进行化学反应。（如用NaOH吸收CO2）(2)温度是否变化等温吸收：当溶剂用量很大，温升不明显时非等温吸收：(3)被吸收组分数目分单组分吸收：只吸收一种组分多组分吸收二．吸收过程的极限及方向极限：气液两相呈平衡状态；方向或推动力：一相浓度与同另一相浓度呈平衡的该相浓度之差；比如：溶质A在气相中的分压为AP，液相中溶质浓度为Ac，与Ac呈平衡的气相分压为AP，则推动力为（AAPP）。三．吸收的流程流程说明：1．气液流向：——逆流（推动力大）2．多塔吸收：单塔所需太高时，可分解成几个塔串联使用。3．加压吸收：提高总压，可以提高传质推动力，同时提高溶解度，有利于吸收。4．脱吸（解吸）过程：吸收的逆过程。原料气（BA）尾气（少量BA）溶剂S吸收塔解吸塔油水分离器油（A）水富液蒸气（空气）四．吸收剂选择及要求１．具有选择性：对溶质Ａ的溶解度应尽可能大２．不易挥发性：减少溶剂的损失及避免在气体中引入新的杂质３．腐蚀性小：减少设备费和维修费４．粘度低：以利于传质及输送５．毒性小，不易燃，以利于保证安全生产6．来源丰富，价格低廉，易于再生五．本章重点及学习方法本章主要讨论单组分、等温、常压、物理吸收，以掌握基本原理和方法。本章主要涉及设计型问题的计算以及操作型问题的分析，要注意掌握学习方法，活学活用。9.2有关吸收的基本理论一．平衡溶解度在一定温度下气液两相长期或充分接触后，两相趋于平衡。此时溶质组分在两相中的浓度服从某种确定的关系，即相平衡关系。气相溶质分压称平衡分压（饱和分压）AP；液相溶质浓度称平衡浓度（饱和浓度）Ac，又称溶解度或极限浓度。对单组分吸收（BA），组分数3C，包括A、B和S，相数2，气液两相，故自由度2CF=3，即平衡时),,(AAPPTFc，P不太高时影响小，可以忽略。因此),(AAPTFc，T一定，)(AAPFc或者)(AAcfP。通常用溶解度曲线表示相平衡关系。从以上溶解度曲线可以看出：在相同压力AP下2223OCOSONHcccc；随着温度T的升高，氧气的溶解度下降，由此可见，加压、降温有利于吸收；升温、10℃40℃0℃2Oc2OPAPAcNH3SO2CO2O2减压有利于解析。二．亨利定律1．当总压不高，在一定温度下，稀溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在如下关系：AAExP（1）式中：AP——溶质气体在溶液面上方的平衡分压；单位kpa；x——溶质在液相中的摩尔分率E——亨利系数；单位kpaE越大，说明在相同的液相摩尔分率下，气相的饱和分压越大，即气体的溶解度越小，所以有：易溶气体的E＜能溶气体的E＜难溶气体的E。另外，因为气体的溶解度随温度的升高而降低，所以E随温度的升高而升高。2．亨利定律还有另一种表达形式：AAHPc或者HcPAA（2）其中：H溶解度系数，[Ac]/[AP]，kpamkmol./3。H越大，说明在相同的气相分压下，液相的饱和浓度越大，即气体的溶解度越大，所以有：难溶气体的H＜能溶气体的H＜易溶气体的H。另外，因为气体的溶解度随温度的升高而降低，所以H随温度的升高而降低。AP和Ac：气相溶质的分压和与之平衡的液相饱和浓度；Ac和AP：液相溶质的摩尔浓度和与之平衡的气相饱和分压。因为（1）式中ccxAA，将其代入（2）可以得到：AAAAxHcHcxHcP所以HcE式中溶液溶液McccSLA对于稀溶液：M可以取溶剂S的分子量，如对稀NH3溶液，3/1000mkg，3/5.5518100018mkmolc3．气液浓度均用摩尔分率表示AAmxy或者myxAAm—相平衡常数由AAAExHcP等式两边同时除以总压P，可以得到：AAxPEPP即AAxPEy令PEm，则有AAmxyAy和Ax：气相溶质的摩尔分率和与之平衡的液相饱和摩尔分率；Ax和Ay：溶质的液相摩尔分率和与之平衡的气相饱和摩尔分率。m越大，说明在相同的液相摩尔分率下，气相的饱和摩尔分率越大，即气体的溶解度越小，所以有：易溶气体的m＜能溶气体的m＜难溶气体的m。另外，因为气体的溶解度随温度的升高而降低，所以m随温度的升高而升高。三.相平衡关系的应用：1．判别过程的方向将气相的浓度与液相的浓度换算成同一种浓度的表示方法（利用相平衡关系换算），再比较一下大小。若气相浓度＞液相的平衡浓度，则发生解吸；反之，则发生吸收。如比较Ay和Ay、Ax和Ax、Ac和Ac、AP和AP的大小。2．指明过程的极限当某一相的浓度=另一相的平衡浓度时，两相达到平衡，即为传质过程达到了极限。在实际操作中，相平衡限制了溶剂离塔时的最高浓度和气体离塔时的最低浓度。3．计算过程的推动力只有不平衡的两相接触后才会发生传质，过程的推动力可用实际浓度与平衡浓度的偏离程度来表示（但不是两相的浓度直接相加减，而要先换算成同一种浓度而后计算），如吸收的推动力可用)(AAyy、)(AAxx、)(AAcc、)(AAPP来表示，而解吸的推动力则用其相反数来表示。值得注意的是：浓度在相内或相间是连续变化的，所以不同的起始点，浓度差值也不同，所以推动力的大小要与传质的距离或范围（起始点）一一对应，是某相内的推动力，还是相内某一段的推动力，还是相间的总推动力，要标明范围。四．传质速率方程在设计设备时，计算执行指定的吸收任务所需的设备尺寸，要计算传质速率；在核算混合气体通过指定设备所达到的吸收程度时，也要计算传质速率；所以传质速率的计算对吸收过程是十分重要的。吸收速率：单位时间、单位相际传质面积上吸收的溶质的量。它反映出吸收（传质）过程进行的快慢或强度。吸收（传质）速率=推动力/阻力=传质系数×推动力，其中传质系数=1/阻力，推动力=浓度差。要注意的是：⑴由于浓度的表示方法很多，所以推动力的形式也很多，对应的传质系数（1/阻力）的形式也很多；⑵推动力的大小与起始范围有关，一般指相内，也有指相际间的；则对应的传质系数（1/阻力）也是在对应范围内的值，两者从形式上、范围上是一一对应的。cL传质方向cipipGp或c气相主体液相主体1.吸收过程的简化描述——双膜理论（膜模型或停滞膜理论）这个理论是惠特曼（Whiteman）于1923年提出的，是最早的传质模型。它作了以下的简化：⑴两相相接触时，存在有稳定的相界面，界面两侧各有一很薄的停滞膜（有效膜），溶质A在两膜层内的传质只能以分子扩散的形式进行。⑵每相的传质阻力集中在这两侧假设的膜层内，推动力也集中在其中，湍流主体的阻力相对而言可忽略不计，流体的强烈湍动使各处的浓度趋于一致，也无推动力，这样，复杂的相际间的传质可简化为两停滞膜内的分子扩散。⑶气液界面的阻力可以忽略，所以界面上的两相浓度成平衡。根据以上假设，等摩尔相互扩散时，液相分传质系数LLDk/，气相分传质系数GGRTDk/；单向扩散时，液相分传质系数)/)(/(LSmLDcck，气相分传质系数)/)(/(GBmGRTDPPk。其计算很简便，但从式中可得出，Dk，与实际中67.0Dk不符。此模型为传质模型奠定了初步的基础，描述与有固定相界面的系统及低速的两流体间的传质大致符合。用此理论确定的传质速率方程，仍是设计的主要依据，缺点是过于简单，与高效高速设备不符。2.单相传质速率方程稳态操作时，吸收设备内任一部位上，界面两侧膜内的吸收（传质）速率AN相等。单独根据气膜或液膜内的阻力及推动力写出的速率方程式叫气膜或液膜的吸收（传质）速率方程，也叫分吸收（传质）速率方程，相应的传质系数叫膜系数或分传质系数，用k表示。以单向扩散为例：⑴气膜分吸收速率方程推动力=气相主体浓度—界面浓度。当浓度用气相分压P表示时：))(/)(/(iGBmGGAPPPPRTDN令)/)(/(BmGGGPPRTDk，则有：)/1()(GiGiGGAkPPPPkN式中：Gk——推动力为分压差时对应的气相分传质系数，kpasmkmol../2。当浓度用气相摩尔分率y表示时：)()()()(iyiGiGGiGGAyykyyPkPPPPPkPPkN式中yk：推动力为气相摩尔分率差时对应的气相分传质系数，)../(2ysmkmol，PkkGy。⑵液膜分吸收速率方程：推动力=界面浓度—液相主体浓度。当浓度用液相摩尔浓度c表示时：))(/)(/(LiSmLAccccDN令)/)(/(SmLLLccDk，则有：)(LiLAcckN式中：Lk—推动力为液相摩尔浓度差时对应的液相分传质系数，。当浓度用液相摩尔分率x表示时：)()()(xxkxxckccccckNixiLLiLA式中xk：推动力为液相摩尔分率差时对应的液相分传质系数，)../(2xsmkmol，ckkLx。3．界面浓度的求取在使用分吸收（传质）速率方程时，界面浓度),(iicP，),(iixy难于测定，常可用以下两种方法求取：⑴图解法从实际浓度),(LGcP点出发，以)/(GLkk为斜率作直线，直线与平衡线的交点为B，B点的坐标即为),(iicP，这是由于：)/1/()()/1/()(LLiAGiGkccNkPP⑵计算法当平衡关系可用某种函数关系)(xfy表示时，根据yxiikkxxyy/)/()(和)(xfy，可联立解出界面浓度),(iixy，因为界面浓度iy与ix成平衡。4.总吸收（传质）速率方程的建立为了避免界面浓度的不确定性或求解的麻烦，用两相主体的浓度差来表示总推动力，写出的速率方程式叫总吸收（传质）速率方程，相应的传质系数叫总传质系数，用K表示。但由于气液组成的表示方法不一样，所以推动力不能直接相加减，要通过平衡关系将它们转化为同一种形式的浓度后再相加减，此时有：总推动力=任一相的主体浓度—另一相的平衡浓度总阻力=气膜阻力+液膜阻力=1/总传质系数以单向扩散为例，当系统的平衡关系可用亨利定律表示时：⑴以气相分压差)(LGPP表示总推动力时)/1/()()]/1()/1/[()()]/1()/1/[()()/1/()()/1/()()/1/()()/1/()(GLGLGLGLGLiiGLLiLLiLLiGiGAKPPHkkPPHkkPPPPHkPPkHPHPkcckPPNGPiPPQEOLciccP其中GK：以气相分压差为推动力时对应的总传质系数，)../(2kpasmkmol；液膜阻力）气膜阻力/(1)]/1()/1/[(1LGGHkkKLP：与液相浓度Lc相平衡的气相分压。⑵以液相摩尔浓度差)(LGcc表示总推动力时)/1/()()]/1()//[()()]/1()//[()()/1/()()//()()/1/()(LLGLGLGLGLiiGLLiGiGGiGAKcckkHcckkHcccckcckHcckPPN其中LK：以液相摩尔浓度差为推动力时对应的总传质系数，sm/；液膜阻力）气膜阻力/(1)]/1()//[(1LGLkkHKGc：与气相分压GP相平衡的液相摩尔浓度。⑶以气相摩尔分率差(y—y*)表示总推动力)/1/(*)()]/()/1