化工原理吸收教学课件PPT.ppt

学习目的 与要求,1,第5章 吸收,通过本章学习，应掌握吸收的基本概念和吸收 过程的平衡关系与速率关系；掌握低浓度气体吸收 的计算方法；了解传质与分离过程的基本概念及吸 收系数的获取途径、解吸过程的概念。,2,5.1 概述 5.2 吸收过程的气液平衡关系 5.3 扩散与相内传质 5.4 相际对流传质 5.5 吸收塔的计算 5.6 传质系数 5.7 解吸及其他条件下的吸收,第5章 吸收,3,5.1.1 化工生产中的传质过程 5.1.2 气体吸收的原理 5.1.3 吸收操作的应用 5.1.4 吸收设备 5.1.5 吸收操作流程 5.1.6 吸收剂的选择原则 5.1.7 吸收操作的分类 5.1.8 混合物组成的表示方法,5.1 概述,分离过程在全厂的设备投资费和操作费上占很大比重。对一典型的化工厂，分离设备的投资占6070，分离过程的能耗约占30。,-在浓度差、温度差、压力差等推动力作用下，物质从一处向另一处的转移过程。包括相内传质和相际传质两类。,5.1 概述,4,一、均相物系的分离,均相物系,某种过程,两相物系,实现均相物系的分离,相际传质过程,均相物系分离,均相混合物的分离，首先要设法制造另外一个相，使得物质从一个相转移到另外一相。,相际传质过程的推动力：浓度差,5.1.1 化工生产中的传质过程,根据不同组分在各相中物性的差异，使某组分从一相向另一相转移：相际传质过程,5,二、化工生产中的常规分离方法,6,5.1.2 气体吸收的原理,形成两相体系的方法,引入一液相（吸收剂）,各组分在吸收剂中溶解度的不同。,分离物系,气体混合物,传质原理,逆流吸收流程,原料气 ab,吸收剂 s,吸收尾气 b(含微量a),吸收液 s+a,吸 收 塔,7,吸收质或溶质：混合气体中的溶解组分，以a表示。 惰性气体或载体：不溶或难溶组分，以b表示。 吸收剂：吸收操作中所用的溶剂，以s表示。 吸收液：吸收操作后得到的溶液，s+a。 吸收尾气：吸收后排出的气体，b+a。,逆流吸收流程,吸收操作中的各组分,原料气 ab,吸收剂 s,吸收尾气 b(含微量a),吸收液 s+a,吸 收 塔,8,一、净化或精制气体,例：合成氨工艺中原料气脱h2s、脱co2 。,例：硫酸吸收so3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，用水吸收氯化氢制盐酸，氨水吸收co2生产碳酸氢铵等。,三、回收混合气体中所需的组分,例：用洗油处理焦炉气以回收芳烃，使其与甲烷、氢分离开来 ；用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。,四、工业废气的治理,例：燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除so2，硝酸尾气脱除no2等。,二、制取某种气体的液态产品,5.1.3 吸收操作的应用,9,5.1.4 吸收设备,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。,动画-01,连续接触 气、液两相的浓度呈连续变化，如填料塔。,动画-02,10,吸收与解吸流程,含苯煤气,脱苯煤气,洗油,苯,水,过热蒸汽,加热器,冷却器,5.1.5 吸收操作流程,吸收塔,解吸塔,吸收剂常常需要回收再利用,吸收,解吸,11,多塔吸收流程,动画-03,动画-04,12,一、溶解度,二、选择性,三、挥发度,四、黏度,五、其它,吸收剂对溶质组分的溶解度要大。,对溶质组分有较大溶解度，而对其它组分溶解度甚微。,吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小。,吸收剂在操作温度下的黏度要低。,无毒、无腐蚀、不发泡、价廉易得、化学性质稳定。,5.1.6 吸收剂的选择原则,经济、合理,大,高,小,低,13,气体 吸收,按被吸收组分数目,单组分吸收,按吸收有无化学反应,按溶质组成的高低,低浓度吸收,多组分吸收,物理吸收,化学吸收,高浓度吸收,5.1.7 吸收操作的分类,按吸收的温度变化,等温吸收,非等温吸收,本章只讨论单组分、低浓度、等温、物理吸收过程的有关原理和计算。,相界面,a,气体混合物,液体,惰性组分b,吸收剂,溶质,s,14,一、 质量分数 w 和摩尔分数(量分数)x,5.1.8 混合物组成的表示方法,思考1：双组分均相物系(a、b)的摩尔分数之和等于多少？质量分数之和呢？,思考2：xa与wa的关系？,定义：混合物中某组分的质量(摩尔)占总质量(摩尔)的分数。,15,二、质量浓度a和物质的量浓度ca,定义：,两者关系：,质量浓度,物质的量浓度,kg/m3,kmol/m3,思考3：xa与ca的关系？wa与a的关系？,16,密度,平均摩尔质量,三、质量比和比摩尔分数 (摩尔比),质量比,摩尔比,质量比与质量分数：,摩尔比与摩尔分数：,定义：混合物中某两个组分的质量（摩尔）比。,思考4：双组分均相物系中，x与x的关系？w与的x关系？,17,液相,气相,四、气体分压pi,摩尔分数与组分的分压之间的关系:,摩尔比与分压之间的关系:,物质的量浓度与分压之间的关系:,质量浓度与分压之间的关系:,对理想气体，根据道尔顿分压定律可得：,通用气体常数,思考5：对理想气体， c与 p 的关系？y与p的关系？,18,19,5.2.1 溶解度及溶解度曲线 5.2.2 亨利定律 5.2.3 气液相平衡在吸收中的应用,5.2 吸收过程的气液平衡关系,相平衡,-相际间传质的最终状态,5.2 吸收过程的气液平衡关系,传质速率：取决于传质过程的推动力和阻力。,（溶解平衡）,?,?,与热平衡不同之处： 达到相平衡时，一般两相浓度不相等。 相平衡属动态平衡达到相平衡时，传质过程仍在进行，只不过通过相界面的某一组分的净传质量为零。,20,5.2.1 溶解度及溶解度曲线,一、溶解度,液体 s,气体（ab）,a溶解,a逸出,平衡方程,达平衡状态时,气体在液体中的溶解度,气相分压,液相组成,在一定温度和压力下，令某气体混合物（ab）与液体 s 接触。,根据相律可知， 相平衡时自由度数,气体的平衡分压,21,二、溶解度曲线,22,在一定温度、压力下，达溶解平衡时溶质在气、液两相中的浓度之间的关系曲线。,溶解度/g(nh3)/1000g(h2o),1000,500,0,20,40,60,80,100,120,pnh3/kpa,50 oc,40 oc,30 oc,20 oc,10 oc,0 oc,50 oc,40 oc,30 oc,20 oc,10 oc,0 oc,对于同一种气体，分压p一定时，温度t越高，溶解度越小；,对于同一种气体，温度t一定时，分压p越大，溶解度越大；,加压和降温对吸收操作有利。,难溶体系,溶解度适中体系,易溶体系,说明：,（1）吸收剂、t、p一定，不同气体的溶解度差异很大；,（2）对于稀溶液或极稀溶液，溶解度曲线近似为直线。,pa=723ca,pa=25.5ca,pa=0.36ca,pa=0.0136ca,如右图示出了四种气体20c下在水中溶解度曲线。,23,5.2.3 亨利定律（henrys law）,当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。, 亨利定律,式中： 溶质在气相中的平衡分压，kpa； xa 溶质在液相中的摩尔分数； e 亨利系数，kpa。不同物质的e值见教材 p452附录16。,t，e；p对e影响可忽略。,e越大，越难溶！,思考： e越大，表明越易溶还是越难溶？,24,其它形式的亨利定律,ca 溶质在液相中的物质量(摩尔)浓度，kmol/m3； m 相平衡常数，无量纲。,h 溶解度系数，kmol/(m3kpa),m越大，越难溶！,t ，m ，h； p，m ； p在几个大气压范围内对h影响可忽略，其他情况下，一般p ，h 。,h越大，越易溶！,思考：m越大，表明越易溶还是越难溶？,思考：h越大，表明越易溶还是越难溶？,25,m与e的关系,e 与h的关系,26,在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的比摩尔分数y( 或 x)表示组成。,xa 溶质在液相中的摩尔比浓度； ya* 与xa呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。,由,得,当溶液中溶质浓度很低时，xa 0， 上式简化为：,27,注意：亨利定律的几种表达形式也可改写为,亨利定律的各种不同表达式都是说明互成平衡的气液两相组成的关系，既可由液相实际组成求与之平衡的气相组成，也可由气相实际组成求与之平衡的液相组成。,28,例5-1在常压及20下，1000kg水中溶解15kgnh3，此时溶液上方气相中nh3的平衡分压为1.2kpa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数e，溶解度系数h，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3）,亨利系数,解：已知,相平衡常数,溶解度系数,29,相对于气相浓度 y 而言，液相浓度欠饱和(xx*)，故液相有吸收溶质a的能力。,相对于液相浓度 x而言，气相浓度为过饱和(yy*)，溶质a由气相向液相转移。,一、判断过程方向,气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(p点)：,y,x,o,y*=f(x),p,y,x,y*,结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，将发生溶质从气相到液相的传质，即吸收过程。,x*,释放溶质,吸收溶质,5.2.4 气液相平衡在吸收中的应用,30,y,x,o,y*=f(x),r,y,x,y*,结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，将发生溶质从液相到气相的传质，即解吸过程。 若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，系统宏观上不发生相际间的传质，即处于平衡状态。,x*,一、判断过程方向,y,x,o,y*=f(x),q,y,x,y*,x*,释放溶质,吸收溶质,类似分析可得：,31,x=(x*-x)：以液相摩尔分数差表示的传质推动力。,y=(y-y*)：以气相摩尔分数差表示的传质推动力；,二、计算过程推动力,y,x,o,y*=f(x),p,y,x,y*,x*,y-y*,x*-x,对吸收过程：,吸收过程的推动力是一相的实际浓度和平衡浓度的差异。,32,组成为y1的混合气,塔底 x1增加,极限组成,组成为y1的混合气,塔顶y2降低,极限组成,吸收塔,v, y1,v, y2,三、确定吸收过程的极限,过程极限指气、液两相经充分接触后，组成变化的最大可能性。,l, x1,33,l, x2,例5-2在温度20、总压0.1mpa下，含有co2 0.1(摩尔分数)的空气与含有co2 0.00002 (摩尔分数)的水溶液接触，试判断co2的传质方向，并计算传质推动力。如果水溶液中co2的组成为0.0002 (摩尔分数)，试判断co2的传质方向，并计算传质推动力。,解：由p452附录16查得：co2水溶液20的e=1.44105kpa，则由p=0.1mpa可得：m=e/p=144/0.1=1440 （1）已知y=0.1，x=0.00002 则 y* = mx=14400.00002= 0.0288 y y*，故co2从气相向液相转移（吸收）。 传质推动力y = y - y* = 0.1- 0.0288= 0.07