化工原理 吸收5.1-5.2PPT课件

5 1 概述5 1 1 化工生产中的传质过程5 1 2 气体吸收5 1 3工业吸收过程 返回 第五章吸收 第5章质量传递 是指物质在浓度差 温度差 压力差等推动力作用下 从一处向另一处的转移 包括相内传质和相际传质两类 5 1 1 化工生产中的传质过程 1 传质分离过程 依靠物质从一相到另一相传递过程 叫传质分离过程 2 传质分离过程的依据 依据混合物中各组分在两相间平衡分配不同 5 1概述 一 化工生产中的传质过程 5 1概述 二 相平衡 5 1概述 与热平衡不同之处 达到相平衡时 一般两相浓度不相等 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 因此属动态平衡 5 1概述 三 相组成的表示方法 5 1概述 5 1概述 5 1 2气体吸收 定义吸收操作的分离依据是混合物各组分在某种溶剂 吸收剂 中溶解度的差异 从而达到的目的 例如 将含NH3的空气通入水中 因NH3 空气在水中溶解度差异很大 NH3很容易溶解于水中 形成氨水溶液 而空气几乎不溶于水中 所以用水吸收混合气体中的NH3能使NH3 空气加以分离 并回收 一般地 混合气体中能溶解的组份称为溶质或吸收质 用A表示 NH3 混合气体中不能溶解的组份称为惰性成分或载体 用B表示 空气 吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂或溶剂 用S表示 水 吸收操作中所得的溶液称为吸收液 用S A表示 吸收操作中排除的气体称为吸收尾气 用 A B表示 现以煤气脱苯为例思考问题 1 吸收剂是什么 2 何种设备来完成 3 经济性如何 5 1 3吸收的工业过程 3 吸收过程及设备 吸收质惰性组分 溶剂 吸收液 吸收尾气 4 吸收流程 由上例可知 采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题 1 选择合适的溶剂 使能选择性地溶解某个 或某些 被分离组分 2 提供适当的传质设备以实现气液两相的接触 使被分离组分得以自气相转移至液相 3 溶剂的再生 即脱除溶解于其中的被分离组分以循环使用 5 吸收分类 三大对A和B的溶解度差异要大对A的溶解度要大对A的溶解度在条件改变时变化要大三小挥发性小粘度小腐蚀小技术经济性 1 气 液两相流经吸收设备的能量消耗 2 溶剂的挥发损失和变质损失 3 溶剂的再生费用 即解吸费用 6 吸收剂的选择要求 第二节气液相平衡GLE GasLiquidEquilibrium 5 2 1气液平衡关系 5 2 2享利定律 5 2 3相平衡与吸收过程的关系 引子 现在我们不妨将气体吸收中的传质过程与已学过的传热过程相对照来研究两个问题 1 气体吸收过程的推动力是什么 传热过程的推动力 温差 2 若气液两相能充分完全的接触 则吸收过程的极限是什么 传热过程的极限 T t 要回答这两个问题 就必须了解气液相平衡 5 2 1气液平衡关系 5 2 1 1 平衡 溶解度 5 2 1 2相律 5 2 1 3溶解度曲线 5 2 1 1 平衡 溶解度 溶解度的定义 在一定温度与压力下 溶质气体最大限度溶解于溶剂中的量 即溶解度 表示方式 通常以kg溶质 kg溶剂或kg溶质 m3溶液或摩尔分率xe表示 现在讨论影响平衡溶解度的因素 5 2 1 2相律 1 气液两相体系关系图见5 2气相 双组分混合气 A B 以y表示A摩尔分率或Pe表示A的平衡分压 液相 亦为双组分S A 以x表示A在溶液中的平衡溶解度 体系涉及的参数有 P T Pe x 2 相律 自由度F C 2 3 2 2 3由F 3知 即溶质A在吸收剂中的溶解度Xe 即溶解度 f P T y Pe T一定 F 2溶解度 f P y Pe P T一定 F 1溶解度 f y Pe 3 小结 若固定温度 压力不变 测得某动平衡下 溶液上方氨的分压为p 此时溶于水的氨的浓度为x 根据作图得到的曲线 称为溶解度曲线 溶解度曲线 同P下 T 溶解度 同T下 p 溶解度 低T 高p有利于吸收 同T Pe下 同溶剂 不同溶质的Xe差异很大 在低浓度时 溶解度曲线呈直线 图5 2NH3在水中的溶解度 图5 3SO2在水中的溶解度 5 2 2 1 享利定律 1定义对于稀溶液或难溶气体 在一定温度t和总压不大的情况下 溶质在液相中的溶解度与它在气相中的分压呈正比 这一关系称为亨利定律 Hery 注意 1 适用范围 稀溶液或难溶气体 2 条件 总压不高的条件 3 关系 液相 溶解度 与气相 分压 2享利定律数学表达式 1 表达式 P A ExA式中p A 溶质A在气相中的平衡分压 单位 mmHg atm Paetc E Hery系数 与P A单位一致 xA 溶质A在液相中的摩尔分数 5 2 2 2 亨利定律的不同表示方法 1 原因 由于气液相中溶质A的组成有各种不同的表示方法 因此 Hery定律有不同的表示方法 不同溶质浓度间的关系1 对气相 GasPhase 采用两种 分压Pe摩尔分率y2 对液相 LiquidPhase 主要采用二种 体积摩尔浓度C kmol m3摩尔分率x mol mol 不同表示方法 2 采用摩尔浓度时的Hery形式P A CA HCA 溶质A在溶液中的摩尔浓度单位 kmol m3H 溶解度系数单位为 kmol m3 kPa 3 浓度采用摩尔分数时Hery形式y A mxAy 与组成为XA的溶解呈平衡的气相中溶质A的摩尔分数m 相平衡常数无因次4 采用摩尔比表示的Hery形式 5 2 2 3 Hery定律中E H m间关系 E与m的关系 P A ExA y A P A P y A E P XA y A mxA m E P E与H的关系 XA CA CP A CA H P A CXA H P A ExA E C H m与H的关系 m E PE C H m C HP 对于稀溶液 CA很小 C MS 注意事项 对于稀溶液 CA很小 C MSm E P与E C H式中 C 溶液的总摩尔浓度P 系统的总压 例题 已知在101 3kpa及20 测得氨在水中的平衡数据 浓度为0 5gNH3 100gH2O的稀氨水上方的平衡分压为400pa 在该浓度范围下相平衡关系可有享利定律表示 试求 1 享利系数E 溶解度系数H 相平衡常数m 氨水的密度取1000kg m3 2 氨水的浓度与温度同前 而氨水上方总压强变为200Kpa 试求E H m 3 不改变浓度和总压 而氨水温度升高至50 已知此时氨水上方的平衡分压为500pa 试求E H m 解 1 首先将液相组成换成摩尔分数x 2 总压为200kpa 其它不变 则E H不变 而m变化为 3 温度升高至50 则 由本题得出结论 E H f 系统温度 浓度 M f 系统温度 浓度 总压 E m越小 H越大 说明该体系溶解度越大 随温度变化趋势 温度T升高 E m增加 H降低 溶解度变小 加压 降温 对吸收有利 反之则对解吸有利 5 2 3相平衡与吸收过程的关系 5 2 3 1过程方向的判断 5 2 3 2计算过程的推动力 5 2 3 3确定过程的极限 5 2 3 1过程方向的判断 吸收过程 当气液两相接触时 要使溶质自气相转移至液相 即发生的充要条件是y y x 或x x y 解吸过程 当气液两相接触时 溶质自液相转移至气相 即发生的充要条件是y y x 或x x y 动态平衡 过程达到极限 即发生气液两相达到平衡 若y y x 或x x y 净物质传递量 0 举例设在1atm 20 下稀氨水的相平衡方程为y 0 94x 今使含氨y 10 的混合气和x 0 05的氨水接触 试判断过程方向 y 0 94x 0 94 0 05 0 047y 10 0 1 y y 发生吸收过程或x y 0 94 0 1 0 94 0 106x 0 05 x 5 2 3 2计算过程推动力 在吸收过程中 通常以实际浓度与平衡浓度的偏离程度来表示吸收的推动力 如 yA yA 气相组成浓度差表示的吸收推动力 xA xA 液相组成浓度差表示的吸收推动力两者 越大 推动力过程速率也就越快 y x xA yA A A y x G L y mx 5 2 3 3确定过程的极限 今将溶质浓度为y1的混合气送入某吸收塔的底部 溶剂自塔顶淋入作逆流吸收 见 a 图 若减小淋下的溶剂量 则溶剂在塔底出口的浓度x1必将增大 其极限浓度是气相浓度y1的平衡浓度x1e 即x1max x1e y1 m反之 当吸收剂用量很大而气体流量较小时 即使在无限高的塔内进行逆流吸收 见 b 图 出口气体的溶质浓度也不会低于吸收剂入口浓度x2平衡浓度y2e 即y2min y2e mx2 仅当x2 0 则y2min 0 全部吸收 由此可见 相平衡关系限制了吸收剂离塔时的最高浓度和气体混合物离塔时的最低浓度 y1 x1 x1e y2 x2 y1 x2 y2 y2e 小结 吸收与传热的比较 用煤油从苯 空气混合气体中吸收苯 入塔气体中含苯2 体积 吸收后浓度降为0 01 体积 入塔煤油中含苯0 02 摩尔分数 操作温度为50 压力为200kpa 操作条件下相平衡关系为p 50 xkpa 求 1 塔顶处气相推动力 2 若改善操作条件 提高吸收率 则出口液体浓度极限是多少 例2 吸收塔 混合气体 p1 气 p2 液 x2 液 x1 含溶质A且摩尔分率为x 0 2的溶液与压力为2atm y 0 15的气体等温接触 平衡关系为 pe 1 2x atm 则此时将发生过程 用气相组成和液相组成表示的总传质推动力分别为 y x 摩尔分率