化工原理8.1 气体的吸收-1课件

1、1 第八章第八章 气体吸收气体吸收 8.18.1 吸收原理吸收原理 教学目的：教学目的： 课课 型：型： 重重 点：点： 了解吸收操作的基本过程、吸收的类型以及选择了解吸收操作的基本过程、吸收的类型以及选择 吸收剂的基本原则。吸收剂的基本原则。 掌握气液相平衡的基本原理，以及亨利定律掌握气液相平衡的基本原理，以及亨利定律 吸收的类型及吸收剂的选择吸收的类型及吸收剂的选择 亨利定律及其适用条件亨利定律及其适用条件 理论理论 2 二氧化碳分子量的测定二氧化碳分子量的测定 在在COCO2 2气体生成过程中有硫化氢、酸雾、水汽产生气体生成过程中有硫化氢、酸雾、水汽产生 3 8.18.1 吸收吸收(ab

2、sorption) 吸收吸收: :利用利用气体混合物中各组分在吸收剂中的溶解度不同气体混合物中各组分在吸收剂中的溶解度不同来来 分离气体混合物的操作。分离气体混合物的操作。 属于典型的属于典型的传质过程传质过程(mass transfer process) 4 吸收操作系统吸收操作系统 气相气相(gas phase) 液相液相(liquid phase) 吸收剂吸收剂 S (absorbent) 可溶性组分可溶性组分 A (solute) 惰性组分惰性组分 B (inert constituents) A A A 吸收吸收 解吸解吸 A A 相界相界 (phase boundary) 5 吸收

3、的应用吸收的应用 制取成品制取成品: :如用水吸收甲醛蒸汽可以制取医用商品福尔马林；如用水吸收甲醛蒸汽可以制取医用商品福尔马林； 用硫酸吸收三氧化硫以制取浓硫酸等。用硫酸吸收三氧化硫以制取浓硫酸等。 从气体中回收有用的组分：从气体中回收有用的组分：如用洗油从炼焦炉气中回收苯；用如用洗油从炼焦炉气中回收苯；用 水回收合成氨厂放空气体中的氨气等。水回收合成氨厂放空气体中的氨气等。 吸收气体中的有害物质，保护环境：吸收气体中的有害物质，保护环境：如硫酸厂用吸收除去废气如硫酸厂用吸收除去废气 中的二氧化硫；过磷酸钙厂用吸收除去废气中含氟气体等。中的二氧化硫；过磷酸钙厂用吸收除去废气中含氟气体等。 作为

4、生产的辅助环节：作为生产的辅助环节：如氨碱法生产中用饱和盐水吸收氨以制如氨碱法生产中用饱和盐水吸收氨以制 备原料氨盐水等。备原料氨盐水等。 6 吸收的类型吸收的类型 物理吸收物理吸收(physical absorption)：吸收质只是简单地从气相溶吸收质只是简单地从气相溶 入液相，吸收质与吸收剂间没有显著的化学反应或只有微弱入液相，吸收质与吸收剂间没有显著的化学反应或只有微弱 的化学反应，吸收质在溶液中是游离的或结合得很弱。的化学反应，吸收质在溶液中是游离的或结合得很弱。 吸收的极限吸收的极限取决于当时条件下吸收质在吸收剂中的取决于当时条件下吸收质在吸收剂中的溶解度溶解度 (dissolva

5、bility)。 物理化学过程物理化学过程 外界条件的影响外界条件的影响： 压强压强 加压有利于吸收加压有利于吸收 温度温度 降低温度可以增大吸收质的溶解降低温度可以增大吸收质的溶解 度，但吸收质分子的扩散速率减慢。度，但吸收质分子的扩散速率减慢。 reversible process 吸收速率吸收速率取决于吸收质从气相主体传递进入液相主体的扩散速率扩散速率 (diffusion rate)。 7 化学吸收化学吸收(chemical absorption)：吸收质和吸收剂之间吸收质和吸收剂之间 发生显著的化学反应。发生显著的化学反应。 吸收的类型吸收的类型 吸收的平衡吸收的平衡取决于当时条件下

6、吸收反应的取决于当时条件下吸收反应的化学平衡化学平衡 吸收的速率吸收的速率取决于吸收质的取决于吸收质的扩散速率扩散速率或化学反应的或化学反应的反应速率反应速率。 常伴有较大的热效应常伴有较大的热效应 如果吸收反应不可逆，解吸就不能发生如果吸收反应不可逆，解吸就不能发生 化学吸收的推动力比较大化学吸收的推动力比较大 8 混合气体中只有一个组分进入液相 多组分吸收多组分吸收：混合气体中有两个或多个组分进入液相 单组分吸收单组分吸收： 吸收时气液相温度不发生明显变化 非等温吸收：非等温吸收：吸收时气液相温度发生明显变化 等温吸收：等温吸收： 吸收质在气液两相中摩尔分数均小于0.1 高浓度吸收：高浓度

7、吸收：吸收质在气相中浓度大(0.1) ，且被吸收的数 量多 低浓度吸收：低浓度吸收： 吸收的类型吸收的类型 9 吸收剂的选择吸收剂的选择 吸收操作吸收操作 的关键的关键 吸收剂应有良好的选择性；吸收剂应有良好的选择性； 当吸收剂需要回收或要求吸收剂不污染被吸收的气体时，其蒸当吸收剂需要回收或要求吸收剂不污染被吸收的气体时，其蒸 气压应尽量低；气压应尽量低； 尽可能选用无毒、难燃、腐蚀性小的吸收剂；尽可能选用无毒、难燃、腐蚀性小的吸收剂； 吸收剂的粘度要较低，便于输送和有利于气液接触；吸收剂的粘度要较低，便于输送和有利于气液接触； 化学性质稳定，以免变质和在过程中析出污垢，影响操作；化学性质稳定

8、，以免变质和在过程中析出污垢，影响操作； 价廉易得，容易再生或再次利用；价廉易得，容易再生或再次利用； 操作或处理过程中不污染环境；操作或处理过程中不污染环境； 10 吸收操作的条件吸收操作的条件 吸收剂吸收剂 吸收液吸收液 填填 料料 气体混合物气体混合物 尾气尾气 采用连续操作，以有利于稳定生采用连续操作，以有利于稳定生 产和调节控制操作条件。产和调节控制操作条件。 气液间逆流吸收，以有利于吸收气液间逆流吸收，以有利于吸收 完全并获得较大的吸收推动力。完全并获得较大的吸收推动力。 增大气液两相接触面积。增大气液两相接触面积。 增大相际的湍动程度，降低传增大相际的湍动程度，降低传 质阻力。质

9、阻力。 提高吸收速率提高吸收速率，应采取以下操作方式：，应采取以下操作方式： 11 吸收的相平衡吸收的相平衡( (phase equilibrium)phase equilibrium) 气相气相 液相液相 S A B A A A 吸收吸收 解吸解吸 A A相平衡相平衡？ ？ 12 亨利定律亨利定律（Henrys law） 在一定温度下，对于稀溶液，当气液两相达到平衡时，吸收在一定温度下，对于稀溶液，当气液两相达到平衡时，吸收 质在液相中的浓度与它在气相中的分压成正比。质在液相中的浓度与它在气相中的分压成正比。 用吸收质在溶液中的摩尔分数摩尔分数x x表示： Exp* *p 平衡时吸收质在气相

10、中的平衡分压，pa x 平衡溶液中吸收质的摩尔分率 E亨利系数亨利系数(Henrys constant)，与p单位一致， 其值随温度升高而升高随温度升高而升高。 13 亨利定律亨利定律 用溶液中吸收质的用溶液中吸收质的物质的量浓度物质的量浓度c c（mol.Lmol.L-1 -1） ）表示表示: : c H p 1 * H溶解度系数溶解度系数，kmol.m-3.pa-1，其值随温度升高而降低随温度升高而降低。 HxMMx E s 1 )1 ( 对稀溶液(x 0)： c=c0 x= x MrHxMMx E s 1 )1 ( x HM E s 1 s 14 亨利定律亨利定律 用用吸收质在两相中的摩

11、尔分数吸收质在两相中的摩尔分数表示：表示： 根据道尔顿分压定律y=p*/p，则亨利定律为 mxx P E ppy/* y平衡条件下气相中吸收质的摩尔分数 P混合气的总压，pa m相平衡系数相平衡系数 15 摩尔分数：摩尔分数： sA A mol mol x l l )( )( 溶液的物质的量 量液相中吸收质的物质的 BA A mol mol y g g )( )( 混合气的物质的量 量气相中吸收质的物质的 不变不变 摩尔比摩尔比(molar ratio) 摩尔比摩尔比： S A X l B A Y g y y Y 1x x X 1 16 用摩尔比表示的相平衡关系用摩尔比表示的相平衡关系 Xm

12、mX Y )1 (1 mXY 用用摩尔比摩尔比表示亨利定律：表示亨利定律： 对稀溶液，X值较小，上式简化为： NOTENOTE： 亨利定律只适用于稀溶液，如常压下难溶或少溶气亨利定律只适用于稀溶液，如常压下难溶或少溶气 体的吸收。体的吸收。 17 亨利定律亨利定律（Henrys lawHenrys law） 用吸收质在溶液中的摩尔分数摩尔分数x x表示： *pEx 用溶液中吸收质的用溶液中吸收质的物质的量浓度物质的量浓度c c（mol.Lmol.L-1 -1） ）表示表示: : 1 *pc H 用用摩尔比（或分数）摩尔比（或分数）表示亨利定律：表示亨利定律： mXY 在一定温度下，对于稀溶液，

13、当气液两相达到平衡时，吸收在一定温度下，对于稀溶液，当气液两相达到平衡时，吸收 质在液相中的浓度与它在气相中的分压成正比。质在液相中的浓度与它在气相中的分压成正比。 mxy 或 18 相平衡关系在吸收过程中的应用相平衡关系在吸收过程中的应用 1 1判断过程进行的方向判断过程进行的方向: : 讨论讨论: : 例例 含含NH310%(摩尔分数摩尔分数)的气体与含的气体与含NH35%液体液体 接触，平衡关系为接触，平衡关系为yA*=0.94 ，问 ，问NH3被吸收还被吸收还 是被解吸？是被解吸？ 发生吸收过程的充分必要条件是：发生吸收过程的充分必要条件是：y y y y* *或或x xx x* *

14、19 塔无限高、溶剂量很小小的情况下， ； m y xx * max, 1 11 2 2指明过程进行的极限指明过程进行的极限: : 2 * 2min2, mxyy 0 2 x0 min, 2 y 无限高的塔内，大量的吸收剂和较小气体流量， 当 时， ，理论上实现气相溶质的全部吸收。 x1y1 y2x2 20 pAp*A 为以气相分压差表示的吸收过程推动力； c*AcA 为以液相摩尔浓度差表示的吸收过程推动力。 * yy xx * 3 3确定过程的推动力确定过程的推动力 为以气相中溶质摩尔分率差表示吸收过程的推动力； 为以液相中溶质的摩尔分率差表示吸收过程的推动力； 21 练习：练习： CO2的分压为的分压为5.07 104Pa的混合气分别与的混合气分别与CO2浓浓 度为度为0.01kmol m-3的水溶液和浓度为的水溶液和浓度为0.05kmol m-3 的的 水溶液接触，系统温度均为水溶液接触，系统温度均为20 C，平衡关系为：，平衡关系为： p pA A*=1.62 105x xA A(kPa) 试求试求: : 1 1、判断传质的方向；、判断传质的方向； 2 2、上述两种情况下的推动力、上述两种情况下的推动力 p pA A和和 C CA A。 。 22 气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度