质量传递篇—气体吸收

1、2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡1质量传递篇质量传递篇气体吸收气体吸收第二十七讲第二十七讲 概述与气概述与气- -液相平衡液相平衡一、概述一、概述（二）吸收过程（一）一般介绍2. 工业吸收过程（三）吸收剂的选择（五）吸收单元操作的教学思路1. 气、液相间的接触方式二、气液相平衡原理二、气液相平衡原理（一）相律（二）气-液相平衡关系1. 溶解度曲线2. 亨利定律3. Henry定律的其它形式4. 平衡关系式的变换（三）吸收过程的方向、极限与推动力（四）吸收操作的经济性 2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡2吸收是依据不同

2、组分在溶剂中溶解度的不同，让混合气体与适当的液体溶剂相接触，使气体中的一个或几个组分溶解于溶剂中形成溶液，难以溶解的组分保留在气相中，从而达到混合气体初步分离的操作。 目的含溶质混合气含溶质混合气 + + 液体溶剂液体溶剂 根据溶解度差异根据溶解度差异 脱溶质混合气脱溶质混合气 + + 含溶质的溶液含溶质的溶液气液组分间是否发生化学反应吸收过程热效应是否显著混合气体浓度高低被吸收组分数物理吸收化学吸收等温吸收非等温吸收低浓度吸收高浓度吸收单组分吸收多组分吸收吸收分类主要讨论：主要讨论：单组分、低浓度、单组分、低浓度、等温、物理吸收。等温、物理吸收。1.净化原料气2.回收有用组分3.制取某些产品

3、4.治理废气一、概述一、概述（一）一般介绍（一）一般介绍2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡3梯级接触式（逐级式）板式塔连续接触式（微分式）填料塔接触方式吸收塔设备图127 脱溶质气体出溶剂入混合气入溶液出填料填料塔）微分接触式（2溶剂入溶液出混合气入脱溶质气体出塔板板式塔）级式接触式（1（二）吸收过程（二）吸收过程1. 1. 吸收过程中气、液相间接触方式吸收过程中气、液相间接触方式2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡4苯含苯煤气脱苯煤气冷凝器冷却器换热器吸收塔解吸塔水水蒸气洗油吸收操作流程图227 由于气液在两类装置中的

4、接触方式不同，在工程计算中，采用两种不同的计算方法平衡级数法与传质速率法。平衡级数法与传质速率法。2. 2. 工业吸收过程工业吸收过程一个完整的吸收过程往往包括吸收与解吸两个部分。当然，如果溶剂吸收溶质后的溶液就是过程产品，就不需要解吸了。同时可知，为实现气体吸收过程，需要解决的问题是： 选择合适的溶剂（吸收剂）； 溶剂的再生，这项费用往往占整个吸收操作费用的很大比例； 设计或选用合适的传质设备。2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡5（三）吸收剂的选择（三）吸收剂的选择吸收剂对吸收操作的效果影响很大，对以分离为目的的吸收操作，应按如下原则选取吸收剂：1.对分

5、离组分有较大的溶解度；2.对分离组分有较好的选择性；3.在操作温度下，具有较低的蒸汽压，以减少吸收操作中的吸收剂损失；4.在操作温度下，具有较低的粘度，以利于气、液良好接触和便于输送；5.吸收溶质后的吸收剂容易再生，或者溶质解吸方便；6.尽可能无毒、不燃烧、腐蚀性小，且价廉易得。（四）吸收操作的经济性（四）吸收操作的经济性 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，如解吸操作费。再生费用所占的比例最大常用的解吸方法有升温、减压、吹气，其中升温与吹气特别是升温与吹气同时使用最为常见。溶剂在吸收与解吸设备之间循环，其间的加热与冷却、泄压与加压必消

6、耗较多的能量。2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡6（五）吸收单元操作的教学思路（五）吸收单元操作的教学思路在以下各传质单元操作的讨论中，仍将遵循绪论中明确过的阐述方式，即：过程分析过程描述过程及设备计算。为突出基本原理、基本观点和基本方法，吸收单元操作的讨论将主要以双组分低浓度气体在填料塔中的吸收过程为例展开，并在适当场合简要介绍其他吸收过程（如高浓度气体吸收、化学吸收等）中的特殊问题及其处理方法，同时介绍吸收过程在板式塔中进行时的计算方法。在“传质原理”中讨论过的“双膜模型理论”对吸收过程机理的理解具有重要意义，那里关于相间传质速率的结论完全适用于吸收过

7、程。在吸收过程的数学描述中，利用这些结论并加以扩充。也就是说，吸收过程的分析与描述是以“双膜模型理论”为基础的。由于吸收过程进行的方向、极限、推动力以及吸收速率方程的表达形式都与气液相平衡关系直接相关，为此，吸收单元操作的讨论从相平衡原理开始。 如果溶剂的溶解能力差，离开吸收设备的溶剂中溶质浓度低，则所需的溶剂循环量必大，再生时的能量消耗也大。同样，若溶剂的溶解能力对温度变化不敏感所需解吸温度较高，溶剂再生的能耗也将增大2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡7传热过程吸收过程传递过程冷热流体间的热量传递气液相间的质量传递被传递着热量质量（物质）传递方向高温低温

8、高浓度低浓度过程极限温度相等浓度相等过程推动力温度差浓度差二、气液相平衡原理二、气液相平衡原理从传热原理及传质原理的学习中知道，二者的传递过程很相似。下表对照列出了传热过程与吸收过程的有关特征项，作为讨论气液相平衡原理的引子。2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡8对单组分物理吸收过程， （溶质、惰性气体、吸收剂）、 ，由式（27-1）： 。即在温度、压力以及气、液相组成四个变量中，有三个变量是自变量，另一个是它们的函数。从实验知道，在几个大气压范围内，压力对平衡关系的影响可以忽略，而温度的影响较大。因此在一定温度下，有如下函数关系：溶质A与溶剂S接触，进行溶

9、解的过程中，随溶液浓度 的提高，溶解的净速度降低，最后达到零， 达到一最大值 。这时称气-液相间达到了相平衡， 称平衡溶解度，或简称溶解度。AcAcAcAc2 cF3c2 3223F)(pfc （一）相律（一）相律在一定条件下，两相平衡态受相律制约：（27-1）（27-2）此平衡关系可用不同的方式表示。2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡9在同样温度、压力下，不同物质溶解度不同。如O2为难溶解气体，NH3为易溶解气体，而SO2为溶解度适中的气体；温度升高，气体溶解度降低；在一定温度下，气体溶解度随该气体的气相分压增大而增大；实验得知：在几个大气压内，不会改变

10、 关系。但是，总压提高使溶质气相分压增大，这导致溶解度增大。而 关系会因总压不同而不同，这是因为在低压下， ，其中 与 成正比例变化，即y 不随压力变化，但 x 却因 增大而增大。稀溶液的溶解度曲线为直线。由上面规律可知，对吸收来说，加压、降温是有利的。pc xy ti/ ppy iptpip2O2SO3NH2CO293K tpc由于气液相平衡理论尚不完善，气体在液体中的溶解度一般需要通过实验对具体物系进行测定，实验结论如下：（二）气（二）气- -液相平衡关系液相平衡关系1. 1. 溶解度曲线溶解度曲线2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡10在应用Henry

11、定律时，除要求溶液是理想溶液或稀溶液外，还要求溶质在气相和液相中的分子状态相同。否则，就不能使用Henry定律。由式（27-3）知，稀溶液液面上方溶质平衡分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正比，比例系数 E 称为Henry系数。不管是理想溶液还是非理想溶液，只要浓度足够低，Henry定律都适用。对于理想溶液， ，即Henry定律与Raoult定律一致。)d/d(limA0 xpEx0pE AAExp),(pTEE 2. 2. 亨利定律亨利定律从经济性考虑，吸收操作最常用于分离低浓度气体混合物，这时液相浓度通常也较低，即常在稀溶液范围内，而稀溶液的溶解度关系为线形关系，可用Henry（1803年）

12、定律描述：（27-3）实验证明，对稀溶液而言，E只是温度的函数，一般温度上升，E增加说明温度上升，溶解度下降。对同一溶剂来说，由式（27-3）可见，难溶气体的E值大，易溶气体的E值小。当溶液浓度较高时，E不仅是温度的函数，而且还与溶质的分压有关。E值可由实验测定。（27-4）2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡11由于气液组成有若干表示方法，因而Henry定律有不同的表达形式，常用的有以下几种：（3 3）Y X 关系关系HcpHpc/AAAA 或kPa)kmol/(m3 AAmxy随吸收过程的进行，沿塔气体混合物总量将不断减少，而溶液量将不断增加。由于气、液

13、相的总量都在变化，因此采用摩尔分率表示混合物的组成很不方便。另一方面，吸收过程中惰性气体和吸收剂的量可以认为始终不变，这样，在吸收计算中采用比摩尔分率（或称摩尔比）表示组成是方便的。如以、分别表示液、气相摩尔比，则与摩尔分率的关系为：SkmolA/kmol,XBkmolA/kmol,Y脱溶质气体出溶剂入混合气入溶液出填料3. 3. Henry定律的其它形式定律的其它形式（1 1）p c 关系关系（27-5）式中H 溶解度系数，（2 2）y x 关系关系（27-6）式中m相平衡常数，量纲为一。2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡12如以 分别表示溶质、溶剂和溶

14、液的相对分子量，则有：一般吸收平衡数据可用 四种关系表示，但在吸收过程计算中，常采用 关系，现将有关参数换算关系推导如下：一般讲，式（27-7）在 图上标绘为曲线。但是，当溶液很稀时， 很小，该式可近似简化为如下直线方程：XY XAAmXYXYxyxpcp 及,XY MSA,MMM)1(ASAAiiMxMxMxMM 如以表示溶液的密度，为溶液的摩尔浓度。M 3MM3/mkmol,/,kg/m溶液则M tAtAAA/ )(/pxEppxmy AAAAAAAAA)1(111XmmXYYYyXXx；mxy （27-7）（27-8）4. 4. 平衡关系式的变换平衡关系式的变换（1 1）m E 关系关系

15、（27-9）（2 2）E H 关系关系t/ pEm 2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡13将此式代入式 并与式 比较得对稀溶液来说，值很小，上式可简化为：AxASLASASALASAAALALLA)()1(xMxMMMxxMxMxxMc AASLAA/xExHMHcp Hcp/AA AAExp （27-11）（27-12）（3 3）m H 关系关系将式（27-12）代入式 得：（27-13）AASAAMAMMA)1(xxMxMxMc （27-10）HMHMESSSL t/ pEm tSStSLHpMHpMm 2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与

16、气- -液相平衡液相平衡14由上述气、液相平衡原理的讨论知道，当气、液两相平衡时，相间净传质速率为零，两相浓度落在相平衡线上，此时（或）。这样，就可以根据相接触的气、液两相浓度与平衡线的相对位置来判定吸收过程的方向、极限和推动力。 AAyy AAxx当相互接触的气、液两相存在（或）时，即溶质气相浓度大于与液相浓度的平衡浓度时（或溶质的液相浓度小于气相浓度的平衡浓度时），溶质便由气相向液相传递，该过程为吸收过程，如图（27-4）中的 A 点。 AAyy AAxxAyAx AyAxAy Ax（三）吸收过程的方向、极限与推动力（三）吸收过程的方向、极限与推动力1. 1. 吸收过程的方向吸收过程的方向

17、Ay Ay AxAxAAy Ay AxAxA)(xfy )(xfy Ay Ax A AyAy AxAx 图27-3 吸收过程的方向图27-4 吸收过程的推动力2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡15而当气、液两相间有（或）时，即溶质在气相中的浓度小于与液相浓度相平衡的浓度时，就会发生溶质由液相向气相传递，该过程为解吸过程，如图（27-4）中的点。 AAyy AAxxAy Ax AyA气、液两相间达到平衡状态，即相组成点落在平衡线上，净传质速率为零，这时有（或），这里的、便是过程的极限浓度。 AAyy AAxxAxAy有上面分析知道，只有不平衡的两相相接触时才

18、能发生相间传质（吸收或解吸），而且实际浓度与平衡浓度的偏离越大，相间传质速率越快。根据相间传质速率的概念，把实际浓度与平衡浓度的偏离程度作为过程的推动力。如图34-5所示，为用液相浓度表示的吸收推动力；为用气相浓度表示的吸收推动力。当达到相平衡时有：，净传质速度为零。0, 0AA yx AAAyyy AAAxxx 2. 2. 吸收过程的极限吸收过程的极限气、液两相间的平衡关系对吸收过程某些工艺参数的确定具有指导意义。它从理论上限制了离开吸收塔的吸收液的最高浓度与离塔气体混合物的最低浓度。3. 3. 吸收过程的推动力吸收过程的推动力2021-7-21气体吸收概述与气气体吸收概述与气- -液相平衡液相平衡16本讲要点本讲要点1. 吸收过程可看作气、液相间的单向传质；相间的接触方式有梯级式及连续式两种方式；一个完整的工业吸收过程包括溶质的吸收及溶剂的再生，即包括吸收与解吸两部分；2. 相平衡关系对传质过程的分析与描述有重要作用，Henry定律所描述的是稀溶液（不管是理想还是非理想溶液）中溶质的蒸汽压与其浓度成正比，当物系为理想溶液时，Henry定律与Raoult定律一致。3. 依据气、液相平衡原理可判定吸收过程的方向（吸收或解吸），指出吸收过程进行的极限（它限制了吸收设备内气、液出口处的极限浓度）及计算吸收过程的推动力。但是，相平衡关系并未说明吸收过程进行的快慢