第八章 吸收1.ppt

1、第八章 气体吸收,第一节 概述,一、传质过程,传质过程是指物质通过相界面从一相迁移至另一相的过程，以下图示意：,研究传质过程就是研究物质通过相界面的迁移过程的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作。,混合物系的分离对我们来说并不陌生，在上册中我们已经学习掌握了非均相物系的分离方法，相应单元操作如沉降、过滤等。,从这一章起讨论均相物系的分离。用下表来比较说明非均相、均相物系的分离情况：,气体吸收； 液体蒸馏； 液液萃取； 固体干燥； 新的分离方法吸附和膜分离。,本学期的任务,二、气体吸收,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，从而达到分离的目的。,例如：将

2、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、空气得以分离，并回收NH3。,吸收：使气体混合物与适当液体接触，气体中的一个或几个组分溶解于液体中，不能溶解的组分则保留在气相中，于是混合气体得到了分离。这种利用组分在液体中溶解度的差异使气体中不同组分得以分离的操作称为吸收。,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

3、溶液称为吸收液，用S+A表示; 吸收操作中排出的气体称为吸收尾气，用（A）+B表示;,吸收的目的有三个,1 分离混合气体以获得一定的组分。（例子：硫酸吸收焦炉气中的 NH3，洗油吸收焦炉气中的苯、甲苯蒸汽。） 2 除去有害组分以净化气体。（例子：用水或钾碱液吸收合成氨原料气中的二氧化碳。） 3 制备某种气体的溶液。（例子：用水吸收氯化氢、三氧化硫、二氧化氮制得酸。） 实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。,三、工业吸收过程,现以煤气脱苯为例，介绍吸收操作流程。,在炼焦及制取城市煤气的生产过程中，煤气含有少量的苯、甲苯类低碳氢化合物的蒸汽，含量约为35g/m3(苯甲苯)，现采用上述流程即用该工

4、艺流程的副产物，既煤焦油的精制品称为洗油，作为吸收溶剂来吸收苯系物质。,为使洗油能够再次使用并取出富油中的苯，故需将富油引入解吸塔中进行与吸收相反的操作解吸，如图。,这个例子告诉我们采用吸收操作必须解决三个问题：,1 选择合适的溶剂使其能选择性的溶解某个（或某些）被分离组分；,2 提供适当的传质设备（吸收塔），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，既脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。,总之，一个完整的吸收分离过程包括吸收和解吸两个组成部分。,四、溶剂的选择,吸收操作效果是否良好的关键往往由溶剂的性能来决定。,选择溶剂应注意以下七点：,1 溶解度（大），

5、或在一定的温度和浓度下，溶质的平衡分压要低，这样可提高吸收速率并减小吸收剂的耗用量，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低；,2 选择性（高）；,3 溶解度与温度的关系（敏感），温度低，溶解度要大，反之，要小；,4 挥发度（小），操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，因为离开吸收设备的气体往往为吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失愈大。,5 粘性（小），粘度要低且在吸收过程中不易产生泡沫，塔内气液接触良好和塔顶气液分离易于实现，且输液功耗小；,6 化学稳定性（良好），以免发生变质；,7 其它，价廉、易得、无毒、无害、不易燃烧等。,五、物理吸收和化学吸收,溶质与溶剂不发生化学反

6、应的吸收操作，物理吸收是依据溶解度差异。例如用水吸收CO2，洗油吸收煤气中的苯等，物理吸收中溶质与溶剂的结合力较弱，解吸比较方便。,溶质与溶剂发生化学反应的吸收操作。化学吸收可大幅度地提高溶剂对溶质组分的吸收能力。,物理吸收,化学吸收,例如 CO2在水中的溶解度很低，但若以 K2CO3水溶液吸收CO2，则在液相中发生下列反应:,从而使K2CO3水溶剂具有较高的吸收 CO2能力，同时化学反应本身的高度选择性必赋予吸收操作具有高度选择性。,作为化学吸收可被利用的化学反应一般满足二个条件：,1 可逆性，如不可逆，不能再生和循环使用溶剂。,2 较高的反应速率，若反应速率很慢，整个吸收过程的速率将决定于

7、反应速率。,六、吸收过程中气液两相的接触方式,吸收设备有多种形式，但以塔式最为常用。,按气液两相接触方式的不同可将吸收设备分为级式接触和微分式接触两大类。,(a) 图所示的级式吸收塔中，气体与液体为逐级逆流接触。气体自下而上通过板上小孔逐板上升，在每一个板上与溶剂接触，其中可溶组分被部分地溶解。在此设备中，气体每上升一块塔板，其中可溶组分的浓度阶跃式的降低，溶剂逐板下降，其中可溶组分的浓度则阶跃式升高。,(b) 图所示设备中，一种叫湿壁塔，塔内液体呈膜状沿塔壁流下，另一种叫填料塔，塔内装有某种填料，液体自塔顶均匀淋下并沿填料表面下流，气体通过填料间的空隙上升与液体作连续的逆流接触。,在这种设备

8、中，气体中的可溶组分不断地被吸收，其浓度自下而上连续的降低，液体则相反，其中可溶组分的浓度则由上而下连续的增高，这种设备叫微分接触式的吸收设备。,级式与微分式接触两类设备可采用完全不同的两种计算方法，本章将讨论微分式吸收过程的数学描述和计算方法，并且限于限定条件。,(1) 气体混合物中只有一个组分溶于溶剂，其余组分在溶剂中的溶解度极低而可忽略不计，因而可视为一个惰性组分。,(2) 溶剂的蒸汽压很低，其挥发损失可以忽略，即气体中不含溶剂蒸气。,这样，气相中仅包括一个惰性组分和一个可溶组分，液相中则包含溶质和溶剂。,七、吸收操作的经济性,吸收操作的费用主要包括： (1) 气液两相流经吸收设备的能量

9、消耗，指泵送液体、风机送气的能耗。 (2) 溶剂的挥发损失和变质损失。 (3) 溶剂的再生费用，即解吸操作费，此项所占的比例最大。 常用的解吸方法有升温、减压、吹气，其中升温与吸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，其间的加热和冷却、泄压与加压必消耗较多的能量。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，若溶剂的溶解力对温度变化不敏感，所需的解吸温度较高，溶剂再生的能耗也将增大。 吸收的设备费用指吸收塔及辅助设备（泵、风机、加热器、冷却器等）的费用。 吸收操作的经济性是由总费用（即操作费用加设备费用）来衡

10、量的。最经济的吸收操作应是操作费用与设备费用之和即总费用为最小。,第二节 气液相平衡GLE(Gas Liquid Equilibrium),根据以上介绍的传质过程的概念，我们不难理解气体吸收过程实质上是溶质组分自气相通过相界面转移（迁移）到液相的过程。 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，就必须介绍气液相平衡。,一、 溶解度,P、T一定，使一定量的吸收剂与混合气体接触，溶质便向液相转移，

11、这个传质过程直至液相中溶质达到饱和，浓度不再增加为止，此时气液两相达到平衡，这个饱和浓度就叫做气体溶质在液体中的溶解度。,通常以 kg(g)溶质/ kg(g)溶剂或 kmol溶质/ kmol溶剂或用摩尔分率xe表示。,下面讨论影响平衡溶解度的因素。,气相：双组分混合气（A+B），以y表示A摩尔分率或 表示A的平衡分压；,讨论的气液两相体系为：,液相：亦为双组分S+A，以x表示A在溶液中的平衡溶解度；,体系温度T； 体系压强P； 该体系涉及的参数有： P、T、Pe(平衡分压)、x 、y,二、 溶解度曲线,T一定，平衡时 Pe（y）x 的关系曲线，叫做溶解度曲线。如图：,三、亨利定律,1. 亨利定

12、律,总压不高（譬如不超过5105Pa）时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。,说明： E表示气体溶解能力的常数，E越大，E= p*A/xA，表示达平衡时，xA越小，也即是越难溶解。 E= f(T)，T增大时，E亦增大，同样低温对吸收有利。 E值由实验测定，由手册可查得。,实际应用时，亨利定律有多种形式 ：,说明： E表示气体溶解能力的常数，E越大，E=p*A/xA，表示达平衡时，xA越小，也即是越难溶解。 E= f(T，p)，T增大或p减小时，E亦增大。 E值由实验测定，由手册可查得。 cAxA关系：cA=xA.c c总摩尔浓度,

13、（1）液相浓度用摩尔分率x表示：,式中： cA溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3； H溶解度系数，kmol/（m3kPa）； E=c/H亨利系数，kPa或atm 。,（2）两相组成均用摩尔分率表示：,说明： m值的大小，同样可以判断溶解度大小，m增大，xA减小，溶解度小。 m=f(T，p)，T增大，p减小，则m增大，不利于吸收。 m值可由实验测定，也可由E计算得到。,式中： xA液相中溶质的摩尔分率； y*与液相组成xA相平衡的气相中溶质的摩尔分率； m相平衡常数，无因次。,（3）两相组成均用摩尔比表示：,稀溶液：x很小，分母趋于1，故可简化为： Y*=mX,吸收过程中，溶质从气相到液相，故溶液及气体总量都在不断变化，选不变组分为基准： Xkmol吸收质/kmol吸收剂，kmolA/kmolS Ykmol吸收质/kmol惰性气体，kmolA/kmolB,2. 亨利定律各系数间的关系,例81：含有30%（体积）CO2的某种混合气体与水接触，系统温度为30，总压为101.3 kPa。试求液相中CO2的平衡浓度c*为若干kmol/m