化工原理-吸收

吸收是利用气体在溶剂中溶解度的不同，使混合气体组分得以分离的重要单元操作。可分为物理吸收和化学吸收。物理吸收是利用混合气中各组分在溶剂中的溶解度的差异分离气体混合物，如以水吸收NH3、HCl、CO2等，溶质气体溶于液相后，在液相中不发生显著化学反应；化学吸收则是以气体混合物各组分能否在溶剂中发生化学反应来分离混合气体。如用K2CO3水溶液吸收CO2，水中含有的化学组分K2CO3与溶入液体的CO2进行下列反应：K2CO3+CO2=2KHCO3化学反应不断地“移走”溶入液相的溶质组分CO2，促使气相中的CO2更多、更快地转移至液相。化学吸收能明显地增强吸收效果。本章基本内容主要介绍物理吸收过程和解吸过程吸收解吸过程1.解吸过程是吸收过程的逆过程，是从溶液中释放出溶解其中的溶质气体的操作；2.吸收和解吸往往联合操作：液体溶剂对气体溶质的溶解度与温度密切相关，一般温度低时溶解度大，有利于吸收，因此吸收通常在较低温度下进行（温度过低液体粘度增大，对吸收不利，故低温要适度）。吸收溶质气体后的溶液可在提高温度条件下，使已溶入的气体溶质释出。吸收与解吸的联合操作一方面可以从气相中吸收需要的某气体溶质并获得很纯的该溶质产品，另一方面可使吸收剂循环使用。3.实现解吸操作一般有三种方法1）加热；2）减压；3）令惰性气体通过溶液，在吸收操作中往往可用上述三种方法的不同联合方案进行煤气生产中从焦炉煤气中回收苯的生产过程焦炉煤气在吸收塔内与洗油（贫油）逆流接触煤气中粗笨蒸汽被贫油吸收，吸收后的洗油称为富油，从塔底流出；富油经换热器升温后从塔顶进入解吸塔，过热蒸汽（惰性气体）从解吸塔底进塔，经解吸后的洗油称为贫油，贫油经换热器降温后再进入吸收塔循环使用。于解吸塔顶引出的气体为过热水蒸气与粗苯蒸汽的混合物，冷却后，因两凝液不互溶，液相分层，粗苯在上，水在下，从而取得粗苯产品气体吸收和液体精馏的区别：吸收：为对气相混合物中的组分A、B的分离，以溶剂与气相接触，溶质A便从气相转入液相，而B则基本不溶于溶剂。即吸收操作利用的是各气体组分在一定溶剂中溶解度的差异；溶质A在气、液相间的平衡为“气-液”平衡，当A在溶液中浓度低时，平衡关系服从亨利定律；溶质溶于液相，不存在气体液化问题。精馏：为对液相组分A、B的分离，利用液相组分挥发度的差异，加热溶液使之沸腾，从而产生汽、液两相共存的情况易挥发组分较多地进入汽相；汽液平衡时，对于稀溶液其含量高的组分在一定浓度范围内服从拉乌尔定律，若为理想体系，则任何浓度时，A与B均服从拉乌尔定律。一、目的1.制取产品及回收有用物质，如用水吸HCL气体制取盐酸；在生产过程中，有些混合气的副产品必须回收,如煤气中的芳烃,可采用洗油吸收方法回收芳烃获得粗苯.2.净化气体：原料气净化，防止污染。如在合成氨生产过程中，为保证合成氨反应,必须除去变换气中的CO2;通常采用吸收方法,如水洗环丁砜吸收以及Benfial脱碳等,如图7.1.2所示.此外三废处理中,排出废气含有有害杂质,常用吸收方法净化,防止污染大气，保护环境.二、吸收过程的分类分类方法:物理吸收与化学吸收—依有无化学反应。单组份吸收与多组份吸收，依吸收组份数等温吸收与非等温吸收，依温度是否变化。*在气体吸收操作中，由气相较易转移至液相的组分为溶质气体，不易由气相转移至液相的组分为惰性气体；吸收了溶质气体的吸收剂称为溶液。当溶质气体为多种组分时，吸收为多组分吸收*按混合溶质浓度高低，低浓度吸收为（y110%）的吸收，高浓度吸收为(y110%)的吸收汽液相平衡1）.气液相平衡吸收传质过程进行时，必定存在一定的推动力，这一推动力于体系的平衡关系有关。气-液相长时间充分接触，达动平衡时，即两相达到相平衡，其气相浓度与液相浓度之间的关系为相平衡关系。对于单组分物理吸收其组分数为3，根据相律其自由度为：溶质在液相中的浓度受T、P以及Pe的影响：当T、P确定后则：式中Pe为溶质组分的分压，Pa。相平衡关系与体系的温度、压力以及本身物性相关，对吸收混合气中低浓度溶质组分形成稀溶液时，其溶解度曲线用亨利定律描述，为通过原点的一直线：（Pe=Ex）式中Pe-溶质组分在气相的平衡分压，Pa;x-溶质组分在液相的组成，摩尔分数；E-亨利系数，kPa/(kmol·)。亨利定律的其他表现形式：Pe=C/HC-溶质组分在液相中的摩尔浓度（Koml/m3）ye=mxye-A在液相中的mol分数（Koml/Koml）（2）.相平衡关系的表示法各亨利系数之间的关系：Pe=YeP=Exm=E/PC=CMxCM-1m3溶液中（包括溶剂溶质）总的摩尔数Pe=yP=C/H=CMx/H=ExE=CM/H对于稀溶液CM≈ρS/MSS表示除溶质外液相的总物质量。*总压改变对亨利系数值影响不大，一般在5大气压下认为亨利系数与总压无关。相平衡在吸收过程中的应用过程方向判断与过程推动力设A、B点对应的状态点分别为A（x，y），B（x’，y’）所示，过程平衡关系为y=mx令：与x，x’相平衡的气相浓度分别为ye1，ye1’与y，y’相平衡的气相浓度分别为xe1，xe1’过程进行的方向与推动力可能出现三种情况：y=mx过程推动力y-ye1=0，气液相浓度达到平衡；ymx即过程推动力y-ye10，气液相浓度未达到平衡，溶质向液体转移；ymx即过程推动力y-ye10，气液相浓度未达到平衡，溶质向气相转移。A点,用y表示吸收推动力：用x表示吸收推动力：B点，用y表示吸收推动力：用x表示吸收推动力：以气相分压差表示的推动力为：以液相浓度差表示的推动力为传质过程的推动力判断过程进行的极限过程进行的极限：最终达平衡，平衡浓度为极限状态吸收过程极限y降至最小为ye,或x降至最小为xe，解吸过程：y′降至最小为ye′，或x′降至最小为xe′某气液体系，气相为空气与二氧化硫的混合物，二氧化硫的浓度y1=0.03，液相中二氧化硫的浓度为x1=4.13*10-4，P=1.2atm，t=100˚C，问：过程是吸收还是解吸？过程推动力是多少？以△y，△x表示。已知E=24.2atm.[解]m=E/P=24.3/1.2=20.17ye1=mx1=20.17×4.13×10-4=8.33×10-3由于yye1故过程为吸收吸收推动力：△y=y1-ye1=0.03–8.33×10-3=2.17×10-2或吸收推动力：△x=xe1–x1=y/m–x1=0.03/20.17–4.13×10-4=1.07*10-3物质在一相内部和两相之间发生质量转移的现象称之为质量的传递，即传质现象。这种传递现象的关键在于传递速率及其影响因素。吸收过程涉及两相间的物质传递，可分解为三个基本步骤：①可溶组分（溶质）组分由气相主体传递至两相界面，即气相内的传质。②溶质组分在相界面上发生溶解，由气相转入液相，即界面发生溶解过程。③溶质由界面向液体主体传递，既液相内的物质传递。一般说来，步骤②即界面上发生的溶解过程很容易进行，阻力极小因而通常都认为界面上气液两相的溶质浓度满足相平衡关系，即认为界面上总是保持着两相的平衡。这样总过程的速率取决于气相内的传质速率或液相内的传质速率。溶质气体组分无论在气相还是液相的传递均是凭借扩散完成的。不论气相还是液相，物质传递的机理不外两种：分子扩散和对流扩散传质与吸收过程分子扩散：由分子无规则随机的热运动引起的沿浓度梯度降低方向上的物质传递。是靠分子热运动引起的组分迁移，其效果是物质从高浓度处自发扩散至低浓度处。分子扩散发生在静止的流体中，或发生于流体作层流运动时（在垂直于流向的方向上）。对流扩散：由流体宏观湍动和旋涡流引起的物质传递。当流体作湍流流动时，流体中不仅有分子扩散，而且在传质方向上有分子的宏观运动，有质点的交换。物质的扩散由于有这种质点交换而显著加速，称为涡流扩散。流体主体的涡流扩散与层流内层的分子扩散的总称，为对流扩散。a.分子扩散是在一相内部因浓度梯度的存在，由于分子的无规则的随机热运动而产生的物质传质现象。尽管分子运动向各方向是无规则的，但是在浓度高处的分子向浓度低方向扩散表现为数量大，频率高，反之，浓度低处的分子向浓度高方向扩散的数量少，频率低，即浓度高处向浓度低处扩散的量大，从而表现出沿浓度降低方向上质量的传递。b.费克定律当恒定温度，压力，总浓度一定均相混合物内部，分子扩散的通量可由Fick定律描述。对于A、B混合物中两组分的稳态扩散通量可以表示为：分子扩散与费克（Fick）定律等分子反向扩散1）体系为定态；2）气相或液相中处处总浓度恒定的条件下，即：CA=CB=CM=常数。体系内部将发生等分子方向扩散扩散通量则有以下关系：JA=-JB由费克定律：CM=CA+CBDAB=-DBA=D对于稳态扩散则有：对于气相伴随气相总体运动扩散设：1）过程定态；2）总浓度恒定，即单相中处处CA+CB=CM=常数，3）DAB=DBA=D，4）A、B组分的气体混合物与液体接触时，在相界面处，只有组分A可溶于液相，而组分B不溶于液相(惰性组分)总体运动导致了惰性组分B浓度在界面处的升高，使界面处惰性组分B的浓度高于气相主体中B的浓度，形成逆向浓度差组分B在逆向浓度差下产生反向扩散，其通量JA=-JB。总体流动使A、B组分向截面扩散通量同时提高Nm为总体流对传质速率总的贡献Nm=NmA+NmB当有流体总体运动存在时传质速率由两部分组成，一部分为分子扩散的量，另一部分为总体流动的量：0mBBBNJNJA=-JBMBMAmBBBCCNJNJN)/(BMAMCCJNdZdCCCDCCJCCJCCJJCCCCJJCCNJNJNABMABBMABAABAAAMABMAAMAmAMAAA)1()())(()(ln/)(ln/)(ln2112212112212112AABMMBBBBAAMBBAAAAMMBBMACCCCDCCCCCCCDCCCCCCCDCDCCCDN漂流因子气相可视为理想气体，则：分子扩散系数依据分子运动理论导出，（假定分子为刚性）修正后得：气体分子扩散系数液体中的分子扩散系数*α—溶剂缔合因子,对于水,甲醇,乙醇分别为2.6,1.9和1.5,苯,乙醚等非缔合溶剂取为1*平均误差对水溶液约为10-15%,对非水溶液约为25%,建议使用范围为278-313K,VA50cm3/mol欲测苯蒸汽在空气中的分子扩散系数，将液态苯装入一垂直管中，操作温度为250˚C，该温度下苯的蒸汽压为95.33mmHg，操作压强为1atm，苯蒸汽通过垂直管段扩散至水平管，即被惰性气流带走，若测得液位由Za=20mm下降至Zb=22mm，需要147.53min，试计算苯蒸汽在空气中的扩散系数。[解]：此过程为非定态过程，但任一时刻，扩散通量NA=(D/ZRT)(P/PBM)(pA1-pA2)（a）由物料衡算：（ANA）dt=（ρA/MA）dV=（ρA/MA）AdZ（b）将（a）代入（b）得：(D/ZRT)(P/PBM)(pA1-pA2)dt=（ρA/MA）dZ积分得：(D/ZRT)(P/PBM)(pA1-pA2)t=（1/2）（ρA/MA）（Zb2-Za2）由PA1=95.33mmHg，PA2=0,PB1=（760-95.33）,PB2=760mmHg,P=760mmHgPBm=（760-(760-95.33)/(ln760/(760-95.33))=711.3查得：ρL=872Kg/m3将已知数代入并注意单位一致性得D=9.68×10-6m2/s涡流扩散与对流传质湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡，造成组分扩散，称为涡流扩散借助于费克定律形式:为涡流扩散系数，不仅和物性有关，而且与流动状况相关对流扩散速率—有分子扩散又有涡流扩散层流区De=0湍流区分子扩散可忽略过渡区两者均不可忽略对流传质理论吸收速率取决于两个单相传质，因为两个单相传质是串联机制，因此吸收必由单相传质慢的一方控制，如若气相传质困难，过程便为气相传质控制体系，反之，则为液相传质控制体系。亦有气液相共同控制的体系对于单相传质，要解