x2气体吸收

2020年8月31日第二章气体吸收1/139第二章气体吸收2.1概述2.2气体吸收的平衡关系2.3气体吸收速率方程式2.4低组成气体吸收的计算2.5吸收系数2.6其它吸收与解吸本章总结－联系图工程案例2020年8月31日第二章气体吸收2/1392.1概述2.1.1气体吸收过程吸收：根据混和气体中各组分在某溶液中的溶解度（或化学反应活性）不同而将气体混合物分离的单元操作。分离的依据：各组分溶解度的差异。吸收塔吸收液大量A+S混和气体A+B吸收剂S吸收尾气B+少量A2020年8月31日第二章气体吸收3/1392.1概述名称：溶质：混合气体中能够溶解于溶剂中的组分，以A表示；惰性组分(载体)：不溶或微溶的组分，以B表示；吸收剂：吸收所用的溶剂，以S表示；吸收液：吸收后得到的溶液；吸收尾气：被吸收后排出吸收塔的气体。吸收塔吸收液大量A+S混和气体A+B吸收剂S吸收尾气B+少量A2020年8月31日第二章气体吸收4/1392.1.2气体吸收的分类按溶质与溶剂间是否发生显著化学反应分：物理吸收：如水吸收二氧化碳化学吸收：如硫酸吸收氨按被吸收组分数目分：单组分吸收：如水吸收氯化氢气体多组分吸收：如洗油处理焦炉气，苯、甲苯、二甲苯等组分均溶解2020年8月31日第二章气体吸收5/139按吸收前后温度是否发生变化分：等温吸收：非等温吸收按溶质在气液两相中组成大小分：低组成吸收：摩尔分数≤0.1高组成吸收：摩尔分数0.1本章重点讨论单组分低组成的等温物理吸收2020年8月31日第二章气体吸收6/1392.1.3气体吸收的工业应用净化气体或精制气体。如用水脱除合成氨原料气中的CO2，用丙酮脱除石油裂解气中的乙炔等以除去气体中的有害成分，便于下一步的反应顺利进行。制备液体产品。如用水吸收HCl气体制备盐酸，用水吸收NO2气体制硝酸，用水吸收NH3气制氨水，用稀硫酸吸收SO32020年8月31日第二章气体吸收7/139回收有用物质。如用洗油从焦炉气中回收粗苯(苯、甲苯、二甲苯)等。环境保护的需要。如用碱液吸收工业过程排放的废气中含有的一些有害物质如SO2、H2S、NO、HF等。2020年8月31日第二章气体吸收8/1392.1.4吸收剂的选择完成一个吸收过程需选择合适的溶剂，对吸收剂溶解度大。可提高吸收速率并减少吸收剂的耗用量。选择性好。对溶质有良好的溶解能力，而对其它组分不溶或微溶，且便于再生，否则不能实现分离2020年8月31日第二章气体吸收9/139挥发度小，即在操作温度下蒸汽压小，基本不汽化。离开吸收设备的气体被吸收剂所饱和，吸收剂粘度低。可改善吸收设备内的流动状况，从而提高传质速率和传热速率，有助于降低泵的效率，减小传质、传热阻力。其它。来源充分，价格低廉，无毒，无腐蚀性不易燃，不发泡，化学性质稳定等。2020年8月31日第二章气体吸收10/1392.2气体吸收的平衡关系phaseequilibriumrelationships2.2.1气体在液体中的溶解度在一定温度和压强下，当气体混合物与一定量的液体吸收剂接触时，溶质组分便不断进入液相中，这一过程称为溶解即吸收。而同时已被溶解的溶质也将不断摆脱液相的束缚重新回到气相，该过程称为解吸。这两个过程互为逆过程并具有各自的速率，当气液两相经过长时间的接触后，溶质的溶解速率与解吸速率达到相等时，气液两相中溶质的浓度就不再因两相间的接触而变化，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。2020年8月31日第二章气体吸收11/139平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压或饱和分压，液相中的溶质组成称为平衡组成或饱和组成。气体在液体中的溶解度，是指气体在液体中的饱和组成，常以单位质量或体积的液体所含溶质的质量来表示。气体的溶解度表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。2020年8月31日第二章气体吸收12/1391.相律F=C-P+n独立组分数：C=3(A、B、S)相数：P=2（气、液相）影响因素：n=2（温度、压强）故：自由度F=3-2+2=3，即气相组成、液相组成、温度、压力4个变量中，已知3个量，便可确定余下的1个量。温度、压力一定：溶解度（液相组成）=f(气相组成)总压5×105Pa时：溶解度=f(气相组成，温度）2020年8月31日第二章气体吸收13/1392.溶解度曲线横标：气相分压；纵标：溶解度；参数：温度（总压不太高时）。同种溶质：温度一定：气相分压愈大，溶解度愈大气相分压一定：温度愈低，溶解度愈大2020年8月31日第二章气体吸收14/1392.溶解度曲线不同溶质：溶解度一定时，易溶气体溶液上方分压小，难溶气体上方分压大〖说明〗加压Increasethetotalpressure、降温Reducethetemperature有利于吸收操作的进行易溶气体仅需较小的分压就能达到一定溶解度2020年8月31日第二章气体吸收15/1392.2.2亨利定律随着对相平衡关系的研究，发现很多气体在浓度较小时其溶解度曲线为通过坐标原点的直线，这一规律用亨利(Henry)定律进行描述。1.pe=Ex式中：E——亨利系数Henryconstant，kPa。表明：当总压不高(0.5MPa)时，在一定温度下气液两相达到平衡时，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的摩尔分率成正比。2020年8月31日第二章气体吸收16/139〖说明〗理想溶液：拉乌尔定律：非理想溶液：低浓度气体吸收：E=常量难溶物系：E≠常量，但当P0.1MPa时，E可视为常量P0.1MPa时，E=f(t)；P0.1MPa时，E=f(P,t)AAepExppApEpe=Ex2020年8月31日第二章气体吸收17/139E由实验测定确定：以pe/x对x作图，当x→0，pe/x的值即为E。常见物系的E可查有关手册。对于一定的气体和一定的溶剂，E值随温度变化：t↑，E↑，x↓，体现气体溶解度随温度升高而减小的变化趋势。同一溶剂中：易溶气体的E值很小难溶气体的E值相对较大。AAepExppApE2020年8月31日第二章气体吸收18/1392.pe=c/H式中：c－溶液中溶质的物质的量浓度(体积摩尔浓度)，kmol(A)/m3；H－称为溶解度系数，kmol/(m3·kPa)pe—溶质A在气相中的平衡分压，kPa；表明：当气液两相达到平衡时，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的体积摩尔浓度成正比。2020年8月31日第二章气体吸收19/139设溶液组成为ckmol(A)/m3，密度为ρkg/m3；溶质和溶剂的分子量分别为MAkg/kmol、MSkg/kmol，)(1)()(cMxA.cMSkmolcA1AA3ASSeASSeASSSSMMcEMHHcpcMMcEMExpMMccMMcckmolMm－的摩尔分率为：液相中溶质－为，溶剂为溶液中所含溶质2020年8月31日第二章气体吸收20/139SEMHEffectoftemperature：Effectofpressure：P对H影响小，H大，溶解度大，易溶气体对于稀溶液，c值很小，ρ＋c(MS-MA)≈ρcHET〖说明〗)(1ASSMMcEMH2020年8月31日第二章气体吸收21/139PEmmxyExPypeee〖说明〗温度、总压的影响：m大，溶解度小，难溶气体xmPxmET3.ye=mxm与E的关系：m——相平衡常数constantofphaseequilibrium，无因次。2020年8月31日第二章气体吸收22/1394.Ye=mX表明：液相中溶质组成很低时，平衡关系在Y-X图中可近似地表示成一条过原点的直线，其斜率为m。X1)1(1)1(111mYXmXmmXYXXmYYmxyeeeee，当溶液组成很低时，2020年8月31日第二章气体吸收23/139以上亨利定律的各种表达式描述的都是互成平衡的气液两相组成间的关系，它们都是根据液相组成来计算与之平衡的气相组成。同样，也可根据气相组成计算平衡的液相组成，此时，亨利定律可写成：mYXHpcmyxEpxeeee2020年8月31日第二章气体吸收24/139亨利定律总结用于低组成气体吸收，形成稀溶液场合。液相组成和平衡气相组成气相组成和平衡液相组成低组成A组成很低mYXHpcmyxEpxeeeeHcpmxyExpeeemXYe2020年8月31日第二章气体吸收25/139【例】某系统温度为10℃，总压101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？Pyp=101.3×0.21=21.27kPa【解】查得10℃时，氧气在水中的亨利系数E为3.31×106kPa。34-6Sekmol/m103.57181031.327.211000EMpHpcW=3.57×10-4×32×1000=11.42g/m32020年8月31日第二章气体吸收26/1392.2.3.相平衡关系在吸收过程中的应用1．判断过程进行的方向吸收平衡解吸气相ppep=peppeyyey=yeyyeYYeY=YeYYe液相ccec=ceccexxex=xexxeXXeX=XeXXemyxABCyxyexey/yexe/xyxxeye〖结论〗组成点在平衡线上方，为吸收过程组成点在平衡线上，为平衡过程组成点在平衡线下方，为解吸过程2020年8月31日第二章气体吸收27/1392.确定传质的推动力当传质进行时，其速率与传质的推动力大小有关，传质过程是否容易进行取决于实际组成偏离平衡组成的程度，因而推动力可用一相的实际组成与其对应的平衡组成之差来表示。myxACyxyexeyxxeye吸收平衡解吸气相p-pe0pe-py-ye0ye-yY-Ye0Ye-Y液相ce-c0c-cexe-x0x-xeXe-X0X-Xe〖说明〗实际组成偏离平衡组成的程度愈大，过程的推动力愈大，其传质速率愈大，吸收/解吸过程愈容易进行。2020年8月31日第二章气体吸收28/139y2y1x2x13.指明传质过程进行的极限因为平衡是过程进行的极限，所以当两相进行接触，达到平衡时过程也就终止，即：y=ye或者x=xe时，吸收或者解吸过程将停止，不会无限进行下去。若要使过程进行，必须改变条件，使原来的平衡打破，在新的条件下重新建立平衡。y2y1x2x1逆流并流2020年8月31日第二章气体吸收29/139y2y1x2x1对吸收而言，无论气液相流量、塔高、塔径如何，出塔尾气的组成不会低于与该位置液相组成相平衡的气相组成。如逆流：y2≥ye2=mx2；并流：y1≥ye1=mx1；对吸收而言，无论气液相流量、塔高、塔径如何，吸收液的组成不会高于与该位置气相组成相平衡的液相组成。如逆流&并流：x1≤xe1=y1/m。y2y1x2x1逆流并流2020年8月31日第二章气体吸收30/139【例】在总压101.3kPa，温度30℃的条件下,SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问：1.SO2的传质方向；2.其它条件不变，温度降到0℃时SO2的传质方向；3.其它条件不变，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔分率差表示的传质推动力。【解】1.查P18表2-1，得SO2在101.33kPa、30℃时亨利系数E=0.485×104kPa，则：由液相向气相转移传质过程为解吸，24SO48.001.033.10110485.0eeyyxPEmxy例题2020年8月31日第二章气体吸收31/139例题2.查P18表2-1，得SO2在101.33kPa、0℃时亨利系数E=0.167×104kPa，则：3.查P18表2-1，得SO2在101.33