化工原理-5章气体吸收

化工原理principlesofchemicalengineering第五章气体吸收（Absorption）延安大学化学与化工学院第五章气体吸收第一节概述第二节气液相平衡第三节传质机理与吸收过程的速率第四节填料吸收塔的计算第五节填料塔的结构及特性第六节解吸操作吸收分离操作：利用混合气体中各组分在液体中溶解度差异，使某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。吸收剂气体yx界面气相主体液相主体相界面气相扩散液相扩散yixi气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。第一节概述吸收实质：吸收操作是分离气体混合物的一种重要方法，是传质过程中的一种形式，在化工生产中有广泛的应用。吸收的应用包括：1.原料气净化;2.回收混合气体中的有用组分。3.制备气体的溶液作为产品;4.环境保护，综合利用;5.1.1吸收操作在化工生产中的应用氨合成原料气中的CO2用乙醇胺水溶液吸收，以防止氨合成催化剂中毒.1.原料气净化H2(CO2)低温甲醇洗工艺是德国Linde公司和Lurgi公司共同开发的一种酸性气体净化工艺。该工艺采用物理吸收法，以甲醇作为酸性气体吸收液，利用其在-60℃左右的低温下对酸性气体溶解度极大的物理特性，选择性地吸收原料气中的H2S,CO2及各种有机硫等杂质。低温甲醇洗装置煤制甲醇的生产工艺空分水煤浆气化低温甲醇洗甲醇醋酸醋酐CO分离硫回收来自煤项目的甲醇洗装置情况：基本情况工艺流程图原料气/合成气体热交换器I新鲜甲醇储槽锅炉给水冷却器原料气冷却器补充泵洗氨器原料气/合成气体热交换器II原料气/废气热交换器地下废液罐地下废液泵吸收器C02甲醇级间冷却器H2S-吸收器进料冷却器图例气体水/蒸汽液体热功率流号备注合成气原料气原料气冷凝物补充甲醇废甲醇2.回收混合气体中的有用组分洗油处理焦炉气以回收煤气中的苯。吸收与解吸流程含苯煤气脱苯煤气洗油苯水过热蒸汽加热器冷却器3.制备气体的溶液作为产品将气体中需要的成份以指定的溶剂吸收出来，成为液态的产品或半成品，如：从含HCl气体中盐酸，硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液。4.环境保护，综合利用如含SO2，NO，NO2等废气中，要除去这些有害成份。吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体(inertgas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液(strongliquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。吸收尾气(dilutegas)：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。解吸或脱吸(desorption)：与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离而转移到气相的过程。目的：循环使用吸收剂或回收溶质。物理吸收(physicalabsorption)：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。5.1.2吸收操作必须解决的问题化学吸收(chemicalabsorption)：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。溶解热：气体溶解于液体时所释放的热量。化学吸收时，还会有反应热。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。气液两相的接触方式连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。溶剂b级式接触a微分接触图9-2填料塔和板式塔气体溶剂气体级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变化。如板式塔。散装填料塑料鲍尔环填料规整填料塑料丝网波纹填料物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用NaOH或Na2CO3溶液吸收CO2、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。本章主要讨论单组分、等温的物理吸收过程。5.1.3吸收操作的分类第二节气液相平衡在吸收操作中气体的总量和液体的总量都随操作的进行而改变，但惰性气体和吸收剂的量始终保持不变。因此，在吸收计算中，相组成以比质量分数或比摩尔分数表示较为方便。1．比质量分数与比摩尔分数AABABAA1AABABAAxxxxnnX1KgBKgA/KmolBKmolA/如果混合物是双组分气体混合物时AABAAyyyyY1KmolBKmolA/比质量分数与比摩尔分数的换算关系BAABBAABAAMMXMnMnmmW在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时，通常以在操作中不转移到另一相的组分作为B组分。在吸收中，B组分是指吸收剂或惰性气，A组分是指吸收质.M组分的千摩尔质量，kg/kmolAAAXXx1AAAYY1y2．质量浓度与物质的量浓度VmAA对于气体混合物，在压强不太高、温度不太低的情况下，可视为理想气体，则A组分，有RTPVncAAA3/mkg质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对于A组分,有课本例题例题在一常压、298K的吸收塔内，用水吸收混合气中的SO2，已知混合气体中含SO2的体积分数为20%，其余组成可看作惰性气体，出塔气体中含SO2体积分数为2%，试分别用摩尔分数、摩尔比和摩尔浓度表示出塔气体中SO2的组成。解：y2=0.02-yyY1RTpVncAAAAApyp吸收的相平衡关系，是指气液两相达到平衡时，被吸收的组分（吸收质）在两相中的浓度关系，即吸收质在吸收剂中的平衡溶解度。5.2.1气体在液体中的溶解度气体溶解度曲线平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡。饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。平衡分压：平衡时气相中溶质的分压，用表示吸收速率=解吸速率Ap讨论：（2）温度一定，分压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。（1）分压一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。（3）相同的总压及摩尔分率，cO2cCO2cSO2cNH3氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体加压和降温对吸收操作有利；升温和减压则有利于解吸。工业操作：工业吸收过程吸收塔含苯煤气(~35g/m3)脱苯煤气(2g/m3)富油贮液槽解吸塔过热蒸汽贮液槽洗油（常温）（170℃）水苯加热器冷却器冷凝器吸收塔含苯煤气(~35g/m3)脱苯煤气(2g/m3)富油贮液槽解吸塔过热蒸汽贮液槽洗油（常温）（170℃）水苯加热器冷却器冷凝器吸收和解吸一、亨利定律在一定温度下，对于稀溶液，在气体总压不高（小于500kpa）的情况下，吸收质在液相中的浓度与其在气相中的平衡分压成正比：式中：pA*——溶质在气相中的平衡分压，kPa；xA——溶质在液相中的摩尔分数；E——亨利系数，kPa。AAExp*——亨利定律亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，E值一般随温度的上升而增大；E值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小；E的单位与气相分压的压强单位一致。5.2.2亨利定律讨论：1）E的影响因素：溶质、溶剂、T。物系一定，ET2）E大，溶解度小，难溶气体E小，溶解度大，易溶气体3）对于理想溶液，E即为该温度下的饱和蒸汽压4）E的来源：实验测得；查手册某些气体水溶液的亨利系数值（E×10-6/kPa）二、亨利定律的其他表达形式由于互成平衡的气、液两相组成各可采用不同的表示法，因而亨利定律有不同的表达形式。①用量浓度表示HCpAA*H——溶解度系数，kmol/(m3·Pa)。由实验测定，其值随温度的升高而减小。H值的大小反映气体溶解的难易程度,对于易溶气体,H值很大；对于难溶气体，H值很小。溶解度系数与亨利系数的关系如下：剂剂EMH——溶剂的密度，kg/m3；——溶剂的千摩尔质量，kg/kmol。剂剂M②用摩尔分数表示AAAmxxpEym-相平衡常数pEmm值越大，表明该气体的溶解度越小。③用比摩尔分数表示AAAAXXmYY11AAAXmmXY)1(1当溶液很稀时，XA很小，则AAmXY工业操作原则：AABABAA1AABABAAxxxxnnX1AABAAyyyyY1BAABBAABAAMMXMnMnmmWAAAXXx1AAAYY1y比质量分数与比摩尔分数质量浓度与物质的量浓度VmAARTPVncAAA平衡状态饱和浓度平衡分压气液相平衡关系加压和降温对吸收操作有利；升温和减压则有利于解吸。AAExp*——亨利定律亨利定律的其他表达形式①用量浓度表示HCpAA*剂剂EMH②用摩尔分数表示AAAmxxpEy③用比摩尔分数表示AAAAXXmYY11AAAXmmXY)1(1当溶液很稀时，XA很小，则AAmXY例：1atm下，浓度为0.02（摩尔分数）的稀氨水在20℃时氨的平衡分压为1.666kPa，其相平衡关系服从亨利定律，氨水密度可近似取1000kg/m3。求：E、m、H。解：3Se1000kg/m1.666kPa,p0.02x101.3kPa,1atmPρ已知：83.3kPa0.021.666xpExEpE(1)ee得：由:0.819101.383.3PEm0.8190.0231.666/101.x/Ppxymxmym(2)eee或得：由:kPa)kmol/(m1883.31000H(3)36670.ssEM第八章吸收三、吸收平衡线表明吸收过程中气、液相平衡关系的图线称吸收平衡线。在吸收操作中，通常用图来表示。吸收平衡线AAAXmmXY)1(1AAmXY①判断吸收能否进行。由于溶解平衡是吸收进行的极限，所以，在一定温度下，吸收若能进行，则气相中溶质的实际组成YA必须大于与液相中溶质含量成平衡时的组成YA*，即YAYA*，。若出现YAYA*时，则过程反向进行，为解吸操作。图中的A点，为操作（实际状态）点，若A点位于平衡线的上方，YAYA*，为吸收过程；A点在平衡线上，YA=YA*，体系达平衡，吸收过程停止；当A点位于平衡线的下方时，则YAYA*，为解吸过程。5.2.3相平衡关系在吸收过程中的应用②确定吸收推动力。显然，YAYA*，是吸收进行的必要条件，而差值△YA=YA-YA*，则是吸收过程的推动力，差值越大，吸收速率越大。例：在常压及20℃下，测得氨在水中的平衡数据为：0.5gNH3/100gH2O浓度为的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数H，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3）由亨利定律表达式知：xpE*18/10017/5.017/5.0x00527.0解：∴亨利系数为xpE00527.0400Pa41059.7又mxy*PpyNH3*51001.140000395.0∴相平衡常数00527.000395.0m75.0Hcp*10001005.017/5.0c3/293.0mkm