質(zhì)量傳遞篇—氣體吸收

1、2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡1質(zhì)量傳遞篇質(zhì)量傳遞篇?dú)怏w吸收氣體吸收第二十七講第二十七講 概述與氣概述與氣- -液相平衡液相平衡一、概述一、概述（二）吸收過程（一）一般介紹2. 工業(yè)吸收過程（三）吸收劑的選擇（五）吸收單元操作的教學(xué)思路1. 氣、液相間的接觸方式二、氣液相平衡原理二、氣液相平衡原理（一）相律（二）氣-液相平衡關(guān)系1. 溶解度曲線2. 亨利定律3. Henry定律的其它形式4. 平衡關(guān)系式的變換（三）吸收過程的方向、極限與推動(dòng)力（四）吸收操作的經(jīng)濟(jì)性 2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡2吸收是依據(jù)不同組分

2、在溶劑中溶解度的不同，讓混合氣體與適當(dāng)?shù)囊后w溶劑相接觸，使氣體中的一個(gè)或幾個(gè)組分溶解于溶劑中形成溶液，難以溶解的組分保留在氣相中，從而達(dá)到混合氣體初步分離的操作。 目的含溶質(zhì)混合氣含溶質(zhì)混合氣 + + 液體溶劑液體溶劑 根據(jù)溶解度差異根據(jù)溶解度差異 脫溶質(zhì)混合氣脫溶質(zhì)混合氣 + + 含溶質(zhì)的溶液含溶質(zhì)的溶液氣液組分間是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)吸收過程熱效應(yīng)是否顯著混合氣體濃度高低被吸收組分?jǐn)?shù)物理吸收化學(xué)吸收等溫吸收非等溫吸收低濃度吸收高濃度吸收單組分吸收多組分吸收吸收分類主要討論：主要討論：單組分、低濃度、單組分、低濃度、等溫、物理吸收。等溫、物理吸收。1.凈化原料氣2.回收有用組分3.制取某些產(chǎn)品4.

3、治理廢氣一、概述一、概述（一）一般介紹（一）一般介紹2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡3梯級(jí)接觸式（逐級(jí)式）板式塔連續(xù)接觸式（微分式）填料塔接觸方式吸收塔設(shè)備圖127 脫溶質(zhì)氣體出溶劑入混合氣入溶液出填料填料塔）微分接觸式（2溶劑入溶液出混合氣入脫溶質(zhì)氣體出塔板板式塔）級(jí)式接觸式（1（二）吸收過程（二）吸收過程1. 1. 吸收過程中氣、液相間接觸方式吸收過程中氣、液相間接觸方式2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡4苯含苯煤氣脫苯煤氣冷凝器冷卻器換熱器吸收塔解吸塔水水蒸氣洗油吸收操作流程圖227 由于氣液在兩類裝置中的接觸方式

4、不同，在工程計(jì)算中，采用兩種不同的計(jì)算方法平衡級(jí)數(shù)法與傳質(zhì)速率法。平衡級(jí)數(shù)法與傳質(zhì)速率法。2. 2. 工業(yè)吸收過程工業(yè)吸收過程一個(gè)完整的吸收過程往往包括吸收與解吸兩個(gè)部分。當(dāng)然，如果溶劑吸收溶質(zhì)后的溶液就是過程產(chǎn)品，就不需要解吸了。同時(shí)可知，為實(shí)現(xiàn)氣體吸收過程，需要解決的問題是： 選擇合適的溶劑（吸收劑）； 溶劑的再生，這項(xiàng)費(fèi)用往往占整個(gè)吸收操作費(fèi)用的很大比例； 設(shè)計(jì)或選用合適的傳質(zhì)設(shè)備。2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡5（三）吸收劑的選擇（三）吸收劑的選擇吸收劑對(duì)吸收操作的效果影響很大，對(duì)以分離為目的的吸收操作，應(yīng)按如下原則選取吸收劑：1.對(duì)分離組分有較

5、大的溶解度；2.對(duì)分離組分有較好的選擇性；3.在操作溫度下，具有較低的蒸汽壓，以減少吸收操作中的吸收劑損失；4.在操作溫度下，具有較低的粘度，以利于氣、液良好接觸和便于輸送；5.吸收溶質(zhì)后的吸收劑容易再生，或者溶質(zhì)解吸方便；6.盡可能無毒、不燃燒、腐蝕性小，且價(jià)廉易得。（四）吸收操作的經(jīng)濟(jì)性（四）吸收操作的經(jīng)濟(jì)性 1. 氣、液兩相流經(jīng)吸收設(shè)備的能量消耗；2. 溶劑的揮發(fā)損失和變質(zhì)損失；3. 溶劑的再生費(fèi)用，如解吸操作費(fèi)。再生費(fèi)用所占的比例最大常用的解吸方法有升溫、減壓、吹氣，其中升溫與吹氣特別是升溫與吹氣同時(shí)使用最為常見。溶劑在吸收與解吸設(shè)備之間循環(huán)，其間的加熱與冷卻、泄壓與加壓必消耗較多的能

6、量。2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡6（五）吸收單元操作的教學(xué)思路（五）吸收單元操作的教學(xué)思路在以下各傳質(zhì)單元操作的討論中，仍將遵循緒論中明確過的闡述方式，即：過程分析過程描述過程及設(shè)備計(jì)算。為突出基本原理、基本觀點(diǎn)和基本方法，吸收單元操作的討論將主要以雙組分低濃度氣體在填料塔中的吸收過程為例展開，并在適當(dāng)場(chǎng)合簡要介紹其他吸收過程（如高濃度氣體吸收、化學(xué)吸收等）中的特殊問題及其處理方法，同時(shí)介紹吸收過程在板式塔中進(jìn)行時(shí)的計(jì)算方法。在“傳質(zhì)原理”中討論過的“雙膜模型理論”對(duì)吸收過程機(jī)理的理解具有重要意義，那里關(guān)于相間傳質(zhì)速率的結(jié)論完全適用于吸收過程。在吸收過

7、程的數(shù)學(xué)描述中，利用這些結(jié)論并加以擴(kuò)充。也就是說，吸收過程的分析與描述是以“雙膜模型理論”為基礎(chǔ)的。由于吸收過程進(jìn)行的方向、極限、推動(dòng)力以及吸收速率方程的表達(dá)形式都與氣液相平衡關(guān)系直接相關(guān)，為此，吸收單元操作的討論從相平衡原理開始。 如果溶劑的溶解能力差，離開吸收設(shè)備的溶劑中溶質(zhì)濃度低，則所需的溶劑循環(huán)量必大，再生時(shí)的能量消耗也大。同樣，若溶劑的溶解能力對(duì)溫度變化不敏感所需解吸溫度較高，溶劑再生的能耗也將增大2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡7傳熱過程吸收過程傳遞過程冷熱流體間的熱量傳遞氣液相間的質(zhì)量傳遞被傳遞著熱量質(zhì)量（物質(zhì)）傳遞方向高溫低溫高濃度低濃度過

8、程極限溫度相等濃度相等過程推動(dòng)力溫度差濃度差二、氣液相平衡原理二、氣液相平衡原理從傳熱原理及傳質(zhì)原理的學(xué)習(xí)中知道，二者的傳遞過程很相似。下表對(duì)照列出了傳熱過程與吸收過程的有關(guān)特征項(xiàng)，作為討論氣液相平衡原理的引子。2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡8對(duì)單組分物理吸收過程， （溶質(zhì)、惰性氣體、吸收劑）、 ，由式（27-1）： 。即在溫度、壓力以及氣、液相組成四個(gè)變量中，有三個(gè)變量是自變量，另一個(gè)是它們的函數(shù)。從實(shí)驗(yàn)知道，在幾個(gè)大氣壓范圍內(nèi)，壓力對(duì)平衡關(guān)系的影響可以忽略，而溫度的影響較大。因此在一定溫度下，有如下函數(shù)關(guān)系：溶質(zhì)A與溶劑S接觸，進(jìn)行溶解的過程中，隨溶

9、液濃度 的提高，溶解的凈速度降低，最后達(dá)到零， 達(dá)到一最大值 。這時(shí)稱氣-液相間達(dá)到了相平衡， 稱平衡溶解度，或簡稱溶解度。AcAcAcAc2 cF3c2 3223F)(pfc （一）相律（一）相律在一定條件下，兩相平衡態(tài)受相律制約：（27-1）（27-2）此平衡關(guān)系可用不同的方式表示。2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡9在同樣溫度、壓力下，不同物質(zhì)溶解度不同。如O2為難溶解氣體，NH3為易溶解氣體，而SO2為溶解度適中的氣體；溫度升高，氣體溶解度降低；在一定溫度下，氣體溶解度隨該氣體的氣相分壓增大而增大；實(shí)驗(yàn)得知：在幾個(gè)大氣壓內(nèi)，不會(huì)改變 關(guān)系。但是，總壓

10、提高使溶質(zhì)氣相分壓增大，這導(dǎo)致溶解度增大。而 關(guān)系會(huì)因總壓不同而不同，這是因?yàn)樵诘蛪合拢?，其中 與 成正比例變化，即y 不隨壓力變化，但 x 卻因 增大而增大。稀溶液的溶解度曲線為直線。由上面規(guī)律可知，對(duì)吸收來說，加壓、降溫是有利的。pc xy ti/ ppy iptpip2O2SO3NH2CO293K tpc由于氣液相平衡理論尚不完善，氣體在液體中的溶解度一般需要通過實(shí)驗(yàn)對(duì)具體物系進(jìn)行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：（二）氣（二）氣- -液相平衡關(guān)系液相平衡關(guān)系1. 1. 溶解度曲線溶解度曲線2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡10在應(yīng)用Henry定律時(shí)，除要求溶液是

11、理想溶液或稀溶液外，還要求溶質(zhì)在氣相和液相中的分子狀態(tài)相同。否則，就不能使用Henry定律。由式（27-3）知，稀溶液液面上方溶質(zhì)平衡分壓與該溶質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比，比例系數(shù) E 稱為Henry系數(shù)。不管是理想溶液還是非理想溶液，只要濃度足夠低，Henry定律都適用。對(duì)于理想溶液， ，即Henry定律與Raoult定律一致。)d/d(limA0 xpEx0pE AAExp),(pTEE 2. 2. 亨利定律亨利定律從經(jīng)濟(jì)性考慮，吸收操作最常用于分離低濃度氣體混合物，這時(shí)液相濃度通常也較低，即常在稀溶液范圍內(nèi)，而稀溶液的溶解度關(guān)系為線形關(guān)系，可用Henry（1803年）定律描述：（27-3

12、）實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)稀溶液而言，E只是溫度的函數(shù)，一般溫度上升，E增加說明溫度上升，溶解度下降。對(duì)同一溶劑來說，由式（27-3）可見，難溶氣體的E值大，易溶氣體的E值小。當(dāng)溶液濃度較高時(shí)，E不僅是溫度的函數(shù)，而且還與溶質(zhì)的分壓有關(guān)。E值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。（27-4）2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡11由于氣液組成有若干表示方法，因而Henry定律有不同的表達(dá)形式，常用的有以下幾種：（3 3）Y X 關(guān)系關(guān)系HcpHpc/AAAA 或kPa)kmol/(m3 AAmxy隨吸收過程的進(jìn)行，沿塔氣體混合物總量將不斷減少，而溶液量將不斷增加。由于氣、液相的總量都在變化，因此

13、采用摩爾分率表示混合物的組成很不方便。另一方面，吸收過程中惰性氣體和吸收劑的量可以認(rèn)為始終不變，這樣，在吸收計(jì)算中采用比摩爾分率（或稱摩爾比）表示組成是方便的。如以、分別表示液、氣相摩爾比，則與摩爾分率的關(guān)系為：SkmolA/kmol,XBkmolA/kmol,Y脫溶質(zhì)氣體出溶劑入混合氣入溶液出填料3. 3. Henry定律的其它形式定律的其它形式（1 1）p c 關(guān)系關(guān)系（27-5）式中H 溶解度系數(shù)，（2 2）y x 關(guān)系關(guān)系（27-6）式中m相平衡常數(shù)，量綱為一。2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡12如以 分別表示溶質(zhì)、溶劑和溶液的相對(duì)分子量，則有：一

14、般吸收平衡數(shù)據(jù)可用 四種關(guān)系表示，但在吸收過程計(jì)算中，常采用 關(guān)系，現(xiàn)將有關(guān)參數(shù)換算關(guān)系推導(dǎo)如下：一般講，式（27-7）在 圖上標(biāo)繪為曲線。但是，當(dāng)溶液很稀時(shí)， 很小，該式可近似簡化為如下直線方程：XY XAAmXYXYxyxpcp 及,XY MSA,MMM)1(ASAAiiMxMxMxMM 如以表示溶液的密度，為溶液的摩爾濃度。M 3MM3/mkmol,/,kg/m溶液則M tAtAAA/ )(/pxEppxmy AAAAAAAAA)1(111XmmXYYYyXXx；mxy （27-7）（27-8）4. 4. 平衡關(guān)系式的變換平衡關(guān)系式的變換（1 1）m E 關(guān)系關(guān)系（27-9）（2 2）E

15、 H 關(guān)系關(guān)系t/ pEm 2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡13將此式代入式 并與式 比較得對(duì)稀溶液來說，值很小，上式可簡化為：AxASLASASALASAAALALLA)()1(xMxMMMxxMxMxxMc AASLAA/xExHMHcp Hcp/AA AAExp （27-11）（27-12）（3 3）m H 關(guān)系關(guān)系將式（27-12）代入式 得：（27-13）AASAAMAMMA)1(xxMxMxMc （27-10）HMHMESSSL t/ pEm tSStSLHpMHpMm 2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡14

16、由上述氣、液相平衡原理的討論知道，當(dāng)氣、液兩相平衡時(shí)，相間凈傳質(zhì)速率為零，兩相濃度落在相平衡線上，此時(shí)（或）。這樣，就可以根據(jù)相接觸的氣、液兩相濃度與平衡線的相對(duì)位置來判定吸收過程的方向、極限和推動(dòng)力。 AAyy AAxx當(dāng)相互接觸的氣、液兩相存在（或）時(shí)，即溶質(zhì)氣相濃度大于與液相濃度的平衡濃度時(shí)（或溶質(zhì)的液相濃度小于氣相濃度的平衡濃度時(shí)），溶質(zhì)便由氣相向液相傳遞，該過程為吸收過程，如圖（27-4）中的 A 點(diǎn)。 AAyy AAxxAyAx AyAxAy Ax（三）吸收過程的方向、極限與推動(dòng)力（三）吸收過程的方向、極限與推動(dòng)力1. 1. 吸收過程的方向吸收過程的方向Ay Ay AxAxAAy

17、Ay AxAxA)(xfy )(xfy Ay Ax A AyAy AxAx 圖27-3 吸收過程的方向圖27-4 吸收過程的推動(dòng)力2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡15而當(dāng)氣、液兩相間有（或）時(shí)，即溶質(zhì)在氣相中的濃度小于與液相濃度相平衡的濃度時(shí)，就會(huì)發(fā)生溶質(zhì)由液相向氣相傳遞，該過程為解吸過程，如圖（27-4）中的點(diǎn)。 AAyy AAxxAy Ax AyA氣、液兩相間達(dá)到平衡狀態(tài)，即相組成點(diǎn)落在平衡線上，凈傳質(zhì)速率為零，這時(shí)有（或），這里的、便是過程的極限濃度。 AAyy AAxxAxAy有上面分析知道，只有不平衡的兩相相接觸時(shí)才能發(fā)生相間傳質(zhì)（吸收或解吸），

18、而且實(shí)際濃度與平衡濃度的偏離越大，相間傳質(zhì)速率越快。根據(jù)相間傳質(zhì)速率的概念，把實(shí)際濃度與平衡濃度的偏離程度作為過程的推動(dòng)力。如圖34-5所示，為用液相濃度表示的吸收推動(dòng)力；為用氣相濃度表示的吸收推動(dòng)力。當(dāng)達(dá)到相平衡時(shí)有：，凈傳質(zhì)速度為零。0, 0AA yx AAAyyy AAAxxx 2. 2. 吸收過程的極限吸收過程的極限氣、液兩相間的平衡關(guān)系對(duì)吸收過程某些工藝參數(shù)的確定具有指導(dǎo)意義。它從理論上限制了離開吸收塔的吸收液的最高濃度與離塔氣體混合物的最低濃度。3. 3. 吸收過程的推動(dòng)力吸收過程的推動(dòng)力2021-7-5氣體吸收概述與氣氣體吸收概述與氣- -液相平衡液相平衡16本講要點(diǎn)本講要點(diǎn)1. 吸收過程可看作氣、液相間的單向傳質(zhì)；相間的接觸方式有梯級(jí)式及連續(xù)式兩種方式；一個(gè)完整的工業(yè)吸收過程包括溶質(zhì)的吸收及溶劑的再生，即包括吸收與解吸兩部分；2. 相平衡關(guān)系對(duì)傳質(zhì)過程的分析與描述有重要作用，Henry定律所描述的是稀溶液（不管是理想還是非理想溶液）中溶質(zhì)的蒸汽壓與其濃度成正比，當(dāng)物系為理想溶液時(shí)，Henry定律與Raoult定律一致。3. 依據(jù)氣、液相平衡原理可判定吸收過程的方向（吸收或解吸），指出吸收過程進(jìn)行的極限（它限制了吸收設(shè)備內(nèi)氣、液出口處的極限濃度）及計(jì)算吸收過程的推動(dòng)力。但是，相平衡關(guān)系并未說明吸收過程進(jìn)行的快慢