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第五章气体吸收GasAbsorption,化工生产中所处理的原料、中间产品、粗产品等几乎都是混合物，而大部分是均匀物系。为进一步加工和使用，常需要将这些混合物分离为纯净或几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个两相物系，利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。物质在相间转移的过程称为物质传递过程（简称为传质过程）。化学工业中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥、萃取和吸附等单元操作。,5.1概述（Introduction）,利用混合气体中各组分component在某液体溶剂中的溶解度solubility的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液solution，不溶或难溶组分仍留在气相gasphase，从而实现混合气体的分离。,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。,,,,,,吸收剂,气体,y,x,界面,,,,,气相主体,液相主体,相界面,,,,,,,气相扩散,液相扩散,,,yi,xi,概述（Introduction）,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。吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。,一、吸收操作的用途1制取产品用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林溶液，用水吸收氯化氢制盐酸等。2分离混合气体吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来。3气体净化一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。,1.根据溶质与溶剂是否反应物理吸收和化学吸收2.根据热效应非等温吸收和等温吸收3.根据被吸收溶质的数目单组分吸收和多组分吸收4.根据操作压力常压吸收和加压吸收5.根据溶质的浓度不同低浓度吸收和高浓度吸收,二、吸收操作分类,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。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。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。低浓度吸收溶质在气液两相中的摩尔分数不超过0.1。,本章主要研究常压、等温、单组分、低浓度物理吸收,三、吸收的流程,,从合成氨原料气中回收CO2的流程,必须解决问题1、选择合适的吸收剂（溶剂）；2、提供合适的气液传质设备；3、吸收剂的再生循环使用。,,,,工业吸收过程,吸收剂应具有的特点溶解度大敏感性好选择性高蒸汽压低（不易挥发，减少溶剂损失，避免在气体中引入新的杂质）粘度低（利于传质及输送）比热小（再生时耗热量小）发泡性低（以免过分限制气速而增大塔的体积）腐蚀性低（减少设备费和维修费）安全性好（避免易燃易爆）经济性易得到、易再生,T↓、p↑，有利于吸收；T↑、p↓，有利于解吸,四、溶剂选择,5.2吸收过程的相平衡关系,气体吸收是一种典型的相际间的传质过程，气液相平衡关系是研究气体吸收过程的基础，该关系通常用气体在液体中的溶解度及亨利定律表示。,5.2.1气体在液体中的溶解度,气体溶解示意图,如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。,气体的溶解度,在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应关系。平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压，与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解度。这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的溶解度，也就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加而增加。如果要使一种气体在溶液中里达到某一特定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力。气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则气体的溶解度增高。,气体的溶解度,1.对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度升高而减小；2.对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。加压和降温有利于吸收操作，反之，减压和升温有利于解吸操作。,溶解度曲线在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。,,,,,,,,,溶解度/[gNH3/1000gH2O],1000,500,0,20,40,60,80,100,120,pNH3/kPa,,,,,,,50oC,40oC,30oC,20oC,10oC,0oC,,50oC,40oC,30oC,20oC,10oC,0oC,,,,,,在相同条件下，NH3在水中的溶解度较SO2大得多。用水作吸收剂时，称NH3为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体如O2在30℃和溶质的分压为40kPa的条件下，1kg水中溶解的质量仅为0.014g。,,5.2.2亨利定律（Henry’slaw）,当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。,式中p*溶质在气相中的平衡分压，kPa；x溶质在液相中的摩尔分数；E亨利系数，kPa。,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。,亨利定律其它表示方法,当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有,cA溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；H溶解度系数；kmol/m3kPa，随温度升高而减小，易溶气体的H值很大，而难溶气体的H值很小。,（1）气相组成用溶质A的分压PA*,液相组成用物质的浓度cA表示,溶解度系数可视为在一定温度下溶质气体分压为1kPa的平衡浓度。,y*与组成为x的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；m相平衡常数，m值越大，表明该气体的溶解度越小；,（2）气、液相组成分别用溶质A的摩尔分数y、x表示,三个比例系数之间的关系,（1）H与E的关系,,溶液的总浓度cm,kmol（溶质）kmol（溶剂）,m3,,溶质的浓度cAcmx,,,溶液密度，kg/m3,,溶液的平均分子量，kg/kmol,由于溶液很稀，即溶质很少，故溶液的密度可近似用溶剂的密度代替，即,溶液的平均摩尔质量可用溶剂的摩尔质量代替，即,,,,（3）E与m的关系,由理想气体的分压定律,,,,亨利定律,在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比Y（或X）表示组成。,以摩尔比表示组成的相平衡关系,X溶质在液相中的摩尔比浓度；Y*与X呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。当溶液的浓度很低时，m趋近1或当X很小时,5.2.3吸收过程相平衡关系应用（1）判断传质方向y*mxx*y/m若yy*，吸收过程若xx*，解吸过程yy*，平衡过程xx*，平衡过程y0,pA-pA*0，cA*-cA0解吸y*-y0，x-x*0，pA*-pA0，cA-cA*0,（3）确定传质过程极限y-y*0为吸收过程，x↑，当x→x*时，达到最大,例在总压101.3kPa、温度303K下，含SO2为0.105（摩尔分数）的气体与含SO2为0.002的水溶液相遇，已知平衡关系为y*46.5x。问会发生吸收还是脱吸,解从气相分析y*46.5x46.50.0020.093x0.002结论同上。,5.3吸收传质机理与吸收速率,平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法解决，后者属于传质的机理问题。本节的内容是结合吸收操作来说明传质的基本原理，并导出传质的速率关系，作为分析吸收操作与计算吸收设备的依据。气体吸收是溶质先从气相主体扩散到气液界面，再从气液界面扩散到液相主体的传质过程。,5.3.1气液相际传质理论,相对于气相浓度y而言，液相浓度欠饱和xy*，溶质A由气相向液相转移。,一、传质过程的方向,气、液相浓度y,x在平衡线上方P点,,,,y,x,o,,y*fx,,,P,y,x,y*,,结论若系统气、液相浓度y,x在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。,,x*,,,,,释放溶质,,吸收溶质,相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和xx*，故液相有释放溶质A的能力。,相对于液相浓度x而言气相浓度为欠饱和y1/（HkL），KG≈kG,溶解度H很大，m很小，,1/kym/kx,举例氯化氢溶于水或稀盐酸中；氨溶解于水或稀氨水中；浓硫酸吸收水蒸汽,传质阻力集中于气膜中，称为气膜阻力控制或气膜控制。,传质速率方程,三点说明气膜控制时，液相界面浓度ci≈cAL（液相主体溶质A的浓度），气膜推动力（PAG-Pi）≈（PAG-P*）气相总推动力；溶解度系数H很大时，平衡线斜率很小。此时，较小的气相分压（或浓度）能与较大的液相浓度cA*相平衡；气膜控制时，要提高总传质系数，应加大气相湍流程度。,（2）难溶气体（液膜控制）,H↓，H/kG↓，H/kG1Bt2Ct1t2Dt31时NNOG,,回顾两个问题（1）理论板和传质单元在概念上的区别经过一层理论板的组成变化，是使得离去的气、液两相达到平衡，它并没有涉及到传质动力学；而经过一个传质单元的组成变化是与其平均推动力相等，因而出发点是传质速率方程。（2）连续接触式设备和逐级接触式设备的计算中所用到的条件对填料层高度的计算需要应用物料衡算、气液相平衡和传质速率方程三种关系；而对理论板数的计算中，只需用到物料衡算、气液相平衡关系，传质动力学因素则包括在板效率中。,5.6.1多组分吸收,9-83,设计吸收塔高度时，用关键组分进行设计，将其作为单组分吸收进行设计，其余组分的分离能力的计算就属于操作型计算。,5.6其他类型吸收,优点（1）化学反应提高了吸收的选择性；（2）加快吸收速率，减小设备容积，减小设备投资费；（3）反应增加了溶质在液相的溶解度，减少吸收剂用量，减小操作费用；（4）反应降低溶质在气相的平衡分压，可较彻底地除去气相中很少量的有害气体。缺点解吸困难，解吸能耗大。若为不可逆反应，反应剂不能循环使用，用途大受限制。,5.6.2化学吸收,热效应对吸收的影响（1）温度升高，平衡分压增大，平衡线上移；（2）增大溶剂蒸气压及其气化量；（3）粘度下降，扩散系数增大，液相分传质系数增大；（4）化学吸收的反应速率增大。,5.7.1传质系数关联式（1）针对具体情况的简式（2）传质单元高度关联式（3）准数关联式,5.7.2传质理论概况（1）膜模型（Whitman,1923年）（2）溶质渗透模型（Higbie,1935年）,5.7传质系数和传质理论,吸收塔的操作型计算,第一类命题已知吸收塔高度及其他尺寸（H）；气液两相流量（G、L）；进口含量（ya、Xb）；平衡关系及流动方式；两相总传质系数Kya或Kxa。,,计算气液两相出口含量（yb、xa）,第一类命题已知吸收塔高度及其他尺寸（H）；气体流量（G）；进口含量（ya、yb）；平衡关系及流动方式；两相总传质系数Kya或Kxa。,计算吸收剂的用量L及出口含量（yb）,,
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