化工原理5章气体吸收ppt课件.ppt
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1、化工原理principles of chemical engineering,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,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,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
2、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
3、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,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。,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(inert gas)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(stron
4、g liquor):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(dilute gas):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(physical absorption):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(chemical absorption):溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧
5、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。,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
6、 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
7、,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,如果混合物是双组分气体混合物时,比质量分数与比摩尔分数的换算关系,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/kmol,2质量浓度与物质的量浓度,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,质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对
8、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,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
9、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,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, cO2 cCO2 cSO2 cNH3,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
10、: 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。, 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,,2)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(E10-6/kPa
11、),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。,用量浓度表示,H溶解度系数,kmol/(m3Pa)。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:,溶剂的密度,kg/m3;溶剂的千摩尔质量,kg/kmol。,用摩尔分数表示,m-相平衡常数,m值越大,表明该气体的溶解度越小。,用比摩尔分数表示,当溶液很稀时,XA很小,则,工业操作原则:,比质量分数与比摩尔分数,质量浓度与物质的量浓度,平衡状态,饱和浓度,平衡分压,气液相
12、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。, 亨利定律,亨利定律的其他表达形式,用量浓度表示,用摩尔分数表示,用比摩尔分数表示,当溶液很稀时,XA很小,则,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:,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,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
13、于与液相中溶质含量成平衡时的组成YA* ,即 YAYA*, 。若出现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, 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
14、水密度可取为1000kg/m3),由亨利定律表达式知:,解:,亨利系数为,又,相平衡常数,溶解度系数为:,或由各系数间的关系求出其它系数,5.3 传质机理与吸收过程的速率(!需补充) 1.传质的基本方式,吸收过程是溶质从气相转移到液相的质量传递过程。由于溶质从气相转移到液相是通过扩散进行的,因此传质过程也称为扩散过程。,吸收过程涉及两相间的物质传递,包括三个步骤:1.溶质由气相主体传递到两相界面,即气相内的物质传递;2.溶质在相界面上的溶解,由气相转入液相,即界面上发生的溶解过程;3.溶质自界面被传递至液相主体,即液相内的物质传递。,一般认为相界面的传质阻力很小,气液两相的浓度符合亨利定律,总
15、过程的速率由气相与液相内的传质速率决定。,(1)分子扩散 物质以分子运动的方式通过静止流体的转移,或物质通过层流流体,且传质方向与流体的流动方向相垂直的转移,导致物质从高浓度处向低浓度处传递,这种传质方式称为分子扩散。分子扩散只是由于分子热运动的结果,扩散的推动力是浓度差,扩散速率主要决定于扩散物质和静止流体的温度及某些物理性质。,(2)涡流扩散 在湍流主体中,凭借流体质点的湍动和漩涡进行物质传递的现象,称为涡流扩散。若将一勺砂糖放入杯水之中,用勺搅动,则将甜的更快更均,那便是涡流扩散的效果了。涡流扩散速率比分子扩散速率大得多,涡流扩散速率主要决定于流体的流动形态。,(3)对流扩散,对流扩散为
16、湍流气体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散这两种传质作用的总称。,对流扩散亦称对流传质,对流传质包括湍流主体的涡流扩散和层流内层的分子扩散。,2双膜理论 由于吸收过程是物质在两相之间的传递,其过程极为复杂。为了从理论上说明这个机理,曾提过多种不同的理论,其中应用最广泛的是1926年由刘易斯和惠特曼提出的“双膜理论”。,(1)相互接触的气、液两流体间存在着稳定的相界面,界面两侧各有一个很薄的有效层流膜层。吸收质以分子扩散方式通过此二膜层。,(3)在膜层以外的气、液两相中心区,由于流体充分湍动,吸收质的浓度是均匀的,即两相中心区内浓度梯度为零,全部浓度变化集中在两个有效膜层内。,(2)在相界面处,气
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