有害气体吸收净化法.ppt
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1、第四章 有害气体吸收净化法,这一讲我们讨论吸收,什么叫吸收操作呢?做有机、无机实验时,我们常用洗气瓶,洗去气体中的某个成份。如果要除去含酸的气体,我们在洗气瓶中装上碱液。这就是吸收的例子。,家庭主妇切洋葱时,常拌有刺眼气体产生。为了减轻刺眼伤害,常在旁边放一盆水,可以减轻眼伤害。这就是刺眼气体溶解于水,这就是吸收。,切洋葱,开碳酸饮料,当我们打开碳酸饮料瓶口时,就有气体冲出。这是气体的反溶解,这就是碳酸气的解吸。,焦化厂洗氨塔,在焦化厂,焦炉气中含有多种气体,如CO,CO2,H2,NH3,苯等气体。工厂用清水喷淋溶解氨气,将氨气回收为氨水。这就是吸收。这是工厂的氨洗塔。,吸收剂,气体,y,x,
2、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动的传质过程。,第一节 吸收法概述,一、吸收概念利用适当液体吸收(溶解)气体混合物中的有关组分(有的还发生化学反应),以分离气体混合物的一种操作。,吸收质或溶质(solute):混合气体中的溶解组分惰性气体(inert gas)或载体:不溶或难溶组分吸收剂(absorbent):吸收操作中所用的溶剂吸收液(strong liquor):吸收操作后得到的溶液,主要成分为溶质和溶剂。吸收尾气(dilute gas):吸收后排出的气体,主要成分为惰性气体和少量的溶
3、质。,二、吸收的目的和依据:目的:回收或捕获气体混合物中有用物质,制取产品;除去工艺气体中的有害成分,使气体净化,以便进一步加工处理。依据:气体混合物中各组分在溶剂中溶解度不同 例如分离氨气空气的混合物,可选择水做溶剂,因为氨水在水中的溶解度最大,而空气几乎不溶于水。,气体吸收的工业应用,净化或精制气体 例:合成氨工艺中,合成气中的净化脱碳制取某种气体产品的液态产品 例:用水吸收氯化氢气体制取盐酸回收混合气体中所需的组分 例:用洗油处理焦炉气以回收其中的芳烃,硫酸回收焦炉气中的氨工业废气的制理 废气中含有二氧化硫、硫化氢、CO2等有害气体的脱除,原料气AB,吸收剂S,尾气B(含微量A),溶液S
4、+A,气体吸收的原理,吸收塔,形成两相体系的方法,引入一液相(吸收剂),各组分在吸收剂中溶解度不同。,分离物系,气体混合物,传质原理,三 气体吸收的原理和流程,设吸收剂(或溶剂),用S表示;溶质或吸收质,以A表示;惰性气(不被吸收的组分),以B表示。三大对A和B的溶解度差异要大对A的溶解度要大对A的溶解度在条件改变时变化要大三小挥发性小粘度小腐蚀小技术经济性,气体吸收的流程,吸收过程,吸收过程:溶质溶解于吸收剂中,逆流操作,解吸过程:溶质从溶液中释放出,并流操作,气体吸收过程在吸收塔中进行。,吸收,解吸,吸收操作流程:,由流程图可见,采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题:选择合适的
5、溶剂,使能选择性比溶解某个(或某些)被分离组份;提供适当的传质设备(多位填料塔,也有板式塔)以实现气液两相的接触,使被分离组分得以从气相转移到液相(吸收)或相反(解吸);溶剂的再生,即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。除了制取溶液产品只需单独吸收外,一般都要进行解吸操作,使溶剂再生循环使用。总之,一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和解吸两个组成部分。,气体吸收的实例,具有吸收剂再生功能的连续吸收流程,气液两相的接触方式,级式接触:气、液两相逐级逆流接触传质,两相的组成呈阶跃变化,如板式塔。,板式塔,填料塔,湿壁塔、降膜塔,微分接触:气、液两相的浓度呈连续变化。,规整填料 塑料丝网波纹填料
6、,散装填料塑料鲍尔环填料,四 物理吸收和化学吸收 物理吸收:吸收时溶质与溶剂不发生明显的化学反应,如洗油吸收苯,水吸收CO2、SO2等。化学吸收:吸收时溶质与溶剂或溶液中的其它物质发生化学反应。如CO2在水中的溶解度甚低,但若用K2CO3水溶液吸收CO2,则在液相中发生下列反应:K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3 从而使K2CO3水溶液具有较高的吸收CO2的能力。*作为化学吸收可被利用的化学反应一般都满足以下条件:可逆性。若该反应不可逆,溶剂将难以再生和循环使用较高的反应速率。若反应速率较慢,应研究加入适当的催化剂以加快反应速率。,第二节 吸收过程基础理论,气体吸收过程实质上是溶质组分自
7、气相通过相界面转移(迁移)到液相的过程。现将气体吸收中的传质过程与传热过程相对照来研究两个问题:(1)、气体吸收过程的推动力是什么?(传热过程的推动力:温差)(2)、若气液两相能充分完全的接触,则吸收过程的极限是什么?(传热过程的极限:T=t),一、气液相组成的表示方法(一)质量分数和摩尔分数用G表示总质量,用GA、GB、GC、分别表示该相所含组分A、B、C的质量,则各组分的质量分数为,习惯上,液相的摩尔分数用x表示,气相摩尔分数用y表示。对理想气体而言,气相中组分的摩尔分数的数值就等于它的体积分数值。气体组分的浓度有时又可用组分的分压表示。根据道尔顿分压定律:,(二)质量浓度和摩尔浓度 某单
8、位体积所含组分的质量或摩尔数,即为质量浓度和摩尔浓度。用,(三)比摩尔分数和比质量分数某组分的质量或者摩尔数与此项中除此组分外的质量或摩尔数之比。如果某相总质量G,总摩尔数为n,i组分的质量为Gi,摩尔数为ni,则比摩尔分数和比质量分数为(、):,若吸收操作为单组份吸收,质量分数和比质量分数、摩尔分数和比摩尔分数的关系:,已知氨水中氨的质量分数为25%,求氨的摩尔分数和比摩尔分数?,吸收过程 当混合气体与吸收剂接触时,气相中的可吸收组分(吸收质)就会向液相进行质量传递,称为吸收过程。解吸过程 伴随吸收过程的同时,还会发生液相中吸收组分反过来向气相逸出的质量传递过程,称为解吸过程。在一定的温度和
9、压力下,吸收过程的速率和解吸过程的速率最终将会相等,气液两相间的质量传递达到动态平衡,简称为相平衡。这时气相中吸收质分压称为平衡分压,液相中所溶解吸收质的浓度称为平衡溶解度简称溶解度它是吸收的极限又称最大溶解度,常定义为每100千克溶剂中溶解气体的千克数。,二 吸收过程中的气液平衡,1 平衡分压:在一定条件下,任何气体在某种溶剂中溶解达到平衡时,其在气相中的分压是一定的。2 吸收过程:吸收过程进行的方向与极限取决于溶质(气体)在气液两相中的平衡关系。P表示在吸收过程中,气相中溶质的实际分压;p*表示平衡分压;pp*时,溶质便由气相向液相转移,吸收pp*时,溶质便由液相向气相转移,即吸 收的逆过
10、程,称为解吸(或脱吸)。Pp*时,处于气液平衡状态,3 溶解度气液达到平衡时,吸收剂吸收的气体量已达到最大限度时,每立方米吸收剂能吸收的极限气体量(即平衡状态下液相中吸收质浓度)。气体吸收的平衡关系指气体在液体中的溶解度。任何气体与液体接触后,都会产生溶解。容易溶解的称为易溶气体;不易溶解的称为难溶气体。易溶和难溶是相对同一种吸收剂而言。,气体在液体中的溶解度,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/g(NH3)/1000g(H2O),1000,500,0,20,40,60,80,100,120,pNH3/kPa,50 oC,40 oC,30 oC,
11、20 oC,10 oC,0 oC,50 oC,40 oC,30 oC,20 oC,10 oC,0 oC,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)。,由于某组分的溶解度与该组分在气相中的分压成正比,故溶解度也可用组分在气相中的分压表示。它与气体和溶剂的性质有关,并受温度和压力等的影响。一般来说,在同温同压的情况下,不同性质的气体在相同溶剂中的溶解度不同;当温度一定时,溶解度随吸收质分压的升高而
12、增大;气体的溶解度与温度有关,一般来说,随着温度的升高,溶解度下降。,定义:用来描述稀溶液或(难容气体)在一定温度下,当总压不高时,互成平衡的气液两相组成之间的关系。混合气体总压不高(P5atm,气相可视作理想气体)稀溶液(可视作理想溶液,x0.05)由于气液相组成可以采用不同的表示方法,故亨利定律 有不同的表示形式。气相:pi,yi,Yi液相:xi,ci,Xi,33,三 亨利定律(Henrys law),pi-xi关系 pi-ci关系xi-yi关系 Xi-Yi关系,亨利定律是物理吸收过程的气液相平衡规律。在一定温度下,对总压不高(一般约小于5l05Pa)的物理吸收,气态吸收质在吸收剂溶液中的
13、溶解度与气相中吸收质的平衡分压成正比,即:,亨利定律适用用于液相浓度非常低的情况物理吸收不适用于吸收液浓度高的情况化学吸收过程,1.液相浓度以单位体积含溶质的摩尔数表示,难溶体系,溶解度适中体系,易溶体系,(1)不同气体的溶解度差异很大,(2)对于稀溶液或极稀溶液,溶解度曲线近似为直线,即,-亨利定律,pA=723cA,pA=25.5cA,pA=0.36cA,pA=0.0136cA,(3)加压、降温有利于吸收操作,2.液相浓度用溶质气体的摩尔分数表示3.气相浓度用摩尔分数表示,亨利系数的值随物系的特性及温度而异;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
14、,易溶气体 E 值很小;物系一定,E 值一般随温度的上升而增大;E 的单位与气相分压的压强单位一致。,4.用比摩尔分数表示 在吸收过程中,由于惰性气体和吸收剂均为溶质在气、液相中的载体,他们在吸收过程中视为不消耗,因此在计算中常用比摩尔分数表示相的组成。则亨利定律可以表示为,式中 Y*溶质气体在溶液表面上的平衡浓度,用比摩尔分数表示;X溶质气体在液相中的比摩尔分数浓度;由于稀溶液中的吸收质浓度很低,上述公式可简化为,亨利定律既可由液相组成计算气相组成,也可由气相组成计算液相组成。,亨利定律(Henrys law),由液相组成求气相组成:,由气相组成求液相组成:,亨利定律适用条件:理想溶液或稀溶
15、液(一般5%),总压101.33KPa。,亨利定律表达式中各系数之间的关系,EH关系,Em关系,Hm关系,(三)亨利定律中几个系数之间的关系,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。,例:,解:,四 吸收过程的机理双膜理论,1 传质过程概念 在含有两个或两个以上组分的混合体系中,如果存在浓度梯度,某一组分(或某些组分)将有高浓度区向地浓度区移动的趋势,该移动过程称为传质过程。,(1)扩散物质从一相的主体扩散到两相界面(单相中的扩散);,(2)在界面上的扩散物质从一相进入另
16、一相(相际间传质);,(3)进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散(单相中的扩散);,2 物质传递的三个步骤:,3双膜理论双膜理论的基本论点(假设)(1)气液两相存在一个稳定的相界面,界面两侧存在稳定的气膜和液膜。膜内为层流,A以分子扩散方式通过气膜和液膜。(2)相界面处两相达平衡,无扩散阻力。(3)有效膜以外主体中,充分湍动,溶质主要以涡流扩散的形式传质。,第四节 吸收装置,*吸收装置的作用:建立和不断更新两相接触表面,使之具有尽可能大的接触面积和尽可能好的流体力学条件,以利于提高吸收速率,减少设备的尺寸,同时,气体通过设备的阻力要小,以节省动力消耗。,1 吸收设备基本要求:,气体吸收设
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