第4章-1化工原理.pdf

利用利用气体混合物气体混合物中各组分在液体溶剂中中各组分在液体溶剂中 溶解度的差异溶解度的差异来分离气体混合物的来分离气体混合物的操作操作 称为吸收。称为吸收。溶质溶质 A惰性组分惰性组分 B吸收剂吸收剂 S什么是吸收什么是吸收？A A+B S （气体）（气体）（液体）（液体）第第4章章 气体吸收气体吸收1、吸收的目的和依据吸收的目的和依据 目的：（目的：（1）回收有用物质；）回收有用物质；（2）脱除有害成分。）脱除有害成分。依据：混合气体中各组分在依据：混合气体中各组分在 某种溶剂中溶解度的差异。某种溶剂中溶解度的差异。4.1 概述概述一个完整的吸收分离过程包括一个完整的吸收分离过程包括吸收和解吸吸收和解吸2、工业吸收过程工业吸收过程 实施吸收操作须解决实施吸收操作须解决的问题：的问题：（1）选择合适的）选择合适的吸收剂吸收剂；（2）提供适当的）提供适当的设备设备；（3）溶剂再生溶剂再生。吸收与解吸流程吸收与解吸流程 技术要求技术要求：溶解度大；溶解度大；选择性高；对温度的敏感性强选择性高；对温度的敏感性强，易易解吸解吸。经济及安全要求经济及安全要求：蒸汽压要低蒸汽压要低，不易挥发；较好的化学稳定，不易挥发；较好的化学稳定性；黏度小；价廉，易得，无毒，不易燃易爆。性；黏度小；价廉，易得，无毒，不易燃易爆。3、溶剂的选择溶剂的选择 物物理理吸收吸收：气体各组分因在溶剂中溶：气体各组分因在溶剂中溶解度的不同而被分离的吸收操作。解度的不同而被分离的吸收操作。化学化学吸收吸收：利用化学反应而实现吸收的：利用化学反应而实现吸收的操作。化学吸收应满足的条件操作。化学吸收应满足的条件：（1）反应的可逆性；）反应的可逆性；（2）较高的反应速率）较高的反应速率。4、气体吸收的分类气体吸收的分类 吸收的操作费用吸收的操作费用：（1）流动能耗）流动能耗；（2）溶剂损耗；）溶剂损耗；（3）解吸操作）解吸操作费费用（用（此项费此项费用用最最大）大）。5、吸收操作的经济特性吸收操作的经济特性常常用的解吸用的解吸方法方法：升升温、温、减压减压、吹吹气气，升升温和温和吹吹气气通常同时进行通常同时进行。l升温、减压升温、减压 溶质的溶解度降低，溶质的溶解度降低，有利于溶质的析出有利于溶质的析出溶液浓度降低溶液浓度降低l通过吹气通过吹气将溶质随气体一起带出将溶质随气体一起带出，完成解吸过程。完成解吸过程。解吸目的：降低溶液浓度6、气液两相的接触方式气液两相的接触方式级式接触级式接触微分接触微分接触气液气液传传质设备质设备7、本章基本假定、本章基本假定（1）气体中只有一个）气体中只有一个组分溶于溶剂中组分溶于溶剂中，其，其余可作为惰性组分余可作为惰性组分。（2）溶剂蒸气压很低）溶剂蒸气压很低，气体中不含溶剂蒸气气体中不含溶剂蒸气。因此因此，y代表代表气气相相 x代表代表液液相相。x,y为为同同一种物质一种物质4.2 气液相平衡气液相平衡吸收与传热的比较吸收与传热的比较过过 程程传递对象传递对象推动力推动力极极 限限传传 热热热热 量量T-t温度相等温度相等吸吸 收收物物 质质y-x？两相浓度相等？两相浓度相等？原原因因：气液：气液相平衡不同于相平衡不同于冷冷热热流体流体之间之间的的热平衡热平衡。相相界面界面 水水 pG 气气相相主主体体 pi 液相主体液相主体 传传质质方方向向 Ci CL 空气空气+氨气氨气 吸收吸收-相相际间际间传传质的质的最最终状态终状态 相平衡相平衡与与热平衡不同热平衡不同之处之处：达到达到相平衡时，相平衡时，一一般般两相浓两相浓度度不相不相等等。达到达到相平衡时，传相平衡时，传质过程质过程仍仍在在进行，只不进行，只不过过通通过过相相界面界面的某一的某一组分的组分的净净传传质质量量为为零零，因此，因此属属动动态态平衡平衡。A A+B S （气体）（气体）（液体）（液体）根根据据相相律律可可知知，相平衡时相平衡时 自由自由度度数数2+=CF 3223=+=所所有有独立变量独立变量：温度、：温度、总总压压、气、气相相组成、溶解度组成、溶解度等等()AApPTfC,=()AACgp=溶解度概溶解度概念念AC气液气液达到达到相平衡时，相平衡时，液液相相中的溶质中的溶质浓浓度称为度称为溶解度溶解度 C(对对双双组分气体组分气体)Ap在在5个大气个大气压压以内以内，温度一温度一定时，定时，4.2.1 平衡平衡溶解度溶解度1、溶解度曲线溶解度曲线y=f(x)pA=g(x)()AACgp=1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 pA，atm O 2 CO2 pA=723CA pA=25.5CA SO2 NH3 pA=0.36CA pA=0.0136CA 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10nCA，kmol/m3 几几种气体在种气体在20水水中的中的溶解度溶解度曲线曲线 难溶体系易溶体系溶解度适中体系不同气体的溶解度差异很大不同气体的溶解度差异很大CHP=e溶解度系数，kmol/(m3Pa)对于稀溶液对于稀溶液，有，有亨利定律是物性，通常由实验测定。可从有关手册中查得。是物性，通常由实验测定。可从有关手册中查得。H越小，溶解度越大，越易溶，有利吸收越小，溶解度越大，越易溶，有利吸收H随温度变化而变化随温度变化而变化，一般地，一般地，T，H，不不利吸收利吸收2、亨亨利利定定律律（三三种种表表达达方法方法）1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 pA，atm O 2 CO2 pA=723CA pA=25.5CA SO2 NH3 pA=0.36CA pA=0.0136CA 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10nCA，kmol/m3 几几种气体在种气体在20水水中的中的溶解度溶解度曲线曲线()=MMCCCHpeEx=亨利系数，PaxPEPpy=eemx=相 平 衡 常 数，无 因 次亨亨利利定定律律的的其其他形他形式式：E越越大大，表，表明明溶解度溶解度越越小小；E随随温度温度变变化而化而变变化化，T，E，P对对其无其无影响影响m越越大大，表，表明明溶解度溶解度越越小小；m随随温度温度、总总压压变变化而化而变变化，化，T，m，P，mExpe=Hcpe=mxye=亨利常数间的关系亨利常数间的关系，pEm=，MHcE=，xccM=，ssmmMMMc=。ssMHE亨亨利利常常数之间数之间的的关系关系 t，E，H，m，溶解度，溶解度，温度升高，不利吸收。温度升高，不利吸收。温度对吸收的温度对吸收的影响影响p x,传质传质 气气相相液液相相xye94.0=相平衡相平衡x=0.1，与其平衡的液相，与其平衡的液相ye=mx=0.094 y,传质传质 液液相相气气相相 例例题题(1)常压常压25oC下，气相溶质下，气相溶质A的分压的分压 为为5.47kPa的混合气体与溶质的混合气体与溶质A浓度为浓度为0.003kmol/m3的水溶液接触，水溶液的密度可取的水溶液接触，水溶液的密度可取1000kg/m3。求溶质求溶质A在在两相两相间间的的转移转移方方向向。已知已知操作操作条件条件下下，体体系符系符合合亨亨利利定定律律，亨亨利利常常数数E1.52105kPa。解：对于稀水溶液解：对于稀水溶液，总摩尔浓度总摩尔浓度C1000/18=55.56kmol/m3 xA=CA/C=0.003/55.56=5.4010-5 pe=E xA=1.52105 5.4010-5=8.2kPa pe pA=5.47kPa，传质方向从，传质方向从液液相相到到气气相相 例例题题(2)将总压增至将总压增至5大气压，气相溶质的摩大气压，气相溶质的摩尔分率保持原来数值尔分率保持原来数值，则则A的的传传质质方方向向又如又如何何？其他同（其他同（1）。）。解：若总压增大到解：若总压增大到5atm，则气相分压则气相分压 pA=55.47=27.35kPa，pe pA，故传质方向从，故传质方向从气气相相到到液液相相。2、指明过程的极限指明过程的极限myxxGLHe11max,1 =，吸收过程的吸收过程的极限极限3、计算过程的推动力计算过程的推动力推动力：实际浓度与平衡浓度的偏离程度推动力：实际浓度与平衡浓度的偏离程度。吸收推动力吸收推动力吸收推动力吸收推动力解吸推动力解吸推动力()()=cccxxxpppyyyeeee ()()=eeeecccxxxpppyyy 例例题题 在总压在总压P500kN/m2、温度、温度t=27oC下使下使含含3.0%（体积（体积）CO2的气体与含的气体与含370g/m3 CO2 的水相接触，试判断是吸收还是解吸？的水相接触，试判断是吸收还是解吸？并计算以并计算以CO2分压差表示的总传质推动力分压差表示的总传质推动力。已知在操作条件下已知在操作条件下，亨利系数亨利系数E1.73105kN/m2，水溶液的密度，水溶液的密度可取可取1000kg/m3。解：由题意可知，解：由题意可知，对稀水溶液，对稀水溶液，C1000/18=55.56kmol/m3 xA=CA/C=8.409 10-3/55.56=1.51410-4 pe=E xA=1.731051.51410-4=26.19kPa 气相主体中气相主体中CO2的分压的分压 pA=p3.0%=5003.0%=15kPa 由于由于pe pA，液相传质到气相，故发生，液相传质到气相，故发生解吸解吸 以分压表示的总传质推动力以分压表示的总传质推动力 p=pe pA=26.18 15=11.18kPa33/10409.84437.0mkmolCA=思考题思考题：已知已知SO2水溶液在三种温度水溶液在三种温度t1、t2、t3下的亨下的亨利系数分别为利系数分别为E1=0.0035atm，E2=0.011atm，E3=0.00652atm，则比较，则比较t1、t2、t3的关系的关系_（大小）。（大小）。1、吸收操作的物理依据是、吸收操作的物理依据是 。2、亨利定律的三种表达式以及适用条件、亨利定律的三种表达式以及适用条件 。3、汽液传质设备分为填料塔和板式塔。填料塔、汽液传质设备分为填料塔和板式塔。填料塔 为为 接触设备；板式塔为接触设备；板式塔为 接触接触设备。设备。4、若若增加增加吸收的吸收的总总压，压，则则亨亨利利常常数数E ，H ，m ，溶解度溶解度 ，对吸收对吸收 。5、若若体体系系的温度的温度下下降降，亨亨利利常常数数m E H 。6、温度、温度升升高高 对对 有利有利。常常用解吸用解吸方法方法 。小小练习练习作业 第1、2