气体吸收的原理

第五章 气体吸收第一节 概述 第二节 气液相平衡 第三节 分子扩散 第四节 对流传质 第五节 在填料塔低浓度气体吸收过程的计算 第六节 气体解吸 第七节 高浓度气体吸收§5.1 概述一. 传质分离过程简介 二. 吸收与传质 三. 物理吸收和化学吸收 四. 吸收与解吸 五. 溶剂的选择一. 传质分离过程简介 1、传质分离过程的研究对象混合物的分离是化工类生产 中的重要过程。 混合物的分类：a）非均相混合物，其分离主要 依靠力学的，即质点运动与 流体力学原理进行分离，已 在第三章中进行了讨论； b）均相混合物，其分离特点主 要依靠物质的传递（分子传 递和涡流传递）特性来实现 混合物中各组分的分离。 对b）均相混合物的分离称为 传质分离过程 另外，对干燥和浸取等一类 过程也列入传质分离过程。 如：湿物料的干燥，也是依 靠水分传递到气相来达到分 离目的。§5.1 概述2、传质分离过程的分类b平衡分离过程：根据混合物中 诸组分在两相间的平衡分配不 同来实现混合物的分离，这类 方法称为。例如：蒸馏、吸 收、萃取、吸附、干燥 etc。b速率分离过程：根据混合物中 各组分在某种力场的作用下扩 散速度不同的性质来实现混合 物的分离，这类方法称为。 例如：气体扩散、电泳、喷嘴 扩散 etc。b在一般化工生产中主要应用平 衡分离过程。3、根据生产目的来分类b化工生产中遇到的混合物多 种多样的，它们可以是g、l、 s，可以均相，可以非均相， 其中各组分的性质可以相差 很大，也可以是十分相似， 各组分的含量可以相差很大 ，也可以相差不大（处一个 量级）分离目的也不尽相同 。b一般分为四类： 分离：将混合物中各组分完 全分开，得到各个纯组分或 若干种产品。 eg：air- N2 、 O2 、各种稀有气体； 原油-汽油、煤油、柴油etc 。§5.1 概述提取和回收：从混合物中提 取某种或某几种有用的组分 。eg：从矿石中提取有用金 属；从工厂排放的废料中， 回收有价值的物质，除去污 染环境的物质；另外在医药 上中成药的提取etc。纯化：除去混合物中少量杂 质。eg：合成氨原料气中含 有CO、 CO2 等有害气体，易 使cat.中毒，现一般采用铜氨 液洗涤法、深冷分离法和甲 烷化法，这些方法在经济性 、选择性等方面都在不同程 度上存在着缺点，吸附分离 ，特别是PSA方法是新的发 展方向。浓缩：将含有组分少的稀溶 液增浓，称为。eg：在医 药上中成药的提取，可以通 过膜过程对此进行浓缩。4、根据组分在两相间的分配差 大小来分： 相配很大：吸收、萃取、浸 取、干燥蒸馏、吸附etc。 其特点为：只须引一股流， 两相接触即可。 相配不大：精馏、回流萃取 分馏吸附etc。 其特点为：须引两股流，分 段形成两相接触。§5.1 概述二. 吸收与传质 1、引子b均相混合物分离特点： 主要 依靠物质的分子、涡流传递特 性来实现混合物中各组分的分 离。b气体混合物分离特点：总是根 据混合物中各组分间某种物理 化学性质差异而进行的。b气体混合物的分离方法： 膜分离-主要依靠筛分作 用，尺寸差异 ； 精馏-主要依据沸点差异，eg ：空分得到N2和 O2 ； 吸附分离-主要依靠筛分 作用，尺寸差异 ；也有络合 作用，eg：CuCO； 吸收-主要依靠混合物中 各组分在某种溶剂中的溶解 度的不同得到分离目的。 eg：用水吸收混合气体中的 NH3能使NH3、air加以分离， 并回收NH3 ，其原因为：它 们在水中的溶解度差异很大 ，将它们通入水中， NH3很 容易溶解于水中，形成氨水 溶液，而air几乎不溶于水中 。§5.1 概述2、吸收b定义：气体溶解于液体的过程 ，称之为。b气体吸收在工业及环保中的应 用 回收产品：用洗油（焦化厂 副产品，数十种C、H化合物 的混合物）吸收焦炉煤气中 的苯、甲苯、二甲苯。有 机合成八大基础原料：三苯 、三稀（ 1,3-丁二稀、乙稀 、丙稀）、一萘一炔。 气体净化：合成氨原料气中 含有CO、CO2 、CO2 S、H2 S 等有害气体，易使cat.中毒。对微量CO、CO2现一般采用铜 氨液洗涤法、深冷分离法和 甲烷化法，但净化度和能耗 高，目前正开发络合变压吸 附（PSA）的技术是无热源 技术，是非常节能的发展方 向。 制备某种气体的溶液： HCl（g) H2 O-HCl(L) 3 NO2 H2O=2HNO3 NOSO2- SO3 H2O- H2 SO4 一般采用92.5% H2 SO4吸收成 为98% -105% H2 SO4 。实际过程往往同时兼有净化 和回收双重目的。§5.1 概述3、传质b气体吸收是传质分离过程。 前面提到的传质分离过程中 ，重点是要讲述平衡分离过 程，是组分在两相间的分配 不同（平衡）来实现分离。 气体吸收过程包含有组分从 一相到另一相的转移。 过程的推动力为：浓度差Cb过程简介以NH3和air用水吸收为例： 示意图如右侧图一所示 过程 1) NH3易溶解于水中， 其浓度为C0，而air难溶于水 ，液，而air几乎不溶于水中 ；液面处浓度液面处浓度C >液相主体浓度液相主体浓度C CL0 L0 ，故在液相中从界面向深处移动；故在液相中从界面向深处移动； 3)3)随着吸收的进行，气相中随着吸收的进行，气相中NHNH3 3浓度浓度 减少，减少，液相中液相中NHNH3 3浓度增加，推动力浓度增加，推动力 C C减少；减少；4)4)当气液相达到平衡时，当气液相达到平衡时， C C0 0， NHNH3 3的转移速率的转移速率0 0。§5.1 概述b气体吸收过程的特点 需加入另一物质，使该物质与 原均相混合物接触构成并存的 两相； 判断是否发生组分的相际转移 ？可以假想：每一相中各组分 的浓度都均匀一致，若转移的 组分在两相中的浓度偏离平衡 态越远，则该组分的转移速率 越大； 当转移的组分在两相中呈平衡 态，则该组分的转移速率为零 。b相关术语介绍 溶质气体或吸收质：混合气体 中容易溶解的组份称为，用 A表示，eg：NH3 ； 惰性成分或载体：混合气体 中很难溶解的组份称为， 用B表示， eg：空气（air); 吸收剂或溶剂：吸收中所用 的能够溶解某一组分的物质 称为，用S表示， eg：水 ； 吸收液：吸收操作中溶剂吸 收了溶质气体后所得的溶液 称为，用S+A表示; 吸收尾气：吸收操作中排除 的气体称为，用（A）+B表 示 单组分吸收：溶质气体为单 组分的吸收过程，称为 单组分吸收：溶质气体为多 组分的吸收过程，称为。§5.1 概述三. 物理吸收和化学吸收b物理吸收 定义： 溶质气体溶于液相中 不发生显著化学反应的吸收 过程，称之为 例如： CO2 H2O H2 CO3 HCl（g）H2O HCl（L） 丙酮（g）H2O丙酮（L）b化学吸收 定义： 液相中有某种组分， 能够与溶质气体（溶解于L） 进行化学反应的吸收过程， 促进了吸收过程的进行速率 ； 例如：Na2 CO3 （K2CO3) CO2 H2O = Na2HCO3 （ KHCO3 )四. 吸收与解吸b一个完整的吸收分离过程一般 包括吸收和解吸两部分。b解吸：从溶液中释放出溶解吸 收的溶质气体的操作，称为b解吸的方法： 加热，因温度升高，溶解度降 低； 减压，因压力降低，溶解度降 低； 惰性气体与溶液逆流接触，一 般采用过热蒸汽，一方面由于 较高温度，另一方面由于惰性 气体可以降低溶质气体的分压 ，从而带出溶质气体。§5.1 概述b吸收与解吸联合操作图图5-1 5-1 吸收与解吸联合操作吸收与解吸联合操作§5.1 概述从焦炉煤气中回收粗苯（苯 、甲苯、二甲苯等）的生产 流程图如图 5-1所示。 在吸收塔内：焦炉煤气与洗 油（焦化厂副产品，数十种C 、H化合物的混合物）逆流接 触，气相中粗苯蒸汽被洗油 吸收，脱苯煤气从吸收塔顶 排出；吸收粗苯后的洗油， 称为富油； 在解吸塔内：利用过热蒸汽 对其解吸，在解吸塔顶排出 的气相为过热水蒸汽和粗苯 蒸汽混合物； 相分离器的原理是两种液体 不互溶，且密度有差异。 在相分离器内：过热水蒸 汽和粗苯蒸汽混合物冷凝 后因两种凝液不互溶，并 依据密度不同而分层，粗 苯在上，水在下。分别引 出则可以得到粗苯产品， 从而实现混合物的分离； 解吸后的液相成为贫油， 经过冷却器降温后，再进 入吸收塔循环使用； 如此循环往复，从而实现 吸收和解吸的联合操作过 程。§5.1 概述五. 溶剂的选择b溶剂又称吸收剂，选择良好的 吸收剂是设计吸收过程的重要 一环；b选择原则 吸收剂对溶质应有较大的溶解 度，以提高吸收速率，减少吸 收剂的用量； 同时为了便于吸收剂的再生回 用，其溶解度应随操作条件的 改变有显著的差异； 吸收剂对溶质应有良好的选择 性，即对于混合气中待吸收组 分的溶解度要大，对其余组分 的溶解度要小；溶剂的挥发性要小，即蒸气 压低，以减少溶剂的损失量 ； 溶剂的粘度要低，这样有利 于气、液接触，提高吸收速 率，也便于输送； 无毒； 难燃； 腐蚀性小； 易得价廉； 易于再生利用； 不污染环境。§5.2 气液相平衡一. 气液平衡关系 二.亨利定律 三. 过程方向判断与过程推动力引子：溶质在气、液相间的平衡关系是分析判断溶质在相间传递过 程中的方向、极限以及确定传递 过程推动力大小的依据。 一. 气液平衡关系本节只讨论单组分物理吸收的气液平衡关系，即：气相中只有溶质 A 和惰性气体 B两个组分，液相中只有溶质A和 吸收剂（溶剂）S 两个组分。单组分物理吸收的气液平衡 关系如图5-2所示。图图5-2 5-2 单组分物理吸收气液平衡单组分物理吸收气液平衡§5.2 气液相平衡1、气液平衡关系的确定 （1）根据相律，单组分物理吸收 体系的自由度F应为：FC23223 式中：相数 2 （为G、L）组分数C3（分别为 A、B、S ）（2）由F3知：三组分气液两 相平衡时，在温度t和总压P和气 、 液组成四个变量中，有三个是独 立变量，另一个是它们的函数。 （3）约束条件说明： G : yA yB 1 L : XA XS 1 所以:P、t、 yA 、 XA中知道三个,气、液平衡就确定了。 （4）小结：在温度t和总压P一定的条件下，气液相平衡时，气 相组成是液相组成的单值函数。 （5）平衡时气液相组成的表示气相中溶质的分压，称为平 衡分压 或饱和分压； 液相中溶质的组成，称为平 衡组成 ，或者称为气体在液 体中的溶解度； （6）实际上，对于多数体系，在 总压P不很高的情况下，可以认为气体在液相中的溶解度只取决于 该气体在气相中的分压，与P无关 。§5.2 气液相平衡2、气液平衡关系的测定气液平衡关系一般通过实验测出。前人做了很多的工作，故 我们可以查阅文献和有关手册得 到部分需要的气液平衡数据。 3、气液平衡关系的表示方法列表 关系式-如：Hery定律 图线。 用二维坐标绘成的气液相平衡关 系曲线，又称为溶解度曲线。 参见化工原理P204图5-3、 5-4 、 5-5所示。分别从这三图中查得在P 60kPa 、t20 时NH3 、 SO2 、 O2在水中 的溶解度为：390g / 1 000g 、68g / 1 000g 、0.025g / 1 000g 。 3、溶质浓度的表示方法 1）对气相(Gas Phase)采用两种: 分压 P