浙大化工原理第九章-氣體吸收-第一次課

1、化工原理任課教師：周勇Dr. Zhou YongPrinciples of Chemical Engineering第九章 氣 體 吸 收Gas Absorption吸收的目的吸收的目的1.回收有用物質(zhì)； 用98%的硫酸吸收SO3氣體制取98%硫酸。 用洗油從煤氣中回收粗苯等。2.除去有害成分。 包括原料氣凈化，尾氣、廢氣的凈化。 用水或堿液脫除合成氨原料氣中的二氧化碳。 燃煤鍋爐煙氣、冶煉廢氣等脫SO2等。 實(shí)際過程往往同時(shí)兼有凈化與回收雙重目的。什么是吸收？什么是吸收？ 利用氣體混合物中各組分在液體溶劑中溶解度的差異來分離氣體混合物的操作稱為吸收。SO3+ N2,O2N2,H2+ CO2,

2、SO2吸收操作的分類吸收操作的分類物理吸收：氣體各組分因在溶劑中溶解度的不同而被分離的吸收操作?；瘜W(xué)吸收：利用化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的吸收操作。單組分吸收：混合氣體中只有單一組分被液相吸收，其余組分因溶解度甚小其吸收量可忽略不計(jì)。多組分吸收：有兩個(gè)或兩個(gè)以上組分被吸收。非等溫吸收：體系溫度發(fā)生明顯變化的吸收過程。等 溫 吸 收 ：體系溫度變化不顯著的吸收過程。 溶解熱：氣體溶解于液體時(shí)所釋放的熱量?；瘜W(xué)吸收時(shí)，還會(huì)有反應(yīng)熱。 化學(xué)反應(yīng)能大大提高單位體積液體所能吸收的氣體量并加快吸收速率。但溶液解吸再生較難。圖9-3 乙醇胺水溶液吸收CO2流程原料氣(CO2)吸收塔解吸塔換熱器冷卻器再沸器CO2冷卻器吸

3、收操作實(shí)例吸收操作實(shí)例乙醇胺水溶液吸收二氧化碳?xì)怏w吸收操作須解決吸收操作須解決的問題的問題（1）選擇合適的溶劑（2）提供適當(dāng)?shù)膫髻|(zhì)設(shè)備（3）溶劑的再生（1）溶解度大溶劑用量少，設(shè)備尺寸較小。（2）選擇性高對(duì)待吸收組分的溶解度大，其余組分的溶解度小。（3）對(duì)溫度的變化比較敏感，便于溶劑的再生。（4）蒸汽壓低 以減少吸收和再生過程的溶劑揮發(fā)損失。（5）較好的化學(xué)穩(wěn)定性 以免使用過程中發(fā)生變質(zhì)。（6）粘度小 有利于氣液接觸與分散，提高吸收速率；（7）廉價(jià)、易得、無毒、不易燃易爆等。吸收劑的選擇吸收劑的選擇吸收操作的經(jīng)濟(jì)性吸收操作的經(jīng)濟(jì)性吸收的操作費(fèi)用：（1）流動(dòng)能耗；（2）溶劑損耗；（3）溶劑的再生

4、費(fèi)用，即解吸操作費(fèi)。 三者中尤以再生費(fèi)用所占比例最大。常用解析方法： 升溫、減壓、吹氣，升溫和吹氣常同時(shí)進(jìn)行。氣液兩相的接觸方式氣液兩相的接觸方式連續(xù)接觸（微分接觸）： 氣、液兩相的濃度呈連續(xù)變化。如填料塔。級(jí)式接觸： 氣、液兩相逐級(jí)接觸傳質(zhì)，兩相的組成呈階躍變化。如板式塔。溶劑溶劑a a 微分接觸微分接觸氣體氣體b b 級(jí)式接觸級(jí)式接觸溶劑溶劑氣體氣體吸收劑吸收劑氣體氣體yx界面界面氣相主體氣相主體 液相主體液相主體 相相界界面面氣相擴(kuò)散氣相擴(kuò)散 液 相 擴(kuò)液 相 擴(kuò)散散 yi xi 氣體吸收是混合氣體中某些組分在氣液相界面上溶解、在氣相和液相內(nèi)由濃度差推動(dòng)的傳質(zhì)過程。 吸收過程涉及的主要問

5、題有：物質(zhì)傳遞的方向和限度；傳質(zhì)的推動(dòng)力；傳質(zhì)速率。氣液相平衡關(guān)系相律相律 F=C- +2自由度自由度 = 3 = 3 即在溫度、壓力和氣、液相組成四個(gè)變量中，有三個(gè)獨(dú)立變量。 氣液兩相達(dá)平衡時(shí)，溶質(zhì)組分在兩相中的濃度服從某種確定的關(guān)系，即相平衡關(guān)系。 對(duì)單組分吸收，相數(shù) = 2，組分?jǐn)?shù) = 3（溶質(zhì)A、惰性組分B、溶劑S）yPTfx, 在溫度和壓力一定條件下，只有一個(gè)獨(dú)立變量，即平衡時(shí)氣、液相組成具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系相平衡。 yfx 溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC12

6、0溶解度/g(SO2)/1000g(H2O)250200020406080100pSO2/kPa1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC在相同條件下，NH3 在水中的溶解度較 SO2 大得多。用水作吸收劑時(shí)，稱 NH3 為易溶氣體，SO2為中等溶解氣體，溶解度更小的氣體則為難溶氣體（如O2 在 30 和溶質(zhì)的分壓為 40kPa 的條件下，1kg 水中溶解的質(zhì)量?jī)H為 0.014g）。 溶解度曲線：溶解度曲線：在一定溫度、壓力下，平衡時(shí)溶質(zhì)在氣相中的分壓 p*與液相中濃度的關(guān)系曲線。稀溶液的溶解度曲線通常近似地為一直線，此時(shí)溶質(zhì)組分在氣相中的分壓與其在溶液中

7、的摩爾分?jǐn)?shù)成正比，即Exp * 亨利定律亨利定律（亨利定律（HenryHenrys laws law） 其它形式的亨利定律mxy *cHp1*PEm EcHmsmMc（1）P5atm，E(H）與壓力無關(guān)； P，m，溶解度。（2）t，E，H，m，溶解度。y* 與組成為x的液相呈平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；c 溶質(zhì)在液相中的摩爾濃度，kmol/m3；m 相平衡常數(shù)；H 溶解度系數(shù)；kmol/(m3kPa)； 式中 cm 為溶液的總濃度（kmol/m3）。對(duì)于稀溶液，因溶質(zhì)的濃度很小，因此 cm = / Ms ，其中 為溶液的密度，Ms 為溶劑的摩爾質(zhì)量。 p* 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa； x

8、 溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)；E 亨利系數(shù)，kPa。 在低濃度氣體吸收計(jì)算中，通常采用基準(zhǔn)不變的比摩爾分?jǐn)?shù) Y（ 或 X ）表示組成。 比摩爾分?jǐn)?shù)表相組成的平衡關(guān)系 X 溶質(zhì)在液相中的比摩爾分?jǐn)?shù)Y*與組成為X的液相呈平衡的氣相中溶質(zhì)的比摩爾分?jǐn)?shù)yyBAY1的摩爾數(shù)氣相中惰氣的摩爾數(shù)氣相中溶質(zhì)xxSAX1的摩爾數(shù)液相中溶劑的摩爾數(shù)液相中溶質(zhì)XmmXY)1 (1*mXY*當(dāng) m 趨近 1 或當(dāng) X 很小時(shí)mxy *傳質(zhì)過程的方向 氣、液相濃度（y,x）在平衡線上方（P點(diǎn)）：yxoy*=f(x)Pyxy*x*釋放溶質(zhì)釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)吸收溶質(zhì)氣液相際傳質(zhì)過程的方向、限度及推動(dòng)力 結(jié)論：吸收。*yy *xx 氣、液相濃度（y,x）在平衡線下方（Q點(diǎn)）：yxoy*=f(x)Qyxy*x*釋放溶質(zhì)釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)吸收溶質(zhì)結(jié)論：解吸。*yy *xx 氣、液相濃度（y,x）處于平衡線上（R點(diǎn)）：yxoy*=f(x)Ryxy*x*結(jié)論：系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。*yy *xx 對(duì)吸收而言：若 x 不變，則 ymin=y*；若 y 不變，則 xmax=x*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*傳質(zhì)過程的限度 yxoy*=f(x)Qyxy*x*對(duì)解吸而言：若x 不變，則 ymax=y*；若y 不變，則 xmin=x*。 傳質(zhì)推動(dòng)力的表示方法可以不同，但效果一樣。 吸收：方法：用