1、吸收的工业背景 在合成氨工厂 合成氨的原料气中含有30 CO2 如何将CO2从原料气中分离 在焦化厂 焦炉气中含有多种气体 如CO H2 NH3 苯类等 如何将NH3从焦炉气中分离 在硫酸厂 硫铁矿经焙烧氧化 可以得到SO3 如何由SO3制造硫酸 为了解决上述问题 化学工程师提出了一种化工单元操作 吸收 吸收的工业应用 1 分离混合气体 最主要的应用 2 气体净化例如某厂房空气体中含有有毒有害气体A 不符合环境保护的排放标准 则选用合适溶剂将有害气体吸收 使该厂房空气体达到排放标准 3 制备液体产品例如用水吸收氯化氢气体制备盐酸 用93 硫酸吸收SO3制备硫酸等等 吸收操作 利用组成混合气体各
2、组分在溶剂中溶解度的不同 来分离气体混合物的操作 称为吸收操作 吸收操作的分类 按有无化学反应 分物理吸收和化学吸收 例如用NaOH吸收CO2就是化学吸收 按溶质气体的数目 分单组分吸收和多组分吸收 按有无明显热效应 分等温吸收与非等温吸收 本章重点讨论的是单组分等温的物理吸收 工业流程示例 图示为从合成氨原料气中回收CO2的工业流程 乙醇胺对CO2有较大溶解度 选乙醇胺做溶剂 溶剂要回收循环使用 又有了CO2解吸塔 吸收塔 解吸塔 锅炉就构成了CO2回收的工段或车间 进工段的是合成氨原料气 出工段的是CO2和低浓CO2的合成氨气 吸收剂的选择 吸收剂应对被分离组分有较大的溶解度应有较好的选择
3、性具有较低的蒸汽压以减少挥发损失化学稳定性高有较低的粘度 且不易产生泡沫解吸方便 价廉 无毒 容易再生 溶解度 在一定温度与压力下 溶质气体最大限度溶解于溶剂中的量 即溶解度 气体溶解示意图 如图所示 NH3溶于水的速率等于NH3逸出水的速率 此时达到动平衡 动平衡时 水中溶解的氨的量 称为在该温度 压力下的氨在水中的溶解度 测绘溶解度曲线 若固定温度 压力不变 测得某动平衡下 溶液上方氨的分压为p1 此时溶于水的氨的浓度为x1 再改变浓度为x2 测得上方氨分压为p2 依次类推 改变氨的浓度为xn 测得溶液上方氨的分压为pn 如图所示 将这n个点 标绘在图上 即得在一定温度 压力下的溶解度曲线
4、 测绘示例 例 已知20 时 在一个大气压下氨气溶解于水的溶解度数据如下表所示 据此画出的溶解度曲线 横坐标用x 摩尔分率 纵坐标用p kPa 测绘示例 测绘示例 画出溶解度曲线 亨利定律 在一定温度下 气体在液体中的饱和浓度与液面上该气体的平衡分压成正比 它是英国的W 亨利于1803年在实验基础上发现的经验规律 实验表明 只有当气体在液体中的溶解度不很高时该定律才是正确的 此时的气体实际上是稀溶液中的挥发性溶质 气体压力则是溶质的蒸气压 亨利定律 亨利定律还可表述为 在一定温度下 稀薄溶液中溶质的蒸气分压与溶液浓度成正比 p Ex式中 p是稀薄溶液中溶质的蒸气分压 x是溶质的物质的量分数 E
5、为亨利常数 其值与温度 压力以及溶质和溶剂的本性有关 亨利定律的适用范围 只有溶质在气相和液相中的分子状态相同时 亨利定律才能适用 若溶质分子在溶液中有离解 缔合等 则上式中的x应是指与气相中分子状态相同的那一部分的含量 在总压力不大时 若多种气体同时溶于同一个液体中 亨利定律可分别适用于其中的任一种气体 一般来说 溶液越稀 亨利定律愈准确 在x 0时溶质能严格服从定律 三个系数的概念及量纲 亨利系数 溶解度系数 相平衡常数 式中 P 溶质在气相中的平衡分压 x 液相摩尔分数 c 溶质的总浓度 y 与液相摩尔分数x平衡的气相摩尔分数 亨利系数的换算 E与m的换算 A 式中 P 气相总压 kPa
6、 传质机理 分析化工过程需要解决两个基本问题 过程的极限和过程的速率 吸收过程包括三个步骤 溶质由气相主体传递到两相界面溶质在相界面上的溶解溶质自界面被传递到液相主体 传质机理 无论气相或液相 物质传递的机理包括以下两种 分子扩散 类似于传热的热传导 混合物中存在温度梯度 压强梯度及浓度梯度都会产生分子扩散 对流传质 在流动的流体中不仅存在分子扩散 而且流体的宏观流动也将导致物质的传递 分子扩散及费克定律 分子扩散 流体内某一组分存在浓度差时 则由于分子运动使组分从浓度高处传递至浓度低处 这种现象称为分子扩散 费克定律 单位时间通过单位面积物质的扩散量与浓度梯度成正比 分子扩散速率 分子扩散速
7、率 单向扩散和主体流动 在吸收时 简化地认为气液相界面只允许气相中的溶质A通过而不允许惰性气体B通过 也不允许溶剂S逆向通过吸收过程中组分A不断被界面液体所吸收 惰性组分B则被界面阻留 故组分B在界面处的浓度高于主体气相 导致组分B的反向扩散流 组分A被吸收和组分B的反向扩散 将导致界面处气体总压降低 使气相主体与界面之间产生微小压差 这压差必定促使混合气体向界面流动 此流动称为主体流动 主体流动和扩散流的区别 扩散流是分子微观运动的宏观结果 它所传递的是纯组分A或纯组分B 主体流动是宏观流动 它同时携带组分A和组分B流向界面 在定态条件下 主体流动所带组分B的量必恰好等于组分B的反向扩散 主
8、体流动和单向扩散示意图 气液界面 P Q 主体流动 主体流动 主体流动传递的量为 主体流动携带的组分B的量与B的分子扩散量相等 组分A在单向扩散中的传递速率为 主体流动 边界条件 积分得 若用分压表示 双膜模型 双膜模型中的假设 双膜模型中的假设 双膜模型计算示例 双膜模型计算示例 传质速率方程 传质速率方程 传质速率方程 若在上图中 液相浓度用x 摩尔分率 表示 气相浓度用y 摩尔分率 表示 重新表达的双膜模型的图如下 传质速率方程 重新写出的传质速率方程为 传质系数之间的换算 传质系数之间的换算 例1 在110kPa下操作的氨吸收塔的某截面上 含氨0 03 摩尔分数 的气体与氨浓度为1km
9、ol m3的氨水相遇 已知气膜传质系数kG为5 10 9kmol m2 s Pa 液膜传质系数kL为1 5 10 4m s 氨水的平衡关系可以用亨利定律表示 溶解度系数H为7 3 10 4kmol m3 Pa 试计算 1 气液两相界面上的两相组成 2 以分压差和物质的量浓度差表示的总推动力 总传质系数和传质速率 3 以摩尔分数差表示推动力的气相总传质系数 4 气膜与液膜阻力的相对大小 例1解答 气膜阻力 液膜阻力 总阻力 气膜阻力 液膜阻力 吸收计算引论 吸收计算引论 首先想到Z与分离的物系性质有关 某溶剂对某溶质的溶解度越大 越易吸收 Z会越小 这与分子间的力有关 即物系的相平衡关系 与传质
10、相界面的面积有关 单位体积填料提供的有效传质面积越大 达到相同分离要求的Z会越小 此即与填料的形状有关 衡量填料形状的因素 可用传质速率与传质系数表达 若物系相同 填料形状亦相同 但处理的原料气量 V 和原料气的进出口组成 y1和y2 不同 所以Z又与V L y1 y2 x1有关 此即与物料衡算有关 下面将分相平衡关系 传质速率 物料衡算等三个方面来展开吸收过程 最小液气比 物料衡算计算示例 物料衡算计算示例 填料层高度基本计算式 填料层高度基本计算式 a为填料层的比相界面积 填料层高度基本计算式 填料层高度基本计算式 传质单元高度与传质单元数 传质单元高度与传质单元数 传质单元高度与传质单元
11、数 平均推动力计算传质单元数 平均推动力计算传质单元数 平均推动力计算传质单元数 平均推动力计算传质单元数 塔顶 塔底总推动力的对数平均值 吸收因数法计算传质单元数 吸收因数法计算传质单元数 吸收因数法计算传质单元数 吸脱因数 吸收因数 吸收塔设计计算示例 吸收塔设计计算示例 吸收塔设计计算示例 吸收塔设计计算示例 吸收塔操作计算示例 吸收塔操作计算示例 吸收塔操作计算示例 测试题 如图所示的精馏塔具有一块实际板及一只蒸馏釜 原料预热到泡点 由塔顶连续加入 xF 0 20 摩尔分数 下同 测得塔顶产品能回收原料液中易挥发组分的80 且xD 0 28 系统的相对挥发度 2 5 试求残液组成xw及
12、该板的板效率 设蒸馏釜可视为一块理论板 解答 塔顶与第一块板之间作控制体衡算 恒摩尔流假设 吸收与解吸 吸收与解吸 解吸塔填料层高度计算 解吸塔填料层高度计算 解吸塔填料层高度计算 课堂作业1 用纯溶剂对低含量气体作逆流吸收 可溶组分的回收率为 采用的液气比是最小液气比的 倍 物系平衡关系服从亨利定律 试以 两个参数列出计算NOG的表达式 课堂作业2 对于低含量气体逆流吸收 试证 作业1 两个容器内分别装有两种不同浓度的三氯氟甲烷 氮的混合气体 连通管长为0 65m 内径为25mm 系统温度为398K 压强为200kPa 左侧容器内三氯氟甲烷的分压为40kPa 右侧的为13kPa 已知在系统条件下三氯氟甲烷 氮的扩散系数为1 8 10 6m2 s 求单位时间内自左侧容器向右侧传递的三氯氟甲烷的量 若扩散是三氯氟甲烷通过另一停滞组分氮气进行扩散 而其他条件不变 计算传质速率 作业2 浓度为0 02 摩尔分率 的稀氨水在20oC时氨的平均分压为1 666kPa 氨水上方的总压为101 3kPa 在此浓度下相平衡关系服从亨利定律 试求亨利系数E H m 作业3 用纯溶剂对低含量气体作逆流吸收 可溶组分的回收率为 采用的液气比是最小液气比的 倍 物系平衡关系服从亨利定律 试以 两个参数列出计算NOG的表达式
