化工原理吸收教学课件PPT

5.1.1 化工生产中的传质过程
一、均相物系的分离
均相混合物的分离，首先要设法制造另外一个相，
使得物质从一个相转移到另外一相。
根据不同组分
某种过程
均相物系
两相物系
在各相中物性 的差异，使某
组分从一相向
实现均相物系的分离
另一相转移： 相际传质过程
相际传质过程
均相物系分离
相际传质过程的推动力：浓度差
5
分离
均 相 混 合 物 非 均 相 混 合 物
动量传递 三传 热量传递
质量传递
-----在浓度差、温度差、压 力差等推动力作用下，物质从 一处向另一处的转移过程。包 括相内传质和相际传质两类。
利用某种性质差异
方法 加 加入 入能 另量 外一种分 物离 质剂 作为 加场，如浓度场、电 温场 度、磁场
4
13
5.1.7 吸收操作的分类
按被吸收 组分数目
单组分吸收
多组分吸收√ 气体混合物 液体
气体 吸收
按吸收有无 化学反应
按溶质组 成的高低
按吸收的 温度变化
物理吸收
化学吸收√
低浓度吸收
高浓度吸收√
等温吸收
非等温吸√收
溶质A S
惰性组分B 吸收剂
相界面
本章只讨论单组分、低浓度、等温、物理吸收过程 的有关原理和计算。
ExA p*A
y*Ap*A/ pxAE/ p
p*A ExA
∴
mE p
y*A mxA
26
在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变
的比摩尔分数Y( 或 X)表示组成。
由yA*mxA
得
YA* 1YA*
mX*A 1 X*A
∴
YA*
mXA 1(1m)XA
XA —— 溶质在液相中的摩尔比浓度； YA* —— 与XA呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。
根据相律可知， 相平衡时自由度数
F C 321
达平衡状态时
液相组成 x A
气相分压
p
* A
p*Af(xA) 平衡方程
气体（A＋B）
A溶解 A逸出
液体 S 气体在液体 中的溶解度 气体的平衡
分压
21
二、溶解度曲线
在一定温度、压力下，达溶解平衡时溶质在气、 液两相中的浓度之间的关系曲线。
溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)] 溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]
思考5：对理想气体， c与 p 的关系？Y与p的关系？
18
5.2.1 溶解度及溶解度曲线 5.2.2 亨利定律 5.2.3 气液相平衡在吸收中的应用
19
5.2 吸收过程的气液平衡关系 （溶解平衡）
相平衡 ---相际间传质的最终状态
与热平衡不同之处：
❖达到相平衡时，一般两 相浓度不相等。
pA 气相主体
二、化工生产中的常规分离方法
pA 气相主体
相界面 pi
Ci
空 气 +氨 气 吸收
水 液相主体
传质方向 CA
气 相 （ 乙 醇 -水 ）
乙醇
水
CG 液相主体
相界面 Ci
苯
液相主体 传质方向
CL
煤焦油（含苯酚） 液液萃取
空气
液 相 （ 乙 醇 -水 ）
水 湿物料
蒸馏
干燥
6
5.1.2 气体吸收的原理
分离物系
31
二、计算过程推动力
吸收过程的推动力是一相的实际浓度和平 衡浓度的差异。
对吸收过程：
⊿y=(y-y*)：以气
xAwA/M wA A/M wB A/MB
15
二、质量浓度A和物质的量浓度cA
定义：
质量浓度
A
m A
V
kg/m3
密度
物质的量浓度
cA
nA V
kmol/m3
两者关系： Am VAnAV MAcAMA
思考3：xA与cA的关系？wA与A的关系？
cAxAcm A wA
平均摩尔质 量
cm M M xiMi cmcAcB
2
5.1.1 化工生产中的传质过程 5.1.2 气体吸收的原理 5.1.3 吸收操作的应用 5.1.4 吸收设备 5.1.5 吸收操作流程 5.1.6 吸收剂的选择原则 5.1.7 吸收操作的分类 5.1.8 混合物组成的表示方法
3
5.1 概述
分离过程在全厂的设备投资 费和操作费上占很大比重。 对一典型的化工厂，分离设 备的投资占60~70％，分离过 程的能耗约占30％。
14
5.1.8 混合物组成的表示方法
一、 质量分数 w 和摩尔分数(量分数)x
定义：混合物中某组分的质量(摩尔)占总质量(摩尔)的分数。
wA
mA m
xA
nA n
思考1：双组分均相物系(A、 B)的摩尔分数之和等于多少？ 质量分数之和呢？
wA
xAMA xAMAxBMB
xAxB 1 wAwB1
思考2：xA与wA的关系？
∴亨利系数 E p * A /x 1 .2 /0 .01 7 5.8 k 6 6P 3 a
相平衡常数 m E /p 7.8 6 /1.3 0 2 1 0 .7 558
溶解度系数 H 100 0.0 72 k3 m /m (o 3k l P ) a
EsM 7.8 6 18
29
5.2.4 气液相平衡在吸收中的应用
结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，将发生溶 质从气相到液相的传质，即吸收过程。
30
一、判断过程方向
类似分析可得：
y
y*=f(x) y
y*
y*
吸收溶质
y
y
Q
释放溶质
y*=f(x) R
o
x* x x o
x* x x
结论：若系统气、液相，即解吸过程。 若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，系统宏 观上不发生相际间的传质，即处于平衡状态。
气体混合物
形成两相体系的方法
引入一液相（吸收剂）
传质原理
各组分在吸收剂中溶 解度的不同。
吸收尾气 B(含微量A)
吸收剂 S
吸 收 原料气 塔 A＋B
吸收液 S+A
逆流吸收流程
7
吸收操作中的各组分
吸收质或溶质：混合气体中 的溶解组分，以A表示。
惰性气体或载体：不溶或难 溶组分，以B表示。
吸收剂：吸收操作中所用的 溶剂，以S表示。
动画-03
动画-04
12
5.1.6 吸收剂的选择原则 经济、合理 一、溶解度 大
吸收剂对溶质组分的溶解度要大。
二、选择性 高
对溶质组分有较大溶解度，而对其它组分溶解度甚微。
三、挥发度 小
吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小。
四、黏度 低
吸收剂在操作温度下的黏度要低。
五、其它
无毒、无腐蚀、不发泡、价廉易得、化学性质稳定。
对于同一种气体，温度T一定时，分压p越大，溶解度越大；
加压和降温对吸收操作有利。
22
pA，a t m
1 .0
O2
0 .9
0 .8 pA=723cA
CO2
pA=25.5cA
0 .7 0 .6
0 .5 难溶体系
SO 2
溶解度适中体系
0 .4
0 .3
0 .2
pA=0.36cA
NH3
0 .1
易溶体系
pA=0.0136cA
1000
250
0 oC
200
0 oC
10 oC 150
10 oC
500
20 oC
30 oC
100
20 oC
40 oC
30 oC
50 oC
50
40 oC 50 oC
0
20 40 60 80 100 120
pNH3/kPa
0
20 40 60 80 100 120
pSO2/kPa
对于同一种气体，分压p一定时，温度T越高，溶解度越小；
（2）对于稀溶液 或极稀溶液，溶 解度曲线近似为 直线。
23
5.2.3 亨利定律（Henry’s law）
当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲 线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中 的分压成正比。
p*A ExA—— 亨利定律
思考： E越大，表明 越易溶还是越难溶？
T，E；p对E影响可忽略。 E越大，越难溶！
0
12
34
567
8 9 10 11
1 0 ncA， k m o l/m 3
O 2 n = 3， C O 2 n = 2， S O 2 n = 1， N H 3 n= 0 几 种 气 体 在 20℃ 水 中 的 溶 解 度 曲 线
如右图示出了 四种气体20C 下在水中溶解 度曲线。
说明：
（1）吸收剂、T、 p一定，不同气体 的溶解度差异很 大；
T ，m ，H； p，m ； p在几个大气压范围内对H 影响可忽略，其他情况下，一般p ，H 。
思考：m越大，表明越 易溶还是越难溶？
m越大，越难溶！
思考：H越大，表明越 易溶还是越难溶？
H越大，越易溶！
25
E 与H的关系
cAcmxA
p*A cA/ HxAcm/ H
∴
Ecm
对稀
溶
液
H
MsH
m与E的关系
相界面 pi
❖相平衡属动态平衡—— 达到相平衡时，传质过程 仍在进行，只不过通过相 界面的某一组分的净传质 量为零。
ci
空 气 +氨 气 吸收
水 液相主体 传质方向
cA
? ? 传质速率：取决于传质过程的推动力和阻力。
20
5.2.1 溶解度及溶解度曲线
一、溶解度
在一定温度和压力下，令某气 体混合物（A＋B）与液体 S 接触。
动画-01
连续接触
气、液两相的浓 度呈连续变化， 如填料塔。
动画-02
10
5.1.5 吸收操作流程
脱苯煤气
洗油
吸收剂常常需要回收再利用
吸收
解吸
苯
吸
收
加
含苯煤气 塔
热 器
冷 却 器
解 吸 塔
水
过热蒸汽
吸收与解吸流程
11
多塔吸收流程
（a）气、液串联（逆流）
（b）气体串联、液体并联（逆流）
多塔吸收流程
通用气体常数 R8.31 k4 /Jk ( m K o )
对理想气体，根据道尔顿分压定律可得：
摩尔分数与组分的分压之间的关系:
yA
pA p
物质的量浓度与分压之间的关系:
cA
nA V
pA RT
摩尔比与分压之间的关系:
YA
nA nB
pA pB
质量浓度与分压之间的关系: Am VAM V AnApA RM T A
16
三、质量比和比摩尔分数 (摩尔比)
定义：混合物中某两个组分的质量（摩尔）比。
摩尔比
XA
nA nB
质量比
X A
mA mB
思考4：双组分均相物系中，x与X的关系？w与的X'关系？
摩尔比与摩尔分数： 液相
质量比与质量分数：
XA
xA 1 xA
X A
wA 1 wA
YA
1
yA yA
气相
17
四、气体分压pi
28
[例5-1]在常压及20℃下，1000kg水中溶解15kgNH3，此时溶 液上方气相中NH3的平衡分压为1.2kPa，在该浓度范围下相 平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数 H，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3）
解：已知 p*A 1.2kPa xAn n A1/511 7/1 5107/0 10 8 0.01563
当溶液中溶质浓度很低时，XA≈ 0， 上式简化为：
YA* mXA
27
注意：亨利定律的几种表达形式也可改写为
x*A
pA E
, c*A
HpA
x* A
yA, m
X* A
YA m
亨利定律的各种不同表达式都是说明互成平衡 的气液两相组成的关系，既可由液相实际组成求与 之平衡的气相组成，也可由气相实际组成求与之平 衡的液相组成。
三、回收混合气体中所需的组分
例：用洗油处理焦炉气以回收芳烃，使其与甲烷、氢分离开来 ； 用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。
四、工业废气的治理
例：燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。
9
5.1.4 吸收设备 级式接触
气、液两相逐级接 触传质，两相的组 成呈阶跃变化，如 板式塔。
式中：p
* A
——
溶质在气相中的平衡分压，kPa；
xA—— 溶质在液相中的摩尔分数；
E —— 亨利系数，kPa。不同物质的E值见教材
P452附录16。
24
其它形式的亨利定律
y*A mxA
p
* A
cA H
cA —— 溶质在液相中的物质量(摩尔)浓度，kmol/m3； m —— 相平衡常数，无量纲。 H —— 溶解度系数，kmol/(m3kPa)
学习目的 与要求
通过本章学习，应掌握吸收的基本概念和吸收 过程的平衡关系与速率关系；掌握低浓度气体吸收 的计算方法；了解传质与分离过程的基本概念及吸 收系数的获取途径、解吸过程的概念。
1
5.1 概述 5.2 吸收过程的气液平衡关系 5.3 扩散与相内传质 5.4 相际对流传质 5.5 吸收塔的计算 5.6 传质系数 5.7 解吸及其他条件下的吸收
吸收液：吸收操作后得到的 溶液，S+A。
吸收尾气：吸收后排出的气 体，B+A。
吸收尾气 B(含微量A)
吸收剂 S
吸 收 原料气 塔 A＋B
吸收液 S+A
逆流吸收流程
8
5.1.3 吸收操作的应用
一、净化或精制气体
例：合成氨工艺中原料气脱H2S、脱CO2 。
二、制取某种气体的液态产品
例：硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，用水吸收 氯化氢制盐酸，氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。
一、判断过程方向
气、液相浓度(y,x)在平
衡线上方(P点)：
y
P
相对于液相浓度 x而言， y
气 相 浓 度 为 过 饱 和 (y>y*)， 溶质A由气相向液相转移。
释放溶质
y*=f(x)
相对于气相浓度 y 而言，液 y* 相浓 度欠 饱和 (x<x*)， 故液 o 相有吸收溶质A的能力。
吸收溶质
x
x* x