化工原理-气体吸收分解
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2018/10/25 projects of Dr.Hao 10
气体的溶解度
• 在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有 一一对应关系。 • 平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压， 与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解 度。这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的溶解 度，也就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上以单位质 量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一 定条件下吸收过程可能达到的极限程度。 • 在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加 而增加。如果要使一种气体在溶液中里达到某一特定的浓 度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力。 • 气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则气体的 溶解度增高。
projects of Dr.Hao 13
2018/10/25
亨利定律（Henry’s law）
当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度 换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有 1 * * y mx p c H y* —— 与组成为 x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数； c —— 溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3； m —— 相平衡常数； H —— 溶解度系数；kmol/(m3kPa)；
吸收剂
•气体吸收是混合气 体中某些组分在气液 相界面上溶解、在气 相和液相内由浓度差 推动的传质过程。
气相主体 y x 界面
相界面 xi
液相主体
yi 气相扩散 液相扩散
3
气体
2018/10/25 projects of Dr.Hao
概述（Introduction）
• 吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶 解组分，以A表示。 • 惰性气体(inert gas)或载体：不溶或难溶 组分，以B表示。 • 吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的 溶剂，以S表示。 • 吸收液(strong liquor)：吸收操作后得到 混合尾气 的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。 (A+B) • 吸收尾气(dilute gas)：吸收后排出的气 体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质 A。 • 吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸 收塔示意图如右所示。
projects of Dr.Hao 5
•
•
2018/10/25
概述（Introduction）
二、吸收操作的分类 • 物理吸收(physical absorption)：吸收过程溶质与溶剂不发 生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。 如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油 吸收芳烃等。 • 化学吸收(chemical absorption)：溶质与溶剂有显著的化学 反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用 稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体 所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。 • 单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余 组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。 • 多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。 • 溶解热：气体溶解于液体时所释放的热量。化学吸收时， 还会有反应热。 • 非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。 • 等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。
2018/10/25
projects of Dr.Hao
16
第二节 传质机理与吸收速率
• 平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入 液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法 解决，后者属于传质的机理问题。本节的内容是 结合吸收操作来说明传质的基本原理，并导出传 质的速率关系，作为分析吸收操作与计算吸收设 备的依据。
吸收剂(S)
吸 收 塔
吸收尾气 (A+B)
吸收液(A+S)
2018/10/25
projects of Dr.Hao
4
概述（Introduction）
一、吸收操作的用途： • (1) 制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。 如硫酸吸收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等 。 (2) 分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分 以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、 丙烯，还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液 态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来 。 (3) 气体净化 一类是原料气的净化，即除去混合气体中 的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾 气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼 废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。
2018/10/25 projects of Dr.Hao 11
溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液 相中的浓度的关系曲线。例：图2-2，2-3，2-4。
1000 溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]
0 oC 10
oC
250 溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)] 200 150 100 50 0 40 60 80 pSO2/kPa
• 气体吸收是溶质先从气相主体扩散到气液界面， 再从气液界面扩散到液相主体的传质过程。
2018/10/25 projects of Dr.Hao 17
2––2––1 气液相际传质理论
一、传质过程的方向
气、液相浓度 ( y,x) 在平 衡线上方(P点)：
相对于液相浓度 x 而言， 气相浓度为过饱和 (y>y*)，溶质 A 由气相 向液相转移。 相对于气相浓度 y 而言， 液相浓度欠饱和 ( x<x*) ， 故液相有吸收溶质 A 的 能力。
y y
释放溶质
P
y*=f(x)
y* o x
吸收溶质
x* x
结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发 生从气相到液相的传质，即吸收过程。
2018/10/25 projects of Dr.Hao 6
本章以分析单组分的等温物理吸收为重点，以便掌握最基本 的原理。
• 气体吸收是物质自气相到液相的转移，这是一种传质过程。 • 混合气体中某一组分能否进入溶液里，既取决于该组分的分压， 也取决于溶液里该组分的平衡蒸汽压。如果混合气体中该气体的 分压大于溶液的平衡蒸汽压，这个组分便可自气相转移至液相， 即被吸收。由于转移的结果，溶液里这个组分的浓度便增高，它 的平衡蒸汽压也随着增高，到最后，可以增高到等于它在气相中 的分压，传质过程于是停止，这时称为气液两相达到平衡。 • 反之，如果溶液中的某一组分的平衡蒸汽压大于混合气体中该组 分的分压，这个组分便要从溶液中释放出来，即从液相转移到气 相，这种情况称为解吸（或脱吸）。 • 所以根据两相的平衡关系可以判断传质过程的方向与极限，而且， 两相的浓度距离平衡愈远，则传质的推动力愈大，传质速率也愈 大。 • 吸收操作的分析，应该从气液两相的平衡关系与传质速率关系着 手，本章各节即如此展开讨论。
《化工原理》
Principles of Chemical Engineering
2018/10/25
projects of Dr.Hao
1
第二章 气 体 吸 收 Gas Absorption
2018/10/25
projects of Dr.Hao
2
概述（Introduction）
• 利用混合气体中各组分(component)在液体中溶解度(solubility) 的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时 某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或难溶组分 仍留在气相(gas phase)，从而实现混合气体的分离。
2018/10/25 projects of Dr.Hao 12
2 –– 1 –– 2 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* Ex
—— 亨利定律
式中： p* —— 溶质在气相中的平衡分压，kPa； x —— 溶质在液相中的摩尔分数； E —— 亨利系数，kPa。 亨利系数的值随物系的特性及温度而异； 物系一定，E 值一般随温度的上升而增大； E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度； 在同一溶剂中，难溶气体 E 值很大，易溶气体 E 值很小； E 的单位与气相分压的压强单位一致。
在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比 Y（ 或 X ）表示组成。
气相中溶质A的摩尔数 y Y 气相中惰气B的摩尔数 1 y 液相中溶质A的摩尔数 x X 液相中溶剂S的摩尔数 1 x
以摩尔比表示组成的相平衡关系
mX Y 1 (1 m) X
*
X —— 溶质在液相中的摩尔比浓度； Y* —— 与X 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。 当 m 趋近 1 或当 X 很小时
三个比例系数之间的关系：
E m P
cm H E
cm
Ms
式中 cm 为溶液的总浓度（kmol/m3）。 对于稀溶液，因溶质的浓度很小，因此 cm = / Ms ，其中 为溶液的密度，Ms 为溶剂的摩尔质量。
2018/10/25 projects of Dr.Hao 14
亨利定律（Henry’s law）
2018/10/25 projects of Dr.Hao 8
蒸馏与吸收操作对比
• 蒸馏改变状态参数产生第二相，吸收从外界引入 另一相形成两相系统； • 蒸馏直接获得轻、重组分，吸收混合液经脱吸才 能得到较纯组分； • 蒸馏中气相中重组分向液相传递，液相中轻组分 向气相传递，是双相传递；吸收中溶质分子由气 相向液相单相传递，惰性组分及溶剂组分处于 “停滞”状态。
2018/10/25
projects of Dr.Hao
9
第一节 气—液相平衡 2––1––1 气体的溶解度 • 气体吸收的平衡关系指气体在液体中的溶解度。 • 如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压 力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子 便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子 也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进 多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分 子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分 子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气 相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的 浓度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡， 简称相平衡或平衡。
Y* mX
2018/10/25 projects of Dr.Hao 15
2––1––3 吸收剂的选择
• 吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果是否良好的关键。如果吸收 的目的是制取某种溶液作成品，例如用HCl气生产盐酸，吸收剂只能 用水，自然没有选择的余地，但如果目的在于把一部分气体从混合物 中分离出来，便应考虑选择合用的吸收剂问题。 • 溶解度大 吸收剂的选择主要考虑的是溶解度，溶解度大则吸收剂用 量少，吸收速率也大，设备的尺寸便小； • 选择性好 很显然，吸收剂对溶质气体的溶解度既要大，对混合气体 中其他组分的溶解度却要小或基本上不溶，这样才能进行有效的分离， 满足这一要求称为选择性好； • 挥发度要小 吸收剂的挥发度要小，即在操作温度下它的蒸汽压要低， 经过吸收后的气体在排出时，往往为吸收剂蒸汽所饱和，吸收剂的挥 发度高，其损失量便大。 • 此外所选用的溶剂尽可能满足无腐蚀性，粘度小，无毒，不燃，价廉 易得等条件。
2018/10/25
projects of Dr.Hao
7
气液两相的接触方式
连续接触(也称微分接触)：气、 液两相的浓度呈连续变化。如填 料塔。
溶剂 溶剂
气体
气体
规整填料 塑料丝网波纹填料
散装填料 塑料鲍尔环填料
来自百度文库
a 微分接触
b 级式接触
图9-2 填料塔和板式塔
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。
0 oC 10 oC 20 oC 30 oC 40 oC 50 oC
500
20 oC 30 oC 40 oC 50 oC
0
20
40
60 80 pNH3/kPa
100
120
20
100
120
在相同条件下，NH3 在水中的溶解度较 SO2 大得多。 用水作吸收剂时，称 NH3 为易溶气体，SO2为中等溶解气体， 溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2 在 30℃ 和溶质的分压 为 40kPa 的条件下，1kg 水中溶解的质量仅为 0.014g)。
气体的溶解度
• 在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有 一一对应关系。 • 平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压， 与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解 度。这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的溶解 度，也就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上以单位质 量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一 定条件下吸收过程可能达到的极限程度。 • 在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加 而增加。如果要使一种气体在溶液中里达到某一特定的浓 度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力。 • 气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则气体的 溶解度增高。
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亨利定律（Henry’s law）
当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度 换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有 1 * * y mx p c H y* —— 与组成为 x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数； c —— 溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3； m —— 相平衡常数； H —— 溶解度系数；kmol/(m3kPa)；
吸收剂
•气体吸收是混合气 体中某些组分在气液 相界面上溶解、在气 相和液相内由浓度差 推动的传质过程。
气相主体 y x 界面
相界面 xi
液相主体
yi 气相扩散 液相扩散
3
气体
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概述（Introduction）
• 吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶 解组分，以A表示。 • 惰性气体(inert gas)或载体：不溶或难溶 组分，以B表示。 • 吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的 溶剂，以S表示。 • 吸收液(strong liquor)：吸收操作后得到 混合尾气 的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。 (A+B) • 吸收尾气(dilute gas)：吸收后排出的气 体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质 A。 • 吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸 收塔示意图如右所示。
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•
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概述（Introduction）
二、吸收操作的分类 • 物理吸收(physical absorption)：吸收过程溶质与溶剂不发 生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。 如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油 吸收芳烃等。 • 化学吸收(chemical absorption)：溶质与溶剂有显著的化学 反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用 稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体 所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。 • 单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余 组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。 • 多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。 • 溶解热：气体溶解于液体时所释放的热量。化学吸收时， 还会有反应热。 • 非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。 • 等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。
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16
第二节 传质机理与吸收速率
• 平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入 液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法 解决，后者属于传质的机理问题。本节的内容是 结合吸收操作来说明传质的基本原理，并导出传 质的速率关系，作为分析吸收操作与计算吸收设 备的依据。
吸收剂(S)
吸 收 塔
吸收尾气 (A+B)
吸收液(A+S)
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4
概述（Introduction）
一、吸收操作的用途： • (1) 制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。 如硫酸吸收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等 。 (2) 分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分 以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、 丙烯，还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液 态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来 。 (3) 气体净化 一类是原料气的净化，即除去混合气体中 的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾 气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼 废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。
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溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液 相中的浓度的关系曲线。例：图2-2，2-3，2-4。
1000 溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]
0 oC 10
oC
250 溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)] 200 150 100 50 0 40 60 80 pSO2/kPa
• 气体吸收是溶质先从气相主体扩散到气液界面， 再从气液界面扩散到液相主体的传质过程。
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2––2––1 气液相际传质理论
一、传质过程的方向
气、液相浓度 ( y,x) 在平 衡线上方(P点)：
相对于液相浓度 x 而言， 气相浓度为过饱和 (y>y*)，溶质 A 由气相 向液相转移。 相对于气相浓度 y 而言， 液相浓度欠饱和 ( x<x*) ， 故液相有吸收溶质 A 的 能力。
y y
释放溶质
P
y*=f(x)
y* o x
吸收溶质
x* x
结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发 生从气相到液相的传质，即吸收过程。
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本章以分析单组分的等温物理吸收为重点，以便掌握最基本 的原理。
• 气体吸收是物质自气相到液相的转移，这是一种传质过程。 • 混合气体中某一组分能否进入溶液里，既取决于该组分的分压， 也取决于溶液里该组分的平衡蒸汽压。如果混合气体中该气体的 分压大于溶液的平衡蒸汽压，这个组分便可自气相转移至液相， 即被吸收。由于转移的结果，溶液里这个组分的浓度便增高，它 的平衡蒸汽压也随着增高，到最后，可以增高到等于它在气相中 的分压，传质过程于是停止，这时称为气液两相达到平衡。 • 反之，如果溶液中的某一组分的平衡蒸汽压大于混合气体中该组 分的分压，这个组分便要从溶液中释放出来，即从液相转移到气 相，这种情况称为解吸（或脱吸）。 • 所以根据两相的平衡关系可以判断传质过程的方向与极限，而且， 两相的浓度距离平衡愈远，则传质的推动力愈大，传质速率也愈 大。 • 吸收操作的分析，应该从气液两相的平衡关系与传质速率关系着 手，本章各节即如此展开讨论。
《化工原理》
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1
第二章 气 体 吸 收 Gas Absorption
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2
概述（Introduction）
• 利用混合气体中各组分(component)在液体中溶解度(solubility) 的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时 某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或难溶组分 仍留在气相(gas phase)，从而实现混合气体的分离。
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2 –– 1 –– 2 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* Ex
—— 亨利定律
式中： p* —— 溶质在气相中的平衡分压，kPa； x —— 溶质在液相中的摩尔分数； E —— 亨利系数，kPa。 亨利系数的值随物系的特性及温度而异； 物系一定，E 值一般随温度的上升而增大； E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度； 在同一溶剂中，难溶气体 E 值很大，易溶气体 E 值很小； E 的单位与气相分压的压强单位一致。
在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比 Y（ 或 X ）表示组成。
气相中溶质A的摩尔数 y Y 气相中惰气B的摩尔数 1 y 液相中溶质A的摩尔数 x X 液相中溶剂S的摩尔数 1 x
以摩尔比表示组成的相平衡关系
mX Y 1 (1 m) X
*
X —— 溶质在液相中的摩尔比浓度； Y* —— 与X 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。 当 m 趋近 1 或当 X 很小时
三个比例系数之间的关系：
E m P
cm H E
cm
Ms
式中 cm 为溶液的总浓度（kmol/m3）。 对于稀溶液，因溶质的浓度很小，因此 cm = / Ms ，其中 为溶液的密度，Ms 为溶剂的摩尔质量。
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亨利定律（Henry’s law）
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蒸馏与吸收操作对比
• 蒸馏改变状态参数产生第二相，吸收从外界引入 另一相形成两相系统； • 蒸馏直接获得轻、重组分，吸收混合液经脱吸才 能得到较纯组分； • 蒸馏中气相中重组分向液相传递，液相中轻组分 向气相传递，是双相传递；吸收中溶质分子由气 相向液相单相传递，惰性组分及溶剂组分处于 “停滞”状态。
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第一节 气—液相平衡 2––1––1 气体的溶解度 • 气体吸收的平衡关系指气体在液体中的溶解度。 • 如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压 力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子 便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子 也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进 多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分 子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分 子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气 相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的 浓度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡， 简称相平衡或平衡。
Y* mX
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2––1––3 吸收剂的选择
• 吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果是否良好的关键。如果吸收 的目的是制取某种溶液作成品，例如用HCl气生产盐酸，吸收剂只能 用水，自然没有选择的余地，但如果目的在于把一部分气体从混合物 中分离出来，便应考虑选择合用的吸收剂问题。 • 溶解度大 吸收剂的选择主要考虑的是溶解度，溶解度大则吸收剂用 量少，吸收速率也大，设备的尺寸便小； • 选择性好 很显然，吸收剂对溶质气体的溶解度既要大，对混合气体 中其他组分的溶解度却要小或基本上不溶，这样才能进行有效的分离， 满足这一要求称为选择性好； • 挥发度要小 吸收剂的挥发度要小，即在操作温度下它的蒸汽压要低， 经过吸收后的气体在排出时，往往为吸收剂蒸汽所饱和，吸收剂的挥 发度高，其损失量便大。 • 此外所选用的溶剂尽可能满足无腐蚀性，粘度小，无毒，不燃，价廉 易得等条件。
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7
气液两相的接触方式
连续接触(也称微分接触)：气、 液两相的浓度呈连续变化。如填 料塔。
溶剂 溶剂
气体
气体
规整填料 塑料丝网波纹填料
散装填料 塑料鲍尔环填料
来自百度文库
a 微分接触
b 级式接触
图9-2 填料塔和板式塔
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。
0 oC 10 oC 20 oC 30 oC 40 oC 50 oC
500
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在相同条件下，NH3 在水中的溶解度较 SO2 大得多。 用水作吸收剂时，称 NH3 为易溶气体，SO2为中等溶解气体， 溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2 在 30℃ 和溶质的分压 为 40kPa 的条件下，1kg 水中溶解的质量仅为 0.014g)。