化工原理下册第二章吸收2

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结论
•加压和降温有利于吸收操作 •减压和升温有利于解吸操作
减压、升温
吸收
加压、降温
解吸
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2.1.2
亨利定律
一、pi－xi关系
总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分 压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。
p Exi
* i
亨利定律
pi* ——溶质在气相中的平衡分压，kPa；
三小
挥发性小 粘度小 腐蚀小
技术经济性
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2.1.4
相平衡在吸收过程的应用：
1、过程传质进行的方向的判定：
●当p>p* = E · x ( or x < x* )时，过程为吸收过程。 ●当p<p* = E · x ( or x > x* )时，过程为解吸过程。
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实质上，吸收还是解吸主要取决于溶质在气相中的实际分压 与其液相的平衡分压间的关系而定。
c
W M


M


M


M S (1 x) M A x

MS
c E H HM S
H

EM S
H的讨论
C A Hp * A
T H
溶解度 H
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三、xi-yi关系
yi mxi
m与E的关系 ：
*
m——相平衡常数，无因次。
p pyi
* i
*
pyi Exi
f c 2 3 2 2 3
10
C A f (T , P, PA ) x A f (T , P, y A )
在总压不高，P<5atm时
C A f (T , PA ) x A f (T , y A )
一定温度下液相组成是气相组成的单值函数
出塔气体浓度最低值：p2,min
吸 收 塔
液, x1,max
离塔液体浓度最高值：x1,max 实际生产中： p2 > p2,min x1 < x1,max
混合气体, p1
xi ,1max
yi1 p1 x x 1,max m E
i1
yi 2min yi2 mxi 2
xi ,1max yi1 x m
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二、pi－ci关系
ci p H
* i
亨利定律
Pi*——气相中溶质的平衡分压kPa H——溶解度系数， kmol/（m3· kPa） ci——溶质的摩尔浓度，kmol/m3； H与E的关系：
ci c c p xi H c H
* i
c E H
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n n c V W W
3
吸收设备、流程
吸收设备-----塔设备
板式塔 填料塔
气体 溶剂
气体 溶剂
吸收剂 吸收尾气
吸 收 塔 混合气
1
填料
n
被吸收气体
吸收液
被吸收气体
逆流吸收操作示意图
4
板式塔
填料塔
吸收剂在吸收塔内再循环流程
吸收-解吸流程
吸 收 塔
解 吸 塔
吸收剂再循环流程
5
吸收-解吸流程
吸收与解吸流程
洗油 脱苯煤气
~

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例2－1：含有30％（体积比）CO2的某种混合气体与水接触，系 统温度为30℃，总压为101.3kPa。试求液相CO2的平衡浓度c*为若干 kmol/m3。 解：令p代表CO2在气相中的分压，则由分压定律可知： p＝Py＝101.3×0.3＝30.4kPa 在本题的浓度范围内亨利定律适用。 根据式2-2可知：c*=Hp 其中H为30℃时CO2在水中的溶解度系数。 由式2-4可知： H 故 EM S
第二章
吸
收
2.1. 概述
1
2.1. 概述
1、气体吸收的原理 利用气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来分离气体 混合物的操作称为吸收。
分离物系：气体混合物 形成两相体系的方法：引入液相(吸收剂) (液相+气相) 传质原理：各组分在溶剂中溶解度不同 吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂（或溶剂），用S表示；能溶 解的组分称为溶质气体或吸收质，以A表示，不被吸收的组分称为惰 性气体，以B表示。
C A f ( PA ), x A f ( y A )
同理，
PA f (C A ), y A f ( x A )
11
12
13
14
15
说明： • 在同一溶剂（水）中，相同的温度和溶质分压下，不同气体的溶 解度差别很大，其中氨在水中的溶解度最大，氧在水中的溶解度 最小。这表明氨溶于水，而氧难溶于水 对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度的升高而减小。
2、过程的推动力 平衡是过程的极限，只有不平衡的两相互相接触才会发生传质， 即气体的吸收或解吸。因此，实际浓度偏离平衡浓度越远，过程推 动力越大，过程的速率也越快。在吸收的过程中我们经常： ⊿p = p - p* ⊿x = x* - x ( ⊿y = y – y* ) ( ⊿ c = c* – c )
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2.1.3、吸收剂的选择原则及原因
吸收剂的性能，特别是吸收剂与气体混合物之间的相平衡关 系直接决定着吸收操作的成功与否。
根据物理化学中有关相平衡的知识，评价吸收剂优劣的主 要依据应包括： （1）溶解度：应对混合气体中被分离组分具有较大的溶解度；
（2）选择性：对混合气体中其它组分溶解度要小，具有较高选择性；
苯
含苯煤气
加 热 器
冷 却 器
水
过热蒸汽
煤气脱苯的吸收与解吸流程
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2、气体吸收的工业应用
•净化或精制气体
例：合成氨工艺中，合成气中的净化脱碳
•制取某种气体产品的液态产品 例：用水吸收氯化氢气体制取盐酸 •回收混合气体中所需的组分 例：用洗油处理焦炉气以回收其中的芳烃，硫酸回收焦炉气 中的氨 •工业废气的制理 废气中含有二氧化硫、硫化氢、CO2等有害气体的脱除
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具体分析:
方向
推动力
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1、判断过程的方向
例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的气液相平衡关系为 ：
y* 0.94 x ，若含氨0.094摩尔分数的混合气和组成
的氨水接触,确定过程的方向。 解: 用相平衡关系确定与实际气相组成 成平衡的液相组成
x A 0.05
y 0.094
0.094 x y / 0.94 0.1 0.94
xi——溶质在液相中的摩尔分率；
E——亨利系数，单位同压强单位，随物系的特性和温度而异。
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讨论： 1）E的影响因素：溶质、溶剂、T、p< 105Pa 物系一定，
T E
2）E大的，溶解度小，难溶气体
E小的，溶解度大，易溶气体
3）理想溶液：拉乌尔定律和亨利定律一致 此时E为该温度下纯溶质饱和蒸汽压 4）E的来源：实验测得；查手册
气相中溶质的摩尔数 Yi 气相中惰性组分的摩尔数
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Xi
xi 1 xi
xi
Xi 1 X i
yi Yi 1 yi
Yi yi 1 Yi
由 y* mx
Yi Xi 得 m 1 Yi 1 Xi
mX i 整理得 Yi 1 (1 m) X i
c*

EM S
p
查表2-1可知30℃时CO2在水中的亨利系数E＝1.88×105kPa，又 因CO2为难溶于水的气体，故知溶液浓度甚低，所以溶液密度可以按 纯水计算。Ρ ＝1000kg/m3，则 1000 8 3 c* p 30.4 8.98 10 kmol / m EM S 1.88 105 18
∴氨从气相转入液相，发生吸收过程。
若含氨0.02摩尔分数的混合气和 x=0.05的氨水接触，则
x * y / 0.94 0.02 / 0.94 0.021
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x 0.05 x 0.021
气液相接触时，氨由液相转入气相，发生解吸过程。 此外，用气液相平衡曲线图也可判断两相接触时的传质方向
*
33
将其与实际组成比较 ： x 0.05 x* 0.1
∴气液相接触时，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。
或者利用相平衡关系确定与实际液相组成成平衡的气相组成
y * 0.94 x 0.94 0.05 0.047
将其与实际组成比较： y 0.094 y * 0.047
相平衡常数
*
E m p
溶解度
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四、Xi－Yi关系
在吸收过程中，随着吸收过程的进行，混合气体及混合液体的 摩尔数是变化的，而混合气体及混合液体中惰性组分的摩尔数是不
变的。此时若用摩尔分率表示气流相组成，计算很不方便。为此引
入以惰性组分为基准的摩尔比来表示气、液相的组成。 摩尔比的定义：
液相中溶质的摩尔数 Xi 液相中溶剂的摩尔数
*
具体方法：
已知相互接触的气液相的
实际组成y和x，在x-y坐标
图中确定状态点，若点在 平衡曲线上方，则发生吸 收过程；若点在平衡曲线 下方，则发生解吸过程。
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3、确定过程的极限：
气, p2,min
P2,min =E· x2
yi 2 min yi2 mxi 2
受相平衡关系的限制
液, x2
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2.1.1气体的溶解度
1、气体在液体中溶解度的概念
在一定温度和压力下，使一定量吸收剂与混合气体接触，气相中
的溶质便向液相中转移，直至液相中溶质组成达到饱和为止。 气体在液相中的溶解度 ： 气体在液体中的饱和浓度 表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。
CA
*
2、溶解度曲线
对于单组分物理吸收，由相律知
2
吸收操作所得到的溶液称为吸收液（成分为S和溶质A），排出 的气体称为吸收尾气(主要成分为惰性气体B，还含有残余的溶质A)。
吸收操作的逆过程（即含溶质气体的液体，受到另一汽（气） 相的作用使溶质与溶剂分离的过程）称为解吸。
吸收和解吸常是一对相伴的操作，吸收用以提取所需的物质， 而解吸用以分离所需的物质与吸收剂，并使吸收剂再生而重复使用。
i1
36
作
P146 1,2,3
业
37
第二相：蒸馏操作采用改变状态参数的办法，使混合物内部出现第 二个相 吸收操作采用从外界引入另一相物质形成两相系统。 产品： 蒸馏操作可以直接获得较纯净的轻重组分； 吸收不能直接得到较纯净的溶质组分，还需经过再次的 分离操作----解吸
传递方式：精馏操作每层塔板上的液体和蒸汽都处于接近饱和的温 度下，在相界面两侧，轻重组分同时向彼此相反的方向 传递； 吸收操作，液相温度远远低于沸点，溶剂没有汽化，溶 质分子由气相进入液相的单向传递，而气相中的惰性组 分及液相中的溶剂组分处于停滞状态。

当溶液浓度很低时：
(1 m) X i 1
Yi mX i
亨利定律表达式可改写为以下表达式：
pi xi E

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ci Hpi

yi xi m

Yi Xi m

亨利定律表达式中各系数之间的关系
E H关系
~
H

EM S
E m关系 H m关系
~
E m p
1 H pM S m
•
•
对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。
配制相同组成的溶液使易溶气体所需的分压较低，而难溶气 体所需的分压较高
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讨论：
•吸收剂、温度T、P 一定时，不同物质的溶解度不同。 •温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物质越难溶。 •对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。 •对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。
（3）溶质在溶剂中的溶剂度对温度变化比较敏感； （4）溶剂的蒸气压要底，以减少吸收和再生过程中溶剂的挥发损失； （5）溶剂应具有较好的化学稳定性； （6）溶剂具有较低的粘度，不易产生泡沫。 （7）价格低廉、易得、无毒、不易燃烧。
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三大
对A和B的溶解度差异要大 对A的溶解度要大 对A的溶解度在条件改变时变化要大
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3、吸收过程的分类
气体 吸收
按被吸收组分数目 按吸收有无化学反应 按溶质浓度高低 按吸收的温度变化
单组分吸收 多组分吸收 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
8
4.气体的吸收与液体的蒸馏的区别