化工原理-5章气体吸收

气体
5.1.1 吸收操作在化工生产中的应用
吸收操作是分离气体混合物的一种重要方法，是传 质过程中的一种形式，在化工生产中有广泛的应用。 吸收的应用包括： 1.原料气净化;
2.回收混合气体中的有用组分。 3.制备气体的溶液作为产品; 4.环境保护，综合利用;
1.原料气净化 氨合成原料气中的 CO2用乙醇胺水溶液吸收，以防止氨合 成催化剂中毒.
某些气体水溶液的亨利系数值（E×10-6/kPa）
讨论： 1）E 的影响因素：溶质、溶剂、T。 物系一定， T E 2）E 大，溶解度小，难溶气体 E 小，溶解度大，易溶气体 3）对于理想溶液，E即为该温度下的饱和蒸汽压 4）E 的来源：实验测得；查手册
二、亨利定律的其他表达形式 由于互成平衡的气、液两相组成各可采用不同的表示 法，因而亨利定律有不同的表达形式。

YA
1 YA
m
XA 1 X A

YA

m XA 1 (1 m) X A
当溶液很稀时，XA很小，则
YA mX A
例： 1atm下，浓度为0.02（摩尔分数）的稀氨水在20℃时 氨的平衡分压为1.666kPa，其相平衡关系服从亨利定律， 氨水密度可近似取1000kg/m3。 求：E、 m 、 H 。 解： 已知： P 1atm 101.3kPa,
②用摩尔分数表示
yA

E x A m xA p
m-相平衡常数
mE p
m值越大，表明该气体的溶解度越小。
③用比摩尔分数表示
YA

1 YA
m
XA 1 X A
YA

m XA 1 (1 m) X A
当溶液很稀时，XA很小，则
YA mX A

比质量分数与比摩尔分数 mA wA wA WA mB wB 1 wA
合成气 原料气
原料气冷 凝物 废甲醇
补充甲醇 来自煤项目的甲醇洗 装臵情况：基本情况 工艺流程图
2.回收混合气体中的有用组分 洗油处理焦炉气以回收煤气中的苯。
洗油 脱苯煤气 苯
含苯煤气
加 热 器
冷 却 器
水
过热蒸汽
吸收与解吸流程
3.制备气体的溶液作为产品
将气体中需要的成份以指定的溶剂吸收出来，成为液态的产品或 半成品，如：从含HCl气体中盐酸 ，硫酸吸收SO3制浓硫酸，水 吸收甲醛制福尔马林液。
化工原理
principles of chemical engineering
第五章 气体吸收（ Absorption ）
延安大学化学与化工学院
第五章 气体吸收
第一节 概述 第二节 气液相平衡 第三节 传质机理与吸收过程的速率 第四节 填料吸收塔的计算 第五节 填料塔的结构及特性 第六节 解吸操作
第一节 概述
pe 1.666kPa,
x 0.02 3 ρS 1000kg/m
p e 1.666 (1) E : 由 p e E x 得：E 83.3kPa x 0.02 (2) m : 由 y e m x 得 ： y p /P 1.666/101. 3 m e e 0.819 x x 0.02 E 83.3 或 m 0.819 P 101.3 s 1000 3 (3) H 0.667kmol/(m kPa) EM s 83.3 18
4.环境保护，综合利用
如含SO2，NO，NO2等废气中，要除去这些有害成份。
5.1.2 吸收操作必须解决的问题
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)：吸收操作后得到的溶液，主要成分 为溶剂S和溶质A。 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。 解吸或脱吸 (desorption) ：与吸收相反的过程，即溶质从液 相中分离而转移到气相的过程。 目的：循环使用吸收剂或回收溶质。 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。
第八章 吸收
三、吸收平衡线
表明吸收过程中气、液相平衡关系的图线称吸收平衡线。在吸收操 作中，通常用图来表示。
吸收平衡线
YA

m XA 1 (1 m) X A
YA mX A

5.2.3 相平衡关系在吸收过程中的应用
脱苯煤气
洗油（常温） （170℃）
冷凝器
工业吸收过程
(<2g /m3)
苯 吸 收 塔
加 热 器 冷 却 器
解 吸 塔
水 过热蒸汽
吸收和解吸
含苯煤气 (~35g /m3)
富油
贮液槽 贮液槽
5.2.2 亨利定律
一、亨利定律 在一定温度下，对于稀溶液，在气体总压不高（小于 500kpa ）的情况下，吸收质在液相中的浓度与其在气相中 的平衡分压成正比：

讨论： （1）分压一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度 x随之增加，有利于吸收 。 （2）温度一定，分压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x
随之增加，有利于吸收 。
（3）相同的总压及摩尔分率， cO2 < cCO2 < cSO2 < cNH3 氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体
工业操作：
加压和降温对吸收操作有利； 升温和减压则有利于解吸。
A
mA V
n A PA cA V RT
平衡分压
工业操作原则：
加压和降温对吸收操作有利； 升温和减压则有利于解吸。
p* A ExA
—— 亨利定律
亨利定律的其他表达形式 ①用量浓度表示
CA p H
*wk.baidu.comA
H
剂
EM剂
②用摩尔分数表示 ③用比摩尔分数表示
yA

E x A m xA p
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。
硫回收
低温 甲 醇洗
甲醇
醋酸
CO分离
醋酐
低温甲醇洗装臵
图例 气体 原料气/合成 新鲜甲 锅炉给水 气体热交换 醇储槽 冷却器 器I 原料气 冷却器 补充泵 洗氨器 原料气 地下 吸收器 原料气 地下 /合成气 /废气热 废液罐 废液泵 体热交换器 交换器 II C02 甲 醇 级 间冷却器 H2S-吸收器 进料冷却器 水/蒸汽 液体 热功率 流号 备注
物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应。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：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用NaOH或 Na2CO3溶液吸收CO2、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。 非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。
浓度表示出塔气体中SO2的组成。
解：y2=0.02
y Y 1-y
pA pyA
cA
nA p A V RT
课本例题
5.2.1 气体在液体中的溶解度
吸收的相平衡关系，是指气液两相达到平衡时，被吸收的组分（吸收 质）在两相中的浓度关系，即吸收质在吸收剂中的平衡溶解度。 平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸 收剂与混合气体充分接触，气相 中的溶质 向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中 溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两 相达到平衡。 吸收速率=解吸速率 饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。 气体溶解度曲线 平衡分压：平衡时气相中溶质的分压，用 p A 表示
n x x XA A A A nB x B 1 x A
xA
XA 1 X A
mA n A M A MA WA XA mB nB M B MB
质量浓度与物质的量浓度 气液相平衡关系 平衡状态 饱和浓度
YA
yA yA yB 1 y A
YA yA 1 YA
mA A V
kg / m3
对于气体混合物，在压强不太高、温度不太低的情况下，可视为 理想气体，则A组分，有 n A PA cA V RT
例题 在一常压、298K的吸收塔内，用水吸收混合气中的SO2，已知 混合气体中含SO2的体积分数为20%，其余组成可看作惰性气体，出 塔气体中含SO2体积分数为2%，试分别用摩尔分数、摩尔比和摩尔
①用量浓度表示
CA p H
* A
H——溶解度系数，kmol/(m3· Pa)。由实验测定， 其值随温度的升高而减小。 H值的大小反映气体溶解的难易程度,对于易溶气体, H值很大； 对于难溶气体，H值很小。
溶解度系数与亨利系数的关系如下：
H
剂
EM剂
剂 ——溶剂的密度，kg/m3；
M 剂 ——溶剂的千摩尔质量，kg/kmol。
WA mA wA wA KgA/ KgB mB wB 1 wA
如果混合物是双组分气体混合物时
XA
nA xA x KmolA / KmolB A nB x B 1 x A
YA
比质量分数与比摩尔分数的换算关系
yA yA yB 1 y A
KmolA / KmolB
H2(CO2)
低温甲醇洗工艺是德国Linde公司和Lurgi公司共同开发的一种酸性气 体净化工艺。该工艺采用物理吸收法，以甲醇作为酸性气体吸收液， 利用其在-60℃左右的低温下对酸性气体溶解度极大的物理特性，选择 性地吸收原料气中的H2S,CO2及各种有机硫等杂质。
煤制甲醇的生产工艺
空分
气化
水煤浆
mA n A M A MA WA XA mB nB M B MB
M组分的千摩尔质量，kg/kmol
在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时， 通常以在操作中不转移到另一相的组分作为 B组分。在吸收中，B组分是指吸收剂或惰性 气，A组分是指吸收质.
2．质量浓度与物质的量浓度 质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对于A组分,有
p ExA
* A
—— 亨利定律
式中： pA* —— 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。

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。
吸收分离操作：利用混合气体中各组分在液体中溶解度差 异，使某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分 仍留在气相，从而实现混合气体的分离。 吸收实质：
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。
吸收剂 y x
气相主体 界面
相界面 xi
液相主体
yi 气相扩散 液相扩散
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
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。
5.1.3 吸收操作的分类
等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。
本章主要讨论单组分、等温的物理吸收过程。
第二节 气液相平衡
XA xA 1 X A YA yA 1 YA
在吸收操作中气体的总量和液体的总量都随操作的进行而改变，但惰性气体和 吸收剂的量始终保持不变。因此，在吸收计算中，相组成以比质量分数或比摩 尔分数表示较为方便。 1．比质量分数与比摩尔分数