第二章气体吸收.ppt

2020/6/24,1,projectsofDr.Hao,,TaiyuanUniversityofTechnology,,化工原理PrinciplesofChemicalEngineering主讲教师郝晓刚Prof.Dr.HaoXiaogang太原理工大学太原（030024）,2020/6/24,projectsofDr.Hao,2,第二章气体吸收GasAbsorption,2020/6/24,projectsofDr.Hao,3,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gasphase，从而实现混合气体的分离。,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,气体,y,x,界面,,,,,气相主体,液相主体,相界面,,,,,,,气相扩散,液相扩散,,,yi,xi,2020/6/24,projectsofDr.Hao,4,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inertgas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strongliquor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dilutegas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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,5,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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,6,概述（Introduction）,二、吸收操作的分类物理吸收physicalabsorption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chemicalabsorption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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,7,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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,8,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。,,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。,散装填料塑料鲍尔环填料,规整填料塑料丝网波纹填料,2020/6/24,projectsofDr.Hao,9,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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,10,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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,11,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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,12,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。,,,,,,,,,溶解度/[gNH3/1000gH2O],1000,500,0,20,40,60,80,100,120,pNH3/kPa,,,,,,,50oC,40oC,30oC,20oC,10oC,0oC,,50oC,40oC,30oC,20oC,10oC,0oC,,,,,,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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,13,2––1––2亨利定律（Henry’slaw）,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。,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。,亨利定律,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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,14,亨利定律（Henry’slaw）,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,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/m3kPa；,三个比例系数之间的关系,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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,15,亨利定律（Henry’slaw）,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。,以摩尔比表示组成的相平衡关系,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,2020/6/24,projectsofDr.Hao,16,2––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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,17,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。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。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,18,2––2––1气液相际传质理论,相对于气相浓度y而言，液相浓度欠饱和xy*，溶质A由气相向液相转移。,一、传质过程的方向,气、液相浓度y,x在平衡线上方P点,,,,y,x,o,,y*fx,,,P,y,x,y*,,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。,,x*,,,,,释放溶质,,吸收溶质,2020/6/24,projectsofDr.Hao,19,相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和xx*，故液相有释放溶质A的能力。,相对于液相浓度x而言气相浓度为欠饱和yy*，溶质A由液相向气相转移。,传质过程的方向,气、液相浓度y,x在平衡线下方Q点,,,,y,x,o,,y*fx,,,Q,y,x,y*,,结论若系统气、液相浓度y,x在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。,,x*,,,,,释放溶质,,吸收溶质,2020/6/24,projectsofDr.Hao,20,相对于气相浓度而言液相浓度为平衡浓度xx*，故液相不释放或吸收溶质A。,相对于液相浓度x而言气相浓度为平衡浓度yy*，溶质A不发生转移。,传质过程的方向,气、液相浓度y,x处于平衡线上R点,,,,y,x,o,,y*fx,,,R,y,x,y*,,结论若系统气、液相浓度y,x处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。,x*,,,,,2020/6/24,projectsofDr.Hao,21,二、传质过程的限度,对吸收而言若保持液相浓度x不变，气相浓度y最低只能降到与之相平衡的浓度y*，即yminy*；若保持气相浓度y不变，则液相浓度x最高也只能升高到与气相浓度y相平衡的浓度x*，即xmaxx*。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,22,传质过程的限度,对解吸而言若保持液相浓度x不变，气相浓度y最高只能升到与之相平衡的浓度y*，即ymaxy*；若保持气相浓度y不变，则液相浓度x最高也只能降到与气相浓度y相平衡的浓度x*，即xminx*。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,23,传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。,x*-x以液相摩尔分数差表示的传质推动力。,对吸收过程y-y*以气相摩尔分数差表示的传质推动力；,三、传质过程的推动力,未达平衡的两相接触会发生相际间传质吸收或解吸，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。方法用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力。,,（y-y*）,,（x*-x）,2020/6/24,projectsofDr.Hao,24,四、吸收传质理论,吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤,,,,,气相主体,液相主体,相界面,,,,,,,溶解,气相扩散,液相扩散,1溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧气相内传质；2溶质在界面上溶解通过界面的传质；3溶质由相界面液相侧扩散至液相主体液相内传质。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,25,双膜理论,由W.K.Lewis和W.G.Whitman在上世纪二十年代提出，是最早出现的传质理论。双膜理论的基本论点是,1相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为1和2）的流体膜层。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。,2相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。,3在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。,,,,,气相主体,液相主体,相界面,,,,,,,pici/H,p,,,,,1,2,,,,,pi,ci,c,气膜,液膜,2020/6/24,projectsofDr.Hao,26,双膜理论,两相相内传质速率可用下面的形式表达为,DG、DL溶质组分在气膜与液膜中的分子扩散系数；P/pBm气相扩散漂流因子；cm/cBm液相扩散漂流因子；1、2界面两侧气液相等效膜层厚度，待定参数。,双膜理论将两流体相际传质过程简化为经两膜层的稳定分子扩散的串联过程。对吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,27,双膜理论,按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式地结果相差较大；由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度1和2以及界面上浓度pi和ci都难以确定；双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立；该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；本书后续部分也将以该理论为讨论问题的基础。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,28,2––2––2吸收速率方程式,吸收设备中进行的传质过程为吸收过程，其传质速率即为吸收速率，所对应的传质速率方程即为吸收速率方程。气体吸收因过程的复杂性，传质速率吸收速率一般难以理论求解，但遵循现象方程所描述的物理量传递的共性规律。根据推动力及阻力可写出速率关系式，单独根据气膜或液膜的推动力及阻力写出的速率关系式称为气膜或液膜吸收速率方程式，相应的吸收系数称为膜系数或分系数，用k表示，与传热中的对流传热系数相当。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,29,传质速率方程,气相气膜传质速率方程,对于稳定吸收过程，可根据双膜理论建立相际传质速率方程总传质速率方程。类似于间壁式对流传热速率方程。由于混合物的组成可用多种方式表示，对应于每一种表达法都有与之相应的传质速率方程。,液相液膜传质速率方程,2020/6/24,projectsofDr.Hao,30,一、气相传质速率方程,kg推动力为分压差的气相传质系数，kmol/sm2kPa；ky推动力为摩尔分率之差的气相传质系数，kmol/sm2；kY推动力为摩尔比浓度差的气相传质系数，kmol/sm2；p、y、Y溶质A在气相主体的分压kPa、摩尔分率和摩尔比；pi、yi、Yi溶质A在界面气相侧的分压kPa、摩尔分率和摩尔比。,气相传质速率方程常用的表达形式有三种,2020/6/24,projectsofDr.Hao,31,气相传质速率方程,不同形式的传质速率方程物理意义一样，都代表单位时间内通过单位界面面积传递的溶质A的量；传质系数与传质推动力的表达方式有关，其倒数表达的是气相传质阻力；注意不同单位的传质系数数值不同，但可根据组成表示法的相互关系进行换算。例当气相总压不很高时，根据道尔顿分压定律pPy，有,对y值较小的低浓度吸收,2020/6/24,projectsofDr.Hao,32,二、液相传质速率方程,液相传质速率方程常用的表达形式也有三种,kc推动力为摩尔浓度差的液相传质系数，m/s；kx推动力为摩尔分率之差的液相传质系数，kmol/sm2；kX推动力为摩尔比之差的液相传质系数，kmol/sm2；c、x、X溶质A在液相主体的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度；ci、xi、Xi溶质A在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,33,液相传质速率方程,三个液相传质系数的倒数也分别为传质推动力以不同组成表示法表达时的液相传质阻力。同样，根据各种表示法的相互关系可推得,式中cm为液相的总摩尔浓度。,液相浓度很低时,2020/6/24,projectsofDr.Hao,34,三、相界面的浓度,在气、液两相内传质速率的计算中，推动力项中含有溶质在相界面的浓度yi和xi，可用计算方法或作图法得出。计算法对稳定的吸收过程，气、液两相内传质速率应相等。若两相浓度均以摩尔分数表示，有,当kx和ky为定值时，在直角坐标系中yixi关系是一条过定点（x,y）而斜率为-kx/ky的直线。,根据双膜理论，界面处yixi应满足相平衡关系,若已知相平衡关系式以及气、液相传质系数ky、kx，将上两式联立就可求得当气、液相主体摩尔分率为y、x时所对应的界面处气、液相摩尔分率yi、xi。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,35,,相界面的浓度,作图法,,,y,x,o,,y*fx,,,斜率-kx/ky,y,x,y*,,,x*,,,,,,,xi,yi,A,yi、xi为直线与平衡线的交点坐标，直线上A点坐标为与之对应的气、液主体流的摩尔分数y、x。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,36,四、总传质速率方程,传递过程的阻力具有加和性。若以双膜理论为依据，则吸收过程的传质总阻力是气相传质阻力与液相传质阻力之和相界面无阻力。总传质速率为总传质推动力y-y*与总的传质阻力1/Ky之比。,相平衡关系为直线,对稀溶液，物系的相平衡关系服从亨利定律y*mx。,气相,液相,相际,,比较可得,2020/6/24,projectsofDr.Hao,37,总传质速率方程,以气相为基准的总传质速率方程,Ky是以y-y*为推动力的总传质系数，单位为kmol/sm2，其倒数为气、液两相传质总阻力。,总传质系数Ky（相际传质系数）与相内传质系数kx、ky的关系式，实质表达了总传质阻力1/Ky等于气相传质阻力1/ky与液相传质阻力m/kx之和。因为总阻力1/Ky以气相为基准，所以液相阻力1/kx需乘以换算系数m。yi-y*项是与液相传质推动力xi-x相对应的，可以看作是以气相浓度差的形式等价表示的液相传质推动力。气、液传质总推动力为两相的相内传质推动力之和。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,38,总传质速率方程,如将yimxi和ymx*代入式，可得,气相,液相,,相际,比较可得,以液相为基准的总传质速率方程,Kx是以x*-x为推动力的总传质系数，单位为kmol/m2s。1/Kx代表了以液相为基准的吸收传质过程的总传质阻力，是以液相为基准的气、液两相相内传质阻力之和。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,39,总传质速率方程,对易溶气体，平衡常数m值小，平衡线很平，这时,传质阻力主要集中在气相，此类传质过程称为气相阻力控制过程，或称气膜控制过程。,采用总传质速率方程进行计算可避开难以确定的相界面组成xi和yi。这与通过间壁对流传热问题中用总传热速率方程可避开固体壁面两侧温度是相似的。总传质阻力取决于气、液两相的传质阻力。但对一些吸收过程，气、液两相传质阻力在总传质阻力中所占的比例相差甚远，可对问题进行简化处理。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,40,总传质速率方程,对难溶气体，平衡常数m值大，平衡线很陡，这时,传质阻力主要集中在液相，此类过程称为液相阻力控制过程，或液膜控制过程。,分析气、液两相中传质阻力所占的比例，对于强化传质过程，提高传质速率有重要的指导意义。例如，以气相阻力为主的吸收操作，增加气体流速，可减薄界面处气膜层的厚度，从而降低气相传质阻力，有效地提高吸收速率；而增加液体流速吸速率则不会有明显改变。,2020/6/24,projectsofDr.Hao,41,五、吸收传质速率方程的几种形式,2020/6/24,projectsofDr.Hao,42,Thanks,2005-5-12,DepartmentofChemicalEngineering,