宁夏大学化学化工学院：《化工原理》课程教学资源（电子教案）第二章气体吸收.doc_大学文库

宁夏大学化学化工学院化工原理电子教案第二章气体吸收第一节概述气体吸收过程、什么是吸收:气体吸收是用液体吸收剂吸收气体的单元操作吸收基本原理:是利用气体混合物中各组分在某一液体吸收剂中溶解度的不同,从而将其中溶解度最大的组分分离出来三、吸收的特点:吸收是一种组分从气相传入夜相的单向扩散传质过程四、传质过程:借扩散进行物质传递的过程称为传质过程。除吸收外,蒸馏.萃取.吸收.干燥等过程, 也都属于传质过程五、解吸:吸收的逆过程,即从溶液中把吸收质脱出去的过程,称为解吸。吸收剂吸收塔吸收尾气混合气体 (A+S) 吸收操作示意图 A+B气相「吸收质(溶质)A 惰性气体(载体)B 吸收剂(溶剂) S+A液相吸收液(溶液) 扩散:由于微粒(分子.原子等)的热运动而产生的物质迁移现象。可由一种或多种物质在气液或固相的同一相内或不同相间进行。主要由于温度差和湍流运动等。微粒从浓度较大的区域向较小的区域迁移,直到一相内各部分的浓度达到一致或两相间的浓度达到平衡为止。扩散速度在气相最大,液相次之,固相中最小吸收在化工生产中的应用极为广泛,其目的主要有四点: 、制造成品(93%的硫酸吸收SO3制98%的硫酸)。二、回收有价值的气体,(焦化厂用洗油处理焦炉气以分离其中的苯等芳香烃) 三、去掉有害气体(如合成氨厂用氨水或其它的吸收剂除去半水煤气中的硫化氢)。四、三废处理:(如用吸收法除净硫酸生产尾气中的二氧化硫。) 总之吸收的目的可用四个字来概括:去害兴利 2.1.2气体吸收的分类、物理吸收:吸收过程中吸收质只是简单地从气相溶入液相,吸收质与吸收剂间没有显著的化学反应或只有微弱的化学反应,吸收后的吸收质在溶液中是游离的或结合的很弱,当条件发生变

宁夏大学化学化工学院化工原理电子教案 1/32 第二章气体吸收第一节概述 2.1.1 气体吸收过程一、什么是吸收：气体吸收是用液体吸收剂吸收气体的单元操作。二、吸收基本原理：是利用气体混合物中各组分在某一液体吸收剂中溶解度的不同，从而将其中溶解度最大的组分分离出来。三、吸收的特点：吸收是一种组分从气相传入夜相的单向扩散传质过程。四、传质过程：借扩散进行物质传递的过程称为传质过程。除吸收外，蒸馏.萃取.吸收.干燥等过程，也都属于传质过程。五、解吸：吸收的逆过程，即从溶液中把吸收质脱出去的过程，称为解吸。吸收混合气体（A+B) 塔吸收剂（s）吸收尾气吸收液（A+S) 吸收操作示意图 A + B 气相吸收质（溶质）A 惰性气体（载体）B S 吸收剂（溶剂） S + A 液相吸收液（溶液）扩散：由于微粒（分子.原子等）的热运动而产生的物质迁移现象。可由一种或多种物质在气、液或固相的同一相内或不同相间进行。主要由于温度差和湍流运动等。微粒从浓度较大的区域向较小的区域迁移，直到一相内各部分的浓度达到一致或两相间的浓度达到平衡为止。扩散速度在气相最大，液相次之，固相中最小。吸收在化工生产中的应用极为广泛，其目的主要有四点：一、制造成品（93%的硫酸吸收 SO3 制98%的硫酸）。二、回收有价值的气体，（焦化厂用洗油处理焦炉气以分离其中的苯等芳香烃）。三、去掉有害气体（如合成氨厂用氨水或其它的吸收剂除去半水煤气中的硫化氢）。四、三废处理：（如用吸收法除净硫酸生产尾气中的二氧化硫。）总之吸收的目的可用四个字来概括：去害兴利。 2.1.2 气体吸收的分类一、物理吸收：吸收过程中吸收质只是简单地从气相溶入液相，吸收质与吸收剂间没有显著的化学反应或只有微弱的化学反应，吸收后的吸收质在溶液中是游离的或结合的很弱，当条件发生变

宁夏大学化学化工学院化工原理电子教案 2/32 化时，吸收质很容易从溶剂中解吸出来。如用水吸收二氧化碳。物理吸收是一个物理化学过程，吸收的极限取决于操作条件下吸收质在吸收剂中的溶解度、吸收速率则取决于吸收质从气相主体传递入液相主体的扩散速率。物理吸收都是可逆的一般热效应较小。二、化学吸收：吸收过程中吸收质与吸收剂之间发生显著的化学反应。例如 NaOH 吸收 CO2 。化学吸收时，吸收平衡主要取决于当时条件下吸收反应的化学平衡，吸收速率则取决于吸收质的扩散速率和化学发应速率，因为化学吸收降低了吸收质的浓度故吸收速率一般比同样条件下没有化学反应的物理吸收速率大。三、单组分吸收与多组分吸收四、等温吸收和非等温吸收五、低浓度吸收与高浓度吸收（溶质在气液两相中的浓度不高，譬如摩尔分率不超过0.1）。本章只讨论低浓度、单组分、等亿、温、物理吸收。 2.1.3 吸收的方法和流程简述一、方法 1.喷淋吸收液体是分散相，气体是连续相。 2.鼓泡吸收气体是分散相，液体是连续相。 3.膜式吸收液体是分散相，气体是连续相。二.流程 1．单程吸收 2．循环吸收均指液体 3．吸收与解吸结合三、吸收解决的问题高压水（12-30at) 净化气变换气水洗塔合成氨原料气经CO变换后 ( ) 2 2 2 CO+ H O(气）= CO + H ，含有30% CO2 ，本处用12~30[at]高压水与变换气逆流接触将 CO2 溶解在水中（2% CO2 存在于净化气中），从吸收塔底部出来的水可与一个高压水泵及电机相联的涡轮，通过涡轮转动水泵以回收能量。上图我们要解决以下问题： 1. 气液相组成是如何表示的？吸收操作的极限是什么？气液平衡关系如何表示？ 2. 吸收速率方程如何表示？如何强化吸收？ 3. 液气比是多少？ 4. 吸收塔，塔径计算。 5. 吸收塔塔高计算

宁夏大学化学化工学院化工原理电子教案 4/32 通式：  = = i i i i i i M a M a n n x  = i i i i i x M x M a 由此可见，吸收过程中气相中的吸收质传入液相。气相量与液相量不断发生相应的变化，如何使计算简化？表示简单呢？三.比摩尔分率：组分的摩尔数与溶剂或载体的摩尔数之比。用 X 、Y 表示液相与气相的比摩尔分率。即分子不动，分母中扣去所有溶质后相比的结果。本质上是气相以惰性气体为分母，液相以溶剂为分母，因为二者在吸收过程中均为不变的量。液相 x x n n n n n n n n n n X A A A A S A − = − = − = = = 摩尔溶剂 1 摩尔溶质 1 表示溶液 n n X X n n n n n n n n n n x S A S S A A S A A + = + = + = = = 摩尔溶液 1 摩尔溶质 1 表示溶剂 S S n n 气相 y y n n n n n n n n n n Y A A A A B A − = − = − = = = 1 ' ' ' ' ' ' ' ' ' 摩尔惰性气体摩尔溶质 1 表示混合气 ' ' n n y y n n n n n n n n n n y B A B B A A B A A + = + = + = = = 1 ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' 摩尔混合气体摩尔溶质 1 表示惰性气体 ' ' B B n n 四、比质量分率：组分的质量对溶剂或载体的质量之比。液相 S A A G G a = A A A A a a G G G − = − = 1 气相 ' ' ' B A A G G a = 五、质量浓度和摩尔浓度：某单位体积混合物中（液相，气相均可），所含组分的质量数或摩尔数。 V G C i i = V n C i i = 质量浓度摩尔浓度六、吸收率（回收率）吸收前混合气中吸收质的浓度吸收前混合气中吸收质的浓度−吸收后混合气中吸收质的浓度  = 100% 1 1 2  − = Y Y Y  吸收的相平衡和溶解度 2.2.2 亨利定律一、相平衡：正逆扩散速率达到相等，于是就出现了平衡。相平衡时，气体吸收质在溶液中的浓度，就是吸收质在该条件下的溶解度。气体的溶解度是在一定条件下吸收可能达到的最高限度，它与气体和溶剂的性质有关，并受温度和压力的影响。此时的溶液已被吸收质所饱和，被称为饱和溶液，溶液的浓度被称为平衡浓度或饱和浓度。相平衡时，气相和液相中吸收质的组成不再变化，此时溶液上方溶解气体的分压，成为平衡分压

宁夏大学化学化工学院化工原理电子教案比如常压下,当温度为25C,1000克水中含有190克MH3的溶液上方,氨的分压为200毫米汞柱],若和此溶液相接触的空气和氨混合气中,NH3的分压高于200毫米汞柱则氨就继续溶于水中,直到气体中NH3的分压和溶液上方NH3的分压相等为止。反之如果气相中NH2的分压小于 200[毫米汞柱],则氨从液相向气相传递,被称为解吸。直到相等即平衡为止。这种平衡条件规定了气体在液体中的溶解度。结论:吸收实际上是一个从不平衡向平衡转化的过程。当吸收达到平衡后,若要吸收继续进行, 就得改变条件,破坏现有的平衡。如增大气相中氨的分压使PMwn,>PM1可使吸收继续进行。如 PM1<p3n则发生解吸,由此可见,平衡是有条件的,相对的,暂时的。吸收相平衡时,吸收质在气相中的平衡分压与吸收质在液相中的浓度有一定的函数关系。这个关系就是亨利定律。享利定律实验结果表明,在一定的温度下,对于多数气体的稀溶液,在气体总压不高(低于5个大气压]) 的情况,吸收质在液相中的浓度与其在气相中的平衡分压成正比 Hp 式中:c一液相中吸收质的浓度kmol,m p-与液相平衡的气相吸收质的分压[P]或[P] H-溶解度系数kmol-m-3·Pa kmol 式中:x一液相中吸收质的摩尔分率 mo/吸收质 /m溶液)E一亭利系数精馏中的拉乌尔定律p4=Px1通式p1=Px1p,-溶液上方组分的平衡分压[pn 当实际溶液中溶质的浓度很低时,实际溶液就愈接近于理想溶液。而亨利定律适用范围:气体总压不高,多数气体的稀溶液恰恰符合理想溶液要求。所以p=Ex与p1=p2x 形式上、本质上就是一回事 P =-x=x m—相平衡常数(无量纲) PP x 式中:y-与液相平衡的气相中吸收质的摩尔分率,mo(吸收质 m/(混合气) P一混合气体总压[P] 当低压、高温时,实际气体接近于理想气体。符合道尔顿分压定律与阿玛尔格分容定律即 ni p 相组成的表示方法及其换算溶液中吸收质的浓度c与摩尔分率x之间的换算关系 Mx+Ms(l x=Crx tOl·n 式中:P一溶液的密度kgm M4-吸收质的摩尔质量| g kmor Ms-吸收剂的摩尔质量 kg.kmor c一溶液的总摩尔浓度([m吸收剂+吸收质)m(溶液 5/32

宁夏大学化学化工学院化工原理电子教案 5/32 比如常压下，当温度为 C  25 ，1000[克]水中含有 190[克] NH3 的溶液上方，氨的分压为 200[毫米汞柱]，若和此溶液相接触的空气和氨混合气中， NH3 的分压高于 200[毫米汞柱]则氨就继续溶于水中，直到气体中 NH3 的分压和溶液上方 NH3 的分压相等为止。反之如果气相中 NH3 的分压小于 200[毫米汞柱]，则氨从液相向气相传递，被称为解吸。直到相等即平衡为止。这种平衡条件规定了气体在液体中的溶解度。结论：吸收实际上是一个从不平衡向平衡转化的过程。当吸收达到平衡后，若要吸收继续进行，就得改变条件，破坏现有的平衡。如增大气相中氨的分压使   NH3 NH3 p p 可使吸收继续进行。如   NH3 NH3 p p 则发生解吸，由此可见，平衡是有条件的，相对的，暂时的。吸收相平衡时，吸收质在气相中的平衡分压与吸收质在液相中的浓度有一定的函数关系。这个关系就是亨利定律。二、亨利定律实验结果表明，在一定的温度下，对于多数气体的稀溶液，在气体总压不高（低于 5 个[大气压]）的情况，吸收质在液相中的浓度与其在气相中的平衡分压成正比。 1.  c = Hp 式中： c—液相中吸收质的浓度   −3 kmolm ；  p —与液相平衡的气相吸收质的分压   Pa 或   a kP ； H—溶解度系数   −3 −1 kmolm  Pa 或     (kN  m) kmol 。 2. p = Ex  式中： x —液相中吸收质的摩尔分率， ( ) (溶液) 吸收质 mol mol E —亨利系数   Pa 精馏中的拉乌尔定律 A A A p p x 0 = 通式 i i i p p x 0 = i p —溶液上方组分的平衡分压   a p 当实际溶液中溶质的浓度很低时，实际溶液就愈接近于理想溶液。而亨利定律适用范围：气体总压不高，多数气体的稀溶液恰恰符合理想溶液要求。所以 p = Ex  与 i i i p p x 0 = 形式上、本质上就是一回事。 3. x mx P E P p = =  m —相平衡常数（无量纲） y = mx  式中：  y —与液相平衡的气相中吸收质的摩尔分率， ( ) (混合气) 吸收质 mol mol ； P —混合气体总压   Pa 。当低压、高温时，实际气体接近于理想气体。符合道尔顿分压定律与阿玛尔格分容定律。即： V V P p n n y i i i = = = 相组成的表示方法及其换算溶液中吸收质的浓度 c 与摩尔分率 x 之间的换算关系 ( ) x c x M x M x c T A S = + − = 1    −3 kmolm 式中：  —溶液的密度   −3 kg m ； M A —吸收质的摩尔质量   −1 kg  kmol ； M S —吸收剂的摩尔质量   −1 kg  kmol ； T c —溶液的总摩尔浓度[  (吸收剂吸收质) (溶液) 3 kmol + m

宁夏大学化学化工学院化工原理电子教案 2.2.3相平衡关系在吸收过程中的应用吸收速率:单位时间内经两相单位接触面积吸收的组分量,[kms 吸收操作的极限,取决于体系的气液平衡。吸收操作的生产强度则直接取决于吸收速率。吸收速率是吸收塔设备选型和设计的依据传热 KSAL O=KSAt 吸收 N KAA N=KA△ t d 式中N吸收质的吸收传质速率[kms] A-气液相接触面积[m2] △一吸收过程的推动力,可用吸收质相际分压差,或浓度差表示 K一吸收过程的传质系数同传热一样吸收的全部秘密隐藏在K中,现在就揭穿这个秘密。吸收是一种组分从气相传入液相的单向扩散传质过程。扩散有分子扩散与涡流扩散两种吸收过程的机理 1分子扩散和涡流扩散 (1)分子扩散:由于分子受热运动造成质量迁移的现象在静止或滞流的流体中,某一组分由浓度高的部位向浓度低的部位的移动、是通过分子扩散进行的,(如一滴墨水滴入水中的扩散就是分子扩散):当组分垂直于层流流动的薄层时,由于组分的移动方向垂直于流体的流动方向。因此可以断定,在这种情况下物质垂直穿过层流薄膜也只有分子扩散才可完成根据费克(Fick)定律即单位时间传递的物质量与传质面积和沿传质方向的浓度梯度成正比, 在稳定条件下 N=DA =二=-D 式中N一扩散速率kmol·s 式中J一分子扩散通量[mo(mr2·s A-传质面积m] 4一浓度梯度[km/m] dE △c一浓度差kmol.m 4~速度梯度:-温度梯度〓一扩散距离 D2-扩散系数m2s] A△c 当式中z=m]4=m]△c=mom-]D=N(D是特定条件下的扩散速率和流体流动中的牛顿粘性定律τ F 中的μ比较,还可以与传热傅立叶定律 s dy Q--中的A比较) 导热一分子振动传热过程费克定律与傅立叶定律的相似点:1.共同点:都是分子运动吸收一分子扩散传质过程 2均通过层流内层(或者层流层),层流层的阻力最大。 3两个公式相似 D=∫(扩散物质、扩散介质、温度) (2)涡流扩散,由于流体质点湍流、脉动、造成大量漩涡将物质从高浓度传递到低浓度的扩散。 732

宁夏大学化学化工学院化工原理电子教案 7/32 2.2.3 相平衡关系在吸收过程中的应用一、吸收速率：单位时间内经两相单位接触面积吸收的组分量，   −1 kmols 。吸收操作的极限，取决于体系的气液平衡。吸收操作的生产强度则直接取决于吸收速率。吸收速率是吸收塔设备选型和设计的依据。传热 m KS t d Q dQ Q = = =    ' ' m Q = KSt 吸收 = = = KA d n dn N i i   N = KA 式中 N —吸收质的吸收传质速率   −1 kmols ； A —气液相接触面积   2 m ；  —吸收过程的推动力，可用吸收质相际分压差，或浓度差表示； K —吸收过程的传质系数。同传热一样吸收的全部秘密隐藏在 K 中，现在就揭穿这个秘密。吸收是一种组分从气相传入液相的单向扩散传质过程。扩散有分子扩散与涡流扩散两种：二、吸收过程的机理 1.分子扩散和涡流扩散（1）分子扩散：由于分子受热运动造成质量迁移的现象。在静止或滞流的流体中，某一组分由浓度高的部位向浓度低的部位的移动、是通过分子扩散进行的，（如一滴墨水滴入水中的扩散就是分子扩散）；当组分垂直于层流流动的薄层时，由于组分的移动方向垂直于流体的流动方向。因此可以断定，在这种情况下物质垂直穿过层流薄膜也只有分子扩散才可完成。根据费克（Fick）定律即单位时间传递的物质量与传质面积和沿传质方向的浓度梯度成正比，在稳定条件下 z c N DA  = dz dc D A N J A A = = − AB 式中 N —扩散速率   −1 kmols ；式中 A J —分子扩散通量 kmol (m s) 2 ； A —传质面积   2 m ； dz dcA —浓度梯度   4 kmol m ； c —浓度差   −3 kmolm ；         −   − 速度梯度；温度梯度 n t dy du z —扩散距离 m ； DAB—扩散系数   2 −1 m s 。 A c Nz D  = 当式中 z =1m   2 A =1m   3 1 − c = kmolm D = N （D 是特定条件下的扩散速率和流体流动中的牛顿粘性定律 dy du S F  = =  中的  比较，还可以与传热傅立叶定律 dx dt S Q q = = − 中的  比较）。费克定律与傅立叶定律的相似点：1.共同点：都是分子运动    − − 吸收分子扩散传质过程导热分子振动传热过程 2.均通过层流内层(或者层流层)，层流层的阻力最大。 3.两个公式相似。 D = f （扩散物质、扩散介质、温度）（2）涡流扩散，由于流体质点湍流、脉动、造成大量漩涡将物质从高浓度传递到低浓度的扩散

宁夏大学化学化工学院化工原理电子教案 10/32 又 B A B A B A y y p P p P p p = =  B A B A p p N N = 主主 P = pA + pB 故 B A A B A A B p p dz dp RT DA p p N N − 主 = 主 = B B A B B B A p P p p p p p p 1+ = + = B A B A A B A A A A A A dz p dp RT DAP p p dz dp RT DA p p dz dp RT DA dz dp RT DA N N N 1 1 − =        − = − + − = 扩+ 主 = ( ) ( ) ( ) A A A A dz P p d P p RT DAP dz P p dp RT DAP − − = − = − ( ) ( )   − − = Ai A G p p A A A z P p d P p RTN DAP dz 0       = +  dx x c x ln 1 (D、N 、A、R、T均为常数) A B Bi A A Ai A G p p RTN DAP P p P p RTN DAP z ln = ln − − = 令 ( ) ( ) A Ai Ai A B Bi Bi B Bm P p P p P p P p p p p p p − − − − − = − = ln ln A Ai A Ai P p P p p p − − − = ln （气相主体与界面之间，惰性气体分压差对数平均值）         +  = 2 2 Bi B Bm B Bi p p p p p 如、  代入上式得： ( ) A Ai G Bm A p p RTZ p DAP N = − （1） Bm p P —漂流因数通式 p RTZ p DAP N G Bm =  写成扩散通量形式： A N N J A = A =  p RTZ p DP N G Bm A =  kmol m s 2  P  pBm   1 pBm P 表明由于主体流动而使物质 A 的传递较单纯 A 的分子扩散速率 ( ) A Ai G p p RTZ DA − 要大一些。如 A 的分压很小时（即混合气中组分 A 的浓度很低时） pBm  P 。  上式可写为： p RTZ DA N G =  （2） 3．收质在液膜中的稳定扩散，同理可推导出： ( ) Ai A L sm T A c c Z c D c N = − ' ' 或 c Z c D c N L sm T A =  ' ' （3）式中 ' NA—溶质 A 在液相中的传递速率， kmol s ； ' D —溶质 A 在溶剂 S 中的扩散系数， m s 2 ； T c —溶液总浓度， T A S c = c + c  溶液溶液 3 kmol m ； ZL —液膜厚度， m ； Ai c 、 A c —溶质 A 在界面与液相主体溶质浓度，   3 kmol m 。（单位面积上的扩散速率—扩散通量 A A N = J kmol m s 2 c Z c D c N L sm T A =  ' ' ，类似于

宁夏大学化学化工学院：《化工原理》课程教学资源（电子教案）第二章 气体吸收

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