【化工原理 課件】第二章 吸收第一課時

2020/9/15,1,第二章 吸 收（Absorption）,2020/9/15,2,案例工程背景:三聚氰胺制備 6CO(NH2)2 C3N6H6+ 3CO2+ 6NH3 工程實例：某人造板廠在三聚氰胺生產(chǎn)工藝中的氨吸收塔，其直徑為0.6m、內(nèi)部裝填3.8m高的DN38金屬環(huán)矩鞍填料，在常壓和22條件下，用純水吸收出洗滌塔氣體中的氨?，F(xiàn)場測得一組組成數(shù)據(jù)為Y1=0.023、Y2=0.0002、X1= 0.006，操作條件下的氣液平衡關(guān)系為Y=0.846X?，F(xiàn)因環(huán)保要求的提高，要求出塔氣體組成低于50 ppm，試提出幾種不同的改造方案.,2020/9/15,3,本章基本內(nèi)容, 吸收過程中氣液相平衡（gas-liquid phase balance） 吸收過程的傳質(zhì)機(jī)理*（Mass transfer mechanism） 吸收過程傳質(zhì)模型及傳質(zhì)速率表達(dá)*（Mass transfer rate） 吸收操作的物料衡算（重點）（ Material accounting ） 填料層高度的計算方法（重點）（ Packing layer height ）,2020/9/15,4,概 述,一. 吸收生產(chǎn)中的應(yīng)用 分離(separation)和凈化（purification）原料氣。原料氣在加工以前，其中無用的或有害的成分都要預(yù)先除去。如合成氨所用的原料氣中分離出、等雜質(zhì)。 分離和吸收氣體中的有用組分。從焦?fàn)t煤氣中以洗油回收粗苯（含甲苯、二甲苯等）蒸氣和從某些干燥廢氣中回收有機(jī)溶劑蒸氣等。,2020/9/15,5,某些產(chǎn)品的制取(preparation)。如制酸工業(yè)中用水分別吸收混合氣體中的HCl、和制取鹽酸、硫酸和硝酸。,廢氣的治理。排放的廢氣含有對人體和環(huán)境有害的物質(zhì)，如、等選擇適當(dāng)?shù)墓に嚭腿軇┻M(jìn)行吸收是廢氣治理中應(yīng)用較廣的方法。,2020/9/15,6,二. 吸收基本原理：,吸收操作是將氣體混合物的各個組份予以分離的單元操作。,依據(jù)：依各組份在溶劑中的溶解度的差異(Differences in solubility)實現(xiàn)組份分離。,如 用水吸收空氣中的氨氣 吸收劑液體-溶劑 solvent- S 水溶質(zhì)-能溶于溶劑的組分 solute A 氨氣惰性氣體載體,不能溶于和微溶于溶劑的組分 Inert gas B 空氣,2020/9/15,7,三. 典型吸收解吸流程(Absorption-Desorption),解吸的目的：回收溶質(zhì)、溶劑的再生使之循環(huán)使用(Recovery of solute, solvent regeneration),2020/9/15,8,選擇合適的溶劑（吸收劑Absorbent） 選擇性地溶解某一組分（或某些組分）（一般原則） 提供適當(dāng)?shù)膫髻|(zhì)設(shè)備(Mass transfer equipment)以實現(xiàn)汽液兩相的傳質(zhì) 盡可能增大兩相的接觸面積(contact area)與湍動程度(Turbulence degree)。根據(jù)這個原則，吸收設(shè)備大致可分成兩大類：即板式塔和填料塔(Plate tower and packed tower),采用吸收操作實現(xiàn)氣體混合物分離必須解決的問題：,2020/9/15,9,選擇合適的溶劑。吸收劑的性能是吸收操作良好與否的關(guān)鍵，選擇時要從以下幾方面來考慮：,.對被吸收的組分要有較大的溶解度，且有較好的選擇性。 .要有較低的蒸氣壓(vapor pressure)，以減少吸收過程中溶劑的揮發(fā)損失。 .要有較好的化學(xué)穩(wěn)定性(Chemical stability)，以免使用過程中變質(zhì)。 .腐蝕性(Corrosive)要小,以減小設(shè)備費用和維修費。 .粘度(Viscosity)要低，以利于傳質(zhì)及輸送；比熱要小，使再生時的耗熱量較?。徊灰兹?，以利于安全生產(chǎn)。 .吸收后的溶劑應(yīng)易于再生。,2020/9/15,10,三.吸收過程分類,物理吸收: 利用混合氣中各組分在溶劑中的溶解度的差異分離氣體混合物。 化學(xué)吸收: 以氣體混合物各組分能否在溶劑中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來分離混合氣體。如碳酸鈉溶液凈化含CO2的氣體CO2+K2CO3+H2O=2KHCO3化學(xué)吸收操作具有高選擇性， 化學(xué)反應(yīng)滿足以下條件: 可逆性 這樣使溶劑得以再生循環(huán)使用 (Reversible)較高的反應(yīng)速率,2020/9/15,11,第一節(jié) 氣液相平衡Gas Liquid Equilibrium,211 氣體在溶劑中的溶解度Solubility,1 . 氣液相平衡氣-液相長時間充分接觸，達(dá)到平衡時，其氣相濃度與液相濃度之間的關(guān)系為相平衡關(guān)系。,2020/9/15,12,2 . 溶解度曲線Solubility curve,在一定溫度和壓力下，混合氣體與其溶劑達(dá)到相平衡時，溶質(zhì)組分在兩相中組成呈一定的對應(yīng)關(guān)系,常以溶解度表示。,平衡分壓: pe平衡時，混合氣中溶質(zhì)組分的分壓,Pa; x-液相中溶質(zhì)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。,溶解度：氣液平衡時，溶質(zhì)在液相中的濃度。,2020/9/15,13,2020/9/15,14,3.溶解度的影響因素,溶質(zhì)的性質(zhì)：不同的氣體在溶劑中的溶解度不同 易溶氣體，難溶氣體 分壓對溶解度的影響：當(dāng)Pe增加，x 增加。(T 一定) 總壓對溶解度的影響：在溶質(zhì)組份分壓不變時，若P變化不大，不影響溶解度。即總壓不影響pe、x之間 的關(guān)系 溫度對溶解度的影響： T增加，x下降，(Pe一定) T增加，Pe增加 x一定,2020/9/15,15,4.吸收過程濃度的表示法,在吸收過程中,惰性氣體不溶于液相,溶劑也沒有顯著的氣化現(xiàn)象,在任一截面上惰性氣體和溶劑的摩爾流量均不發(fā)生變化。 以惰性氣體和溶劑的量為基準(zhǔn),分別表示溶質(zhì)在氣液兩相的濃度, 常將組成以摩爾比X、Y表示)(molar ratio)。,2020/9/15,16,2.1.2 相平衡關(guān)系,相平衡關(guān)系與體系的溫度、壓力以及物性相關(guān)，對采用稀溶液吸收混合氣中低濃度溶質(zhì)組分時，其溶解度曲線通過原點，并為一直線。 用亨利定律描述。 Pe=ExPe-溶質(zhì)組分在氣相的平衡分壓，Pa; x-溶質(zhì)組分在液相的組成，摩爾分?jǐn)?shù)； E-亨利系數(shù)(Henry factor)，kPa/(kmolm3)。,1. 亨利定律(Henrys Law),2020/9/15,17,濃度的表示方法不同，享利定律的形式不同。 2.1 Pec關(guān)系,2亨利定律的不同形式,H溶解度系數(shù)Solubility coefficient，kmol/kN.m=f(T) c-摩爾濃度,2.2 yex關(guān)系,m相平衡常數(shù)Phase equilibrium constant，值越大，表示溶解度越小。 y, x氣相、液相中溶質(zhì)的摩爾分率,2020/9/15,18,Y,X氣相、液相中溶質(zhì)的摩爾比,2.3 YeX關(guān)系,2020/9/15,19,3亨利系數(shù)E 、 H、m之間的關(guān)系,E，H 之間的關(guān)系：對于稀溶液Dilute solution：則溶質(zhì)濃度較低，溶液可近似視為純?nèi)軇汗视?E, m之間的關(guān)系:,2020/9/15,20,4. 各亨利系數(shù)的影響因素,亨利系數(shù)E=f(物系，T) 溫度T ，E ; 總壓P對E影響很小 理想溶液： E=p0(飽和蒸汽壓） 易溶氣體Dissolved gasE難溶氣體H 相平衡常數(shù)mf（物系，T，P） m=E/P, P , m ; T ，m 易溶氣體m<難溶氣體m,2020/9/15,21,2.1.3 相平衡在吸收過程中的應(yīng)用,1 判斷過程進(jìn)行的方向因自發(fā)進(jìn)行過程總是趨向體系的平衡方向的，如圖中A、B點所示。 A點: yye; xxe 溶質(zhì)向氣相轉(zhuǎn)移 解吸過程,2020/9/15,22,2 確定傳質(zhì)過程的推動力driving force,組成為 y，x的氣液相接觸，傳質(zhì)推動力如圖所示： A點： ； B點： 若氣、液相濃度分別以p,c 表示，則推動力為,表示解吸推動力。,表示吸收推動力。,2020/9/15,23,（3）判斷過程進(jìn)行的極限(limit),過程進(jìn)行的極限：最終達(dá)平衡， 平衡濃度為極限狀態(tài) 吸收過程極限y降至最小為ye, 解吸過程x降至最小為xe。,（4）相平衡限制了離開吸收塔時的,氣相最低濃度The lowest concentration of gas phaseY2min和液相最高濃度maximum concentration of liquid phase X1max,2020/9/15,24,含SO2為10（體積）的氣體混合物與濃度C為0.020kmol.m-3的SO2水溶液在一個大氣壓下相接觸。操作條件下兩相的平衡關(guān)系為pe1.62C（大氣壓） ，則SO2將從相向相轉(zhuǎn)移， 以氣相組成表示的傳質(zhì)總推動力為_大氣壓. 用亨利系數(shù)E表達(dá)的亨利定律表達(dá)式為_.在常壓下,20時, 氨在空氣中的分壓為69.6mmHg, 與之平衡的氨水濃度為10(kg NH3(100kg)-1H2O).此時亨利系數(shù)E=_,相平衡常數(shù)m=_.,思考題,2020/9/15,25,在常壓下,測定水中溶質(zhì)A的摩爾濃度為0.56Kmol/m3,此時氣相中A的平衡摩爾分率為0.02,則此物系的相平衡常數(shù)m=_。當(dāng)其他條件不變，而總壓增加一倍時，相平衡常數(shù)m=_，此時的亨利系數(shù)E=_，而溶解度系數(shù)H_。,在總壓p=500KN/m，溫度t=27下使含 CO23.0（體積）的氣體與含CO2370g/m 的水相接觸，試判斷是發(fā)生吸收還是解吸？并計算 以CO2的分壓差表示傳質(zhì)總推動力。 已知：在操作條件下，亨利系數(shù)E=1.73105KN/m 。水溶液的密度可取1000Kg/ m，CO2的分子量44。,