吸收法气体分离.pptx
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1、开碳酸饮料开碳酸饮料 当我们打开碳酸饮料瓶口时,就有气体冲出。这是气体当我们打开碳酸饮料瓶口时,就有气体冲出。这是气体的反溶解,这就是碳酸气的解吸。的反溶解,这就是碳酸气的解吸。n根据气体混合物中各组分在液体溶剂中物理溶解度或化学反应活性不同而将混合物分离的一种方法n优点:效率高、设备简单、一次投资费用相 对较低n缺点:需要对吸收后的液体进行处理、设备 易受腐蚀1、原理3吸收剂气体yx界面气相主体 液相主体 相界面气相扩散 液相扩散 yi xi 气气体体吸吸收收是是混混合合气气体体中中某某些些组组分分在在气气液液相相界界面面上上溶溶解解、在在气气相相和和液液相相内内由由浓浓度度差差推推动动的的
2、传传质质过程。过程。第一节第一节吸收法概述吸收法概述一、吸收概念一、吸收概念利用利用液体液体吸收(溶解)气体混合物中吸收(溶解)气体混合物中的的特定特定组分组分(有的还发生化学反应),以分离气体混合物的(有的还发生化学反应),以分离气体混合物的一种操作。一种操作。n吸收质吸收质(溶质溶质):n惰性气体惰性气体(载体载体):n吸收剂:吸收剂:n吸收吸收液:液:n吸收吸收尾气:尾气:第一节第一节吸收法概述吸收法概述混合气体中的溶解组分混合气体中的溶解组分不溶或难溶组分不溶或难溶组分吸收操作中所用的溶剂吸收操作中所用的溶剂吸吸收收操操作作后后得得到到的的溶溶液液,主主要要成成分分为为溶溶质质和溶剂和
3、溶剂。吸吸收收后后排排出出的的气气体体,主主要要成成分分为为惰惰性性气气体体和和少量的溶质少量的溶质。目的:目的:回收或捕获气体混合物中有用物质,制取产品;除去工艺气体中的有害成分,使气体净化,以便进一步加工处理。依据:依据:气体气体混合物中各组分在溶剂中溶解度混合物中各组分在溶剂中溶解度不同不同二、吸收的目的和依据:二、吸收的目的和依据:气体吸收的工业应用气体吸收的工业应用净化或精制气体净化或精制气体 例:合成氨工艺中,合成气中的净化脱碳例: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例:用水吸收氯化氢气体制取盐酸回收混
4、合气体中所需的组分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气中的氨工业废气的制理工业废气的制理 废气中含有二氧化硫、硫化氢、废气中含有二氧化硫、硫化氢、CO2等有害气体的脱除等有害气体的脱除原料气AB吸收剂S尾气B(含微量A)溶液S+A气体吸收的原理吸吸收收塔塔形成两相体系的方法引入一液相(吸收剂)各组分在吸收剂中溶解度不同。分离物系气体混合物传质原理三三气体吸收的原理和流程气体吸收的原理和流程溶质或吸收质,以A表示;惰性气(不被吸收的组分),以B表示。n三三大大n对对A和和B的溶解度差异要大的溶解度
5、差异要大n对对A的溶解度要大的溶解度要大n对对A的溶解度在条件改变时变化要大的溶解度在条件改变时变化要大n三小三小n挥发性小挥发性小n粘度小粘度小n腐蚀小腐蚀小n技术经济性技术经济性吸收剂选择原则吸收剂选择原则气体吸收的流程吸收过程吸收过程吸收过程:溶质溶解于吸收剂中逆流操作解吸过程:溶质从溶液中释放出并流操作气体吸收过程在吸收塔中进行。吸收吸收解吸解吸n吸收操作流程:吸收操作流程:n采用采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题:问题:n选择选择合适的溶剂合适的溶剂,使能选择性比溶解某个(或,使能选择性比溶解某个(或某些)被分离组份;某些)被分离
6、组份;n提供提供适当的传质设备适当的传质设备(多位填料塔,也有板式(多位填料塔,也有板式塔)以实现气液两相的接触,使被分离组分得以从塔)以实现气液两相的接触,使被分离组分得以从气相转移到液相(吸收)或相反(解吸);气相转移到液相(吸收)或相反(解吸);n溶剂的再生溶剂的再生,即脱除溶解于其中的被分离组分,即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。除了制取溶液产品只需单独吸收外,以便循环使用。除了制取溶液产品只需单独吸收外,一般都要进行解吸操作,使溶剂再生循环使用一般都要进行解吸操作,使溶剂再生循环使用。气体吸收的实例气体吸收的实例具有吸收剂再生功能的连续吸收流程具有吸收剂再生功能的连续吸收流程
7、气液两相的接触方式气液两相的接触方式级级式式接接触触:气气、液液两两相相逐逐级级逆逆流流接接触触传传质质,两两相相的的组组成成呈呈阶阶跃跃变变化,如化,如板式塔板式塔。板式塔板式塔填料塔填料塔湿壁塔、降膜塔湿壁塔、降膜塔微分接触微分接触:气、液两相的浓度呈连续变化。气、液两相的浓度呈连续变化。规整填料规整填料 塑料丝网波纹填料塑料丝网波纹填料 散装填料散装填料塑料鲍尔环填料塑料鲍尔环填料物理吸收:利用气体混合物在所选择的溶剂中溶解 度的差异而使其分离的吸收过程化学吸收:伴有显著化学反应的吸收过程。该法使 吸收过程推动力增大,阻力减少,吸收 效率提高,可处理低浓度气态污染物化学法用于气体分离时一
8、般需要是化学反应可逆,实现溶剂循环利用4、物理吸收和化学吸收16第二节第二节吸收过程基础理论吸收过程基础理论n气体气体吸收过程实质吸收过程实质上是上是溶质组分溶质组分自自气相气相通过相界面通过相界面转移转移(迁移)到(迁移)到液相液相的过程。现将气体吸收中的传的过程。现将气体吸收中的传质过程与传热过程相对照来研究两个问题:质过程与传热过程相对照来研究两个问题:(1)、气体吸收过程的推动力气体吸收过程的推动力是什么是什么?(2)、若气液两相能充分完全的接触,则、若气液两相能充分完全的接触,则吸收过程的吸收过程的极限极限是什么是什么?xi液相中摩尔分数液相中摩尔分数yi气相中摩尔分数气相中摩尔分数
9、ci液相中摩尔浓度液相中摩尔浓度pi气相中分压力气相中分压力Xi液相中摩尔比液相中摩尔比Yi气相中摩尔比气相中摩尔比一一 吸收过程中吸收过程中的一些基本变量的一些基本变量 相平衡:相平衡:在一定的温度和压力下,吸收过程的速率和解吸过程的速率最在一定的温度和压力下,吸收过程的速率和解吸过程的速率最终将会相等,气液两相间的质量传递达到动态平衡,简称终将会相等,气液两相间的质量传递达到动态平衡,简称为为相相平衡。平衡。p这时这时气相中吸收质分压称为气相中吸收质分压称为平衡分平衡分压;压;p液液相中所溶解吸收质的浓度称为相中所溶解吸收质的浓度称为平衡平衡溶解度,溶解度,简称简称溶解度;溶解度;p溶解度
10、是溶解度是吸收的吸收的极限,又极限,又称称最大溶解度最大溶解度,常定义为每,常定义为每100100千克千克溶剂中溶解气体的千克数。溶剂中溶解气体的千克数。二二 吸收过程中的气液平衡吸收过程中的气液平衡1 1 平衡分压:在一定条件下,任何气体在某种溶剂中平衡分压:在一定条件下,任何气体在某种溶剂中溶解达到平衡时,其在气相中的分压是一定的。溶解达到平衡时,其在气相中的分压是一定的。2 2 吸收过程:吸收过程:n进行进行的方向与极限的方向与极限取决于气取决于气液两相中的平衡关系。液两相中的平衡关系。nP P表示气相表示气相中溶质的实际分压;中溶质的实际分压;p*p*表示平衡分压;表示平衡分压;p p
11、p*p*时,溶质便由气相向液相转移,吸收时,溶质便由气相向液相转移,吸收p pp*p*时,溶质便由液相向气相转移时,溶质便由液相向气相转移,称为解吸。,称为解吸。P Pp*p*时,处于气液平衡状态时,处于气液平衡状态二二 吸收过程中的气液平衡吸收过程中的气液平衡溶溶解解度度曲曲线线:在在一一定定温温度度、压压力力下下,平平衡衡时时溶溶质质在在气气相相和和液液相中的浓度的关系曲线。相中的浓度的关系曲线。溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC120溶解度/g(SO2)/1000
12、g(H2O)250200020406080100pSO2/kPa1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oCNH3、SO2在水中的在水中的溶解度溶解度二二 吸收过程中的气液平衡吸收过程中的气液平衡溶解度特点:溶解度特点:在同温同压的情况下,不同性质的气体在相同在同温同压的情况下,不同性质的气体在相同溶剂中的溶解度不同;溶剂中的溶解度不同;当温度一定时,溶解度随吸收质分压的升高而当温度一定时,溶解度随吸收质分压的升高而增大;增大;气体的溶解度与温度有关,一般来说,随着温气体的溶解度与温度有关,一般来说,随着温度的升高,溶解度下降度的升高,溶解度下降。二二 吸收
13、过程中的气液平衡吸收过程中的气液平衡定义:用来描述定义:用来描述稀溶液稀溶液或(难容气体)在一定温度下,或(难容气体)在一定温度下,当总压不高时,互成平衡的气液两相组成之间的关当总压不高时,互成平衡的气液两相组成之间的关系。系。混合气体总压不混合气体总压不高高稀溶液(可视作理想溶液稀溶液(可视作理想溶液,x0.05,x0.05)由于气液相组成可以采用不同的表示方法,故亨利定律由于气液相组成可以采用不同的表示方法,故亨利定律 有不同的表示形式有不同的表示形式 。气相:气相:p pii,y yii,Y Yii液相:液相:x xii,c cii,X Xii23三三 亨利定律(亨利定律(Henrys
14、law)pi-xi关系关系pi-ci关系关系xi-yi关系关系Xi-Yi关系关系 亨利定律是亨利定律是物理吸收物理吸收过程的气液相平衡规律。在一过程的气液相平衡规律。在一定温度下,对总压不高定温度下,对总压不高(一般约小于一般约小于5l05l05 5Pa)Pa)的物理的物理吸收,气态吸收质在吸收剂溶液中的溶解度与气相吸收,气态吸收质在吸收剂溶液中的溶解度与气相中吸收质的平衡分压成正比,即:中吸收质的平衡分压成正比,即:亨利定律适用亨利定律适用用于液相浓度非常低的情况用于液相浓度非常低的情况物理吸收物理吸收不适用于不适用于吸收液浓度高的情况吸收液浓度高的情况化学吸收过程化学吸收过程三三 亨利定律
15、(亨利定律(Henrys law)1.1.液相液相浓度浓度与与溶质分压力关系溶质分压力关系三三 亨利定律(亨利定律(Henrys law)三三 亨利定律(亨利定律(Henrys law)2.2.液相液相摩尔分数摩尔分数与与气相摩尔分数关系气相摩尔分数关系E 值值的的大大小小代代表表了了气气体体在在该该溶溶剂剂中中溶溶解解的的难难易易程程度度;在在同同一一溶溶剂剂中中,难难溶溶气气体体E 值值很很大大,易易溶溶气气体体E 值很小;值很小;物系一定,物系一定,E 值一般随温度的上升而增大;值一般随温度的上升而增大;E 的单位与气相分压的压强单位一致。的单位与气相分压的压强单位一致。三三 亨利定律(
16、亨利定律(Henrys law)3.3.液液相摩尔分数与溶质分压力关系相摩尔分数与溶质分压力关系定律形式定律形式常数含义常数含义备注备注P*=ExE,亨利系数亨利系数P*,稀稀溶溶液液中中溶溶质质(被被吸吸收收组组分分)平平衡衡分分压压,x为为被吸收组分在液相中的摩尔分数被吸收组分在液相中的摩尔分数对对于于一一定定体体系系,E是是温温度度的的函函数数,一一般般,温温度度上上升,升,E增大,不利于气体吸收。增大,不利于气体吸收。同一溶剂中难溶气体同一溶剂中难溶气体E值大值大P*=C/HH,溶解度系数溶解度系数C为被吸收溶质的物质的量浓度(为被吸收溶质的物质的量浓度(Kmol/m3)H为溶解度系数
17、,(为溶解度系数,(kmol/(m3Pa)),实验测定。实验测定。H为为温温度度的的函函数数,随随温温度度升升高高减减小小,其其数数值值等等于于平衡分压平衡分压1大气压时的溶解度大气压时的溶解度同一溶剂中难溶气体同一溶剂中难溶气体H值小值小E(1/H)*(/M)为为溶溶液液的的密密度度,M是是溶溶剂剂A的的相相对分子质量对分子质量y*=mxm,相平衡常数,无量纲相平衡常数,无量纲mE/P,P为气相的总压为气相的总压m为为由由试试验验结结果果算算出出来来的的数数值值。一一定定物物系系,它它是是温度和压强的函数。温度和压强的函数。同一溶剂中难溶气体同一溶剂中难溶气体m值大值大Y*=mXm同上同上亨
18、利定律既可由液相组成计算气相组成,也可由气相组亨利定律既可由液相组成计算气相组成,也可由气相组成计算液相组成。成计算液相组成。由液相组成求气相组成:由液相组成求气相组成:由气相组成求液相组成:由气相组成求液相组成:亨利定律适用条件:理想溶液或稀溶液(一般亨利定律适用条件:理想溶液或稀溶液(一般5%),三三 亨利定律(亨利定律(Henrys law)亨利定律表达式中各系数之间的关系亨利定律表达式中各系数之间的关系EH关系Em关系Hm关系(三)亨利定律中几个系数之间的关系(三)亨利定律中几个系数之间的关系三三 亨利定律(亨利定律(Henrys law)三三 亨利定律(亨利定律(Henrys law
19、)1atm下,浓度为下,浓度为0.02(摩尔分数)的稀氨水在(摩尔分数)的稀氨水在20时氨的平衡分压为时氨的平衡分压为1.666kPa,其相平衡关,其相平衡关系服从亨利定律,氨水密度可近似取系服从亨利定律,氨水密度可近似取1000kg/m3。求:求:E、m、H。例:例:三三 亨利定律(亨利定律(Henrys law)解:解:四四吸收过程的机理吸收过程的机理双膜理论双膜理论1 传质过程概念 四四吸收过程的机理吸收过程的机理双膜理论双膜理论1 传质过程概念 在含有两个或两个以上组分的混合体系中,如果存在浓度梯度,某一组分(或某些组分)将有高浓度区向地浓度区移动的趋势,该移动过程称为传质过程。(1)
20、扩散物质从一相的扩散物质从一相的主体扩散到两相界面(单主体扩散到两相界面(单相中的扩散);相中的扩散);(2)在界面上的扩散物在界面上的扩散物质从一相进入另一相(相质从一相进入另一相(相际间传质);际间传质);(3)进入另一相的扩散物)进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩质从界面向该相的主体扩散(单相中的扩散);散(单相中的扩散);2物质传递的三个步骤:物质传递的三个步骤:pAcApA,i cA,i气气膜膜液液膜膜相界面相界面气相主气相主体体液相液相主体主体传质方向传质方向双膜理论双膜理论示意图示意图溶溶质质A在在气气相相中中的的分分压压溶溶质质A在在液液相相中中的的摩摩尔尔浓浓度度四四吸
21、收过程的机理吸收过程的机理双膜理论双膜理论3双膜理论双膜理论双膜理论的基本论点(假设)双膜理论的基本论点(假设)(1)气液两相存在一个稳定的相界面,界面)气液两相存在一个稳定的相界面,界面两侧存在稳定的气膜和液膜。膜内为层流,两侧存在稳定的气膜和液膜。膜内为层流,A以分子扩散方式通过气膜和液膜。以分子扩散方式通过气膜和液膜。(2)相界面处两相达平衡,无扩散阻力。)相界面处两相达平衡,无扩散阻力。(3)有效膜以外主体中,充分湍动,溶质主)有效膜以外主体中,充分湍动,溶质主要要以湍流扩散以湍流扩散的形式传质。的形式传质。四四吸收过程的机理吸收过程的机理双膜理论双膜理论3双膜理论双膜理论NA气液相间
22、传质速率,kmolm-2s-1KG气相总传质系数,kmolm-2s-1kPa-1KG 越大传质速率越快四四吸收过程的机理吸收过程的机理双膜理论双膜理论第四节第四节吸收装置吸收装置 吸收吸收装置的作用:装置的作用:建立和不断更新两相接触表面,使之具有尽建立和不断更新两相接触表面,使之具有尽可能可能大的接触面积大的接触面积和尽可能和尽可能好的流体力学条件好的流体力学条件,以利于提高吸收速率,减少设备的尺寸,同时,以利于提高吸收速率,减少设备的尺寸,同时,气体通过设备的气体通过设备的阻力要小,以节省动力消耗阻力要小,以节省动力消耗。n n1吸收设备基本要求:吸收设备基本要求:n气液间有较大的接触面积
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