化工原理下册 Principles of Chemical Engineering,下册目录,8 气体吸收 9 液体精馏 10 气液传质设备 11 液液萃取 12 其它传质分离方法 13 热质同时传递的过程 14 固体干燥,8 气体吸收 Gas Absorption,8.1 概述 8.2 气液相平衡 8.3 扩散和单相传质 8.4 相际传质 8.5 低含量气体吸收 8.6 高含量气体吸收 8.7 化学吸收,1,化工原理（下）-气体吸收,8.1 概述,吸收的目的： (1)回收气体混合物中有用组分 (2)除去工艺气体中的有害组分 在吸收塔内含H2S煤气被从塔顶淋下的乙醇胺吸收H2S，脱H2S煤气从塔顶排出。吸收H2S后的洗油被泵入解吸塔内加热，使吸收的H2S蒸出，然后冷凝回收。脱H2S的乙醇胺再循环使用。,2,工业吸收过程,化工原理（下）-气体吸收,化工原理（下）-气体吸收,3,化工原理（下）-气体吸收-概述,实现分离必须解决的问题： （1）合适的溶剂；（2）适当的设备； （3）溶剂的再生。 (1) 对被分离组分有较大溶解度； (2) 对其它组分溶解度小；选择性好。 (3) 被吸收组分的溶解度对温度变化敏感，以利于再生； (4) 溶剂的蒸汽压低； (5) 溶剂化学稳定性好； (6) 溶剂粘度低； (7) 溶剂价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。,4,溶剂的选择,化工原理（下）-气体吸收-概述,物理吸收与化学吸收,物理吸收：因溶解度不同而分离的吸收操作。煤气脱苯 特点是溶解度一般不高，分离推动力不够，但解吸容易。 化学吸收：被吸收组分与溶剂发生化学反应的吸收操作。 特点是由于化学反应使吸收能力提高，且一般具有较高选择性。 化学吸收的条件： (1)反应具有可逆性，以易于再生； (2)反应速率较快。,5,化工原理（下）-气体吸收-概述,吸收操作的经济性,吸收操作费用主要有： (1)吸收过程能量消耗； (2)溶剂损失和变质； (3)溶剂再生费用。 通常溶剂再生费用最大。通常有加热、减压和汽提等手段。加热耗热能多，减压耗动力多，汽提需要某些特别方式且仅适用一定条件。 若能选择某溶剂使吸收后溶液作为产品，则不需再生，可使吸收过程较经济。,6,化工原理（下）-气体吸收-概述,吸收过程中气、液 两相接触方式,图 8-2 两类吸收设备,a. 级式接触,b. 微分接触,7,化工原理（下）-气体吸收-概述,(1)只有被吸收组分溶于溶剂，其余组分可视为惰性组分。 (2)溶剂蒸气压很低，其挥发损失可忽略，气体中不含溶剂蒸汽。 在气相中仅含惰性组分和可溶性组分，在液相中仅含被吸收组分(溶质)与溶剂。,8,定态和非定态操作,化工原理（下）-气体吸收-概述,基本假定,化工传递过程,过程的极限：平衡问题。 过程的速率：过程的动力学，推动力问题。,19,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,qm1cp1(T1-T2)=KAtm qm1cp1(T1-T2)= qm2cp2(t2-t1),Gas Mixture A+B,Liquid S,S+B,A,B,8.2 气液相平衡 Gas-liquid phase equilibria,传热：传递热量、推动力为两流体温度差。 吸收：传递物质、推动力为浓度差。 推动力= 溶解度-液相中气体浓度,9,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,8.2.1 平衡溶解度 Equilibrium Solubility of Gases,溶解度：在一定温度和压力下，气相和液相达平衡时，气体不再溶于液相(实际上是液相中气体组分的浓度不再变化)称为相平衡。此时液相中气体组分的浓度称溶解度。 溶解度随温度和压力而变。平衡时，溶质在气相中的分压（平衡分压），与液相中的摩尔分数相关联，即平衡度曲线。 不同气体在同一溶剂中溶解度不同。 气体的溶解度随温度升高而减小。 加压和降温一般可提高气体溶解度。,10,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,xNH3,溶解度pNH3/kPa,50C,40C,30C,60C,120 100 80 60 40 20 0,0 0.05 0.10 0.15 0.20,11,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,12,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,液相中SO2的摩尔分数，x,气相中的摩尔分数，y,40C,50C,30C,20C,10C,0C,用分压表示溶解度可直接用于吸收过程相平衡描述，分析问题较直接。用两相浓度表示的关系则可方便地与物料平衡和吸收过程进行数学描述。 注意：总压不同，y-x线位置不同。,12,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,稀溶液上方气相中溶质分压与液相中溶质的摩尔分数成正比。 (8-1) 上式称为亨利(Henry)定律。溶液越稀，上式越准确。理论上只有很稀的溶液才有上述规律。若液相浓度表示方法不同，亨利定律有不同形式，但实际上描述的是同一体系的平衡状况。 (8-2) (8-3),13,1. 亨利定律的各种表示式,亨利定律,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,以上三式中比例系数E、H、m都是亨利常数，通常m又称为相平衡常数。 对稀溶液近似有 所以,14,2. 亨利定律各系数间的关系,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,例 8-1 总压为101.3kPa和202.6kPa下，根据温度20C时SO2 水的气液平衡数据绘出以摩尔分数表示的气液平衡曲线，并计算气相组成y=0.020时，两种不同总压下的平衡液相组成。 解： 20C时SO2 水的气液平衡数据由手册查得列于表中。 设100g水中溶解 a克SO2，则SO2摩尔分数为 按上式将表中数据换算，并计算气相摩尔分数 ye= pe/P 根据计算数据作图。,15,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,当y=0.020时，由平衡曲线查得液相组成为p=101.3kPa xe=0.93010-3 p=202.6kPa xe=1.65010-3,由本例可知，总压变化 将改变平衡。 气相组成不变时，总压增加使SO2分压增大，液相组成也随之增大。,0 .001 .002 .003,.08 .07 .06 .05 .04 .03 .02 .01,y,x,16,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,8.2.2 相平衡与吸收过程的关系 The relationship between phase equilibrium and absorption process,当气相某组成实际分压高于其与液相组成平衡的分压时，气相该组成将溶于液相发生吸收。 也可理解为当液相组成小于与气相组成平衡的浓度时，气相该组成将溶于液相发生吸收。,判别过程的方向,y=0.1,x=0.05,y=0.05,x=0.10,yye, xxe 吸收 解吸,17,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,指明过程的极限,溶液出口浓度必须小于与进口气体相平衡的浓度。 气体出口浓度必须大于与进口溶液相平衡的浓度。 极限值为平衡浓度。只有在吸收剂量很小而气体量很大或吸收剂量很大而气体量很小时才可能分别达到液相、气相平衡值。,V,Y1 L,X1,Y2 Y2e X2,18,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,计算过程的推动力,实际吸收过程远离平衡，过程的推动力越大，吸收速率越快。推动力以某一位置气相或液相浓度与相应平衡浓度之差表示。,V,Y1 L,X1,Y2 Y2e X2,y ye,x xe,A,19,化工原理（下）-气体吸收-气液相平衡,吸收收操作中，操作温度降低，其他条件不变，则吸收操作分离能力 。 请写出两种常用的解吸操作方法： 和 。 吸收剂的选择需要符合以下条件： 1. 。 2. 。 3. 。 某混合气与溶液接触，已知该物系的平衡方程为ye=0.8x，当溶液中溶质含量为0.05（摩尔分率，下同）， 气相中溶质含量为0.03， 该过程为 ，如吸收气体总压增加一倍，该过程变为 。（如是吸收计算以气相表示的推动力） (A)吸收； (B)解吸；(C)平衡；(D)无法确定；,8.3 扩散和单相传质 Diffusion and mass transfer in single phase,8.3.1 双组分混合物中的分子扩散 8.3.2 扩散系数 8.3.3 对流传质 8.3.4 物质传递与动量、热量传递的类比 8.3.5 对流传质理论,20,化工原理（下）-气体吸收-扩散,气相主体扩散到气液界面在界面上气体溶于液相界面液相一侧扩散到液相主体 分子扩散 molecular diffusion 流体内部组分的浓度差引起的。 对流传质 convection mass transfer or turbulent diffusion 流体的流动。,吸收过程主要步骤,传质基本方式,21,化工原理（下）-气体吸收-扩散,8.3.1 双组分混合物中的分子扩散 Molecular diffusion in binary mixtures,隔板打开后， A将向右扩散， B将向左扩散。 扩散速率：单位时间单位面积扩散的物质量。费克定律： 扩散速率 扩散系数 浓度梯度,A,B,144,(8-9),费克定律,22,化工原理（下）-气体吸收-扩散,费克定律适用于双组分混合物，是实验规律。与牛顿粘性定律、傅立叶定律类似。 若气体混合物为理想气体，则 恒压条件下，C=cA+cB dcA/dZ= -dcBdZ 由费克定律 所以 DAB DBA,23,化工原理（下）-气体吸收-扩散,设pA1PA2, pB1pB2 联通管内隔板打开时，A组分将向右扩散，B组分将向左扩散。讨论稳定状态，各位置组分分压不变。 因为总压相等，两组分扩散量必然相同，否则总压会发生变化。对扩散速率 JA=-JB,pA1 pB1,pA2 pB2,P,P,A,B,1. 等分子反向扩散,分子扩散和主体流动,24,化工原理（下）-气体吸收-扩散,2. 主体流动(组分A通过停滞组分B扩散),整体移动：由于A溶于液相，B不溶于液相，A在界面溶于液相后，必然有混合物来补充A溶解后的空间，形成了整体移动。 特点：这种扩散过程不仅有A向界面扩散的运动，还有混合物向界面扩散的主体流动。 在界面附近，A的分压减少，B的分压增加，但总压不变。,25,化工原理（下）-气体吸收-扩散,2. 主体流动(组分A通过停滞组分B扩散),25,化工原理（下）-气体吸收-扩散,浓度,方向,总浓度,B浓度,A浓度,净物流 NNMJAJB JAJB NNM 对组分A衡算：,分子扩散的速率方程,P Q,由于主体流动是分子扩散引起的伴生流动，所以包括主体流动在内的组分A的传递速率也是分子扩散的总宏观结果。上式也称为组分A分子扩散速率。,26,化工原理（下）-气体吸收-扩散,等分子反向扩散时 NA= JA = -DdcA/dz 定态时 NA= JA = D(cA1cA2)/ 对理想气体 cAnA/V = pA/RT,分子扩散速率的积分式,等分子反向扩散,cA1 cA2,(8-19),27,化工原理（下）-气体吸收-扩散,定态时NA不变，积分得 气相扩散时 (8-22) P/pBm称为漂流因子，其值总是大于1。其值越大，表明主体流动比例越大。当气相中A的浓度极低时， P/pBm约等于1。,浓差