宁夏大学：《化工原理》上册课程电子教案（化工流体流动与传热）第二章 气体吸收

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 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。 、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 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。 流程 1.单程吸收 2.循环吸收 均指液体 3.吸收与解吸结合 吸收解决的问题 净化气 高压水(12-30at) 变换气 水洗塔 合成氨原料气经CO变换后(CO+H2O气)=CO2+H2),含有30%CO2,本处用12-30a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 2/32

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 现在我们就以上述问题为序,逐一加以介绍 第二节气体吸收的平衡关系 2.2.1气体在液体中的溶解度 质量分率:这是一相的组分质量对该相的总质量只之比a A+B NH3 空气 A+B气相 A+S液相 a-表示l组分的质量分率; G,-表示组分的质量数k小 G一表示组分所在相的各组分的总质量数k」 a=As,+s+G、9小 G 液相 G 同理 气相 a +a 、摩尔定律:这是一相的组分摩尔数,对该相的总摩尔数之比 y n n n 中:x,一表示液相i组分的摩尔分率 n一表示液相i组分的摩尔数 n一表示i组分所在液相中的各组分总摩尔数 y一表示气相i组分的摩尔分率 n2-表示气相i组分的摩尔数 n一表示i组分所在气相中的各组分总摩尔数 液相:x4=4x=n=n4+nsx4+xs=1 气相 n=na+nb ya+ yB 两者之间的关系:如对液相取1k2]的质量为基准则 1k J G ag MMM 同理M n=ntn

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 3/32 现在我们就以上述问题为序，逐一加以介绍。 第二节 气体吸收的平衡关系 2.2.1 气体在液体中的溶解度 一、质量分率：这是一相的组分质量对该相的总质量只之比 G G a i i = A+B 气相； A+S 液相； ai− 表示 i 组分的质量分率； Gi -表示 i 组分的质量数   g k ； G —表示 i 组分所在相的各组分的总质量数   g k 。 液相      = = G G a G G a S s A A G = GA + GS = =1 + + = G G G G G a a A S A S 同理 气相 1 ' ' a A + ab = 二、摩尔定律：这是一相的组分摩尔数，对该相的总摩尔数之比。 n n x i i = ' ' n n y i i = 式中： i x —表示液相 i 组分的摩尔分率； i n —表示液相 i 组分的摩尔数； n—表示 i 组分所在液相中的各组分总摩尔数； i y —表示气相 i 组分的摩尔分率； ' i n —表示气相 i 组分的摩尔数； ' n —表示 i 组分所在气相中的各组分总摩尔数。 液相： n n x A A = n n x S S = n = nA + nS xA + xS =1 气相： ' ' n n y A A = ' ' n n y B B = ' ' ' n = nA + nB yA + yB =1 两者之间的关系：如对液相取 1   g k 的质量为基准则   g G = 1 k A A A A A A A M a M a G M G n = = = 同理 S S S M a n = n = nA + nB  = + = = M a M a M a M a M a n n x A A S S A A A A A A H2O 空气 S A+B NH3

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 通式: a.= a ∑xM 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摩尔溶质n="=_n-=x 1表示溶液 n 摩尔溶质n n X 1表示溶剂 摩尔溶液nn4+nsn+ns1+X 气相1三摩尔惰性气体mBn-n1-nt 1表示混合气 摩尔溶质 摩尔混合气体n 1+1表示情性气体 n 四、比质量分率:组分的质量对溶剂或载体的质量之比 G. G 液相 气相aAG 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。 G 质量浓度 摩尔浓度 六、吸收率(回收率)η= 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 吸收前混合气中吸收质的浓度 7 100% 吸收的相平衡和溶解度 2.2.2亨利定律 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 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