「答:压缩前a1=0,1311,v=0,1509,C1=0,001076kml/m2;压缩后冷凝前a=a1,a2 10C;冷凝后a,=0,0803,a3=0.087,C3=0,00658lmol/m3。冷凝百分率42.1% 3.一圆筒形容器高12m,直径1m,内盛CCl至/3.器顶有与外界平衡压力的小孔。由于昼夜温度差 等原因,容器内的空气将因空气的膨胀、收缩而通过小孔发生“呼吸”现象。若一天内最高温度为208 最低温度为10℃,外界气压可认为是1atm不变,试求因“呼吸”而损失的CC量(提示:可作适当的简化 近似,如蒸气压可取平均温度下的值,设为不变 答:6.77×10-千克/天 4.浅盘内盛水深5mn,在]atm及298K下向大气蒸发。假定传质阻力相当于3mm厚的静止气层,气层 外的水蒸气压可以忽略,求水蒸发完所需的时间。扩散系数可由表8-2查取。 C答:9,56b 6.佔算1atm及293下氯化氢气体(HC1)在(1)空气、(2)水(极稀盐酸)中的扩散系数。 〔答:D=171×10-m2/s,Dm1,99×10-cm2/s] 6.若例8-6的总压增加一倍,求、四及NA的变化,并作简要说明。 7.一料塔在常E和295K下操作,用水洗去含氨气体中的氨。在塔内某处,氨在气相中的组成 %(摩尔育分率),液相的平衡分压”=660P,物质通量NA=10-kmol/n2s,气相扩散系数Da=0,24 cm7/,试求气膜的当量厚度 〔答:0,14mm 8.在320K及1am下,空气以初速xm, =6m/9向下流过内径32mm的圆管,有一段0.8m高度的管壁为 水膜所润湿(水膜厚度可忽略),水温保持在300K,充气在管出冒处的平均温度为313。假定空气只向水 膜传热,试以柯尔本类比求出水汽化的传质系数和空气流过这段距离的压降。已知Py=0,71、Sc=0,61
第九章吸收 第一节概述 -1工业生产中的吸收过程 在上一章中已介绍了吸收的某些基本概念,本章将着重讨论如相平衡、物料衡算、填料 层高度等方面的定量关系。 吸收操作广泛地用于气体混合物的分离,其在工业上的具体应用大致有以下几种 1.原料气的净化。为除去原料气中所含的杂质,吸收可说是最常用的方法。就杂质的 浓度来说,多数很低,但因危害大而仍要求高的净化率,如煤气中的HS含量一般远低于 1%(体积,以下岡),但净化率仍要求高于90%也有的初始浓度相当高,如合成氨工业 的变换气含CO约28%,最后需脱除到0.01%以下,而某些天然气中含CO2更达50%以上等。 2.有用组分的回收。如从合成氨厂的放空气中用水回收氨从焦炉煤气中以洗油回收 粗苯(包括苯、甲苯、二甲苯等)蒸气和从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。 3.某些产品的制取。将气体中需用的成分以指定的溶剂吸收出来,成为溶液态的产品 或半成品。如淛酸工业中从含HCl、NO、(氮氧化物)、SO的气体制取盐酸、硝酸、硫酸 在甲醇(乙醇)蒸气经氧化后,用水吸收以制成甲醛(乙醛)半成品等 4.废气的治理。很多工业废气中含有SO2、NO,(主要是NO及NO2)、汞蒸气等有害成 分,虽然浓度一般很低,但对人体和环境的危害甚大而必需进行治理。这类环境保护问题在 我网已愈来意受重视。选择适当的工艺和溶剂进行吸收,是废气治理中应用较广的方法。 当然,以上目的有时也难于截然分开,如干燥废气中的有机溶剂,能间收下来就很有价 值,任其排放则会污染大气。 第八章曾简单地将被分离的气体分为溶质A和情性气体B,当它与溶剂S接触时,假定 只有A通过气液界面进入液相,形成溶液(S+A)。实际上,所谓情性气体也不是绝对不 溶解,只是溶解度比溶质气体小得多。应当说:以吸收法分离气体混合物的依据,是利用不 同组分在溶剂中溶解度的差异。这种差异愈大,称为吸收的选择性愈好。此外,在气液接触 进行吸收的同时,溶剂S也会蒸发到未他和的气体中去,只是其量通常不大而可予以忽略, 但需注意有时又应川以考虑(如溶剂蒸气对下-工序有害时)。 若吸收时溶质不发生明显的化学反应,称为物理吸收。如上述实例中以洗油吸收粗苯, 以水吸收CO2、SO2及甲醛蒸气等。若吸收时溶质与溶剂或溶液中的其它物质进行化学反应, o净化率或吸收率指溶质总量中吸收部分所的比例,可用下式表示: 式中?吸收率; 2bx吸收前、后蓄质在气相中的摩尔比。当气体中溶质的含量很低《例如2%以下),YY可以用摩尔分率y, y或质量浓度等其它组成表示法代替
称为化学吸收。例如,以碱性液体(水中溶有NaOH、或K2CO、或NH或胺类)吸收酸性 气体(CO、HS、SO2等),以水吸收NO制硝酸等。 根据吸收时温度是否有显著变化,又可分为等温吸收和非等温吸收。由于气体溶质被吸 收时相当于由气态变成液态,故物理吸收时会产生近于冷凝热的溶解热;在化学吸收时,还 要加上反应热,其量往往相当大,故温度总有所上升。只有当溶剂用量相对大,温升不明显 时,才能视为等温过程。 还可以按被吸收组分的数目分为单组分吸收和多组分吸收。如制取盐酸、硫酸等为单组 分吸收,回收粗苯、治理NO等为多组分吸收。 本草以单组分、等温、物理吸收为童点,以便掌握基本的原理和方法。在此基础上也对 多组分吸收、化学吸收及非等温吸收作简略介绍,使对较复杂问题的处理有初步概念。 92吸收的流程和溶剂 吸收通常在图8-8所示的塔设备内进行,其中尤以填料塔用得普遍(在第十一章将作较 咩细的讨论)。但除了制取溶液产品等少数情况只需单独进行吸收之外,一般都需对吸收后的 溶液继以脱吸,使溶剂再生,能够循环使用,同时也得到有价值的溶质。这样,除了吸收塔 以外,还需与其它设备一道组成一个完整的流程。现以从焦炉煤气中回收粗苯为例,在图9-1 中示意,以了解吸收流程的概貌图中虚线左边为流程的吸收部分,煤气由塔底进入吸收塔1 其中的粗苯蒸气被塔頂淋下的洗油吸收后,由塔顶送出,风机则未在图中示出。富含溶质的 溶液(常称“富液”),从贮槽2以泵3送往右边的脱吸部分。脱吸的常用方法是使溶液升温 脱苯气 粗苯 焦炉煤气 多 富油 吸收鄙分 脱吸部分 图9-1从焦炉煤气中阿收粗苯的流彩示意 1吸收塔;2…吸收液贮槽;3、9-泵;4一换热器;5—脱吸塔;6—冷却-冷凝器;7一液体分层器 8一脱吸液贮槽;10-冷却器
以减小气体溶质的溶解度,故用涣器热4使送去脱吸的富液与已脱吸后的“贫液”(含的溶 质已很少)相互换热。换热而升温 的富液进入脱吸塔5的顶部,塔底 通入直接蒸气,将富液中的粗苯逐 气悴出 出,并带出塔顶,一道进入冷却 冷凝器6,冷凝后的水和粗苯在容 器7中分层后分别引出,所回收的 粗苯送去进一步加工。由塔顶流至 气体入 塔底的洗油含苯量已脱得很低(贫 液),从贮槽8用泵9打出,经换热 液体入 器4、冷却器10两级冷却后,再进 气液逆流串联 入吸收塔1的顶部作吸收用,完成 个循环。 对吸收流程现作以下的补充说 气体出 1,气液流向。一般都采用逆 流,即液体向下气体向上,以使全 塔平均的推动力为最大,与传热时气体入 两流体以逆流的平均推动力为最液体出 液体入 大,原理相同。只有对吸收速率取 决于反应速率而不取决于传质推动 气体串联、液体并联 力等少数情况,如水吸收NO.以制 图9-2多塔吸收流程 硝酸,才不一定用逃流。 a一气液逆流串联;b一气体串联、液体并联 2.多塔吸收。荇用一个塔吸收所需的高度太大时,就需要分成几个塔串联起来。图9-1 中的吸苯塔1实际是3至5个气液逆流串联的塔,如图9-2a所示。多塔吸收还可采用不同 的流程,如图9-2b所示为气体串联、液体并联,与图9-2a的多塔串联相比,由于每一塔中 都喷淋新再生的溶液,故气体能得到较完全的吸收,但溶液的平均浓度则较低,溶液的循环 量较大,对再生的婆求较高。如高硫煤气的脱硫,就需应用这种流程 3.加压吸收。当总压增加时,溶质气体的分压和溶解度都随之增大,有利于吸收。当 然,专为吸收而加压能耗太大,并不现实;但是,如果吸收的上、下工序有加压过程,就应 考虑让吸收也在加压下进行。例如,为将焦煤气送往远处用户,本需加压,有的厂将加压站 由脱系统之后换至脱苯以前,使吸苯在约10atm下进行,结果原常压吸苯的5座高40m的 塔可以减少到一座,洗油循环量也减少到1/3。 4,关于脱吸。除了图9-1中以直接蒸汽加热并作为溶质蒸气的携带剂之外,还有一些方 法适用于其它情况。现举例如下:(1)当溶质不是蒸气而是不凝性气体时,就不需要分层 器,塔底宜用间接蒸汽加热,冷却-冷凝器也可以小很多。如以碳酸盐溶液吸收CO2后的脱 吸。(2)若下一工序有需要(至少无害),可用某种惰性气体将溶质带出(可不必再用水蒸 气)。如已吸收了SO2的水溶液,可将空气通入脱吸塔底,塔顶所得含SO2百分之十左右的空 气,正好作为制硫酸的原料气。(3)在加压吸收的情况下,只需将溶液减至常压,即自动 放出大部分溶质气体
为使吸收法分离气休混合物进行得既高效而又最经济,显然,选择适宜的溶剂是一个主 要因素,而且流程的决定也有所用的溶剂有关。很容易想到:溶剂应当对被分离组分有良好 的选择性,这是对的,但是往往更重要的还在于溶质A的溶解度应尽可能大,以减小吸收设 备的尺寸,并减少溶剂的用量或循环量。从流程图9-1可见:溶液循环量的减少,就意味输 送和再生所耗能量的节约。濬剂的选择性良好和循环量少,都能减少惰性气体的溶解量,以 使有用的情性气体减少溶解损失,并提高脱吸后溶质气体的纯度。 除了溶解度以外,还需要考虑对溶剂的其它要求,主要为 1.不易挥发。即蒸汽压要低,使吸收时溶剂的蒸发尽可能少,一方面是为了减少溶剂 的损失,另一方面也是避免在气体中引入新的杂质 腐蚀性小,以减少设备费和维修费 3·粘度低,以利于传质及输送;比热小,使再生时的耗热量较小;发泡性低,以免过 份限制吸收塔内的气速而增大塔的体积。 4.毒性小、不易燃,以利于保证安全生产 5,来源不成问题、价格低廉、易于再生。 对于吸收的流程和所用的溶剂,往往要因地制宜,结合本厂实际情况,有时还要经过几 种方案的仔细对比,才能恰当地选定。 第二节有关吸收的基本理论 9-3气体在液体中的溶解度 在溶质A与溶剂接触、进行溶解的过程中,随着溶液浓度CA的逐渐增高,传质速率将逐 渐孩慢,最后降到零,C达到一最大限度C。这时称气液达到了相平衡,C称为平衡溶解 度,简称为溶解度。 对于单組分物理吸收的物系,组分数c=3(溶质A、惰性气体B、溶剂S),相数ψ 2(气、液),根据相律,自由度数F应为 F=c-中+2=3-2+2 即在温度、总压和气、液组成共四个变量中,有三个是自变量,另一个是它们的函数。故可 将溶解度C*表达为温度、总压P和气相组成(常以分压力表示)的函数。在实验研宠的基 础上得知:P在几个大气压的范围内,对平衡的影响实际上可以忽略;而温度对溶解度的影 响颇大,一般是温度上升时,溶解度下降。于是,在一定温度下,C只是力的函数,可 写成 Ca=f(ps) (9-2) 当然,也可以选择液相的浓度C作自变量,这时,在一定温度下的气相平衡分压是 C的函数 Pi=F(C,) 气液平衡关系的理论尚不完善,一般需用实验方法对具体物系进行测定。图9-3示出四 种气体在20℃下与其水溶液的C,c平衡关系。由图可知: 1.在同样的温度和分压下,不同气体的溶解度可以有很大的差别(注意:CA的标尺从最 左边的O2开始,十倍十倍地增大)。溶解度很小的气体如O2、CO2称为难溶气体;溶解度很 大的如NH,称为易溶气体;而介乎其间的如SO,为溶解度适中的气体