獲取吸收的氣液相平衡數(shù)據(jù)

1、藥品生產(chǎn)技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫-制藥單元操作技術(shù)教學(xué)設(shè)計教 師 姓 名授課班級授課形式講授授 課 日 期 授課時數(shù)4授課內(nèi)容情景6 吸收過程及操作任務(wù)1 獲取吸收的氣液相平衡數(shù)據(jù)教學(xué)目的知 識目 標(biāo)1. 了解吸收依據(jù)、用途和分類2. 掌握吸收劑的選擇原則3. 掌握吸收操作流程4. 了解相組成的表示方法5. 理解溶解度及其影響因素6掌握亨利定律及應(yīng)用能 力目 標(biāo)1、能夠用比摩爾分率表示吸收的相平衡關(guān)系。2、能夠根據(jù)吸收原理，正確分析吸收的溶解度及其影響因素。3、能夠根據(jù)不同亨利定律的表示形式，判斷吸收過程的方向和極限思 想目 標(biāo)1.具有分析問題解決問題的能力； 2.具有一定組織協(xié)調(diào)能力；3.具有搜索

2、、整理材料及文字表達(dá)相關(guān)能力教 學(xué) 重 點平衡的表達(dá)方法，平衡數(shù)據(jù)教 學(xué) 難 點平衡的影響因素更新、補(bǔ)充、刪 節(jié) 內(nèi) 容使 用 教 具多媒體課 外 作 業(yè)課 后 體 會授課主要內(nèi)容及課堂教學(xué)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié) 課 程 內(nèi) 容 設(shè) 計教學(xué)方法時間min組織復(fù)習(xí)引入新課小結(jié)作業(yè)你知道化工生產(chǎn)中，哪些地方或操作用到混合氣體的分離？如何分離的？（引出吸收）任務(wù)1獲取吸收的氣液相平衡數(shù)據(jù)吸收是分離氣體混合物的操作，其分離依據(jù)是在相同條件（溫度、壓力）下，混合氣體中各組分在同一溶劑中的溶解度不同而分開的。吸收操作進(jìn)行時，需向混合氣體噴淋液體吸收劑，使溶質(zhì)在溶劑中溶解而完成與惰性組分的分離。吸收在工業(yè)生產(chǎn)上有著廣

3、泛的用途。子任務(wù)1 認(rèn)識吸收的工業(yè)應(yīng)用一、吸收操作的作用吸收是利用一定溫度壓力下，混合氣體中各組分在溶液中的溶解度不同而將其分開的操作。吸收操作作為混合氣體的一種重要的分離手段而被廣泛地應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過程，其主要應(yīng)用有以下幾種：1、分離混合氣體以獲得一定的組分或產(chǎn)物。如用硫酸吸收煤氣中的氨得副產(chǎn)物硫酸銨；用洗油洗滌焦?fàn)t煤氣回收其中的苯、甲苯蒸氣；用液態(tài)烴處理石油裂解氣以回收其中的乙烯、丙烯等。2、除去混合氣體中的有害組分以凈化或精制氣體。如用碳酸丙烯酯溶液或鉀堿溶液除去合成氨原料氣中的CO2；用銅氨液吸收氨合成原料氣中極少量的CO、CO2和H2S等。3、制備某種氣體的溶液。用

4、水吸收HCl、SO3、NO2等氣體得到相應(yīng)的無機(jī)酸。4、工業(yè)廢氣的治理。在煤礦、冶金、火力發(fā)電、醫(yī)藥和化工等工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，均或多或少向大氣中排放一定量的SO2、NO、NO2等有害氣體，這些氣體盡管濃度不高，但是其水溶液均具有強(qiáng)酸性，若直排空氣中對人和自然環(huán)境的破壞均很大，故這些廢氣在排放之前必須采用堿性吸收劑加以吸收處理。 二、吸收操作的分類吸收是分離氣體混合物的最常見的單元操作。依據(jù)吸收過程中操作條件及吸收時溶質(zhì)與溶劑的作用原理不同，吸收操作常分為以下幾類。1、 按過程有無化學(xué)反應(yīng)分類物理吸收 吸收過程中，吸收質(zhì)與溶劑之間不發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)。一般適用于溶質(zhì)易溶于水而惰性組分難溶于水

5、的混合氣體分離。如碳酸丙烯酯脫除制氨原料氣中的CO2氣體。化學(xué)吸收 吸收過程中，吸收質(zhì)與溶劑之間有明顯的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。如溶質(zhì)為酸性氣體或堿性氣體，多采用化學(xué)吸收操作分離混合氣體。如用水吸收氨氣、氯化氫氣體制氨水、鹽酸。2、按被吸收的組分?jǐn)?shù)分類單組分吸收 混合氣體中只有一個組分（溶質(zhì)）被吸收進(jìn)入溶液，其它組分均不溶于吸收劑的吸收操作。如空氣中的氨氣被水吸收即為單組分吸收。多組分吸收 混合氣體中有兩個或兩個以上的組分進(jìn)入液相的吸收。如硫鐵礦制硫酸尾氣中的SO2、SO3的用氨水吸收。3、按過程有無溫度變化分類非等溫吸收 氣體溶于液體時，常常伴有熱效應(yīng)，若為化學(xué)吸收還會有化學(xué)熱，結(jié)果是隨吸收過程的進(jìn)行

6、，溶液的溫度會發(fā)生變化，此類吸收為非等溫吸收。常見的吸收操作大多數(shù)為非等溫的。等溫吸收 在吸收過程中，若熱效應(yīng)很小，或被吸收的在氣相中的濃度很低，而吸收采用了大量的吸收劑，致使溫度變化不顯著，均可認(rèn)為等溫吸收。如硫酸工業(yè)尾氣處理，采用大量稀氨水吸收尾氣中的SO2、SO3的過程，即可作為等溫吸收。4、按過程操作壓力分類常壓吸收 即是吸收操作在大氣壓下進(jìn)行的吸收過程。如上述的硫酸工業(yè)尾氣的處理即是常壓下的吸收。加壓吸收 因氣體在溶液中的溶解度隨壓力升高而增大，故工業(yè)上大多數(shù)采用高于常壓（即加壓）下進(jìn)行吸收操作。說明：實際吸收操作過程往往伴隨氣體混合物的凈化和吸收劑或惰性組分（或吸收質(zhì)）的回收等多重

7、目的的。至于混合氣體的分離操作，最終選用何種吸收類型，主要取決于混合氣體物系的性質(zhì)、分離要求及分離成本等。三、吸收流程的設(shè)置吸收是在吸收塔內(nèi)，采用噴淋吸收劑與吸收質(zhì)接觸，吸收質(zhì)被吸收劑吸收進(jìn)入液相而完成氣體分離的。常見的吸收操作在氣體混合物與溶劑接觸時會有一定的熱效應(yīng)，若吸收劑需循環(huán)使用，則要對吸收劑降溫升壓，所以吸收操作有多種流程設(shè)置方案。常見的操作流程有如下幾種：依據(jù)吸收操作步驟數(shù)分為一步法和多步法吸收流程，如圖6-1（a）為兩步法吸收流程；依吸收劑與吸收質(zhì)接觸的方式不同有逆流操作和并流操作流程，如圖6-2所示；依據(jù)吸收要求，可設(shè)置單塔吸收流程（圖6-3所示）和多塔吸收流程，如圖6-1（b

8、）所示為雙塔吸收流程；依據(jù)吸收劑是否循環(huán)使用可分為循環(huán)吸收流程和非循環(huán)吸收流程，如圖6-3所示為吸收液循環(huán)吸收流程。圖6-1 吸收操作流程示意圖圖6-3 吸收流程示意圖 圖6-2 吸收操作方式示意圖采用吸收操作實現(xiàn)混合氣體分離必須具備以下條件：選擇合適的吸收劑（溶劑），能在一定條件下有選擇性地吸收混合氣體中某一個或多個組分；選用合理的吸收設(shè)備（填料塔、板式塔）及相應(yīng)的附件，以實現(xiàn)氣液兩相充分接觸，使溶質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)移至液相中；吸收劑能再生、循環(huán)使用，且價廉易得、毒性小、穩(wěn)定性好等；采用適宜的操作條件（吸收溫度、吸收壓力及噴淋密度）；此外還需解決針對一定的吸收任務(wù)（一定流量的已知組成混合氣體）及吸收

9、要求，確定吸收塔的工藝尺寸，吸收塔的正常開停車，吸收操作中常見事故的原因及解決方案的分析。子任務(wù)2 判斷吸收的方向吸收過程的進(jìn)行必須采用向氣體混合物中噴淋液體溶劑，只有這樣混合氣體中的溶質(zhì)因溶解被溶劑吸收進(jìn)入液相，而惰性組分留在氣相中，即完成了溶質(zhì)與惰性組分的分離。隨著溶質(zhì)溶解過程的進(jìn)行，其液相中溶質(zhì)越來越多，氣相中的溶質(zhì)越來越少，最終達(dá)到在兩相處于平衡。當(dāng)溶液的濃度不大時，其氣相中的溶質(zhì)分壓與在液相中的平衡濃度成正比，即為亨利定律。一、吸收過程中相組成的表示法吸收過程中，混合物系各組分的組成表示主要有以下幾種表示方法：1、摩爾分?jǐn)?shù) 摩爾分?jǐn)?shù)：指混合物中某組分的摩爾數(shù)占混合物總摩爾數(shù)的分?jǐn)?shù)。如

10、混合物中A組分摩爾分?jǐn)?shù)為 氣相中 （6-1） 液相中 （6-2）式中 分別為組分A在液相和氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)；氣相或液相中組分A的摩爾數(shù)，mol；混合物氣相或液相的總摩爾數(shù)，mol。若混合物中有組分A、B、N等,則 （6-3） （6-4）2、摩爾比摩爾比：指混合物中某組分A的摩爾數(shù)與惰性組分B摩爾數(shù)之比。則 （6-5） （6-6）式中 二、吸收操作中的相平衡關(guān)系吸收過程實質(zhì)上是溶質(zhì)組分自氣相通過相界面遷移到液相中的過程，它包括氣相內(nèi)、液相內(nèi)的相內(nèi)傳質(zhì)過程和氣相與液相之間的相際間的傳質(zhì)過程。氣體中溶質(zhì)傳遞到液相中的多少取決于溶質(zhì)在溶解中的溶解度（溶解平衡）的大小。氣液相平衡：一定壓力和溫度下，一定

11、量的吸收劑與混合氣體充分接觸，長期充分接觸后，在氣液兩相中溶質(zhì)組分的濃度不再發(fā)生變化，此時， 氣液兩相達(dá)到平衡。平衡分壓：達(dá)到平衡時，氣相中的溶質(zhì)分壓稱為平衡分壓或飽和分壓溶解度：達(dá)到平衡時，液相中溶質(zhì)濃度稱為平衡溶解度或飽和濃度1、氣體在液體中的溶解度及溶解度曲線在一定溫度和壓力下，氣體在一定量溶劑中溶解達(dá)到平衡時，溶質(zhì)在液相中的濃度即該溶質(zhì)在該溶劑中的溶解度。氣相中溶質(zhì)的分壓為平衡分壓。平衡時，溶質(zhì)在氣液兩相中的濃度存在著平衡關(guān)系。 氣液相平衡關(guān)系用圖線在二維坐標(biāo)系中繪制的關(guān)系曲線，即為溶解度曲線，因此時溶質(zhì)在氣液兩相中的濃度為平衡關(guān)系，故該曲線也即為溶質(zhì)在一定溶解中的氣液相平衡曲線。如圖

12、6-4（a）（b）（c）（d）所示。由圖6-4可知，加壓降溫可以提高氣體溶質(zhì)在溶劑中的溶解度，所以加壓和降溫有利于吸收操作，而減壓和升溫有利于解吸操作。（a）氨在水中的溶解度（b）氧在水中的溶解度（c）（d）圖6-4 幾種氣體在水中的溶解度影響溶解度的因素：物系、溫度、壓力不同氣體在水中的溶解度曲線，可得出一下幾點規(guī)律：1、同一物系，相同溫度下，分壓越高，溶解度越大； 2、同一物系，相同分壓下，溫度越低，溶解度越大。 3、同一物系，相同溫度下，相同分壓下，總壓越高， 溶解度越大；但影響不大，一般總壓在500 kPa以下， 總壓變化對溶解度的影響不忽略不計。 4、在相同溫度和分壓條件下，不同溶質(zhì)

13、在同一吸收劑中的溶解度差異較大。2、亨利定律當(dāng)吸收操作用于分離低濃度氣體混合物時，所得吸收液的濃度也較低。研究發(fā)現(xiàn)，在總壓不太高時，在一定溫度下，稀溶液上方溶質(zhì)的平衡分壓與溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)成正比，比例系數(shù)為亨利系數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式（亨利定律）為： （6-7）式中 溶質(zhì)A在氣相中的平衡分壓，kPa； 亨利系數(shù)，kPa； 溶質(zhì)A在液相中摩爾分?jǐn)?shù)。 當(dāng)氣體混合和溶劑一定時，亨利系數(shù)僅隨溫度而改變，對大多數(shù)物系，溫度升高，值增大，氣體溶解度減小。在同種溶劑中，難溶氣體的值很大，溶解度很小；而易溶氣體的值很小，溶解度很大。亨利系數(shù)一般由實驗測定，常見物系的亨利系數(shù)可查找有關(guān)手冊。因氣液相組成的表示方

14、式不一樣，亨利定律也可有多種表達(dá)形式： 溶質(zhì)A在液相中的濃度用摩爾濃度表示，在氣相中的濃度用平衡分壓表示，則亨利定律表示為： （6-8）式中 H溶解度系數(shù)，kmol/(m3kPa)； cA溶質(zhì)A在液相中的濃度，kmol/m3。 H與E的關(guān)系為： （6-9）溶解度系數(shù)H可視為在一定溫度下溶質(zhì)在分壓為1kPa時液相的平衡濃度，故H值越大，溶解度也越大。 溶質(zhì)A在氣液兩相中的濃度均用摩爾分?jǐn)?shù)表示時，其亨利定律為： （6-10）式中 m相平衡常數(shù)，無量綱； 相平衡時溶質(zhì)A在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)。 m與E的關(guān)系為： （6-11）溶質(zhì)A在氣液兩相中的濃度均用摩爾比表示時，其亨利定律為：因，,將二者代入式（6-

15、10），并整理得 （6-12）式中 平衡時，氣相中溶質(zhì)A的摩爾數(shù)與惰性組分的摩爾數(shù)之比；平衡時，液相中溶質(zhì)A的摩爾數(shù)與溶劑的摩爾數(shù)之比。若溶液濃度很低，則1+（1-m）XA1，式（6-12）可簡化為： (6-13) 式（6-7）、（6-8）（6-10）、（6-12）、（6-13）均為吸收相平衡關(guān)系方程。三、相平衡關(guān)系的應(yīng)用1、相平衡關(guān)系在判斷吸收過程方向上的應(yīng)用吸收過程中的相平衡關(guān)系，除了采用相平衡方程表示之外，亦可依據(jù)上述方程在二維坐標(biāo)系（X-Y）上繪制曲線（相平衡曲線）。如依據(jù)式（6-13）繪制的曲線是一組從原點出發(fā)的直線，圖6-13即為X-Y相平衡關(guān)系相圖。對于具有相平衡系統(tǒng)的物系，在未

16、達(dá)平衡系統(tǒng)之前，一定存在組分將由一相向另一相傳遞，并最終趨于平衡。吸收傳質(zhì)過程的方向就是使系統(tǒng)向達(dá)到平衡的方向進(jìn)行。如圖6-5中的A、B兩個點對應(yīng)的過程狀態(tài)是吸收還是解吸？依圖分析如下：對于A點有或，說明了氣相中溶質(zhì)組成比與之對應(yīng)的液相組成的平衡組成高，或是液相中溶質(zhì)組成比與之氣相組成的平衡組成低，即是溶質(zhì)必須部分由氣相傳遞液相才能使氣液達(dá)到平衡，故A點對應(yīng)的為吸收狀態(tài)。圖6-5 X-Y相圖而對于B點有或，說明溶質(zhì)必須從液相中部分解吸才能使溶質(zhì)在氣液兩相達(dá) 到平衡，故B點對應(yīng)的是解吸狀態(tài)。2、吸收推動力的計算如圖6-19圖中，其中的Y=；X=均表示A點所對應(yīng)的吸收狀態(tài)的氣相組成表示的推動力和液

17、相組成表示的吸收推動力；而Y=；X=均表示B點所對應(yīng)的吸收狀態(tài)的氣相組成表示的推動力和液相組成表示的吸收推動力。練習(xí): 通過計算判斷吸收操作的方向在101.3kPa，20下，稀氨水的相平衡方程為y*=0.94x，現(xiàn)將含氨10%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）的混合氣體與x=0.05的氨水接觸，試判斷傳質(zhì)方向。若與含氨5%的混合氣體與x=0.10的氨水接觸，傳質(zhì)方向又如何呢？【分析】當(dāng)y1=0.10時，而x1=0.05,對應(yīng)的y1*=0.940.05=0.047故y1y1*,此時兩相接觸時將有部分氨自氣相轉(zhuǎn)入液相，即發(fā)生吸收過程。當(dāng)y2=0.05時，而x2=0.10, 對應(yīng)的y2*=0.940.10=0.09

18、4故y2y2*,此時兩相接觸時將有部分氨自液相轉(zhuǎn)入氣相，即發(fā)生解吸過程。子任務(wù)3 分析吸收條件從子任務(wù)2對吸收操作相平衡關(guān)系的分析可知，對于等溫物理性吸收操作過程，能順利進(jìn)行必須具備的條件是：合適的吸收劑，即混合氣體中某一組分能溶于吸收劑中；適宜的操作壓力和溫度，即吸收質(zhì)在該操作壓力和溫度下，溶解度較大，而惰性組分幾乎不溶解；適宜的吸收劑用量（或稱液氣比，亦稱噴淋量）及氣、液兩相充分接觸傳質(zhì)界面（填料）。一、吸收條件采用吸收方法分離氣體混合物，前面已經(jīng)討論過吸收操作依據(jù)過程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、過程是否有溫度變化及被吸收的組分?jǐn)?shù)、操作壓力的大小等，其吸收方法分為以下幾類。分類依據(jù)類型按過程有無化學(xué)

19、反應(yīng)分物理吸收化學(xué)吸收按被吸收的組分?jǐn)?shù)目分單組分吸收多組分吸收按過程有無溫度變化分等溫吸收變溫吸收按過程操作壓力的大小分常壓吸收加壓吸收實際混合氣體分離操作過程中，選用何種吸收方法，主要取決于混合氣體物系的性質(zhì)、分離要求及分離成本。其操作條件還得考慮吸收方法，方法不同其條件亦不同。在此模塊主要學(xué)習(xí)單組分常用等溫物理吸收條件的確定原則及方法。1、吸收劑（溶劑）吸收分離操作過程中，吸收劑的性能是決定吸收操作是否優(yōu)良的關(guān)鍵。吸收劑選用原則：溶劑對溶質(zhì)具有良好的選擇性和較大的吸收能力；溶劑在操作溫度下，揮發(fā)性小，可避免溶劑進(jìn)入氣相造成溶劑損失；沸點高，熱穩(wěn)定性好，不易起泡；在操作溫度下，黏度小，保證液

20、體在塔內(nèi)流動性能好，從而提高吸收效果，降低液體輸送功耗；化學(xué)穩(wěn)定性高，腐蝕性低、無毒、不燃；吸收劑價廉易得，易于再生循環(huán)使用。吸收劑選用方法：對于物理吸收，要求溶解度大，利用物質(zhì)“相似相溶”原則選用吸收劑；對于化學(xué)吸收，可利用溶質(zhì)與溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)難易程度選用吸收劑；易溶于水的溶質(zhì)，可優(yōu)先選用水作吸收劑。優(yōu)點是價廉易得，流程、設(shè)備及操作都比較簡單，但凈化度較低，動力消耗較高；若溶質(zhì)為酸性氣體的，選用堿液作吸收劑；若溶質(zhì)為堿性氣體的，則選用酸作吸收劑。2、吸收操作條件（壓力、溫度）吸收是利用混合氣體中各組分在一定條件（溫度、壓力）下，在同一溶劑中的溶解度的不同而分離氣體混合物的，其中溶解度大的溶質(zhì)被吸收進(jìn)入溶劑，形成溶液；溶解度小的仍留在氣體中，作為惰性組分。當(dāng)溶解達(dá)到平衡時，溶質(zhì)在氣、液兩相中的組成即成平衡關(guān)系，該平衡關(guān)系與條件（溫度、壓力）保持一致，若改變條件，則原有的平衡被打破，會在新的條件下建立新的平衡。實際生產(chǎn)過程中，吸收操作條件（溫度、