第二章第1節(jié)氣—液相平衡

1、化工原理2022-5-1第二章第二章 吸收吸收概述概述v利用混合氣體中各組分在液體中溶解度的差異溶解度的差異而分離均相氣體混合物的單元操作稱為吸收吸收。吸收操作時某些易溶組分進入液相形成溶液，不溶或難溶組分仍留在氣相，從而實現(xiàn)混合氣體的分離。 氣體吸收是混合氣體中某些組分在氣液相界面上溶解、在氣相和液相內由濃度差濃度差推動的傳質傳質過程過程。吸收劑氣體yx界面氣相主體 液相主體 相界面氣相擴散 液相擴散 yi xi v吸收質或溶質吸收質或溶質：混合氣體中的溶解組分，以A表示。v惰性氣體或載體惰性氣體或載體：不溶或難溶組分，以B表示。v吸收劑吸收劑：吸收操作中所用的溶劑，以S表示。v吸收液吸收液

2、：吸收操作后得到的溶液，主要成分為溶劑S和溶質A。v吸收尾氣吸收尾氣：吸收后排出的氣體，主要成分為惰性氣體B和少量的溶質A。 v吸收過程在吸收塔吸收塔中進行，逆流操作吸收塔示意圖如右所示。 吸收塔混合氣體混合氣體(A+B)吸收液吸收液(A+S)吸收劑吸收劑(S)吸收尾氣吸收尾氣(A+B)一、吸收操作的用途一、吸收操作的用途v(1) 制取產(chǎn)品制取產(chǎn)品 用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產(chǎn)品。如硫酸吸收SO3制濃硫酸，水吸收甲醛制福爾馬林溶液，用水吸收氯化氫制鹽酸等 。 v(2) 分離混合氣體分離混合氣體 吸收劑選擇性地吸收氣體中某些組分以達到分離目的。例如石油餾分裂解生產(chǎn)出來的乙烯、丙烯，還與氫、

3、甲烷等混在一起，可用分子量較大的液態(tài)烴把乙烯、丙烯吸收，使與甲烷、氫分離開來 。 v(3) 氣體凈化氣體凈化 一類是原料氣的凈化，即除去混合氣體中的雜質，如合成氨原料氣脫H2S、脫CO2等；另一類是尾氣處理和廢氣凈化以保護環(huán)境，如燃煤鍋爐煙氣，冶煉廢氣等脫除SO2，硝酸尾氣脫除NO2等。 二、氣體吸收的分類氣體吸收按被吸收組分數(shù)目單組分吸收按吸收有無化反應按溶質組成的高低 低組成吸收多組分吸收物理吸收化學吸收高組成吸收氣體吸收過程的分類方法按氣液接觸方式 連續(xù)接觸吸收按吸收的溫度變化 逐級接觸吸收等溫吸收非等溫吸收體系溫度變化不顯著的吸收過程體系溫度變化不顯著的吸收過程體系溫度發(fā)生明顯變化的吸

4、收過程其他組分均不溶解組分外除,A幾個組分同時溶解純物理溶解無化學作用與,SA發(fā)生化學反應、SA填料塔板式塔三吸收設備和流程三吸收設備和流程(1)吸收設備-塔設備 連續(xù)接觸(也稱微分接觸)級式接觸散裝填料塑料鮑爾環(huán)填料規(guī)整填料 塑料絲網(wǎng)波紋填料 連續(xù)接觸(也稱微分接觸)：氣、液兩相的濃度呈連續(xù)變化。如填料塔。級式接觸：氣、液兩相逐級接觸傳質，兩相的組成呈階躍變化。 如板式塔。工業(yè)上從合成氨原料混合氣體中回收CO2吸收與解吸(脫吸) 互為逆過程(2)吸收流程吸收-解吸流程蒸餾與吸收操作對比蒸餾與吸收操作對比 v蒸餾改變狀態(tài)參數(shù)產(chǎn)生第二相，吸收從外界引入另一相蒸餾改變狀態(tài)參數(shù)產(chǎn)生第二相，吸收從外界

5、引入另一相形成兩相系統(tǒng)；形成兩相系統(tǒng)；v蒸餾直接獲得易揮發(fā)、難揮發(fā)組分，吸收混合液經(jīng)脫吸蒸餾直接獲得易揮發(fā)、難揮發(fā)組分，吸收混合液經(jīng)脫吸才能得到較純組分；才能得到較純組分；v蒸餾中氣相中難揮發(fā)組分向液相傳遞，液相中易揮發(fā)組蒸餾中氣相中難揮發(fā)組分向液相傳遞，液相中易揮發(fā)組分向氣相傳遞，是分向氣相傳遞，是雙相傳遞雙相傳遞；吸收中溶質分子由氣相向；吸收中溶質分子由氣相向液相液相單相傳遞單相傳遞，惰性組分及溶劑組分處于，惰性組分及溶劑組分處于“停滯停滯”狀態(tài)。狀態(tài)。 分離依據(jù)分離依據(jù)產(chǎn)生兩相的方法產(chǎn)生兩相的方法處理原料處理原料傳質方向傳質方向吸收吸收溶解度溶解度不同不同外部引入氣相和外部引入氣相和液相

6、液相一般為氣一般為氣體混合物體混合物 單相單相（氣相（氣相液相液相) )蒸餾蒸餾揮發(fā)度揮發(fā)度不同不同加熱冷卻產(chǎn)生氣加熱冷卻產(chǎn)生氣相和液相相和液相一般為液一般為液體混合物體混合物雙相雙相（氣相（氣相液相液相) ) 本章以分析單組分的等溫物理吸收單組分的等溫物理吸收為重點，以便掌握最基本的原理。 v氣體吸收是物質氣體吸收是物質自氣相到液相自氣相到液相的轉移，這是一種的轉移，這是一種傳質過程傳質過程。v混合氣體中某一組分能否進入溶液里，既取決于該組分的混合氣體中某一組分能否進入溶液里，既取決于該組分的分壓分壓，也取決于也取決于溶液里該組分的平衡蒸氣壓溶液里該組分的平衡蒸氣壓。如果混合氣體中該氣體的。

7、如果混合氣體中該氣體的分壓大于溶液中該組分的平衡蒸氣壓，這個組分便可自氣相轉移分壓大于溶液中該組分的平衡蒸氣壓，這個組分便可自氣相轉移至液相，即被吸收。由于轉移的結果，溶液里這個組分的濃度便至液相，即被吸收。由于轉移的結果，溶液里這個組分的濃度便增高，它的平衡蒸氣壓也隨著增高，到最后，可以增高到等于它增高，它的平衡蒸氣壓也隨著增高，到最后，可以增高到等于它在氣相中的分壓，傳質過程于是停止，這時稱為在氣相中的分壓，傳質過程于是停止，這時稱為氣液兩相達到平氣液兩相達到平衡衡。v反之，如果溶液中的某一組分的平衡蒸氣壓大于混合氣體中該組反之，如果溶液中的某一組分的平衡蒸氣壓大于混合氣體中該組分的分壓，

8、這個組分便要從溶液中釋放出來，即從液相轉移到氣分的分壓，這個組分便要從溶液中釋放出來，即從液相轉移到氣相，這種情況稱為相，這種情況稱為解吸（或脫吸）解吸（或脫吸）。v所以根據(jù)兩相的所以根據(jù)兩相的平衡關系平衡關系可以判斷可以判斷傳質過程的方向與極限傳質過程的方向與極限，而且，而且，兩相的濃度兩相的濃度距離平衡愈遠距離平衡愈遠，則傳質的，則傳質的推動力愈大，傳質速率也愈推動力愈大，傳質速率也愈大大。v吸收操作的分析，吸收操作的分析，應該從應該從氣液兩相的平衡關系與傳質速率關系著氣液兩相的平衡關系與傳質速率關系著手手，本章各節(jié)即如此展開討論。，本章各節(jié)即如此展開討論。第一節(jié)第一節(jié) 氣氣液相平衡液相平

9、衡 一、氣體的溶解度一、氣體的溶解度 如果把氨氣和水共同封存在容器中，令體系的壓力和溫度如果把氨氣和水共同封存在容器中，令體系的壓力和溫度維持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越兩相界面進入維持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越兩相界面進入水中，但進到水中的氨分子也會有一部分返回氣相，只不過水中，但進到水中的氨分子也會有一部分返回氣相，只不過剛開始的時候進多出少。水中溶解的氨量越多，濃度越大，剛開始的時候進多出少。水中溶解的氨量越多，濃度越大，氨分子從溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子從氣氨分子從溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子從氣相進入液相的速率便等于它從液相返回氣相的速率，

10、氨實際相進入液相的速率便等于它從液相返回氣相的速率，氨實際上便不再溶解進水里，溶液的濃度也就不再變化，這種狀態(tài)上便不再溶解進水里，溶液的濃度也就不再變化，這種狀態(tài)稱為稱為相際動平衡，簡稱相平衡或平衡相際動平衡，簡稱相平衡或平衡。 相律相律F=C-P+n F=C-P+n ，獨立組分數(shù)：，獨立組分數(shù)：C=3 (AC=3 (A、B B、S)S)，相數(shù)：，相數(shù)：P=2P=2（氣、液相），影響因素：（氣、液相），影響因素：n=2n=2（溫度、壓強）（溫度、壓強）故：自由度故：自由度F=3-2+2=3F=3-2+2=3，即氣相組成、液相組成、溫度、壓，即氣相組成、液相組成、溫度、壓力力4 4個變量中，已知

11、個變量中，已知3 3個量，便可確定余下的個量，便可確定余下的1 1個量。個量。v在溫度和壓力一定的條件下，平衡時的氣、液相組成具有在溫度和壓力一定的條件下，平衡時的氣、液相組成具有一一對應關系。一一對應關系。v平衡狀態(tài)下氣相中溶質的分壓稱為平衡狀態(tài)下氣相中溶質的分壓稱為平衡分壓或飽和分壓平衡分壓或飽和分壓，與之對應的液相濃度稱為平衡濃度或氣體在液體中的與之對應的液相濃度稱為平衡濃度或氣體在液體中的溶解溶解度度。這時溶液已經(jīng)飽和，即達到了它在一定條件下的溶解這時溶液已經(jīng)飽和，即達到了它在一定條件下的溶解度，也就是指氣體在液相中的飽和濃度，習慣上以單位質度，也就是指氣體在液相中的飽和濃度，習慣上以

12、單位質量（或體積）的液體中所含溶質的質量來表示，也表明一量（或體積）的液體中所含溶質的質量來表示，也表明一定條件下吸收過程可能達到的極限程度。定條件下吸收過程可能達到的極限程度。 液體 S氣體（AB）A 溶解 A 逸出 平衡方程達平衡狀態(tài)時氣體在液體中的溶解度氣相分壓液相組成 在一定溫度和壓力下，令某氣體混合物（AB）與液體 S 接觸。 溶解度曲線XAP*AXA曲線P*A=f(XA)P*A溶解度曲線：在一定溫度、壓力下，平衡時溶質在氣相和液相中濃度的關系曲線。 氨在水中的溶解度曲線40050易溶 二氧化硫在水中的溶解度曲線5068中等溶解度 氧在水中的溶解度曲線500.002難溶吸收劑、溫度吸

13、收劑、溫度T、P 一定時，一定時，不同物質的溶解度不同不同物質的溶解度不同。 溫度、溶液的濃度一定時，溫度、溶液的濃度一定時，溶液上方分壓越大的物質越難溶溶液上方分壓越大的物質越難溶。對于同一種氣體，分壓一定時，對于同一種氣體，分壓一定時，溫度溫度T越高，溶解度越小越高，溶解度越小。對于同一種氣體，溫度對于同一種氣體，溫度T一定時，一定時，分壓分壓P越大，溶解度越大越大，溶解度越大。加壓和降溫對吸收操作有利加壓和降溫對吸收操作有利,升溫和減壓利于脫吸。升溫和減壓利于脫吸。 在相同條件下，在相同條件下，NH3在水中的溶解度較在水中的溶解度較SO2大得多。大得多。用水作吸收劑時，稱用水作吸收劑時，

14、稱NH3為為易溶氣體易溶氣體，SO2為為中等溶解氣體中等溶解氣體，溶，溶解度更小的氣體則為解度更小的氣體則為難溶氣體難溶氣體(如如O2在在30和溶質的分壓為和溶質的分壓為 40kPa的條件下，的條件下，1kg水中溶解的質量僅為水中溶解的質量僅為0.014g)。 二、亨利定律 當總壓不太高（5105 Pa）時，一定溫度下溶質在液相中的溶解度與其在氣相中的分壓成正比。稀溶液溶解度曲線近似為直線，即*iipEx 亨利定律式中： pi* 溶質在氣相中的平衡分壓，kPa； xi 溶質在液相中的摩爾分數(shù)； E 亨利系數(shù)，kPa。 亨利系數(shù)的值隨物系的特性及溫度而異； 物系一定，E值一般隨溫度的上升而增大；

15、 E值的大小代表了氣體在該溶劑中溶解的難易程度； 在同一溶劑中，難溶氣體E值很大，易溶氣體E值很?。?E的單位與氣相分壓的壓強單位一致。當氣、液相溶質濃度用其它組成表示法表示時，通過濃度換算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有 *iiymx*1iipcHyi* 與組成為 x 的液相呈平衡的氣相中溶質的摩爾分數(shù)；ci 溶質在液相中的摩爾濃度，kmol/m3；m 相平衡常數(shù)；H 溶解度系數(shù)；kmol/(m3kPa)； 亨利定律的其它形式m與與E的關系：的關系： iipPy由分壓定律知 ：*iipyPxEp*由亨利定律： xPEyPEm 即：三個比例系數(shù)之間的關系：PEm EcHmsmMc式中cm為

16、溶液的總濃度(kmol/m3)。對于稀溶液，因溶質的濃度很小，因此cm=/Ms ，其中為溶液的密度，Ms為溶劑的摩爾質量。 在低濃度氣體吸收計算中，通常采用基準不變的在低濃度氣體吸收計算中，通常采用基準不變的摩爾比摩爾比Y（或或 X）表示組成。表示組成。 以摩爾比表示組成的相平衡關系以摩爾比表示組成的相平衡關系 X 溶質在液相中的摩爾比濃度；溶質在液相中的摩爾比濃度；Y* 與與X 呈平衡的氣相中溶質的摩爾比濃度。呈平衡的氣相中溶質的摩爾比濃度。當當m趨近趨近1或當或當X很小時很小時yyBAY1的摩爾數(shù)氣相中惰氣的摩爾數(shù)氣相中溶質xxX1的摩爾數(shù)液相中溶劑的摩爾數(shù)液相中溶質SAXmmXY)1 (

17、1*mXY *即：氣體溶解度隨溫度的升高而減小, 隨壓力的增加而增大。對于大多數(shù)氣體:*iiymx+,tEHm,PEHm亨利定律的幾種表達形式也可改寫為亨利定律的幾種表達形式也可改寫為*, iiiPxcHPE* , iiiiyYxXmm三、吸收劑的選擇三、吸收劑的選擇v吸收劑性能的優(yōu)劣，是決定吸收操作效果是否良好的關鍵。吸收劑性能的優(yōu)劣，是決定吸收操作效果是否良好的關鍵。如果吸收如果吸收的目的是制取某種溶液作成品，例如用的目的是制取某種溶液作成品，例如用HCl氣生產(chǎn)鹽酸，吸收劑只能氣生產(chǎn)鹽酸，吸收劑只能用水，自然沒有選擇的余地，但如果目的在于把一部分氣體從混合物用水，自然沒有選擇的余地，但如果

18、目的在于把一部分氣體從混合物中分離出來，便應考慮選擇合用的吸收劑問題。中分離出來，便應考慮選擇合用的吸收劑問題。 v溶解度大溶解度大 吸收劑的選擇主要考慮的是吸收劑的選擇主要考慮的是溶解度溶解度，溶解度大則吸收劑用，溶解度大則吸收劑用量少，吸收速率也大，設備的尺寸便小；量少，吸收速率也大，設備的尺寸便??；v選擇性好選擇性好 很顯然，吸收劑對溶質氣體的溶解度既要大，對混合氣體很顯然，吸收劑對溶質氣體的溶解度既要大，對混合氣體中其他組分的溶解度卻要小或基本上不溶，這樣才能進行有效的分離，中其他組分的溶解度卻要小或基本上不溶，這樣才能進行有效的分離，滿足這一要求稱為滿足這一要求稱為選擇性選擇性好；好

19、；v揮發(fā)度要小揮發(fā)度要小 吸收劑的吸收劑的揮發(fā)度要小揮發(fā)度要小，即在操作溫度下它的蒸氣壓要低，即在操作溫度下它的蒸氣壓要低，經(jīng)過吸收后的氣體在排出時，往往為吸收劑蒸氣所飽和，吸收劑的揮經(jīng)過吸收后的氣體在排出時，往往為吸收劑蒸氣所飽和，吸收劑的揮發(fā)度高，其損失量便大。發(fā)度高，其損失量便大。v此外所選用的溶劑盡可能滿足此外所選用的溶劑盡可能滿足無腐蝕性，粘度小，無毒，不燃，價廉無腐蝕性，粘度小，無毒，不燃，價廉易得易得等條件。等條件。 四、相平衡關系在吸收過程中的應用1、判斷傳質進行的方向、判斷傳質進行的方向相對于氣相濃度y而言，液相濃度欠飽和(xy*)，溶質A由氣相向液相轉移；氣、液相濃度(y,

20、x)在平衡線上方(P點)；結論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方，則體系將發(fā)生從氣相到液相的傳質，即吸收過程。yxoy*=f(x)Pyxy*x*釋放溶質吸收溶質相對于氣相濃度而言實際液相濃度過飽和(xx*)，故液相有釋放溶質 A 的能力。相對于液相濃度x而言氣相濃度為欠飽和(yy*)，溶質A由液相向氣相轉移。氣、液相濃度(y,x)在平衡線下方(Q點)；結論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線下方，則體系將發(fā)生從液相到氣相的傳質，即解吸過程。1、判斷傳質進行的方向、判斷傳質進行的方向yxoy*=f(x)Qyxy*x*釋放溶質吸收溶質1、判斷傳質進行的方向、判斷傳質進行的方向相對于氣相濃

21、度而言液相濃度為平衡濃度(x=x*)，故液相不釋放或吸收溶質 A。相對于液相濃度x而言氣相濃度為平衡濃度(y=y*)，溶質A不發(fā)生轉移。氣、液相濃度(y,x)處于平衡線上(R點)；結論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)處于平衡線上，則體系從宏觀上講將不會發(fā)生相際間的傳質，即系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。yxoy*=f(x)Ryxy*x* 例例：在101.3kPa，20下,稀氨水的氣液相平衡關系為 ：xy94. 0*，若含氨0.094摩爾分數(shù)的混合氣和組成 05. 0Ax的氨水接觸,確定過程的方向。 解：解： 用相平衡關系確定與實際氣相組成 094. 0y成平衡的液相組成 94. 0/*yx 1 . 0將其與實

22、際組成比較 ： 1 . 005. 0*xx氣液相接觸時，氨將從氣相轉入液相，發(fā)生吸收過程。xy94. 0*05. 094. 0047. 0將其與實際組成比較： 047. 0094. 0*yy氨從氣相轉入液相，發(fā)生吸收過程。若含氨0.02摩爾分數(shù)的混合氣和 x=0.05的氨水接觸，則 021. 094. 0/02. 094. 0/* yx或者利用相平衡關系確定與實際液相組成成平衡的氣相組成021. 005. 0*xx氣液相接觸時，氨由液相轉入氣相，發(fā)生解吸過程。此外，用氣液相平衡曲線圖也可判斷兩相接觸時的傳質方向具體方法：已知相互接觸的氣液相的實際組成y和x，在x-y坐標圖中確定狀態(tài)點，若點在平

23、衡曲線上方，則發(fā)生吸收過程；若點在平衡曲線下方，則發(fā)生解吸過程。 2、確定傳質的推動力、確定傳質的推動力傳質過程的推動力通常用一相的實際組成與其平衡組成的偏離程度表示。傳質推動力的表示方法可以不同，但效果一樣。 (x*-x)：以液相摩爾分數(shù)差表示的傳質推動力。 對吸收過程：(y-y*)：以氣相摩爾分數(shù)差表示的傳質推動力；未達平衡的兩相接觸會發(fā)生相際間傳質(吸收或解吸)，離平衡濃度越遠，過程傳質推動力越大，傳質過程進行越快。方法：用氣相或液相濃度遠離平衡的程度來表征氣液相際傳質過程的推動力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）3、指明傳質過程進行的極限、指明傳質過程進行的極限對吸收而言： 以凈化氣體為目的時：無限高的塔內，大量的吸收劑和較小氣體流量若保持液相濃度 x 不變，氣相濃度 y 最低只能降到與之相平衡的濃度 y*，即 ymin=y*； 以制取液相產(chǎn)品為目的時：塔無限高、溶劑量很小的情況下若保持氣相濃度 y 不變，則液相濃度x最高也只能升高到與氣相濃度 y 相平衡的濃度 x*，即 xmax=x*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*3、指明傳質過程進行的極限、指明傳質過程進行的極限yxoy*=f(x)Pyxy*x*平衡是傳質過程進行的極限平衡是傳質過程進行的極限*2min22iiiyymx