PDF《第六章》

第六章 气体吸收与气液传质设备 吸传设6-1 概述

一、吸收的定义与应用 ? 是混合气体分离最常用的操作方法之一.

? 依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中物理溶解度 (或化学反应活性)的不同,而将气体混合物分离的操 (或化学反应活性)的不同,而将气体混合物分离的操 作过程. ? 本质上是混合气体组分从气相到液相的相间传质过程. ? 液体溶剂――吸收剂 混合气体中能显著溶于液体的组分 溶质 ? 混合气体中能显著溶于液体的组分――溶质 ? 几乎不溶解的组分――惰性组分 几乎不溶解的组分 惰性组分 ? 吸收后得到的溶液――吸收液 ? 吸收后的气体――净化气 吸收在化工领域中的应用 ? 净化原料气及精制气体产品:比如用水(或碳酸钾水溶 液)脱除合成氨原料气中的CO 等液)脱除合成氨原料气中的CO2等. ? 制取液体产品或半成品 比如水吸收NO 制取硝酸 水?制取液体产品或半成品:比如水吸收NO2制取硝酸;

水 吸收HCl制取盐酸等. ? 分离获得混合气体中的有用组分:比如用洗油从焦炉煤 气中回收粗苯等. 吸收在环境领域中的应用 ? 净化有害气体: 湿式烟气脱硫:如用水或碱液吸收烟气中SO2 湿式烟气脱硫:如用水或碱液吸收烟气中SO2, 石灰/石灰石洗涤烟气脱硫. 干法脱硫:喷雾干燥烟气脱硫:SO2被雾化的 干法脱硫:喷雾干燥烟气脱硫:SO2被雾化的 Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收. 水 酸吸收净化含NO 废气 水、酸吸收净化含NOx废气. ? 回收有用物质:如用吸收法净化石油炼制尾气中的硫化 氢的同时 还可以回收有用的元素硫 氢的同时,还可以回收有用的元素硫. ? 能够用吸收法净化的气态污染物主要有:SO2,H2S, HF 和NO 等和NOx等. ? 其他应用:曝气充氧 吸收法净化气态污染物的特点(与化工相比) 吸收法净化气态污染物的特点(与化工相比) ? 处理气体量大,成份复杂,同时含有多种气态污染物;

吸收组分浓度低 ? 吸收组分浓度低;

? 吸收效率和吸收速率要求高;

吸收效率和吸收速率要求高;

多数情况吸收过程仅是将污染物由气相转入液相,还需对 吸收液进一步处理,以免造成二次污染.

二、吸收的类型 (1)按溶质和吸收剂之间发生的反应 (1)按溶质和吸收剂之间发生的反应: 物理吸收:水净化含SO2锅炉尾气 化学吸收:碱液净化含SO2锅炉尾气 (2)按混合气体中被吸收组分数目: ( )按混合气体中被吸收组分数目 单组分吸收:如用水吸收HCl气体制取盐酸 多组分吸收 碱液吸收烟气(含SO NO CO CO等) 多组分吸收:碱液吸收烟气(含SO2, NOx, CO2, CO等) (3)按体系温度是否变化: (3)按体系温度是否变化: 如果液相温度明显升高――非等温吸收 如果液相温度基本保持不变 等温吸收 如果液相温度基本保持不变――等温吸收 单组分等温物理吸收是最简单和最基础的.

三、吸收设备及气液接触方式

三、吸收设备及气液接触方式 ( )对设备的 般要求

(一)对设备的一般要求

1 处理量大. 1.处理量大. 即在较大的气液流速下,仍不致发生大量的雾 沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操作的现象.

2 吸收效率高 2.吸收效率高. 即完成规定的吸收任务要求塔高要低. 即完成规定的吸收任务要求塔高要低. 3.操作稳定,弹性要大. 操作稳定,弹性要大. 即允许气体或液体负荷在相当大的范围 内变化 致在操作上发生 难并引起 内变化,而不致在操作上发生困难并引起吸 收效率降低过多. 应能保证长期连续操作. 4.流体流动的阻力小. 流体流动的阻力小. 即流体通过设备的压力降小.这将大大节 省生产中的动力消耗 以降低经常性操作费用 省生产中的动力消耗,以降低经常性操作费用.

5 结构简单 易于加工制造 节省材料 5.结构简单,易于加工制造,节省材料 等. 等6具耐腐蚀性 不易堵塞 方便操作 6.具耐腐蚀性,不易堵塞,方便操作、 调节和检修. 任何塔型都难以满足上述所有要求. 任何塔型都难以满足上述所有要求. 必须了解各种塔型的特点并结合具体 的 艺条件 抓住主 选择合适的 的工艺条件,抓住主要矛盾以选择合适的 塔型.

(二)

(二) 设备分类 设备分类

(二)

(二) 设备分类 设备分类 基本原则:建立大的,并能迅速更新 的相际界面 减少阻力 的相际界面,减少阻力. 生收根据形成相际界面的方法,分三类: 1. 生成液膜→膜式吸收器: 填料塔,管束塔等.化工设备动画填 料塔总体结构.swf 2. 气体以气泡形式分散于液体中→气体分散 式吸收器 板式塔 式吸收器:板式塔, 包括: 包括: (1)泡罩塔 ( ) 罩塔 (2)筛板塔 (3)浮阀塔 3.液体以液滴形式分散于气体中→液体分散 式吸收器,如喷洒塔、文丘里吸收器. 式吸收器,如喷洒塔、文丘里吸收器. 6-2 单组分等温物理吸收

一、物理吸收的热力学基础 ?热力学讨论的是:过程发生的方向、所能达到的极限及 学础?热力学讨论的是:过程发生的方向、所能达到的极限及 推动力. ?物理吸收仅仅涉及某 组分的简单传质过程 ?物理吸收仅仅涉及某一组分的简单传质过程. ?溶质在气液两相间的平衡关系是研究吸收热力学的基础.

(一)气液平衡和亨利定律 1.气液平衡 溶质 溶 平衡分压, pA* 气体 溶质A溶 解速度 相际动态平衡 A 摩尔分数, yA 摩尔比,YA 气体 相际动态平衡 ……. 液体 溶质挥 发速度 饱和浓度 质量浓度,?A 物质的量浓度 如果温度和总压一定,溶质在液体 中的溶解度只取决于溶质在气相中 物质的量浓度,cA 摩尔分数,xA 摩尔比 X 的组成. 气-液相平衡关系又称溶解度曲线 摩尔比,XA 气 液相平衡关系又称溶解度曲线 2.亨利(Henry)定律 亨利( y)定律 在稀溶液条件下,温度一定,总压不大时, 气体溶质的平衡分压和溶解度成正比: * 溶质在气相中的平衡分压 P * A A p Ex ? p* A ―― 溶质在气相中的平衡分压,Pa;

xA ―― 溶质在液相中的摩尔分数;

(6-1) E ―― 亨利系数,Pa. ? 亨利系数取决于物系的特性和体系的温度 ? 亨利系数取决于物系的特性和体系的温度. ? 亨利系数越大,说明气体越难以溶解于溶剂. 气体在溶剂中的溶解度随着温度的升高是降低的 因此 ? 气体在溶剂中的溶解度随着温度的升高是降低的,因此, 亨利系数是增大的. 条亨?气体在各种条件下的亨利系数通常可以在手册中查到. 典型气体在水中的亨利系数 25℃时E(kP ) 25℃时E(kPa) CO 5.88 ?106 CO 5.88 ?10 CO2 1.66 ?105 H2S 0.552 ?105 SO

0 413

104 SO2 0.413 ?104 上述气态物质被水溶解的难易程度? 如果溶质的溶解度用物质的量浓度表示 则亨利定律可写为 如果溶质的溶解度用物质的量浓度表示,则亨利定律可写为: * A c p ? (6 2) A p H ? p* A ―― 溶质在气相中的平衡分压,Pa ;

(6-2) A cA ―― 溶质A在液相中的物质的量浓度,kmol/m3 ;

H ―― 溶解度系数,kmol/(m3.Pa) . H 溶解度系数,kmol/(m Pa) . 如果溶质在气液两相中的组成均以摩尔分数表示: * A A y mx ? (6-4) 注意 亨利定律的不同表示方式和系数的单位 换算 m ―― 相平衡常数 注意:亨利定律的不同表示方式和系数的单位、换算 方法. 在单组分物理吸收过程中 惰性气体和溶剂物质的量是 在单组分物理吸收过程中,惰性气体和溶剂物质的量是 不变的,因此以它们为基准,用摩尔比表示平衡关系: ? ? * A A A

1 (1 ) Y mX m X ? ? ? (6-9) 当溶液浓度很低时,XA很小,上式可近似写为: A * A A Y mX ? (6-10) A A 不满足亨利定律的相平衡如何表征? 不满足亨利定律的相平衡如何表征?

(二)相平衡关系在吸收过程中的应用 相平衡是气液两相接触传质的极限状态.

1 判断传质的方向 1.判断传质的方向 根据相平衡,计算平衡时溶质在气相或液相中的组成. 与实际的组成比较,可以判断传质方向. 实际液相组成