第二章第1节气—液相平衡

1、化工原理2022-6-28第二章第二章 吸收吸收概述概述v利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差异溶解度的差异而分离均相气体混合物的单元操作称为吸收吸收。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。 气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差浓度差推动的传质传质过程过程。吸收剂气体yx界面气相主体 液相主体 相界面气相扩散 液相扩散 yi xi v吸收质或溶质吸收质或溶质：混合气体中的溶解组分，以A表示。v惰性气体或载体惰性气体或载体：不溶或难溶组分，以B表示。v吸收剂吸收剂：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。v吸收液吸收

2、液：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。v吸收尾气吸收尾气：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。 v吸收过程在吸收塔吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。 吸收塔混合气体混合气体(A+B)吸收液吸收液(A+S)吸收剂吸收剂(S)吸收尾气吸收尾气(A+B)一、吸收操作的用途一、吸收操作的用途v(1) 制取产品制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林溶液，用水吸收氯化氢制盐酸等 。 v(2) 分离混合气体分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯，还与氢

3、、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来 。 v(3) 气体净化气体净化 一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。 二、气体吸收的分类气体吸收按被吸收组分数目单组分吸收按吸收有无化反应按溶质组成的高低 低组成吸收多组分吸收物理吸收化学吸收高组成吸收气体吸收过程的分类方法按气液接触方式 连续接触吸收按吸收的温度变化 逐级接触吸收等温吸收非等温吸收体系温度变化不显著的吸收过程体系温度变化不显著的吸收过程体系温度发生明显变化的

4、吸收过程其他组分均不溶解组分外除,A几个组分同时溶解纯物理溶解无化学作用与,SA发生化学反应、SA填料塔板式塔三吸收设备和流程三吸收设备和流程(1)吸收设备-塔设备 连续接触(也称微分接触)级式接触散装填料塑料鲍尔环填料规整填料 塑料丝网波纹填料 连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变化。 如板式塔。工业上从合成氨原料混合气体中回收CO2吸收与解吸(脱吸) 互为逆过程(2)吸收流程吸收-解吸流程蒸馏与吸收操作对比蒸馏与吸收操作对比 v蒸馏改变状态参数产生第二相，吸收从外界引入另一相蒸馏改变状态参数产生第二相，吸收从外

5、界引入另一相形成两相系统；形成两相系统；v蒸馏直接获得易挥发、难挥发组分，吸收混合液经脱吸蒸馏直接获得易挥发、难挥发组分，吸收混合液经脱吸才能得到较纯组分；才能得到较纯组分；v蒸馏中气相中难挥发组分向液相传递，液相中易挥发组蒸馏中气相中难挥发组分向液相传递，液相中易挥发组分向气相传递，是分向气相传递，是双相传递双相传递；吸收中溶质分子由气相向；吸收中溶质分子由气相向液相液相单相传递单相传递，惰性组分及溶剂组分处于，惰性组分及溶剂组分处于“停滞停滞”状态。状态。 分离依据分离依据产生两相的方法产生两相的方法处理原料处理原料传质方向传质方向吸收吸收溶解度溶解度不同不同外部引入气相和外部引入气相和液

6、相液相一般为气一般为气体混合物体混合物 单相单相（气相（气相液相液相) )蒸馏蒸馏挥发度挥发度不同不同加热冷却产生气加热冷却产生气相和液相相和液相一般为液一般为液体混合物体混合物双相双相（气相（气相液相液相) ) 本章以分析单组分的等温物理吸收单组分的等温物理吸收为重点，以便掌握最基本的原理。 v气体吸收是物质气体吸收是物质自气相到液相自气相到液相的转移，这是一种的转移，这是一种传质过程传质过程。v混合气体中某一组分能否进入溶液里，既取决于该组分的混合气体中某一组分能否进入溶液里，既取决于该组分的分压分压，也取决于也取决于溶液里该组分的平衡蒸气压溶液里该组分的平衡蒸气压。如果混合气体中该气体的

7、。如果混合气体中该气体的分压大于溶液中该组分的平衡蒸气压，这个组分便可自气相转移分压大于溶液中该组分的平衡蒸气压，这个组分便可自气相转移至液相，即被吸收。由于转移的结果，溶液里这个组分的浓度便至液相，即被吸收。由于转移的结果，溶液里这个组分的浓度便增高，它的平衡蒸气压也随着增高，到最后，可以增高到等于它增高，它的平衡蒸气压也随着增高，到最后，可以增高到等于它在气相中的分压，传质过程于是停止，这时称为在气相中的分压，传质过程于是停止，这时称为气液两相达到平气液两相达到平衡衡。v反之，如果溶液中的某一组分的平衡蒸气压大于混合气体中该组反之，如果溶液中的某一组分的平衡蒸气压大于混合气体中该组分的分压

8、，这个组分便要从溶液中释放出来，即从液相转移到气分的分压，这个组分便要从溶液中释放出来，即从液相转移到气相，这种情况称为相，这种情况称为解吸（或脱吸）解吸（或脱吸）。v所以根据两相的所以根据两相的平衡关系平衡关系可以判断可以判断传质过程的方向与极限传质过程的方向与极限，而且，而且，两相的浓度两相的浓度距离平衡愈远距离平衡愈远，则传质的，则传质的推动力愈大，传质速率也愈推动力愈大，传质速率也愈大大。v吸收操作的分析，吸收操作的分析，应该从应该从气液两相的平衡关系与传质速率关系着气液两相的平衡关系与传质速率关系着手手，本章各节即如此展开讨论。，本章各节即如此展开讨论。第一节第一节 气气液相平衡液相

9、平衡 一、气体的溶解度一、气体的溶解度 如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率

10、，氨实际相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为称为相际动平衡，简称相平衡或平衡相际动平衡，简称相平衡或平衡。 相律相律F=C-P+n F=C-P+n ，独立组分数：，独立组分数：C=3 (AC=3 (A、B B、S)S)，相数：，相数：P=2P=2（气、液相），影响因素：（气、液相），影响因素：n=2n=2（温度、压强）（温度、压强）故：自由度故：自由度F=3-2+2=3F=3-2+2=3，即气相组成、液相组成、温度、压，即气相组成、液相组成、温度、压力力4 4个变量中，已

11、知个变量中，已知3 3个量，便可确定余下的个量，便可确定余下的1 1个量。个量。v在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应关系。一一对应关系。v平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压平衡分压或饱和分压，与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解溶解度度。这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的溶解这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的溶解度，也就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上以单位质度，也就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上

12、以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。定条件下吸收过程可能达到的极限程度。 液体 S气体（AB）A 溶解 A 逸出 平衡方程达平衡状态时气体在液体中的溶解度气相分压液相组成 在一定温度和压力下，令某气体混合物（AB）与液体 S 接触。 溶解度曲线XAP*AXA曲线P*A=f(XA)P*A溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中浓度的关系曲线。 氨在水中的溶解度曲线40050易溶 二氧化硫在水中的溶解度曲线5068中等溶解度 氧在水中的溶解度曲线500.002难溶吸收剂、温度

13、吸收剂、温度T、P 一定时，一定时，不同物质的溶解度不同不同物质的溶解度不同。 温度、溶液的浓度一定时，温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物质越难溶溶液上方分压越大的物质越难溶。对于同一种气体，分压一定时，对于同一种气体，分压一定时，温度温度T越高，溶解度越小越高，溶解度越小。对于同一种气体，温度对于同一种气体，温度T一定时，一定时，分压分压P越大，溶解度越大越大，溶解度越大。加压和降温对吸收操作有利加压和降温对吸收操作有利,升温和减压利于脱吸。升温和减压利于脱吸。 在相同条件下，在相同条件下，NH3在水中的溶解度较在水中的溶解度较SO2大得多。大得多。用水作吸收剂时，称用水作吸收剂时

14、，称NH3为为易溶气体易溶气体，SO2为为中等溶解气体中等溶解气体，溶，溶解度更小的气体则为解度更小的气体则为难溶气体难溶气体(如如O2在在30和溶质的分压为和溶质的分压为 40kPa的条件下，的条件下，1kg水中溶解的质量仅为水中溶解的质量仅为0.014g)。 二、亨利定律 当总压不太高（5105 Pa）时，一定温度下溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。稀溶液溶解度曲线近似为直线，即*iipEx 亨利定律式中： pi* 溶质在气相中的平衡分压，kPa； xi 溶质在液相中的摩尔分数； E 亨利系数，kPa。 亨利系数的值随物系的特性及温度而异； 物系一定，E值一般随温度的上升而增大

15、； E值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度； 在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小； E的单位与气相分压的压强单位一致。当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有 *iiymx*1iipcHyi* 与组成为 x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；ci 溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；m 相平衡常数；H 溶解度系数；kmol/(m3kPa)； 亨利定律的其它形式m与与E的关系：的关系： iipPy由分压定律知 ：*iipyPxEp*由亨利定律： xPEyPEm 即：三个比例系数之间的关系：PEm EcHmsmMc式中cm

16、为溶液的总浓度(kmol/m3)。对于稀溶液，因溶质的浓度很小，因此cm=/Ms ，其中为溶液的密度，Ms为溶剂的摩尔质量。 在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比摩尔比Y（或或 X）表示组成。表示组成。 以摩尔比表示组成的相平衡关系以摩尔比表示组成的相平衡关系 X 溶质在液相中的摩尔比浓度；溶质在液相中的摩尔比浓度；Y* 与与X 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。当当m趋近趋近1或当或当X很小时很小时yyBAY1的摩尔数气相中惰气的摩尔数气相中溶质xxX1的摩尔数液相中溶剂的摩尔数液相中溶质SAXmmXY)1

17、(1*mXY *即：气体溶解度随温度的升高而减小, 随压力的增加而增大。对于大多数气体:*iiymx+,tEHm,PEHm亨利定律的几种表达形式也可改写为亨利定律的几种表达形式也可改写为*, iiiPxcHPE* , iiiiyYxXmm三、吸收剂的选择三、吸收剂的选择v吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果是否良好的关键。吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果是否良好的关键。如果吸收如果吸收的目的是制取某种溶液作成品，例如用的目的是制取某种溶液作成品，例如用HCl气生产盐酸，吸收剂只能气生产盐酸，吸收剂只能用水，自然没有选择的余地，但如果目的在于把一部分气体从混合物用水，自然没有选择的余地，但如

18、果目的在于把一部分气体从混合物中分离出来，便应考虑选择合用的吸收剂问题。中分离出来，便应考虑选择合用的吸收剂问题。 v溶解度大溶解度大 吸收剂的选择主要考虑的是吸收剂的选择主要考虑的是溶解度溶解度，溶解度大则吸收剂用，溶解度大则吸收剂用量少，吸收速率也大，设备的尺寸便小；量少，吸收速率也大，设备的尺寸便小；v选择性好选择性好 很显然，吸收剂对溶质气体的溶解度既要大，对混合气体很显然，吸收剂对溶质气体的溶解度既要大，对混合气体中其他组分的溶解度却要小或基本上不溶，这样才能进行有效的分离，中其他组分的溶解度却要小或基本上不溶，这样才能进行有效的分离，满足这一要求称为满足这一要求称为选择性选择性好；

19、好；v挥发度要小挥发度要小 吸收剂的吸收剂的挥发度要小挥发度要小，即在操作温度下它的蒸气压要低，即在操作温度下它的蒸气压要低，经过吸收后的气体在排出时，往往为吸收剂蒸气所饱和，吸收剂的挥经过吸收后的气体在排出时，往往为吸收剂蒸气所饱和，吸收剂的挥发度高，其损失量便大。发度高，其损失量便大。v此外所选用的溶剂尽可能满足此外所选用的溶剂尽可能满足无腐蚀性，粘度小，无毒，不燃，价廉无腐蚀性，粘度小，无毒，不燃，价廉易得易得等条件。等条件。 四、相平衡关系在吸收过程中的应用1、判断传质进行的方向、判断传质进行的方向相对于气相浓度y而言，液相浓度欠饱和(xy*)，溶质A由气相向液相转移；气、液相浓度(y

20、,x)在平衡线上方(P点)；结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。yxoy*=f(x)Pyxy*x*释放溶质吸收溶质相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和(xx*)，故液相有释放溶质 A 的能力。相对于液相浓度x而言气相浓度为欠饱和(yy*)，溶质A由液相向气相转移。气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)；结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。1、判断传质进行的方向、判断传质进行的方向yxoy*=f(x)Qyxy*x*释放溶质吸收溶质1、判断传质进行的方向、判断传质进行的方向相对于气相

21、浓度而言液相浓度为平衡浓度(x=x*)，故液相不释放或吸收溶质 A。相对于液相浓度x而言气相浓度为平衡浓度(y=y*)，溶质A不发生转移。气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)；结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。yxoy*=f(x)Ryxy*x* 例例：在101.3kPa，20下,稀氨水的气液相平衡关系为 ：xy94. 0*，若含氨0.094摩尔分数的混合气和组成 05. 0Ax的氨水接触,确定过程的方向。 解：解： 用相平衡关系确定与实际气相组成 094. 0y成平衡的液相组成 94. 0/*yx 1 . 0将其与

22、实际组成比较 ： 1 . 005. 0*xx气液相接触时，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。xy94. 0*05. 094. 0047. 0将其与实际组成比较： 047. 0094. 0*yy氨从气相转入液相，发生吸收过程。若含氨0.02摩尔分数的混合气和 x=0.05的氨水接触，则 021. 094. 0/02. 094. 0/* yx或者利用相平衡关系确定与实际液相组成成平衡的气相组成021. 005. 0*xx气液相接触时，氨由液相转入气相，发生解吸过程。此外，用气液相平衡曲线图也可判断两相接触时的传质方向具体方法：已知相互接触的气液相的实际组成y和x，在x-y坐标图中确定状态点，若点在

23、平衡曲线上方，则发生吸收过程；若点在平衡曲线下方，则发生解吸过程。 2、确定传质的推动力、确定传质的推动力传质过程的推动力通常用一相的实际组成与其平衡组成的偏离程度表示。传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。 (x*-x)：以液相摩尔分数差表示的传质推动力。 对吸收过程：(y-y*)：以气相摩尔分数差表示的传质推动力；未达平衡的两相接触会发生相际间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）3、指明传质过程进行的极限、指明传质过程进行的极限对吸收而言： 以净化气体为目的时：无限高的塔内，大量的吸收剂和较小气体流量若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最低只能降到与之相平衡的浓度 y*，即 ymin=y*； 以制取液相产品为目的时：塔无限高、溶剂量很小的情况下若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度x最高也只能升高到与气相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmax=x*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*3、指明传质过程进行的极限、指明传质过程进行的极限yxoy*=f(x)Pyxy*x*平衡是传质过程进行的极限平衡是传质过程进行的极限*2min22iiiyymx*