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(kù)-制藥單元操作技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)教 師 姓 名授課班級(jí)授課形式講授授 課 日 期 授課時(shí)數(shù)4授課內(nèi)容情景6 吸收過(guò)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(shí)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(guò)程的方向和極限思 想目 標(biāo)1.具有分析問(wèn)題解決問(wèn)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(diǎn)平衡的表達(dá)方法，平衡數(shù)據(jù)教 學(xué) 難 點(diǎn)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(huì)授課主要內(nèi)容及課堂教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié) 課 程 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì)教學(xué)方法時(shí)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(shí)，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(shí)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(guò)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(wú)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(guò)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(duì)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(guò)程中操作條件及吸收時(shí)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(guò)程有無(wú)化學(xué)反應(yīng)分類物理吸收 吸收過(guò)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(guò)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(gè)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(gè)或兩個(gè)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(guò)程有無(wú)溫度變化分類非等溫吸收 氣體溶于液體時(shí)，常常伴有熱效應(yīng)，若為化學(xué)吸收還會(huì)有化學(xué)熱，結(jié)果是隨吸收過(guò)程的進(jìn)行

6、，溶液的溫度會(huì)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(guò)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(guò)程，即可作為等溫吸收。4、按過(guò)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(guò)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(shuō)明：實(shí)際吸收操作過(guò)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(shí)會(huì)有一定的熱效應(yīng)，若吸收劑需循環(huán)使用，則要對(duì)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(shí)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(gè)或多個(gè)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(shí)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(jià)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(duì)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(guò)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(guò)程的進(jìn)行，其液相中溶質(zhì)越來(lái)越多，氣相中的溶質(zhì)越來(lái)越少，最終達(dá)到在兩相處于平衡。當(dāng)溶液的濃度不大時(shí)，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(guò)程中相組成的表示法吸收過(guò)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(guò)程實(shí)質(zhì)上是溶質(zhì)組分自氣相通過(guò)相界面遷移到液相中的過(guò)程，它包括氣相內(nèi)、液相內(nèi)的相內(nèi)傳質(zhì)過(guò)程和氣相與液相之間的相際間的傳質(zhì)過(guò)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(zhǎng)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(shí)， 氣液兩相達(dá)到平衡。平衡分壓：達(dá)到平衡時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(diǎn)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(duì)溶解度的影響不忽略不計(jì)。 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(shí)，所得吸收液的濃度也較低。研究發(fā)現(xiàn)，在總壓不太高時(shí)，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(shí)，亨利系數(shù)僅隨溫度而改變，對(duì)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?。欢兹軞怏w的值很小，溶解度很大。亨利系數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，常見物系的亨利系數(shù)可查找有關(guān)手冊(cè)。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(shí)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(shí)，其亨利定律為： （6-10）式中 m相平衡常數(shù)，無(wú)量綱； 相平衡時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(jiǎn)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(guò)程方向上的應(yīng)用吸收過(guò)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(diǎn)出發(fā)的直線，圖6-13即為X-Y相平衡關(guān)系相圖。對(duì)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(guò)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(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的過(guò)程狀態(tài)是吸收還是解吸？依圖分析如下：對(duì)于A點(diǎn)有或，說(shuō)明了氣相中溶質(zhì)組成比與之對(duì)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的為吸收狀態(tài)。圖6-5 X-Y相圖而對(duì)于B點(diǎn)有或，說(shuō)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的是解吸狀態(tài)。2、吸收推動(dòng)力的計(jì)算如圖6-19圖中，其中的Y=；X=均表示A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的吸收狀態(tài)的氣相組成表示的推動(dòng)力和液

17、相組成表示的吸收推動(dòng)力；而Y=；X=均表示B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的吸收狀態(tài)的氣相組成表示的推動(dòng)力和液相組成表示的吸收推動(dòng)力。練習(xí): 通過(guò)計(jì)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(shí)，而x1=0.05,對(duì)應(yīng)的y1*=0.940.05=0.047故y1y1*,此時(shí)兩相接觸時(shí)將有部分氨自氣相轉(zhuǎn)入液相，即發(fā)生吸收過(guò)程。當(dāng)y2=0.05時(shí)，而x2=0.10, 對(duì)應(yīng)的y2*=0.940.10=0.09

18、4故y2y2*,此時(shí)兩相接觸時(shí)將有部分氨自液相轉(zhuǎn)入氣相，即發(fā)生解吸過(guò)程。子任務(wù)3 分析吸收條件從子任務(wù)2對(duì)吸收操作相平衡關(guān)系的分析可知，對(duì)于等溫物理性吸收操作過(guò)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(guò)吸收操作依據(jù)過(guò)程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、過(guò)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(guò)程有無(wú)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(guò)程有無(wú)溫度變化分等溫吸收變溫吸收按過(guò)程操作壓力的大小分常壓吸收加壓吸收實(shí)際混合氣體分離操作過(guò)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(guò)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(duì)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(diǎn)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(dòng)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(wú)毒、不燃；吸收劑價(jià)廉易得，易于再生循環(huán)使用。吸收劑選用方法：對(duì)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(duì)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(diǎn)是價(jià)廉易得，流程、設(shè)備及操作都比較簡(jiǎn)單，但凈化度較低，動(dòng)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(shí)，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(huì)在新的條件下建立新的平衡。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，吸收操作條件（溫度、