氨在水中的溶解度

1 第五章 吸收 吸收：利用各组分溶解度不同而分离气体混 合物的单元操作。 5.1 化工中吸收操作 5.1.1 吸收介绍及分类 应用： (1)制取某种气体的溶液 如：H2O＋NO2→HNO3 H2O＋HCl →盐酸 H2O＋HCHO →福尔马林溶液 (2)分离混合气体以获得一定的组分 例：硫酸处理焦炉气以回收其中的氨 洗油处理焦炉气以回收其中的芳烃 液态烃处理裂解气以回收其中的乙烯、丙烯 (3)环境污染的防治 用碱液吸收以除去锅炉排放废气中的SO2 用丙酮脱除裂解气中的乙炔 吸收与精馏的主要差别： (1)不能直接得到较纯的溶质组分 (2)液相温度远低于沸点，无显著的气化现象，为单向传质 过程 吸收过程中涉及三个(类)组分 吸收质(溶质) － 能溶解、被吸收的组分 惰性组分(载体) －不被吸收的组分 吸收剂 － 吸收操作所用的溶剂 吸收了溶质后的溶液为吸收液 吸收：气相中吸收质的实际分压高于与液相成 平衡的吸收质分压，吸收质由气相向液相 转移。 吸收的逆过程为解吸，用于吸收质与吸收剂分离 解吸：气相中吸收质的实际分压低于与液相成平 衡的吸收质分压，吸收质由液相向气相转 移。 解吸和吸收原理相同，处理方法相同，传质方向 不同 ⎩⎨ ⎧ 分进入液相气体中有两个或多个组多组分吸收 入液相气体中只有一个组分进单组分吸收 ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ 显著的化学反应吸收质和吸收剂之间有化学吸收 系度，决定于气液平衡关吸收能否进行及进行限 发生显著的化学反应，吸收质和吸收剂之间不物理吸收 分类： ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ < 反之高浓度吸收 、液相流率视为常数可认为流经吸收塔的气 分率均较低溶质在气液两相中摩尔低浓度吸收 0.1)( ⎩⎨ ⎧ 热大液相温度会升高溶解热效应，化学反应非等温吸收 升高不明显量很小，热效应很小或吸收质含等温吸收 T 工业生产中的吸收过程以低浓度吸收为主。工业生产中的吸收过程以低浓度吸收为主。 本章主要讨论本章主要讨论单组分低浓度单组分低浓度的的等温物理吸收等温物理吸收过程。过程。 2 5.1.2吸收操作 工业上一般吸收和解吸作为一个整体 吸收一般采用气液逆流接触 : 气体从塔底进入 液体从塔顶喷淋而下 可使全塔平均传质推动力最大(类似传热) 若要求用的吸收塔高度太高，可 采用串联 或并联操作 洗油脱除煤气中粗苯简图 气体 液体 液体 气体 气体、液体均为串联 液体 气体 液体 气体 气体串联，液体并联 液体 吸收设备：塔式常见 塔设备内气液接触方式： 级式接触：板式塔 连续接触：湿壁塔、填料塔 气体 气体 溶剂 溶液溶液 溶剂 气体 气体 气体 气体 板式塔 湿壁塔 填料塔 级式接触设备 微分接触设备 溶剂 3 吸收操作分离气体混合物应解决的问题： (1) 选择合适的溶剂 (2) 提供适当的传质设备 (3) 溶剂的再生 5.1.3 吸收剂的选择 (1) 溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度越大，传质 推动力越大，吸收速率越快，吸收剂的耗用量越 少。 (2) 选择性 吸收剂对混合气体中的其它组分溶解度 甚微，否则不能实现有效的分离。 (3) 挥发度 在操作温度下，吸收剂的蒸汽压要低， 即挥发度要小，以减少吸收剂的损失量。 (4) 粘度 操作温度下粘度越低，塔内的流动阻力越 小，扩散系数越大，有助于传质速率的提高 (5) 其它 无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发 泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定 5.2 气液相平衡关系 吸收操作极限：气液两相达平衡 F=C-ϕ+2=3-2+2=3 体系四个变量中，只有3个独立变量 ∴T、P、气相组成、液相组成四个变量中，有三个为独立变 量，另一个为它们的函数 当总压P和温度T一定时，气相组成只是液相组成的单值 函数，此即为平衡关系 ‡ 吸收过程中，除吸收质外其它气体组分均视为不溶解，则 气相中惰性组分量可视为不变，同时由于单向传质，液相 吸收剂的量也可视为不变。 ∴常用比摩尔分率表示气液相浓度 A A A A A A x-1 xAX y-1 yAY ＝吸收剂物质的量 组分物质的量液相中 ＝惰性组分物质的量 组分物质的量气相中 = = 5.2.1溶解度曲线 平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压或饱 和分压，液相中的溶质组成称为平衡组成或饱和 组成。 气体在液体中的溶解度，就是指气体在液体中的 饱和组成。 4 氨在水中的溶解度曲线 SO2在水中的溶解度曲线 （1）在同一溶剂(水)中，相同的温度和溶质分压下，不同 气体的溶解度差别很大，其中氨在水中的溶解度大，二氧 化硫在水中的溶解度小。 （2）对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度的 升高而减小。 （3）对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的 升高而增大。 ∴加压和降温有利于吸收操作，因为加压和降温 可提高气体溶质的溶解度。反之则利于解吸操作。 5.2.2亨利定律 难溶气体和大多数气体的稀溶液，气液平衡关系呈线性。 易溶气体在一定浓度范围内，气液平衡关系可视为线性。 (1)P*～x 关系 稀溶液上方的溶质分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正 比，其比例系数即为亨利系数。 PA* = E xA 在同一溶剂中，难溶气体的E值很大，而易溶气 体的E值则很小；一般的，温度升高E 增大，体 现了气体的溶解度随温度升高而减小的变化趋 势。 (2)P*～c关系 溶解度系数 H 也是温度的函数。对于一定的溶质 和溶剂，H 值随温度升高而减小。易溶气体的H 值很大，而难溶气体的H 值则很小(与E相反) H cp =* ‡溶解度系数H 与亨利系数E 的关系： V — 溶液的体积 m3， c — 浓度 kmol(A)/m3， ρ — 溶液的密度 kg/m3， MA ,MS — 溶质A和溶剂S的摩尔质量 )( AS S MMc ME H −+= ρ 1 )( * AS S MMc cMEp −+= ρ )( AS S S A MMc cM M cVMVcV cVx −+=−+ = ρρ 5 ‡ 稀溶液，c值很小，可简化为 (3) y～x 关系 (4) Y～X 关系 mxy =* p Em = X Xx += 1 Y Yy += 1 X Xm Y Y +=+ 11 * * SHM E ρ= ‡当溶液组成很低时， (1-m)X<<1， ∴当液相中溶质组成足够低时，平衡关系在Y~X图 中也可近似地表示成一条通过原点的直线，其斜 率为m。 A A A Xm mXY )( * −+=⇒ 11 AA mXY =⇒ * 5.2.3 相平衡与吸收过程的关系 （1）由气液相平衡关系判明过程进行方向和限度 a 若pA>液相浓度xA对应的平衡分压pA*， 进行吸收 xA pA* pA b 随吸收过程进行，气相中被吸收组分↓，pA↓，而溶液浓度↑，pA*↑，当pA=pA*时，吸收过程达极限 c若气相中被吸收组分的分压pA低于液相浓度xA对应的平衡分压pA*，即pA