化学吸收系统气液平衡数据的测定

实验二化学吸收系统气液平衡数据的测定

A 实验目的

化学吸收是工业气体净化和回收常用的方法，为了从合成氨原料气、天然气、热电厂尾气、石灰窑尾气等工业气体中脱除CO2 、H2S、SO2等酸性气体，各种催化热钾碱吸收法和有机胺溶液吸收法被广泛采用。在化学吸收过程的开发中，相平衡数据的测定必不可少，因为它是工艺计算和设备设计的重要基础数据。由于在这类系统的相平衡中既涉及化学平衡又涉及溶解平衡，其气液平衡数据不能用亨利定律简单描述，也很难用热力学理论准确推测，必须依靠实验。本实验采用气相内循环动态法测定CO2—乙醇胺（MEA）水溶液系统的气液平衡数据，拟达到如下目的：

(1)掌握气相内循环动态法快速测定气液相平衡数据的实验技术。

(2)学会通过相平衡数据的对比，优选吸收能力大，净化度高的化学吸收剂。

(3)加深对化学吸收相平衡理论的理解，学会用实验数据检验理论模型，建立有效的相平衡关联式。

B 实验原理

气液相平衡数据的实验测定是化学吸收过程开发中必不可少的一项工作，也是评价和筛选化学吸收剂的重要依据。气液平衡数据提供了两个重要的信息，一是气体的溶解度，二是气体平衡分压。从工业应用的角度看，溶解度体现了溶液对气体的吸收能力，吸收能力越大，吸收操作所需的溶液循环量越小，能耗越低。平衡分压反映了溶液对原料气的净化能力，平衡分压越低，对原料气的极限净化度越高。因此，从热力学角度看，一个性能优良的吸收剂应具备两个特征，一是对气体的溶解度大，二是气体的平衡分压低。

由热力学理论可知，一个化学吸收过程达到相平衡就意味着系统中的化学反应和物理溶解均达到平衡状态。若将平衡过程表示为：

A（气）

‖

A（液）+ B（液）= M（液）

定义：m 为液相反应物B的初始浓度（mol/l）；

为平衡时溶液的饱和度，其定义式为：

m

B A M 的初始浓度

液相反应物组分的浓度

形式存在的以反应产物=

θ

a 为平衡时组分A 的物理溶解量。

则平衡时，被吸收组分A 在液相中的总溶解量为物理溶解量a 与化学反应量θm 之和，由化学平衡和溶解平衡的关系联立求解，进而可求得气相平衡分压m p A

和与θ*的关系： 在乙醇胺（MEA ）水溶液吸收CO 2系统中，主要存在如下过程：

溶解过程： CO 2（g ）= CO 2（l ） （1）

反应过程： 5.0<θ时， -

++=+R N C O O R N H R N H l CO 222)( （2）

5.0>θ时， -

+-

+=++322222H C O R N H O H CO RNCOO （3）

本实验仅讨论5.0<θ时的情况。

当5.0<θ时，由式（1）和式（2）可知，平衡时液相中各组分的浓度分别为：

[]()θ21-=m RNH ，θm RNH

=+

][2

，θm RNCOO

=-

][，[]a CO =2

其中，[]m

RNCOO -

=

θ

，RNH m =（即MEA ）的初始浓度。

由反应（2）的化学平衡可得：

[][][]

2

2

2

2

)

21(θθ

-⨯=

⨯=

-

+

a m R N H a R N C O O R N H K （4）

又由式（1）CO 2的溶解平衡可得：

a H p CO ⨯=*

2 （5） 将式（5）代入式（4），可得：

2

212

⎪⎭⎫

⎝⎛-⨯⨯=*θθm K H

p CO

（6） 可见，当温度和MEA 初浓度m 一定时，将式（6）取对数，则)21(2θθ-*

与CO p 成线性关系。若将不同温度和MEA 初始浓度m 条件下，实验测定的平衡分压θ与溶液饱和度

*

2CO p 按式（6）拟合，便可得到相平衡关系。

C 预习与思考

(1) 本实验的目的是什么？

(2) 一个性能优良的吸收剂，在相平衡性能上应该具有哪些特征？为什么？ (3) 化学吸收为什么能提高溶液的吸收能力，降低气体的平衡分压？

(4) 本实验装置为什么不适宜测定CO 2分压很低 （MPa p CO 41072

-⨯<）时的相平衡数据？

(5) 若气相色谱不能准确分析气相样品中水分的含量，可采取什么方法来测定或估算水蒸气分压？

D 实验装置及流程

测定装置见图2–3。平衡室是一个容积为200ml 带有视镜的压力管（类似于高压流量计），平衡室的

上方有一个容积为250ml 的气相空间，用以增加气相的贮量，减小气相取样分析对系统的干扰。

操作时，一定量的液体和气体被加入到由平衡室和气相室构成的空间内，液体静置，气体则通过一台

磁力循环泵不断由气相室顶部抽出，由平衡室底部返回，在系统中循环。

达到平衡后，气相组成由连接在系统中的气相色谱直接检测。液相组成的分析方法是将一定量的液体样品取入盛有一定量5N 硫酸的分解瓶内，反应分解出的酸性气体直接进入量气管测定其体积，然后，送

入气相色谱分析组成。

在这种实验装置中，由于循环气体不断地鼓泡通过液体，使两相充分接触，易于建立气液平衡，温度、压力稳定，数据准确度高。常用于化学吸收系统气液平衡数据的测定，适用范围为：温度40—130℃，绝对压力7×10-4 ~ 7.0 MPa 。

E 操作步骤及方法

(1) 用N 2气将系统升压至0.5MPa 左右，关闭平衡装置的所有进出口阀门，开启循环泵，进行气密实验，并吹扫系统。

(2) 将120 ml 预先配置并预热的，浓度为2.5mol/L 的乙醇胺（MEA ）水溶液加入平衡

图2–3 气相循环式高压气液平衡测试装置

1–气相色谱；2–三通球阀；3–空气恒温室；4–气相缓冲室； 5–气相采样阀；6–平衡池；7–循环泵；8–流动指示瓶； 9–液体采样阀；10–液相采样瓶；11–气体收集管；

12–水准瓶；13–指示液；14、15–三通球阀