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1、1,第 II 部分 吸收,吸收是利用适当液体吸收（溶解）气体混合物中的有关组分（有的还伴有化学反应），以分离气体混合物的一种操作。 （1）吸收剂：具有吸收能力的液体； （2）吸收质（吸收组分）：被吸收的气体组分； （3）惰性组分：不被吸收剂吸收的（气体）组分。,2,吸收可分为物理吸收和化学吸收两类。 （一） 物理吸收 内涵：吸收组分仅溶解于吸收剂中，并不与吸收剂发生化学反应。 物理吸收所能达到的最大的程度取决于在吸收条件下气体在液体中的平衡溶解度； 物理吸收的速率则主要取决于组分从气相转移到液相的扩散速率。,3,（二） 化学吸收,内涵：如果在吸收过程中组分与吸收剂还发生化学反应，这种吸收就叫做
2、化学吸收。 在化学吸收过程中，吸收的速率除与扩散速率有关外，有时还与化学反应的速率有关； 吸收的极限同时取决于气液相的平衡关系和其化学反应的平衡关系。,4,吸收在工程中应用非常广泛，例如用水除去合成氨原料气中的CO2，用中油吸收煤焦油中的萘和甲苯，用水吸收氨以制得氨水，用丙酮吸收乙烯和丙炔混合物中的乙炔等。,5,1 吸收原理和装置流程,吸收操作是在一种称为“吸收塔”的设备中进行的。如图3-II-1所示。吸收塔中通常采用的是连续逆流操作，因为逆流推动力大，传质速率快，分离效果好。图3-II-1,6,图3-II-1（a）中，在吸收塔塔顶喷淋液体吸收剂C，混合气由塔底进入，它与液体逆流而上，塔内装有
3、各种板或填料，气液两相在塔内密切接触，液体吸收剂选择性地吸收易溶的气体A后从塔底排出；难溶的气体B则从塔顶引出，这样就实现了分离混合物中组分A和B的目的。 当吸收反应的放热量很大，或需要加大液体喷淋量以保证填料表面润湿时，也可加大吸收剂量，然后将吸收后的吸收液部分出料，经冷却后在塔内循环使用（图3-II-1b）。,7,工业上的吸收操作可以采用单塔操作流程。若生产任务很大，用一个塔时嫌尺寸太大，则可采用多塔，即将大塔分成几个小塔，相互连接而成一套塔组。如塔径过大，则将大塔分成几个小塔并联；如塔太高，则将几个小塔串联起来操作。近年来由于塔板效率的提高和化工装置大型化，又多采用了单塔操作。上述的吸收
4、过程是用吸收剂吸收气体中的有用组分，有时也需要用吸收剂除去气体中不要的组分，两者仅仅在工艺上不相同，其基本原理则是一样的，所以其流程也基本相似。,8,经过吸收过程以后，吸收剂中溶入了被吸收组分，如果吸收剂需反复使用，或根据工艺需要，要求从吸收剂中分离出有用的吸收组分，则需要多种方法，例如增加解吸（为了吸收的相反过程，使溶解的气体组分析出，解吸在工业上有时也称“吹出”）装置或采用其它分离方法，这样，在吸收流程上还需要加上后处理的工序。,9,2 吸收的气液平衡关系,混合气中各组分在液体吸收剂中具有不同的溶解度，这是能够利用吸收操作分离气体混合物的依据。因此气体混合物中被吸收的组分在吸收剂中溶解度的
5、大小，决定着吸收过程能否进行，以及进行的极限。,10,在一定的温度和压力下，当吸收剂和混合气体接触时，气体中的吸收质就向液体吸收剂中转移，进行吸收；同时，溶液中被吸收的吸收质也可能由液相向气相传递，进行解吸。,11,开始时吸收是主要的，而随着时间的延长，吸收质在溶液中的浓度逐渐增加，相应地吸收质从气相向液体的传递速度逐渐减慢，从液相向气相的传递速度却逐渐加快。 经过足够长的时间接触后，当吸收速度和解吸速度相等，气相和液相中吸收质的浓度不再变化时，气液两相就达到了相际动平衡，简称相平衡或平衡。,12,达到平衡时，溶液的浓度为平衡浓度，也即吸收质在液体中的最大溶解度，也叫平衡溶解度；溶液上方溶解气
6、体的分压称为平衡分压。例如通过实验测得293 K和303 K时SO2的两组溶解度数据如表3-II-1所示，如将这些数据绘在坐标图上，就可得到上述温度条件下SO2在水中得溶解度曲线，也就是气液两相得平衡曲线，如图3-II-2所示。,13,图3-II-2 SO2在水中的溶解度,综观平衡时吸收质的分压和溶液浓度，可发现它们之间一般存在一定的函数关系，如 p* = f (x)。实验结果表明，在一定温度下，对于多数气体的稀溶液，在气体总压不高（低于5 大气压，即506.5 kPa）的情况下，吸收质在液相中的浓度与其在气相中的平衡分压成正比，这一规律也就是亨利（Henry）定律。,14,亨利（Henry）
7、定律数学表达式可写成： p* = Ex (3-II-1) 式中：p* 气相中吸收质的平衡分压 kPa；x 液相中吸收质的浓度 摩尔分数；E 亨利系数 kPa。E值的大小表示气体被吸收的难易程度。显然，E值愈大，气体愈难于被吸收，反之，则愈容易被吸收。对于一定的系统，E值随温度的增高而加大。,15,在实际应用中，亨利定律表达式还有其他的常用形式，例如：（1）液相中吸收质浓度用c kmol/m3表示：式中：p* 气相中吸收质的平衡分压 kPa；c 吸收质在溶液中的浓度 kmol/m3；H 溶解度系数，它随温度的升高而减小，其单位为 kmol/m3kPa。,16,（2）两相组成均用摩尔分数表示：当气
8、相中吸收质浓度y也用摩尔分数表示时，根据道尔顿（Dalton）分压定律，吸收质在气相中的分压可以写成： p = P总y 式中：P总 混合气体的总压 kPa；y 吸收质在气相中的摩尔分数。 将上式代入式（3-II-1） p* = Ex ，得：,P总y* = Ex令 故 式中：m 相平衡关系，无因次；与x呈平衡的吸收质在气相中的摩尔分数。,17,式（3-II-3）y* = mx 也是亨利定律的一种表达形式，相平衡系数也是由实验结果计算出来的数值。 由m值同样可以判断其气体组分的溶解度的大小：m值愈大，表明该吸收质的溶解度愈小，m值随总压的升高、温度的降低而减小，因此较高的压力和较低的温度对吸收是有
9、利的。反之，较低的压力和较高的温度对解吸是有利的。,18,（3）两相组成都用比摩尔分数表示：式中：X 每千摩尔吸收剂中所含吸收质的量 kmol；Y 每干摩尔惰性气体中所含吸收质的量 kmol。这种表示两相组成的方法就是比摩尔分数表示法。,19,下面以液相为例看x与X的关系。对于液相，由x的定义（吸收质在液相中的浓度 摩尔分数）如：得 或,20,同理，对于气相，由y的定义（吸收质在气相中的浓度 摩尔分数）得：或 将 、 代入 ，得 整理后得：在稀溶液（溶液浓度很小）的情况下，X 很小，上式分母趋近于1，故该式可简化为这是亨利定律的另一种数学表达式。,21,亨利定律的四种表达式综合表,22,三个系
10、数之间的关系为：一些气体在不同溶剂中的E值（或H值）可在相关手册中查到，再根据E值（或H值）和上述的关系求出m值及H（或E）值。,23,上述亨利定律的表达式反映的是在低压下稀溶液的气液相之间的平衡规律，对于工程上常见的压力较大，溶液浓度较大或伴有化学反应的情况，亨利定律就不再适用了。为了满足工程上的需要，通常通过实验测定不同条件下的吸收系数，求得气液平衡数据，将其列表，绘图或写成公式以备实际应用。,24,物质传递方向判断（补充）,对于一切未达平衡的系统，组分由一相向另一相传递，其结果是使系统趋于相平衡。所以，传质方向是使系统向达到相平衡的方向变化。例如，吸收质分压为pA的气相与溶液浓度为cA（
11、或x）的溶液相接触体系： （1）可利用相平衡关系由cA（或x）计算出与其相平衡的 值，若,25,（2）也可以用气相分压pA计算出与其相平衡的 或x*的值，并作出判断，若,26,增例1 已知亨利系数E = 2.41 108 Pa，平衡蒸气压为48.5 103 Pa，当水溶液实际浓度c实 = 0.010 kmol/m3时，试问气、液相传质进行的方向（水的密度 = 1000 kg/m3）。 解： 由亨利定律 得所以此时气相中吸收质向液相扩散，即为吸收过程。,27,例3-II-1: 某气体混合物中氢气的含量为0.263%(mol)，在101.3 kPa、293 K条件下用水进行吸收。已知氢气溶解在水中
12、的亨利系数E = 6.44104 kPa，求所得溶液中氢气的最大质量百分浓度。 解 将气体混合物中含H2量折算为H2的分压： p* = 101.3 0.263% = 0.266 kPa 与其对应的平衡浓度为：因为溶液中氢气的浓度很小，故氢气的最大质量百分浓度为：,28,增例2：含有30（mol）CO2的某原料气用水吸收，吸收温度为303 K ，总压力为101.3 kPa、已知该条件下CO2的亨利系数E = 0.188 106 kPa，求液相中CO2的最大浓度。 解 由本题操作条件，在水中难溶的CO2形成稀溶液，故达到平衡时的溶液的最大浓度可按亨利定律计算。按题意，CO2的平衡分压为 p* =
13、101.3 30% = 30.4 kPa 故 x = p* /E = 30.4/0.188 106 = 0.0001616 即液相中CO2的最大浓度为0.0001616 （摩尔分数）,29,增例3：在101.3 kPa、283 K条件下用水吸收含有0.8%(mol)环氧乙烷的气体。已知该条件下环氧乙烷的亨利系数E = 550 kPa，求溶解度系数H和用比摩尔分数形式表示的平衡关系式。 解 先假设吸收后的水溶液是稀溶液，则c总可用纯溶剂的摩尔浓度替代。取纯水的密度0= 1000 kgm-3，摩尔质量M 0= 18 kgmol-1，则有则水中环氧乙烷的极限浓度为：与总浓度比较，显然符合稀溶液假设。
14、,30,再求m，由对于该稀溶液，可简化为：,31,3 吸收传质速率方程式,3-1 吸收传质速率方程式及各吸收传质系数之间的关系气膜及液膜吸收传质速率方程式根据双膜理论及单相传质速率方程 可以写出吸收质穿过气膜和液膜时的吸收传质速率方程式：,32,式中：N/ 吸收传质通量 kmol/m2s或kmol/m2h；p 气相主体中吸收质的分压 kPa；pi 界面处吸收质的分压 kPa；ci 界面处吸收质的浓度 kmol/m3；c 液相主体中吸收质的浓度 kmol/m3；kg 气膜吸收传质分系数 kmol/m2hkPa；kl 液膜吸收传质分系数m/s或m/h；,33,总吸收传质速率方程式,上面的方程式只指
15、出扩散传质时单相扩散的情况，而在实际条件下，相界面上的分压 pi 或浓度 ci 是难以测得的，但两相主体中的分压或浓度却易于测得。为计算方便，可将总体的分压差或浓度差作为吸收过程的总传质推动力来表示吸收传质速率，则吸收速率方程式可写成：式中：p* 与液相主体浓度 c 平衡时，气相中吸收质所具有的饱和分压 kPa，（p - p*）为传质推动力；KG 气相吸收传质总系数 kmol/m2hkPa。表示吸收质扩散传递时，包括气膜和液膜阻力（将液膜阻力折算成气膜阻力）在内的总传质系数。,34,吸收传质速率方程式也可以用浓度差作为传质的总推动力来表示，即式中：c* 当溶液中吸收质(在气相中)分压为 p 时，吸收质溶 于溶液并达到平衡时所具有的平衡浓度 kmol/m3，（c*- c） 传质推动力；KL 液相吸收传质总系数 m/h。表示吸收质扩散传递时，包括气膜（将气膜阻力折算成液膜阻力）和液膜阻力在内的总传质系数。虽然KG和KL有相同的意义，但由于它们的单位不同，所以其绝对数值并不相同。,
