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1、化工原理,第六章 吸 收,第一节 概 述,一、吸收综述吸收就是分离气体混合物的单元操作,即是用适当的液体吸收剂处理气体混合物,利用混合气中各组分在液体溶剂中溶解度的不同而分离气体混合物的操作,其实质是一种典型的气、液相扩散传质过程。吸收系统包括气、液两个相,气相由可溶于吸收剂的气体组分(称为吸收质或溶质)和不溶或难溶于吸收剂的惰性组分(称为惰性气或载体)组成，液相则是液体吸收剂(或称为溶剂)；吸收操作所得到的溶液称为吸收液,其成分为吸收剂和溶解于其中的吸收质；排除的气体称为吸收尾气,其主要成分应为惰性组分和残余的溶质。吸收的原理：就是利用混气中,各组分在吸收剂中有不同的溶解度的特点,选择适宜的
2、吸收剂对混合气中组分进行选择性吸收，以达到从混合气中分离或提纯组分之目的。与吸收操作相反,使吸收质从吸收剂中分离出来的操作称为解吸或脱吸。其目的是循环使用吸收剂或回收溶质,实际生产中吸收过程和解吸过程往往联合使用。吸收和蒸馏一样也牵涉到气、液两相间的质量传递,但蒸馏是依据混液中各组分挥发度的不同而得以分离；吸收则基于混气中各组分在吸收剂中的溶解度不同而得以分离；蒸馏属双向传质，吸收为单相传质。,第一节 概 述,二、吸收在化工生产中的应用吸收操作是分离气体混合物的一种重要方法,是传质过程中的一种重要形式,在化工生产中已被广泛应用：1.制取液体产品。如用水吸收HCl制取盐酸,用水吸收NO2制取硝酸
3、，用硫酸（98.3%）吸收SO3制取发烟酸等。2. 回收混合气体中有用组分和分离气体混合物。如焦化厂用洗油从炼焦炉气中回收苯，如图6-1所示；由乙烯直接氧化制环氧乙烷时用水吸收反应后的气体中的环氧乙烷；用液态烃吸收石油裂解气中的乙烯和丙烯等。3.吸收气体中有害物质以净化气体。如合成氨工业中用水或乙醇吸收除去原料气中的CO2；用铜氨液吸收除去原料气体中的CO。4.作为环境保护和职业保健重要手段。如硫酸厂用吸收除去废气中SO2,过磷酸钙厂用吸收除去废气中含氟气体,硝酸厂中用吸收除去尾气中NOx。,第一节 概 述,图6-1 吸收与解吸流程图,图6-2 两类气液传质设备,第一节 概 述,三、吸收过程的
4、分类1.物理吸收与化学吸收对于CO2气体的吸收, 用水做吸收剂而主要发生物理溶解过程, 用碱液做吸收剂而主要发生化学反应过程。前者的本质是吸收质与吸收剂间无化学反应,或者只有微弱的化学反应，吸收主要依靠吸收质在吸收剂中的物理溶解度。后者是吸收质与吸收剂之间发生了明显的化学反应,由此将吸收分为物理吸收与化学吸收。二者的特点如下：(1)物理吸收:是可逆的,其逆过程就是解吸过程；吸收的极限是吸收质的溶解度；吸收速率为吸收质的扩散速率；热效应小；外加条件的影响是加压有利于吸收,减压有利于解吸；降温可增大吸收质溶解度,有利于吸收,但扩散速率减慢,有可能降低速率,故温度要适中。(2)化学吸收：其吸收平衡取
5、决于化学平衡；吸收速率取决于扩散速率或反应速率中最慢的一步；热效应大；既有可逆的又有不可逆的。2.单组分吸收与多组分吸收:若混气中只有一个组分进入液相而被吸收,则称为单组分吸收,否则为多组分吸收。3.等温吸收与非等温吸收:吸收操作的温度不发生变化的称为等温吸收,否则称为非等温吸收。本章重点学习单组分等温的物理吸收过程。,第一节 概 述,四、吸收剂的选择吸收的分离程度用吸收率来表征，其好坏与吸收剂用量关系很大，而吸收剂用量又随吸收剂的种类而变。可见，选择吸收剂是吸收操作的重要环节，通常从以下几个方面考虑：1.溶解度：吸收剂对于溶质组分应具有较大的溶解度，这样可以加快吸收过程并减少吸收剂本身的消耗
6、量。2.选择性：吸收剂要在对溶质组分有良好吸收能力的同时，对混气中其他组分却能吸收甚微，否则不能实现有效的分离。3.挥发度：操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小，以减少吸收过程中吸收剂的损失。4.腐蚀性：吸收剂若无腐蚀性，则对设备材质无过高要求，可以减少设备费用。5.黏性：吸收剂的黏度要尽量低，这样可以改善吸收塔内的流动状况从而提高吸收速率，且有助于降低输送能耗，还能减小传热阻力。6.其他：吸收剂还应具有较好的化学稳定性，不易产生泡沫，无毒性，不易燃，凝固点低，价廉易得等经济和安全条件。实际生产中，满足上述全部条件的吸收剂是很难找到的，往往要对可供选择的吸收剂进行全面的评价以做出经济合理
7、的选择。,第一节 概 述,五、吸收操作条件吸收就是气液两相间传递过程,为了提高吸收效率,应选择如下条件：1.采用连续操作,有利于稳定性生产及调节操作的条件。2.气液间逆流吸收,象传热一样,有利于吸收完全并获得较大推动力。3.尽可能增大气、液接触面积,因为传递速率与传质接触面成正比。4.增大相际间湍流程度,以降低传质阻力。,第二节 吸收中的气液相平衡,一、吸收中常用的相组成表示法在吸收操作中气体的总量和液体的总量都随操作的进行而改变，但惰性气体和吸收剂的量始终保持不变。因此，在吸收计算中，相组成以比质量分数或比摩尔分数表示较为方便。1.比质量分数与比摩尔分数1.1比质量分数混合物中某两个组分的质
8、量之比称为比质量分数，用符号WA表示。即： (6-1）,第二节 吸收中的气液相平衡,1.2比摩尔分数：混合物中某两个组分的摩尔数之比称为比摩尔分数，用符号XA（或）YA表示。即：kmolA/kmolB (液相混合物) (6-2a)kmolA/kmolB (气相混合物) (6-2b)1.3比质量分数与比摩尔分数的换算关系(6-3)在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时，通常以在操作中不转移到另一相的组分作为B组分。在吸收中，B组分是指吸收剂或惰性气，A组分是指吸收质。,第二节 吸收中的气液相平衡,2.质量浓度与物质的量浓度质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对于混合液体中的A组分有：（6-
9、4）物质的量浓度是指单位体积混合物内所含物质的量（用千摩尔数表示）。如对于气体混合物，在压强不太高、温度不太低的情况下，可视为理想气体，则混气中的A组分有：（6-5）,第二节 吸收中的气液相平衡,二、气液相平衡关系气液相平衡关系是指气液两相达到平衡时，被吸收的组分（吸收质）在两相中的浓度关系，即吸收质在吸收剂中的平衡溶解度。1.气体在液体中的溶解度在恒定的压力和温度下，用一定量的溶剂与混合气体在一密闭容器中相接触，混合气中的溶质便向液相内转移，而溶于液相内的溶质又会从溶剂中逸出返回气相。随着溶质在液相中的溶解量增多，溶质返回气相的量也在逐渐增大，直到吸收速率与解吸速率相等时，溶质在气液两相中的
10、浓度不再发生变化，此时气液两相达到了动态平衡。平衡时溶质在气相中的分压称为平衡分压，用符号 表示；溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度；它们之间的关系称为相平衡关系。,第二节 吸收中的气液相平衡,相平衡关系随物系的性质、温度和压力而异，通常由实验确定。图6-3是由实验得到的SO2和NH3在水中的溶解度曲线，也称为相平衡曲线。图中横坐标为溶质组分(SO2、NH3)在液相中的摩尔分数 ，纵坐标为溶质组分在气相中的分压 。从图中可见：在相同的温度和分压条件下，不同的溶质在同一个溶剂中的溶解度不同，溶解度很大的气体称为易溶气体，溶解度很小的气体称为难溶气体；同一个物系，在相同温度下，分压越高，
11、则溶解度越大；而分压一定，温度越低，则溶解度越大。这表明较高的分压和较低的温度有利于吸收操作。在实际吸收操作过程中，溶质在气相中的组成是一定的，可以借助于提高操作压力P来提高其分压PA；当吸收温度较高时,则需要采取降温措施，以增大其溶解度。,第二节 吸收中的气液相平衡,所以，加压和降温均可以提高气体吸收质的溶解度，对吸收操作有利。反之，升温和减压则有利于解吸。对于同样浓度的溶液,易溶气体在溶液上方的气相平衡分压小，难溶气体在溶液上方的平衡分压大。,图6-3 气体溶解度曲线,第二节 吸收中的气液相平衡,2.气液平衡规律亨利（Henry）定律2.1亨利定律:在一定的温度和压强不太高的条件下,多数气
12、体的溶解度和它的平衡分压成正比,其数学式表示为：（6-6）式中:H 称为溶解度系数,kmol.m-3.Pa-1或kmol.m-3.atm-1，H值的大小反映气体溶解的难易程度，对于易溶气体该值较大；对于难溶气体，该值很小。2.2注意事项亨利定律只适用于稀溶液,如常压下难溶或少溶气体的吸收，否则就有偏差；只适用于与溶剂不发生化学反应的气体的吸收；溶解度系数随温度升高而降低,即T，H；应用于较高压强时,如5atm以上，分压应以逸度代替；为了使用方便,亨利定律可以改写成以下形式:（6-7）,第二节 吸收中的气液相平衡,2.3亨利定律各系数间关系是： (6-8)式中p为系统总压,c为溶液的总摩尔浓度,
13、当为稀溶液时有 ,表6-1列出了某些气体水溶液的亨利系数值。由表6-1中的数值可知：不同的物系在同一个温度下的亨利系数E值不同；当物系一定时，亨利系数随温度升高而增大，温度愈高，溶解度愈小。所以亨利系数值愈大，气体愈难溶。在同一溶剂中，难溶气体的值很大，而易溶气体的值很小。,表6-1某些气体水溶液的亨利系数值（E10-6/kPa）,第二节 吸收中的气液相平衡,三、相平衡在吸收中的应用1.吸收平衡线：表明吸收过程中气、液相平衡关系的图线称吸收平衡线。在吸收操作中通常用Y-X图来表示,如图6-4所示,曲线的函数关系就是亨利定律式(6-7)。,图6-4 吸收平衡线,第二节 吸收中的气液相平衡,2.相
14、平衡线在吸收过程中的应用2.1判断吸收能否进行。由于溶解平衡是吸收进行的极限,所以，在一定温度下，吸收若能进行，则气相中溶质的实际组成 必须大于与液相中溶质含量成平衡时的组成 ，即 。若出现 时，则过程反向进行，为解吸操作。图6-4中的A点为实际操作点,若A点位于平衡线的上方，则 为吸收过程；若A点在平衡线上,YA=YA*,体系达平衡，吸收过程停止；当A点位于平衡线的下方时,则YAYA*是吸收进行的必要条件，而差值 YA=YA-YA* 则是吸收过程的推动力，差值YA越大，则吸收速率必然越大。2.3同理,若以液相为研究对象,在一定条件下,要让吸收过程能进行,则液相中溶质的实际组成XA必须小于与实
15、际气相中溶质含量YA成平衡时的液相组成XA*,即XApCO2 ,故进行的是解吸。以分压差表示的解吸总推动力为：(pCO2*-pCO2 )=77.1-60=17.1 kPa若要改变传质方向(即变解吸为吸收),可以采取的措施是：一是提高系统操作压力,以提高气相中C02分压；二是降低系统操作温度,以降低E值,进而降低与液相相平衡的C02分压。,第三节 吸收速率,吸收过程就是涉及两相间的传质过程，它包括三个步骤： 溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递； 溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面溶解过程； 溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。通常,第步即界面上发生的溶解过程很容易快速进行,即其阻力很小,因为过程速率推动力/阻力,故认为相界面上的溶解推动力亦很小，甚至为零，那么相界面上气、液组成就可认为能满足相平衡关系。这样总过程的速率将由步气相和步液相内的两个单相传质速率所决定。该过程构成了吸收总过程的主要部分，其物质的单相传递是由扩散传质方式进行。为此要理解吸收机理、解决吸收速率,就得首先探究扩散传质的方式。一、扩散传质的基本方式吸收过程是溶质从气相转移到液相的质量传递过程。由于溶质从气相转移到液相是通过扩散进行的，因此传质过程也称为扩散过程。扩散的基本方式有两种：分子扩散及涡流扩散，而实际传质操作中多为对流扩散。,
