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1、第九章 吸收,第一节 概述,9-1 吸收操作,利用气体混合物各组分在某种溶剂中溶解度的不同而分离气体混合物的操作称为吸收。 一些基本概念：参见图9-1,图9-1 吸收塔示意图,9-1 吸收操作,一. 吸收操作的工业目的 1. 原料气的净化 此目的应用最广。例如合成氨工业氨中作为合成氨反应原料气的H2是通过下列变换反应得到的 CO+H2OCO2+H2 上述变换反应含有副产物CO2，必须在合成反应之前将其除去。一般采用水或碱液将上述变换 反应得到的混合气体中的CO2通过吸收的方法将其除去。 2. 有用组分的回收 例如用水吸收合成氨厂中放空气体中的氨，用洗油回收焦炉煤气中的粗苯。,9-1 吸收操作,
2、3. 制备产品 用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸； 用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。 4. 废气处理 尾气、废气的净化以保护环境。 例如燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2等。,二. 分类 1. 按吸收时有否发生明显的化学反应分 物理吸收：吸收时不发生明显的化学反应 化学吸收：吸收时发生明显的化学反应，例如 NaOH+CO2 NaHCO3 NaHCO3 +NaOH Na2CO3+H2O,2. 按吸收时温度变化情况分 等温吸收 非等温吸收 3. 按吸收组分数分 单组分吸收 多组分吸收 4. 按吸收气体浓度分 低浓度气体吸收 高浓度气体吸收 本章重点：单组分、等温、低浓度气体、物理吸收,9-2 吸收
3、流程和溶剂选择,一. 吸收流程 吸收操作所用的溶剂，有的需要回收，有的不需要回收。如果溶剂不需要回收，则吸收操作流程只有吸收部分；如果所用溶剂需要回收，则吸收操作流程包括吸收部分和脱吸部分，如图9-2所示。 关于吸收流程的几个问题： 1.气液流向 2.多塔吸收，参见图9-3和9-4 3.温度和压力 4.脱吸过程,图9-2 焦炉煤气中的粗苯回收流程示意图,图9-3 多塔吸收：气液逆流串联,图9-4 多塔吸收：气体串联液体并联,9-2 吸收流程和溶剂选择,二. 溶剂的选择 1溶解度 对溶质组分有较大的溶解度 2选择性 对溶质组分有较大的溶解度， 对其它组分基本不吸收或吸收甚微 3挥发性 应不易挥发
4、 4粘性 粘度要低 5其它 无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、 价廉易得，并具有化学稳定性等要求。,第二节 吸收基本理论,9-3 吸收过程的相平衡关系,一. 气体在溶液中的溶解度 在一定的温度和压强下，使一定量的吸收剂与混合气体接触，开始了溶解过程。经过一定时间后，除了气体溶质分子进入溶液外，也有溶质分子从溶液中逸出进入气体，但总的说来入大于出。经过足够长的时间后，入等于出，物系处于相际动态平衡，简称为相平衡。平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压或饱和分压，液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度。所谓气体中溶质在溶剂中的溶解度，就是指气体中溶质在溶剂中的饱和浓度。,9-3 吸收过程的相平衡关
5、系,溶解过程自由度F：对于单组分物理吸收而言 FC（组分数）（相数）+2 3-2+2=3 自由度为3，则在温度t、压力P（总压）、气相组成y、液相组成x四个变量中，只要任意三个变量确定，则第四个变量随之确定，不能独立变化。,由实验知，总压P在几个大气压的范围内对平衡的影响很小，可以忽略，于是在一定温度下，一定溶质的液相平衡浓度为气相组成的函数，可表示为 cA* = f(pA) (9-1) 同理有 pA* = f(cA) (9-2) 在同一溶剂中，不同气体的溶解度有很大差别，图9-5为一定温度下几种气体在水中的溶解度曲线。由溶解度曲线的斜率可判断其溶解度的大小。,9-3 吸收过程的相平衡关系,温
6、度是影响溶解度的重要参数。图9-6是SO2于两个温度下在水中的溶解度曲线示图，由图可见，温度越高，溶解度越小，这一现象具有普遍性。 总的说来，加压和降温对吸收有利，减压和升温对脱吸有利。,图9-6 温度对溶解度的影响,9-3 吸收过程的相平衡关系,二. 气液平衡方程 1. 用亨利常数关联 在总压不高（一般小于5-10atm），一定温度下，有 pA*=ExA (9-3) 上述关系称为亨利定律，式中的E称为亨利常数。 亨利定律的适用情况 a.对于理想溶液，在所有浓度范围内适用，且E=pA0，于是与拉乌尔定律一致。 b.对于非理想溶液，仅适用于稀溶液。,9-3 吸收过程的相平衡关系,E值的大小表征气
7、体溶解度的大小，其值越大，溶解度越小。 在亨利定律适用的范围内， E值只是温度的函数，而与P、cA 、pA无关。 2. 用溶解度常数关联 （9-4） 式中H称为溶解度常数，其与E的关系为 （9-5）,9-3 吸收过程的相平衡关系,3. 用相平衡常数关联 yA*=mxA (9-6) 对于单组分吸收，可表示为 y*=mxA (9-6a) 式中m称为相平衡常数，其与E的关系为 m= (9-7) 注意，m值既是温度的函数，又与总压有关。,9-4 吸收过程机理和传质速率方程,一. 吸收过程机理双膜理论 以膜模型为基础的双膜理论在传质机理研究中占有重要地位，其物理模型如图9-7所示，其理论要点： 1）气液
8、间存在稳定的相界面，两侧各有很薄的当量层流膜层，溶质以分子扩散的方式串联通过二膜层； 2）相界面气液达成平衡，无传质阻力； 3）气液主体浓度处处相同。,图9-7 传质双膜模型示意图,二. 传质速率方程,1. 亨利定律适用于气液平衡的情况 将前一章得到的固体壁面与流体间的传质速率方程应用于气液传质的两膜层，得 NA =kG (pG pi ) (9-8) NA =kL (ci cL ) (9-9) 注意上二式推动力顺序的不同。由于pi、 ci实际上很难测定，上二式不便应用，解决办法是设法消除其中的pi、 ci 。,9-4 吸收过程机理和传质速率方程,对于亨利定律适用于气液平衡的情况： ci pi
9、H （9-10） 设与cL达成平衡的气相组成为pL*，则有 cL pL*H （9-11） 将式（9-10）和（9-11）代入式（9-9）得 NA =kL H(pi pL* ) (9-12) 将式（9-12）与（9-8）联立并全部写成（推动力/阻力）的形式得,上式中，1/kG为气相传质分阻力， 1/HkL为液相传质分阻力。应用加比定律得,令 （9-13）,于是得 NA =KG(pG pL* ) (9-14) KG称为以压强差为推动力的总传质系数，简称总传质系数。1/ KG则为总传质阻力。 同理可得 NA =KL (cG* cL ) (9-15) 式中 （9-16）,注意式中各参数的意义。比较式（
10、9-13）和（9-16）得 KGHKL （9-17） 上述公式的推导与两流体对流传热总传热速率方程的推导相似，较复杂的是需利用亨利定律进行气相或液相组成的换算。,经相似的推导还可得 NA =Ky(yy* ) (9-18) NA =Kx (x* x ) (9-19) （9-20） （9-21）,9-4 吸收过程机理和传质速率方程,Kx=mKy (9-22) 2. 亨利定律不适用于气液平衡的情况 当溶液浓度超出亨利定律的适用范围时，用来关联气液平衡关系的三个平衡常数的数值将随着浓度的变化改变，不能应用式（9-12）至（9-22）计算传质速率，应寻求其它方法计算传质速率。,不管亨利定律是否适用于气液
11、平衡的情况，式（9-8）和（9-9）都成立 NA =kG (pG pi ) (9-8) NA =kL (ci cL ) (9-9) 联立这两个计算式得,9-4 吸收过程机理和传质速率方程,（9-23） 由上式可知，代表界面组成的点I(ci , pi )落在过点P (cL , pG )，斜率为-kL /kG 的直线上，且点I又符合平衡关系。据此，可用图解法求得点I，如图9-8所示，然后利用式（9-8）或（9-9）计算传质速率。,图9-8 气液相界面组成的图解,9-4 吸收过程机理和传质速率方程,3. 总传质速率方程的分析 推动力分析 据图9-9进行分析，各线段与推动力的对应关系。 阻力分析 以下
12、式为例进行分析,图9-9 传质推动力图示,阻力分析 以下式为例进行分析,上式左侧表示气相总传质阻力，右侧第一项表示气相分阻力，第二项表示液相分阻力，注意这种情况下的液相阻力不是1/kL,气液分阻力之和构成总阻力。,同理 左侧表示液相总传质阻力，右侧第一项表示液相分阻力，第二项表示气相分阻力。其它表示方式的传质系数可作相似分析。,当气膜阻力远大于液膜阻力时，称为气膜控制；反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，称为液膜控制。一般说来，kG、kL的变化范围不大，如填料塔中以水作溶剂时kL的数量级为10-4m/s，常压下kG的为10-3 -10-4kmol/(m2.s.atm)，所以决定气液膜阻力相对大小
13、的主要因素是H值的大小。气膜控制时，KG kG，液膜控制时,9-4 吸收过程机理和传质速率方程,上式右侧分母两项中，1/kG大小与气膜控制时相当，另一项由于H值很小使得1/HkL远大于1/kG，因此算得的KG远小于气膜控制时的KG，因此液膜控制（难溶气体）时不仅溶解度小，而且传质速率也小，所以选择溶剂时溶解度大应放在第一考虑因素。,补例9-1,在常压及20C下测得氨在水中的平衡数据为：浓度为0.5gNH3/100gH2O的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围内平衡关系可用亨利定律表示。试求E、H及m。 解：x=(0.5/17)/(0.5/17+100/18)=0.00527 E=(p
14、*/x)=400/0.00527=7.59104Pa,补例9-1,y*=mx y*=p*/P=400/101.33103=0.00395 m=0.00395/0.00527=0.75 cA=nA/V=(0.5/17)/(0.5+100)/1000) =0.293kmol/m3 H=cA/p*=0.293/400 =7.3310-4kmol/(m3.Pa),补例9-2,1）氨水的浓度和温度与上题相同，而上方的总压强变为200kPa,试求E、H及m。2）又如果氨水的浓度与总压与上题相同，而氨水温度升高到50C，已知此时氨水上方的平衡分压为500Pa，再求E、H及m。 解：1） E=7.59104P
15、a H=7.3310-4kmol/(m3.Pa) m=E/P=7.59104/200103=0.38,补例9-2,2）E=p*/x=500/0.00527=9.49104Pa HcA/p*=0.293/500=5.8610-4kmol /(m3.Pa) m=y*/x=E/P=9.49104/101.33103=0.937 结论：1）对于一定的物系，E和H只与温度有关，而m则还与总压P有关；2）P越大，m越小，对吸收有利；3）温度越低，E及m越小，H越大，对吸收有利，反之则相反。,补例9-3,在101.33kPa及25C下溶质组成为0.05摩尔分率的CO2-空气混合物分别与以下几种溶液接触，试判断传质过程进行的方向。1）浓度为1.110-3kmol/m3的CO2水溶液；2）浓度为1.6710-3kmol/m3的CO2水溶液；3）浓度为3.110-3kmo
