第5章 吸收

mA nA M A MA wA xA m A mB n A M A n B M B M m
mA MA wA MA
由质量分数求摩尔分数
nA xA mA mB wA wB n A nB MA MB MA MB
▲气体混合物的相组成 将x改为y
3、摩尔比: （1）液相：
• 1、制取液体产品（制备某种气体的溶液）。 • 例如用水吸收二氧化氮以制取硝酸等。 • 2、除去有害成分以净化气体。 • 例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧 化碳；除去尾气中的H2S、SO2等。 • 3、吸收气体混合物一个或几个组分，以分离气 体混合物。 • 例如合成橡胶工业以酒精吸收反应气，分离 丁二烯及烃类气体。 • 4、回收混合气体中的有用物质。 • 例如用液态烃吸收石油裂解气中的乙烯和丙烯等。
2、亨利定律各系数间的关系： 三个系数E、H、m之间的换算关系为： m=E/P （4-4） H = ρ / E· s M （4-5） 式中 P——混合气的总压，kPa ； Ms——溶剂的分子量； ρ——溶剂的密度，kg / m3。 E——亨利系数，式（4—5）中单位为Pa；式（ 4—4）中单位与总压P相同。 结论：吸收宜采用溶解能力强、选择性 好的溶剂。提高操作压力，降低操作温度， 对吸收有利；升温和减压则有利于解吸操作。
• 若将亨利定律表示成溶质在液相中的体积摩 尔浓度c与其在气相中的平衡分压p*之间的关 系，则可写成如下形式，即： • p *= c / H （4—2） • 或 c* = pH • 式中 c——单位体积溶液中溶质的摩尔数， kmol / m3； • H——溶解度系数， kmol / m· kN。 • p*——气相中溶质的平衡分压，kPa。
（二）填料塔 1、适用于处理有腐蚀性 的物料； 2、填料塔压力降较小， 适用于真空蒸馏； 3、适用于间歇蒸馏或热 敏性物料的蒸馏；
2、所需传质单元数或理 论板数较多；
3、热量需从塔内移除； 4、适于较小液量； 5、适于处理有悬浮物的 液体； 6、板式塔便于侧线采出。
4、适用于处理易发泡的 液体。
板式吸收塔：气体与液体逐级逆流接触
★ 吸收操作的逆过程（即含溶质气体的液体，
受到另一气相的作用使溶质与溶剂分离的过程） 称为解吸。吸收和解吸常是一对相伴的操作，吸 收用以提取所需的物质，而解吸用以分离所需的 物质与吸收剂，并使吸收剂再生而循环使用。
解吸：
解吸是使溶质从溶液中脱除的过程。是吸收的 逆过程。其目的为：
（1）溶剂再生；
（2）得到溶质。
2、单组分吸收、多组分吸收
若混合气体中只有一个组分进入液相，则称为 单组分吸收。
Hale Waihona Puke 如果混合气体中有两个或更多组分进入液相， 则称为多组分吸收。 3、等温吸收、非等温吸收 气体溶解于液体中，在有些情况下会放出相当 大的溶解热和反应热，吸收过程进行中温度会升高， 这样的吸收过程称为非等温吸收。 若溶质在混合气中的浓度相当低，溶剂的用量 较大时，吸收过程进行中温度变化不大，这样的吸 收过程称为等温吸收。
2-1 溶解度曲线
从图中可看出， 一般情况下气体的 溶解度随温度升高 ，气体的溶解度降 低。 例如，气相中氨 的分压为60kPa， 在100C时，溶解度 约为510g / 1000g H2O，在400C时， 溶解度约为220 g / 1000g H2O。 图5—3 氨气在水中的平衡溶解度
图5—4 101.3kPa下SO2在水中的溶解度
• 在一定温度下，易溶气体的溶解度系数H值很 大，难溶气体的溶解度系数H值很小；且H值一般 随温度升高而减小。
• 若溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分 率x及y表示，亨利定律可写成如下形式，即 ： y* = m x • 或 x* = y / m • 式中 y* ——平衡时可吸收组分在气相中的 • 摩尔分率； • x ——液相中溶质的摩尔分率； • m——相平衡常数，无因次。 • • 以上三式中，比例系数E、H、m为以不同单 位表示的亨利常数。
主要讨论单组份、低浓度、等温、连续的物理吸收过程。
2 吸收过程气液相平衡
在恒定温度和压力下，气液两相接触时将发生气体 溶质向液相转移，使其在液相中的浓度增加，当长期充 分接触之后，液相中溶质浓度不再增加达到饱和，这种 状态称为相际动态平衡，简称相平衡或平衡。 吸收过程与传热过程比较类似但又有所区别，吸 收过程是气液相间的物质传递，传递的推动力来源于 不是两相的浓度差而是气液相之间的相平衡关系差异。 因此我们必须研究气液两相之间的相平衡。
p * 1.666 (1) E : 由 p* E x 得：E 83.3kPa x 0.02 (2) m : 由 y* m x 得： y * p * /P 1.666/101. 3 m 0.819 x x 0.02 E 83.3 or m 0.819 P 101.3 s 1000 (3) H 0.67 kmol/m 3 kPa EM s 83.3 18
（二）常用填料 环形 （拉西环、鲍尔环、阶梯环）
形状
鞍形 （矩鞍形、弧鞍形）
波纹形（板波纹、网状波纹）
材料：陶瓷、金属、塑料 堆放：整砌、乱堆
拉西环
鲍尔环
阶梯环
环
板波纹
丝网波纹
鞍形环
槽式液体分布器
三、 板式塔与填料塔比较 填料塔 微分接触 级式接触
吸收塔
板式塔
（一）板式塔 1、适用于塔径较大；
1-3、其他吸收流程
多塔串联操作，适用于满足吸收要求需要 的吸收塔太高时。
1-4、吸收过程的分类
1、物理吸收、化学吸收 在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生显 著的化学反应，则称为物理吸收。如用水吸收CO2、 用洗油吸收芳烃等都属于物理吸收。 如果溶质与溶剂发生显著的化学反应，则称为 化学吸收。如用硫酸吸收氨；用碱液吸收CO2等都 属化学吸收。
1atm下，浓度为0.02（摩尔分数）的稀氨水在20℃时 例： 氨的平衡分压为1.666kPa，其相平衡关系服从亨利定 律，氨水密度可近似取1000kg/m3。 求： E、 m 、 H 。
已知：P 1atm 101.3kPa, p* 1.666kPa, x 0.02
解：
ρ L 1000kg/m 3
由上两图可知，同一种物质，在相同的温度 下，气体的溶解度随着该组分在气相中的分压增 大而增大；在相同的平衡分压下，气体的溶解度 随着温度的升高而减小。
加压和降温可以提高气体的溶解度，故加 压和降温有利于吸收操作。反之，升温和减压则 有利于解吸过程
不同气体在同一溶剂中的溶解度有很大差异。
欲得到一定浓度的溶液，易溶气体所需的 分压较低，而难溶气体所需的分压则很高。 。
1-1 吸收操作流程 实例：煤气生产中的苯回收流程
在炼焦和制取城市煤 气生产中，焦炉煤气 内含有少量的苯 、甲 苯类低碳氢化合物的 蒸汽（约35g/m3）， 应予以分离。
吸收
流程见例图
解吸
由流程可知三点
◆吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂（或溶剂），
用S表示；能溶解的组分称为溶质或吸收质，以A 表示，不被吸收的组分称为惰性气，以B表示。 ◆吸收操作所得到的溶液称为吸收液（成分为S和 溶质A），排出的气体称为吸收尾气(主要成分为 惰性气体B，还含有残余的溶质A)。
• 如果溶液的组成用摩尔比分率X表示，气 相组成也用摩尔比分率Y表示，则可以通 过摩尔比的定义： • •
由上两式推导可知：
• 代入式： y* = m x • 而得到： • Y* /（1＋Y*）= mX /（1＋X）
• 整理后得到亨利定律的又一种表达式：
• 上式是由亨利定律导出的，此式在Y～X直角坐标系 中的图形总是曲线；但是，当溶液浓度很低时，即 稀溶液时（X很小），上式可以近似地表示为： • Y* = m X • 或 • X* = Y/ m • 式中 Y*——平衡时可吸收组分在气相中的摩 • 尔比分率，kmol组分/ kmol载体； • X——溶液中可吸收组分的摩尔比分率， • kmol组分/ kmol溶剂。
第五章 吸收
主 要 内 容 吸收操作的概述； 气液相平衡及吸收推动力； 吸收速率方程； 低浓度气体吸收过程的计算； 其他类型吸收过程简介。
1 概述
什么是吸收？
吸收是工业生产中用来
分离混合气体的一种重要 单元操作。
◆原理：吸收是利用混合 气中各组分在溶剂中的溶
解度的差异分离气体混合物。
工业吸收主要用来达列下述几种目的：
mA wA nA MA MA xA m A mB wA w n A nB B MA MB MA MB
一、相组成表示法（A+B混合物）
wB=mB/m xB=nB/n wA+wB=1 xA+ xB=1
1、质量分数 wA=mA/m
2、摩尔分数 xA=nA/n
★两者的关系 由摩尔分数求质量分数
对于一定的气体和一定的溶剂，亨利系数随温度 而变化。一般说来，温度上升则E值增大，体现了气 体溶解度随温度升高而减少的变化趋势。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 。 亨利系数的数值越小，表明可溶组分的溶解度越 大，或者说溶剂的溶解能力越大。
组成的表述有多种方法 气相中: 分压pA, 摩尔分数yA，摩尔比Y 液相中: 摩尔浓度cA(kmol/m3), 摩尔分数xA，摩尔比X 质量分率w, 质量比(例如100gNH3/100g水)
2-3 相平衡与吸收过程的关系： 1、过程方向的判定：
●当p>P* = E · ( or x < xe )时，过程为吸收过程。 x
●当p<P* = E · ( or x > xe )时，过程为解吸过程。 x
实质上，吸收还是解吸主要取决于溶质在气相 中的分压与其液相的平衡分压间的关系而定。 2、过程的推动力—浓度差的计算： 平衡是过程的极限，只有不平衡的两相互相接 触才会发生气体的吸收或解吸。因此，实际浓度偏 离平衡浓度越远，过程推动力越大，过程的速率也 越快。在吸收的过程中我们经常：