环境工程原理 第七章

图7-2 SO2在水中的平衡溶解度
第二节 吸收过程中的相平衡关系
二、亨利定律
1.气液平衡
溶质A溶
解速度 气体
平衡分压, pA* 摩尔分数, yA 摩 ……尔. 比相，际YA动态平衡
液体
溶质挥 发速度
如果温度和总压一定，溶质在液体 中的溶解度只取决于溶质在气相中 的组成。
气-液相平衡关系又称溶解度曲线
1.溶质与吸收剂反应： 如用水吸收氨。
ABM
假设溶质在溶剂中的总浓度为cA， cA AM
化学反应平衡关系可表示为：
K

M AB

cA A AB
进而可得

A


1

cA
K
B
第二节 吸收过程中的相平衡关系
将此浓度代入亨利定律，可得溶质的气液相平衡关系：
pA*
吸收操作的目的： （1）分离和净化原料气： 原料气在加工以前，其中无用的或有害的成分都要预先除去。如从
合成氨所用的原料气中分离出CO2、CO、H2S等杂质。 （2）分离和吸收气体中的有用组分：
如从合成氨厂的放空气中用水回收氨；从焦炉煤气中以洗油回收粗 苯（含甲苯、二甲苯等）蒸气和从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。
解度系数为 H 1.56102 kmol/（kPa·m3），一级解离常数
为 K1 1.7 102 kmol/m3。
解：考虑解离情况下 SO2 的吸收情况可以表示为以下两个过 程：
扩散传质过程 SO2 g
SO2 l
解离过程 SO2 +H2O
H+ +HSO3-
由传质平衡可以求得吸收液中 SO2 的浓度
cA HpA 1.56 102 5.05 0.0788 kmol/m3
第二节 吸收过程中的相平衡关系
由吸收液中 SO2 的浓度，根据解离平衡，求得 HSO3-浓度
K1

H+ HSO3-
SO2

HSO3- K1 SO2 1.7 102 0.0788 0.0366 kmol/m3
第二节 吸收过程中的相平衡关系
再根据亨利定律，就可以得到化学吸收溶质气液两相的
平衡关系：
1
pA*

A
H

1 H
Mm

K

Bb
a
可知[A]低于液相中溶质A的总浓度。
H一定时，pA* 低于仅有物理吸收时溶质在气相中的 平衡分压。
因此溶剂的吸收率是大于物理吸收的。
第二节 吸收过程中的相平衡关系

A
H

1 H
1
cA
K B
在稀溶液条件下： 溶剂量大，[B]=常数；反应条件一定时，K=常数 上述气液相平衡在形式上仍然符合亨利定律。 溶解度系数增加了(1+K[B])倍。
第二节 吸收过程中的相平衡关系
如果吸收过程还涉及其他反应，那么整个吸收过程的溶质 平衡关系就会更为复杂。
比如，反应产物发生解离反应： M D A
第二节 吸收过程中的相平衡关系
2.溶质与溶剂中的活性组分B反应：
A B M B代表溶剂中与溶质反应的活性组分。
设活性组分B的初始浓度为 cB0 ，反应平衡时的转化率为R
B cB0(1 R)
M cB0 R
化学平衡关系可写为:
K

M AB

cB0 R
AcB0 (1
(2)按混合气体中被吸收组分数目： 单组分吸收：如用水吸收HCl气体制取盐酸 多组分吸收：碱液吸收烟气（含SO2, NOx, CO2, CO等）
(3)按体系温度是否变化： 如果液相温度明显升高——非等温吸收 如果液相温度基本保持不变——等温吸收
单组分等温物理吸收是最简单和最基础的。
第二节 吸收过程中的相平衡关系
YA* mXA 1 (1 m)XA （7.2.8）
当溶液浓度很低时，XA很小，上式可近似写为：
YA* mX A
（7.2.9）
不满足亨利定律的相平衡如何表征？
第二节 吸收过程中的相平衡关系
三、化学吸收的气液相平衡
化学吸收平衡
aA（g）
aA（l）＋bB
mM+nN
[A]净化＝ [A]物理平衡＋ [A]化学消耗
[A]物理平衡＝ HApA﹡
[M ]m[ N ]n K
[ A]a [B]b
第二节 吸收过程中的相平衡关系
二、化学吸收的平衡关系
化学吸收涉及的过程：
稀溶液下
•溶质在气液两相之间的相平衡
亨利定律
•溶质在液相中的化学反应平衡
液相中物理溶解 态的溶质浓度
溶质气相分压
化学反应的平衡条件
第二节 吸收过程中的相平衡关系
（或化学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操 作过程。 • 本质上是混合气体组分从气相到液相的相间传质过程。
第一节 吸收的基本概念
• 液体溶剂——吸收剂 • 混合气体中能显著溶于液体的组分——溶质 • 几乎不溶解的组分——惰性组分 • 吸收后得到的溶液——吸收液 • 吸收后的气体——净化气
第一节 吸收的基本概念
第一节 吸收的基本概念
吸收在化工领域中的应用
• 净化原料气及精制气体产品：比如用水（或碳酸钾水溶 液）脱除合成氨原料气中的CO2等。 • 制取液体产品或半成品：比如水吸收NO2制取硝酸；水 吸收HCl制取盐酸等。
• 分离获得混合气体中的有用组分：比如用洗油从焦炉煤 气中回收粗苯等。
第一节 吸收的基本概念
第7章 吸收
第八章 吸收
本章主要内容
第一节 吸收的基本概念 第二节 吸收过程中的相平衡关系 第三节 吸收传质机理和速率 第四节 吸收设备
第一节 吸收的基本概念
本节的主要内容
一、吸收的定义与应用 二、吸收的类型
第一节 吸收的基本概念
一、吸收的定义
• 混合气体分离最常用的操作方法之一。 • 依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中物理溶解度
R)

R
A(1
R)
第二节 吸收过程中的相平衡关系
溶剂中未反应溶质A的浓度为 A R
K (1 R) 由亨利定律，可以得到溶质的气液相平衡关系：
pA*

A
H

R HK (1
R)
由上式可以求得： 所以参加反应的溶质浓度为：
R KHpA* 1 KHpA*
表示了溶剂 的吸收能力
cA,
E —— 亨利系数，Pa。
• 亨利系数取决于物系的特性和体系的温度。 • 亨利系数越大，说明气体越难以溶解于溶剂。 • 气体在溶剂中的溶解度随着温度的升高是降低的，因此，
亨利系数是增大的。 • 气体在各种条件下的亨利系数通常可以在手册中查到。
第二节 吸收过程中的相平衡关系
典型气体在水中的亨利系数
25℃时 E (kPa)
吸收在环境领域中的应用
• 净化有害气体： 湿式烟气脱硫：如用水或碱液吸收烟气中SO2，
石灰/石灰石洗涤烟气脱硫。 干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：SO2被雾化的
Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收。 水、酸吸收净化含NOx废气。
• 回收有用物质：如用吸收法净化石油炼制尾气中的硫化 氢的同时，还可以回收有用的元素硫。
饱和浓度
质量浓度，A
物质的量浓度，cA 摩尔分数，xA 摩尔比，XA
第二节 吸收过程中的相平衡关系
2.亨利（Henry）定律
在稀溶液条件下，温度一定，总压不大时，
气体溶质的平衡分压和溶解度成正比：
pA*

p*A —— 溶质在气相中的平衡分压，Pa；
ExA （7.2.1）xA —— 溶质在液相中的摩尔分数；

RcB0

cB0
1
KHpA* KHpA*
最大趋近活性组分的起始浓度
第二节 吸收过程中的相平衡关系
【例题 7-1】在 20℃下，用水吸收空气中的 SO2，达到吸收平 衡时，SO2 的平衡分压为 5.05kPa，如果只考虑 SO2 在水中的 一级解离，求此时水中 SO2 的溶解度。已知该条件下 SO2 溶
P或c
相界面 气膜 液膜
溶质A
气
相
pA
主
体
反应区
pAi
cAi
活性组分B 液 相 主 体
cB cM
产物M
距离z
图7-3 化学吸收过程示意图
第二节 吸收过程中的相平衡关系
•Hale Waihona Puke 与物理吸收相比，化学吸收具有如下特点： • (1) 吸收传质推动力更大。溶质进入液相后，因发生化
学反应而被迅速消耗掉，吸收液中游离态溶质少有或没有， 所以，溶质的平衡分压很低，能够维持较大的压差(传质 推动力)。 • (2) 液相吸收系数更大。如果化学反应进行得较快，以 致在气液相界面附近便将溶入的溶质消耗殆尽，那么，溶 质在液膜内的传质扩散阻力就会大大降低，甚至可以降至 零，从而使液相吸收系数增大。 • (3) 有效传质面积更大。吸收设备中，总有一部分液体 流动较慢或停滞不动。在物理吸收中，这些液体往往因被 溶质饱和而失去吸收能力。但化学吸收则要吸收更多的溶 质后才能达到饱和。因此，对物理吸收来说并非有效的传 质面积，而对化学吸收来说，只要是湿润表面则都有效。 这样，在同样的气液流动条件下，化学吸收的有效面积显 然更大。
第二节 吸收过程中的相平衡关系
可解得：
A

(2cA

Ka) 2(1
Ka (4cA
K B)

Ka
)
Ka

K1K B 1 K B
相平衡关系式：
pA*

A
H