知识点21吸收过程概述与气液平衡关系

1、第二章气体吸收本章学习指导本章学习的目的IUJ通过本章的学习，掌握气体吸收的基 本概念和气体吸收过程的基本计算方法。本章重点掌握的内容（1）气体吸收过程的平衡关系（2）气体吸收过程的速率关系（3）低浓度气体吸收过程的计算本章应掌握的内容（1）费克定律和分子传质问题求解方法（2）双膜模型本章一般了解的内容（1）溶质渗透模型和表面更新模型（2）吸收系数本章学习应注意的问题（1）表示吸收过程的平衡关系为亨利定 律，亨利定律有不同的表达形式， 学习中应注意把握它们之间联系。（2）表示吸收过程的速率关系为吸收速 率方程，吸收速率方程有不同的表 达形式，学习中应注意把握它们之 间的联系。1=1（3）学习分

2、子传质，不要机械地记忆各 过程的求解结果，应注意把握求解 的思路和应用背景。1=(4 )学习中应注意把握传质机理和吸收 过程机理之间的联系，注意体会讲 述传质机理和吸收过程机理的目的 和意义。吸收过程概述气体吸收的原理与流程 气体吸收的工业应用 气体吸收的分类 吸收剂的选择吸收过程的气液平衡关系 气体在液体中的溶解度 亨利定律知识点2-1吸收过程概述与气液平衡关系 【学习指导】学习目的通过本知识点的学习，应掌握气体吸收的基本原理、吸收塔流程和气液平 衡关系。本知识点的重点吸收过程的气液平衡关系。本知识点的难点本知识点无难点。一、吸收过程概述气体吸收的原理与流程I吸收足七（I开微遂A）气体吸收

3、是典型的化工 单元操作过程。 气体吸收的原 理是，根据混合 气体中各组分 在某液体溶剂 中的溶解度不 同而将气体混合物进行分离。曾 吸收操作所用的液体溶剂称 为吸收剂，以S表示；混合气体I中，能够显著溶解于吸收剂的组分称为吸收物质或溶质，以A表示；而几乎不被溶解的组分统称为惰性组分或载体，以B 表示;吸收操作所得到的溶液称为吸收液 或溶液，它是溶质A在溶剂S中的溶液;l=J|=1被吸收后排出的气体称为吸收尾气，其主 要成分为惰性气体B，但仍含有少量未被 吸收的溶质A。吸收过程通常在吸收塔中进行。根据 气、液两相的流动方向，分为逆流操作和 并流操作两类，工业生产中以逆流操作为 主。吸收塔操作示意

4、图如图2-1所示。应予指出，吸收过程使混合气中的溶质溶解于吸收剂中而得到一种溶液，但就 溶质的存在形态而言，仍然是一种混合物，并没有得到纯度较高的气体溶质。在 工业生产中，除以制取溶液产品为目的的 吸收（如用水吸收HCl气制取盐酸等）之 外，大都要将吸收液进行解吸，以便得到 纯净的溶质或使吸收剂再生后循环使用。解吸也称为脱吸，它是使溶质从吸收液中 释放出来的过程，解吸通常在解吸塔中进 行。图2-2所示为洗油脱除煤气中粗苯的流程简图。图中虚线左侧为吸收部分，在 吸收塔中，苯系化合物蒸汽溶解于洗油中，吸收了粗苯的洗油（又称富油）由吸收 塔底排出，被吸收后的煤气由吸收塔顶排 出。图中虚线右侧为解吸部

5、分，在解收塔 中，粗苯由液相释放出来，并为水蒸汽带dj 么 K源A 旦隹日FlTiT 遮应如做出，经冷凝分层后即可获得粗苯产品，解 吸出粗苯的洗油（也称为贫油）经冷却后再 送回吸收塔循环使用。补光祀脱油 （收林）气体吸收的工业应用气体吸收在化工生产中的应用大致 有以下几种。（1）净化或精制气体。混合气的净化或精 制常采用吸收的方法。如在合成氨工 艺中，采用碳酸丙烯酯（或碳酸钾水溶 液）脱除合成气中的二氧化碳等。（2）制取某种气体的液态产品。气体的液 态产品的制取常采用吸收的方法。如 用水吸收氯化氢气体制取盐酸等。(3)回收混,合气体中所需的组分。回收混合气体中的某组分通常亦采用吸收的工业废气的

6、治理。在工业生产所排放(4)方法。如用洗油处理焦炉气以回收其 中的芳烃等。的废气中常含有少量的SO2、H2S、 HF等有害气体成分，若直食排入大 气，则对环境造成污染。因此，在排 放之前必须加以治理，工业生产中通常采用吸收的方法，选用碱性吸收剂 除去这些有害的酸性气体。气体吸收的分类气体吸收过程通常按以下方法分类。单组分吸收与多组分吸收吸收过程按 被吸收组分数目的不同，可分为单组 分吸收和多组分吸收。若混合气体中(2)物理吸收与化学吸收在吸收过程中，只有一个组分进入液相，其余组分不 溶(或微溶)于吸收剂，这种吸收过 程称为单组分吸收。反之，若在吸收 过程中，混合气中进入液相的气体落 质不止一个

7、，这样的吸收称为多组分 吸收。如果溶质与溶剂之间不发生显著的化 学反应，可以把吸收过程看成是气体 溶质单纯地溶解于液相溶剂的物理过 程，则称为物理吸收。相反，如果在 吸收过程中气体溶质与溶剂(或其中的活泼组分)发生显著的化学反应，则 称为化学吸收。心低浓度吸收与高浓度吸收 在吸收过 程中，若溶质在气液两相中的摩尔分 率均较低(通常不超过0.1)，这种吸 收称为低浓度吸收；反之，则称为高 浓度吸收。对于低浓度吸收过程，由于气相中溶质浓度较低，传递到液相 中的溶质量相对于气、液相流率也较 小，因此流经吸收塔的气、液相流率 均可视为常数。(4)等温吸收与非等温吸收气体溶质溶 解于液体时，常由于溶解热

8、或化学反 应热，而产生热效应，热效应使液相 的温度逐渐升高，这种吸收称为非等 温吸收。若吸收过程的热效应很小， 或虽然热效应较大，但吸收设备的散 热效果很好，能及时移出吸收过程所 产生的热量，此时液相的温度变化并 不显著，这种吸收称为等温吸收。l=J|=|IIIIIIIIIIIIIIIIII工业生产中的吸收过程以低浓度III吸收为主。本章讨论单组分低浓度的 等温物理吸收过程，对于其它条件下 的吸收过程，可参考有关书籍。吸收是气体溶质在吸收剂中溶解 的过程。因此，吸收剂性能的优劣往 往是决定吸收效果的关键。选择吸收 剂应注意以下几点。溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度 越大，则传质推动力越大，吸收速

9、率 越快，且吸收剂的耗用量越少。选择性吸收剂应对溶质组分有较大 的溶解度，而对混合气体中的其它组 分溶解度甚微，否则不能实现有效的 分离。flIII挥发度在吸收过程中，吸收尾气往往 为吸收剂蒸汽所饱和。故在操作温度 下，吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度 要小，以减少吸收剂的损失量。III粘度吸收剂在操作温度下的粘度越 低，其在塔内的流动阻力越小，扩散 系数越大，这有助于传质速率的提高。其它所选用的吸收剂应尽可能无毒 性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、 冰点低、价廉易得，且化学性质稳定。二、吸收过程的气液平衡关系吸收过程的气液平衡关系是研究 气体吸收过程的基础，该关系通常用气 体在液体中的溶解度及亨

10、利定律表示。1.气体在液体中的溶解度在一定的温度和压力下，使一定量III的吸收剂与混合气体接触，气相中的溶 质便向液相溶剂中转移，直至液相中溶 质组成达到饱和为止。此时并非没有溶 质分子进入液相，只是在任何时刻进入 液相中的溶质分子数与从液相逸出的溶 质分子数恰好相等，这种状态称为相际 动平衡，简称相平衡或平衡。平衡状态 下气相中的溶质分压称为平衡分压或饱 和分压，液相中的溶质组成称为平衡组 成或饱和组成。气体在液体中的溶解度， 就是指气体在液体中的饱和组成。气体在液体中的溶解度可通过实验 测定。由实验结果绘成的曲线称为溶解 度曲线，某些气体在液体中的溶解度曲 线可从有关书籍、手册中查得。图2

11、-3 在水中的溶解度曲线3?二gErfs二=些湛貌0X2/LI 1- T、JU XijlTJF./：!；：T.JFz.-；：T.,巳lAI lJP名芸s-=-图2-4 ,章化硫任水中的溶解度曲线也J0n 21：；!： i：I： H!： JW J2I：5OI巧* WL.7-.&;-*.笙腰图5域在水中的溶解度,线图2-3、图2-4和图2-5分别为总压 不很高时氨、二氧化硫和氧在水中的溶 解度曲线。从图分析可知：III(1)在同一溶剂(水)中，相同的温度 和溶质分压下，不同气体的溶解度 差别很大，其中氨在水中的溶解度 最大，氧在水中的溶解度最小。这 表明氨易溶于水，氧难溶于水，而 二氧化硫则居中。

12、Ill对同一溶质，在相同的气相分压下， 溶解度随温度的升高而减小。(3)对同一溶质，在相同的温度下，溶 解度随气相分压的升高而增大。由溶解度曲线所显示的上述规律 性可看出，加压和降温有利于吸收操 作，因为加压和降温可提高气体溶质的 溶解度。反之，减压和升温则有利于解 吸操作。2.亨利定律对于稀溶液或难溶气体，在一定温 度下，当总压不很高(通常不超过500 kPa)时，互成平衡的气液两相组成间的 关系用亨利(Henry )定律来描述。因 组成的表示方法不同，故亨利定律亦有 不同的表达形式。III=1IIIIIIIIIIII(1) px关系若溶质在气、液相中的组成 分别以分压p、摩尔分率x表示，则

13、亨 利定律可写成如下的形式，即p* = Ex(2-1)式中p*一溶质在气相中的平衡分压，kPa； x溶质在液相中的摩尔分率； 一亨利系数，kPa。式2-1称为亨利定律。该式表明:稀溶液上方的溶质分压与该溶质在液相 中的摩尔分率成正比，其比例系数即为亨利系数。对于理想溶液，在压力不高及温度 恒定的条件下，p* x关系在整个组成范 围内都符合亨利定律，而亨利系数即为 该温度下纯溶质的饱和蒸汽压，此时亨 利定律与拉乌尔定律是一致的。但实际* xIIIIII的吸收操作所涉及的系统多为非理想溶 液，此时亨利系数不等于纯溶质的饱和 蒸汽压，且只在液相溶质组成很低时才 是常数。因此，亨利定律适用范围是溶解度

14、曲线直线部分。亨利系数可由实验测定，亦可从有 关手册中查得。表2-1列出某些气体水溶 液的亨利系数，可供参考。表2-1某些气体水溶液的亨利系数气体温度/(c )种类05|10152025303540 |455060708090100(Ex106)/(kPa)5.876.166446706927167397527617707757757717657617.55N25.356.0567774881587693699810511011412212712812812.8空气4.384,9455661567373078183488292395910210610810910.8CO3.574.014484

15、955435886286687057397718328578578578.57O22.582953313694064444815145425705966376726967087.10CH42.272623013413814184554925275585856346756917017.10NO1.711962212452672913143353573773954244444454584.60C2H61.281571922902663063473884294695075726316706967.01(Ex10-5)/(kPa)c2h45.5966277890710311612.9n2o-1.191

16、431682012282623.06CO?6.378081051241441661882122362602873.46C2H26.730850971091231351.48Cl26.2720-33403990460530601 0669 0740800860900970990970.96H?S6.2720.3190.3720.4180.4890.552 0.617 0.686 0.755 0.825 0.689 1.041.211.371.461.50(Ex10-4)/(kPa)0.167 0263| 0245| 0.29 035； 041，048$ 0567 0661 07由 087|1 1

17、11139 |170 |201 |-对于一定的气体溶质和溶剂，亨利 系数随温度而变化。一般说来，温度升 高则E增大，这体现了气体的溶解度随 温度升高而减小的变化趋势。在同一溶IIIIIIIII=1剂中，难溶气体的E值很大，而易溶气体的E值则很小。SO(2) pc关系若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔浓度c表示，则亨 利定律可写成如下的形式，即(2-2)式中c溶液中溶质的摩尔浓度，kmol/m3； p*气相中溶质的平衡分压，kPa； 丑一溶解度系数，kmol/(m3*kPa)o溶解度系数H也是温度的函数。对于一定的溶质和溶剂，H值随温度升高III而减小。易溶气体的H值很大，而难 溶气体的

18、H值则很小。溶解度系数H与亨利系数E的关i=i系可推导如下：设溶液的体积为Vm3, 浓度为 c kmol（A）/m3，密度为p kg/m3, 则溶质A的总量为cV kmol，溶剂S的 总量为（pVcVM、）/M kmol （M 及 Mc 分别为溶质A和溶剂S的摩尔质量）， 于是溶质A在液相中的摩尔分率为_ eV _ cMs TOC o 1-5 h z X cV Pv- Ma）m 占（2-3）将上式代入式2-1可得P*衣?它r将此式与式2-2比较可得1 一尺 蚂Hq + c（M 占-虬4）对稀溶液，c值很小，c（m-m）p，故上式可简化为s AH- B(2-4)EMyx关系若溶质在气、液相中的组

19、成 分别以摩尔分率y x表示，则亨利定 律可写成如下的形式，即(2-5)式中X液相中溶质的摩尔分率；y*与液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率； 加相平衡常数，或称为分配系数。hi对于一定的物系，相平衡常数m是 温度和压力的函数，其数值可由实验测 得。由m值同样可以比较不同气体溶 解度的大小，m值越大，则表明该气体 的溶解度越小；反之，则溶解度越大。若系统总压为P，由理想气体分压 定律可知p=Py同理p*=Py*上式代入2-1可得Py*=Ex，y*=Ex/P将此式与式2-5比较可得Em = F将式2-6代入式2-4，即可得Hm的关系为(2-7)FX关系式2-5是以摩尔分率表示的 亨利定律。摩尔分率是指混合物中某组 分的摩尔数占混合物总摩尔数的分率， 但在吸收过程中，混合物的总摩尔数是 变化的。如用水吸收混于空气中氨的过 程，氨作为溶质可溶于水中，而空气与 水不能互溶(称为惰性组分)。随着吸收 过程的进行，混合气体及混合液体的摩 尔数是变化的，而混合气体及混合液体 中的惰性组分的摩尔数是不变的。此 时，若用摩尔分率表示气、液相组成， 计算很不方便。为此引入以惰性组分为 基准