(完整word版)知識(shí)點(diǎn)21吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系.(良心出品必屬精品)

1、第二章氣體吸收本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)1. 本章學(xué)習(xí)的目的通過本章的學(xué)習(xí)，掌握氣體吸收的基本概念和氣體吸收過程的基本 計(jì)算方法。2. 本章重點(diǎn)掌握的內(nèi)容（1）氣體吸收過程的平衡關(guān)系（2）氣體吸收過程的速率關(guān)系（3）低濃度氣體吸收過程的計(jì)算本章應(yīng)掌握的內(nèi)容（1）費(fèi)克定律和分子傳質(zhì)問題求解方法（2）雙膜模型本章一般了解的內(nèi)容（1）溶質(zhì)滲透模型和表面更新模型（2）吸收系數(shù)3. 本章學(xué)習(xí)應(yīng)注意的問題（1）表示吸收過程的平衡關(guān)系為亨利定律，亨利定律有不同的表達(dá)形 式，學(xué)習(xí)中應(yīng)注意把握它們之間聯(lián)系。（2）表示吸收過程的速率關(guān)系為吸收速率方程，吸收速率方程有不同 的表達(dá)形式，學(xué)習(xí)中應(yīng)注意把握它們之間的聯(lián)系。（3）學(xué)習(xí)分

2、子傳質(zhì)，不要機(jī)械地記憶各過程的求解結(jié)果，應(yīng)注意把握 求解的思路和應(yīng)用背景。（4）學(xué)習(xí)中應(yīng)注意把握傳質(zhì)機(jī)理和吸收過程機(jī)理之間的聯(lián)系，注意體 會(huì)講述傳質(zhì)機(jī)理和吸收過程機(jī)理的目的和意義。吸收過程概述氣體吸收的原理與流程氣體吸收的工業(yè)應(yīng)用 氣體吸收的分類 吸收劑的選擇吸收過程的氣液平衡關(guān)系氣體在液體中的溶解度亨利定律吸收劑(渤吸枚盡氣 (時(shí)微胴)J收收液(AS)圖2-1吸收塔操作小意圖知識(shí)點(diǎn)2-1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系【學(xué)習(xí)指導(dǎo)】1. 學(xué)習(xí)目的通過本知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握氣體吸收的基本原理、吸收塔流程 和氣液平衡關(guān)系。2. 本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)吸收過程的氣液平衡關(guān)系。3. 本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)本知識(shí)點(diǎn)無難點(diǎn)。一

3、、吸收過程概述1. 氣體吸收的原理與流程氣體吸收是典型的化 工單元操作過程。氣體吸收 的原理是，根據(jù)混合氣體中 各組分在某液體溶劑中的 溶解度不同而將氣體混合 物進(jìn)行分離。吸收操作所用 的液體溶劑稱為吸收劑，以 S表示；混合氣體中，能夠 顯著溶解于吸收劑的組分 稱為吸收物質(zhì)或溶質(zhì)，以A 表示；而幾乎不被溶解的組分統(tǒng)稱為惰性組分或載體， 以B表示；吸收操作所得到 的溶液稱為吸收液或溶液，它是溶質(zhì)A在溶劑S中的溶液；被吸收后排出的氣體稱為吸收尾氣, 其主要成分為惰性氣體B,但仍含有少量未被吸收的溶質(zhì) A。吸收過程通常在吸收塔中進(jìn)行。根據(jù)氣、液兩相的流動(dòng)方向，分為 逆流操作和并流操作兩類，工業(yè)生產(chǎn)中

4、以逆流操作為主。吸收塔操作示 意圖如圖2-1所示。應(yīng)予指出，吸收過程使混合氣中的溶質(zhì)溶解于吸收劑中而得到一種 溶液，但就溶質(zhì)的存在形態(tài)而言，仍然是一種混合物，并沒有得到純度 較高的氣體溶質(zhì)。在工業(yè)生產(chǎn)中，除以制取溶液產(chǎn)品為目的的吸收（如用水吸收HCI氣制取鹽酸等）之外，大都要將吸收液進(jìn)行解吸，以便得 到純凈的溶質(zhì)或使吸收劑再生后循環(huán)使用。 解吸也稱為脫吸，它是使溶 質(zhì)從吸收液中釋放出來的過程，解吸通常在解吸塔中進(jìn)行。圖2-2所示 為洗油脫除煤氣中粗苯的流程簡圖。 圖中虛線左側(cè)為吸收部分，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（又稱富油）由吸收塔底排出，被吸收后的煤氣由吸收塔

5、頂排出。圖中虛線右側(cè)為解 吸部分，在解收塔中，粗苯由液相釋放出來，并為水蒸汽帶出，經(jīng)冷凝 分層后即可獲得粗苯產(chǎn)品，解吸出粗苯的洗油（也稱為貧油）經(jīng)冷卻后再 送回吸收塔循環(huán)使用。補(bǔ)允新鮮油 (吸收擁切瓏收塔解膿塔圖2-2洗油脫除煤氣中粗苯流程簡圖2. 氣體吸收的工業(yè)應(yīng)用氣體吸收在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用大致有以下幾種。(1) 凈化或精制氣體?；旌蠚獾膬艋蚓瞥２捎梦盏姆椒āＨ缭?合成氨工藝中，采用碳酸丙烯酯(或碳酸鉀水溶液)脫除合成氣中的 二氧化碳等。(2) 制取某種氣體的液態(tài)產(chǎn)品。氣體的液態(tài)產(chǎn)品的制取常采用吸收的方 法。如用水吸收氯化氫氣體制取鹽酸等。(3) 回收混合氣體中所需的組分?；厥栈旌蠚怏w

6、中的某組分通常亦采用 吸收的方法。如用洗油處理焦?fàn)t氣以回收其中的芳烴等。(4) 工業(yè)廢氣的治理。在工業(yè)生產(chǎn)所排放的廢氣中常含有少量的SO、HS、HF等有害氣體成分，若直接排入大氣，則對環(huán)境造成污染。因此，在排放之前必須加以治理，工業(yè)生產(chǎn)中通常采用吸收的方法， 選用堿性吸收劑除去這些有害的酸性氣體。3. 氣體吸收的分類氣體吸收過程通常按以下方法分類。(1) 單組分吸收與多組分吸收吸收過程按被吸收組分?jǐn)?shù)目的不同，可分為單組分吸收和多組分吸收。若混合氣體中只有一個(gè)組分進(jìn)入液相，其余組分不溶(或微溶)于吸收劑，這種吸收過程稱為單組分 吸收。反之，若在吸收過程中，混合氣中進(jìn)入液相的氣體溶質(zhì)不止 一個(gè)，這

7、樣的吸收稱為多組分吸收。(2) 物理吸收與化學(xué)吸收在吸收過程中，如果溶質(zhì)與溶劑之間不發(fā)生 顯著的化學(xué)反應(yīng)，可以把吸收過程看成是氣體溶質(zhì)單純地溶解于液 相溶劑的物理過程，則稱為物理吸收。相反，如果在吸收過程中氣 體溶質(zhì)與溶劑(或其中的活潑組分)發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，則稱為化 學(xué)吸收。(3) 低濃度吸收與高濃度吸收 在吸收過程中，若溶質(zhì)在氣液兩相中的 摩爾分率均較低(通常不超過0.1 )，這種吸收稱為低濃度吸收； 反之，則稱為高濃度吸收。對于低濃度吸收過程，由于氣相中溶質(zhì) 濃度較低，傳遞到液相中的溶質(zhì)量相對于氣、液相流率也較小，因 此流經(jīng)吸收塔的氣、液相流率均可視為常數(shù)。(4) 等溫吸收與非等溫吸收

8、 氣體溶質(zhì)溶解于液體時(shí)，常由于溶解熱或 化學(xué)反應(yīng)熱，而產(chǎn)生熱效應(yīng)，熱效應(yīng)使液相的溫度逐漸升高，這種 吸收稱為非等溫吸收。若吸收過程的熱效應(yīng)很小，或雖然熱效應(yīng)較 大，但吸收設(shè)備的散熱效果很好，能及時(shí)移出吸收過程所產(chǎn)生的熱 量，此時(shí)液相的溫度變化并不顯著，這種吸收稱為等溫吸收。工業(yè)生產(chǎn)中的吸收過程以低濃度吸收為主。本章討論單組分低濃度的等溫物理吸收過程，對于其它條件下的吸收過程，可參考有關(guān)書籍。4. 吸收劑的選擇吸收是氣體溶質(zhì)在吸收劑中溶解的過程。因此，吸收劑性能 的優(yōu)劣往往是決定吸收效果的關(guān)鍵。選擇吸收劑應(yīng)注意以下幾 點(diǎn)。(1) 溶解度 吸收劑對溶質(zhì)組分的溶解度越大，則傳質(zhì)推動(dòng)力越大，吸 收速率

9、越快，且吸收劑的耗用量越少。(2) 選擇性 吸收劑應(yīng)對溶質(zhì)組分有較大的溶解度，而對混合氣體中的 其它組分溶解度甚微，否則不能實(shí)現(xiàn)有效的分離。(3) 揮發(fā)度在吸收過程中，吸收尾氣往往為吸收劑蒸汽所飽和。故在 操作溫度下，吸收劑的蒸汽壓要低，即揮發(fā)度要小，以減少吸收劑 的損失量。(4) 粘度 吸收劑在操作溫度下的粘度越低，其在塔內(nèi)的流動(dòng)阻力越小, 擴(kuò)散系數(shù)越大，這有助于傳質(zhì)速率的提高。(5) 其它所選用的吸收劑應(yīng)盡可能無毒性、無腐蝕性、不易燃易爆、 不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、價(jià)廉易得，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。二、吸收過程的氣液平衡關(guān)系吸收過程的氣液平衡關(guān)系是研究氣體吸收過程的基礎(chǔ)，該關(guān)系 通常用氣體在液體中的溶解度

10、及亨利定律表示。1. 氣體在液體中的溶解度在一定的溫度和壓力下，使一定量的吸收劑與混合氣體接觸，氣 相中的溶質(zhì)便向液相溶劑中轉(zhuǎn)移，直至液相中溶質(zhì)組成達(dá)到飽和為 止。此時(shí)并非沒有溶質(zhì)分子進(jìn)入液相，只是在任何時(shí)刻進(jìn)入液相中的 溶質(zhì)分子數(shù)與從液相逸出的溶質(zhì)分子數(shù)恰好相等，這種狀態(tài)稱為相際動(dòng)平衡，簡稱相平衡或平衡。平衡狀態(tài)下氣相中的溶質(zhì)分壓稱為平衡 分壓或飽和分壓，液相中的溶質(zhì)組成稱為平衡組成或飽和組成。氣體 在液體中的溶解度，就是指氣體在液體中的飽和組成。氣體在液體中的溶解度可通過實(shí)驗(yàn)測定。 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪成的曲線 稱為溶解度曲線，某些氣體在液體中的溶解度曲線可從有關(guān)書籍、手 冊中查得。圖2-3氮在水

11、斗”容解度|11|線11 I-圖2-4二氧化硫在水中的溶解度III線10圖2-5氧在水屮的溶解度llll線圖2-3、圖2-4和圖2-5分別為總壓不很高時(shí)氨、二氧化硫和 氧在水中的溶解度曲線。從圖分析可知：（1）在同一溶劑（水）中，相同的溫度和溶質(zhì)分壓下，不同氣體的溶 解度差別很大，其中氨在水中的溶解度最大，氧在水中的溶解度 最小。這表明氨易溶于水，氧難溶于水，而二氧化硫則居中。（2）對同一溶質(zhì)，在相同的氣相分壓下，溶解度隨溫度的升高而減小。（3）對同一溶質(zhì)，在相同的溫度下，溶解度隨氣相分壓的升高而增大。由溶解度曲線所顯示的上述規(guī)律性可看出，加壓和降溫有利于 吸收操作，因?yàn)榧訅汉徒禍乜商岣邭怏w溶

12、質(zhì)的溶解度。反之，減壓 和升溫則有利于解吸操作。2. 亨利定律對于稀溶液或難溶氣體，在一定溫度下，當(dāng)總壓不很高 （通常不超過500 kPa）時(shí)，互成平衡的氣液兩相組成間的關(guān)系用亨利（Henry）定律來描述。因組成的表示方法不同，故亨利定律亦有 不同的表達(dá)形式。（1） p x關(guān)系 若溶質(zhì)在氣、液相中的組成分別以分壓 p、摩爾分率x表 示，則亨利定律可寫成如下的形式，即*二必（2-1）式中p*溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa;x溶質(zhì)在液相中的摩爾分率；E亨利系數(shù)，kPa。式2-1稱為亨利定律。該式表明：稀溶液上方的溶質(zhì)分壓與該溶 質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比，其比例系數(shù)即為亨利系數(shù)。對于理想溶液，在壓

13、力不高及溫度恒定的條件下，p* x關(guān)系在整個(gè)組成范圍內(nèi)都符合亨利定律，而亨利系數(shù)即為該溫度下純?nèi)苜|(zhì)的 飽和蒸汽壓，此時(shí)亨利定律與拉烏爾定律是一致的。但實(shí)際的吸收操 作所涉及的系統(tǒng)多為非理想溶液，此時(shí)亨利系數(shù)不等于純?nèi)苜|(zhì)的飽和 蒸汽壓，且只在液相溶質(zhì)組成很低時(shí)才是常數(shù)。因此，亨利定律適用 范圍是溶解度曲線直線部分。亨利系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)測定，亦可從有關(guān)手冊中查得。表 2-1列出某 些氣體水溶液的亨利系數(shù)，可供參考。表2-1某些氣體水溶液的亨利系數(shù)溫度/( C )510152025303540455060 70 8090EX 10)/(kPa).876.166.446.706.927.167.397.5

14、27.617.707.757.757.717.657.61.356.056.777.488.158.769.369.9810.511.011.412.212.712.812.8.384.945.566.156.737.307.818.348.829.239.5910.210.610.810.9.574.014.484.955.435.886.286.687.057.397.718.328.578.578.57.582.953.313.694.064.444.815.145.425.705.966.376.726.967.08.272.623.013.413.814.184.554.925.27

15、5.585.856.346.756.917.01.711.962.212.452.672.913.143.353.573.773.954.244.444.454.586.31 6.70 6.96.28 1.57 1.92 2.90 2.66 3.06 3.47 3.88 4.29 4.69 5.07 5.725(2-2)EX 105)/(kPa).596.62 7.78 9.()7 10.31 11.612.9 -1.19 1.43 1.68 2.012.282.62 3.06 -.3780.81.05 1.24 1.44 1.66i 1.882.12 2.36 2.6i0 2.873.46.

16、73 0.85 0.9)7 1.09)1.231.35 1.48 -.2720.3340.3990.4610.5370.6040.6690.74 C.80 0.(56 0.9)0.970.990.970.96.2720.3190.3720.4180.4890.5520.6170.6860.7550.8250.6891.041.211.371.46-4EX 10 )/(kPa).1670.2030.2450.2940.3550.4130.4850.5670.6610.7630.8711.111.391.702.01對于一定的氣體溶質(zhì)和溶劑，亨利系數(shù)隨溫度而變化。一般說 來，溫度升高則E增大，這體

17、現(xiàn)了氣體的溶解度隨溫度升高而減小 的變化趨勢。在同一溶劑中，難溶氣體的 E值很大，而易溶氣體的 E值則很小。式中c溶液中溶質(zhì)的摩爾濃度，kmol/m pc關(guān)系若溶質(zhì)在氣、液相中的組成分別以分壓p、摩爾濃度c表 示，貝S亨利定律可寫成如下的形式，即; p* 氣相中溶質(zhì)的平衡分壓，kPa;H溶解度系數(shù)，kmol/(m3 kPa)。溶解度系數(shù)H也是溫度的函數(shù)。對于一定的溶質(zhì)和溶劑， H值 隨溫度升高而減小。易溶氣體的H值很大，而難溶氣體的H值則很 小。溶解度系數(shù)H與亨利系數(shù)E的關(guān)系可推導(dǎo)如下：設(shè)溶液的體積333為V m，濃度為c kmol(A)/m，密度為? kg/m，則溶質(zhì)A的總量為 cV kmo

18、l，溶劑S的總量為(PV-cVM)/Ms kmol (Ma及M分別為溶質(zhì) A 和溶劑S的摩爾質(zhì)量)，于是溶質(zhì)A在液相中的摩爾分率為沖亠評m5p+ cM - M(2-3)將上式代入式2-1可得將此式與式2-2比較可得丄二 一對稀溶液，c值很小，C(Ms-Ma) 匸，故上式可簡化為(2-4)yx關(guān)系 若溶質(zhì)在氣、液相中的組成分別以摩爾分率y、x表示，則 亨利定律可寫成如下的形式，即 - njrI (Cn(2-5)式中X液相中溶質(zhì)的摩爾分率；y*與液相成平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分率; m相平衡常數(shù)，或稱為分配系數(shù)。對于一定的物系，相平衡常數(shù) m是溫度和壓力的函數(shù)，其數(shù)值 可由實(shí)驗(yàn)測得。由m值同樣可以比

19、較不同氣體溶解度的大小， m值 越大，則表明該氣體的溶解度越??；反之，則溶解度越大。若系統(tǒng)總壓為P,由理想氣體分壓定律可知 p=Py同理p =Py上式代入2-1可得Py*二Ex, y*=Ex/P將此式與式2-5比較可得(2-6)將式2-6代入式2-4，即可得Hm的關(guān)系為(2-7)(4) YX關(guān)系 式2-5是以摩爾分率表示的亨利定律。摩爾分率是指混合 物中某組分的摩爾數(shù)占混合物總摩爾數(shù)的分率，但在吸收過程中，混 合物的總摩爾數(shù)是變化的。如用水吸收混于空氣中氨的過程，氨作為 溶質(zhì)可溶于水中，而空氣與水不能互溶(稱為惰性組分)。隨著吸收過 程的進(jìn)行，混合氣體及混合液體的摩爾數(shù)是變化的，而混合氣體及混 合液體中的惰性組分的摩爾數(shù)是不變的。此時(shí)，若用摩爾分率表示氣、 液相組成，計(jì)算很不方便。為此引入以惰性組分為基準(zhǔn)的摩爾比來表 示氣、液相的組成。摩爾比的定義如下：X=（液相中溶質(zhì)的摩爾數(shù)）/（液相中溶劑的摩爾數(shù)）=x/（1-x）（2-8）Y=（氣相中溶質(zhì)的摩爾數(shù)）/（氣相中惰性組分的摩爾數(shù)）=y/（1-y）（2-9）上述二式也可變換為X1 + Z(2-10)1+7(2-11)將式2-10和2-11代入式2-5可得1 + K*整理得(2-12)當(dāng)溶液組成很低時(shí)，（1-m）X 1，則式2-12可簡化為式2-13表明當(dāng)液相中溶質(zhì)組成足夠低時(shí)，平衡關(guān)系在YX圖中可近似地表示成一條通過原點(diǎn)的