知識(shí)點(diǎn)21吸收過(guò)程概述與氣液平衡關(guān)系

1、第二章氣體吸收本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)本章學(xué)習(xí)的目的IUJ通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，掌握氣體吸收的基 本概念和氣體吸收過(guò)程的基本計(jì)算方法。本章重點(diǎn)掌握的內(nèi)容（1）氣體吸收過(guò)程的平衡關(guān)系（2）氣體吸收過(guò)程的速率關(guān)系（3）低濃度氣體吸收過(guò)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(wèn)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)本章學(xué)習(xí)應(yīng)注意的問(wèn)題（1）表示吸收過(guò)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(guò)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。1=1（3）學(xué)習(xí)分

2、子傳質(zhì)，不要機(jī)械地記憶各 過(guò)程的求解結(jié)果，應(yīng)注意把握求解 的思路和應(yīng)用背景。1=(4 )學(xué)習(xí)中應(yīng)注意把握傳質(zhì)機(jī)理和吸收 過(guò)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(guò)程機(jī)理的目的 和意義。吸收過(guò)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(lèi) 吸收劑的選擇吸收過(guò)程的氣液平衡關(guān)系 氣體在液體中的溶解度 亨利定律知識(shí)點(diǎn)2-1吸收過(guò)程概述與氣液平衡關(guān)系 【學(xué)習(xí)指導(dǎo)】學(xué)習(xí)目的通過(guò)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。本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)吸收過(guò)程的氣液平衡關(guān)系。本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)本知識(shí)點(diǎn)無(wú)難點(diǎn)。一、吸收過(guò)程概述氣體吸收的原理與流程I吸收足七（I開(kāi)微遂A）氣體吸收

3、是典型的化工 單元操作過(guò)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。曾 吸收操作所用的液體溶劑稱(chēng) 為吸收劑，以S表示；混合氣體I中，能夠顯著溶解于吸收劑的組分稱(chēng)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(chēng)為惰性組分或載體，以B 表示;吸收操作所得到的溶液稱(chēng)為吸收液 或溶液，它是溶質(zhì)A在溶劑S中的溶液;l=J|=1被吸收后排出的氣體稱(chēng)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(guò)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(lèi)，工業(yè)生產(chǎn)中以逆流操作為 主。吸收塔操作示意

4、圖如圖2-1所示。應(yīng)予指出，吸收過(guò)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(méi)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HCl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(chēng)為脫吸，它是使溶質(zhì)從吸收液中 釋放出來(lái)的過(guò)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(jiǎn)圖。圖中虛線(xiàn)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(chēng)富油）由吸收 塔底排出，被吸收后的煤氣由吸收塔頂排 出。圖中虛線(xiàn)右側(cè)為解吸部

5、分，在解收塔 中，粗苯由液相釋放出來(lái)，并為水蒸汽帶dj 么 K源A 旦隹日FlTiT 遮應(yīng)如做出，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(chēng)為貧油）經(jīng)冷卻后再 送回吸收塔循環(huán)使用。補(bǔ)光祀脫油 （收林）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?制常采用吸收的方法。如在合成氨工 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。回收混合氣體中的某組分通常亦采用吸收的工業(yè)廢氣的

6、治理。在工業(yè)生產(chǎn)所排放(4)方法。如用洗油處理焦?fàn)t氣以回收其 中的芳烴等。的廢氣中常含有少量的SO2、H2S、 HF等有害氣體成分，若直食排入大 氣，則對(duì)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。氣體吸收的分類(lèi)氣體吸收過(guò)程通常按以下方法分類(lèi)。單組分吸收與多組分吸收吸收過(guò)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(2)物理吸收與化學(xué)吸收在吸收過(guò)程中，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(guò) 程稱(chēng)為單組分吸收。反之，若在吸收 過(guò)程中，混合氣中進(jìn)入液相的氣體落 質(zhì)不止一個(gè)

7、，這樣的吸收稱(chēng)為多組分 吸收。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(guò)程看成是氣體 溶質(zhì)單純地溶解于液相溶劑的物理過(guò) 程，則稱(chēng)為物理吸收。相反，如果在 吸收過(guò)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(chēng)為化學(xué)吸收。心低濃度吸收與高濃度吸收 在吸收過(guò) 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(guò)0.1)，這種吸 收稱(chēng)為低濃度吸收；反之，則稱(chēng)為高 濃度吸收。對(duì)于低濃度吸收過(guò)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(duì)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氣體溶質(zhì)溶 解于液體時(shí)，常由于溶解熱

8、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(chēng)為非等 溫吸收。若吸收過(guò)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(guò)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(chēng)為等溫吸收。l=J|=|IIIIIIIIIIIIIIIIII工業(yè)生產(chǎn)中的吸收過(guò)程以低濃度III吸收為主。本章討論單組分低濃度的 等溫物理吸收過(guò)程，對(duì)于其它條件下 的吸收過(guò)程，可參考有關(guān)書(shū)籍。吸收是氣體溶質(zhì)在吸收劑中溶解 的過(guò)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)。溶解度吸收劑對(duì)溶質(zhì)組分的溶解度 越大，則傳質(zhì)推動(dòng)力越大，吸收速

9、率 越快，且吸收劑的耗用量越少。選擇性吸收劑應(yīng)對(duì)溶質(zhì)組分有較大 的溶解度，而對(duì)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。flIII揮發(fā)度在吸收過(guò)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。III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。其它所選用的吸收劑應(yīng)盡可能無(wú)毒 性、無(wú)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(guò)程的氣液平衡關(guān)系吸收過(guò)程的氣液平衡關(guān)系是研究 氣體吸收過(guò)程的基礎(chǔ)，該關(guān)系通常用氣 體在液體中的溶解度及亨

10、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III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(méi)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(chēng)為相際 動(dòng)平衡，簡(jiǎn)稱(chēng)相平衡或平衡。平衡狀態(tài) 下氣相中的溶質(zhì)分壓稱(chēng)為平衡分壓或飽 和分壓，液相中的溶質(zhì)組成稱(chēng)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(guò)實(shí)驗(yàn) 測(cè)定。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪成的曲線(xiàn)稱(chēng)為溶解 度曲線(xiàn)，某些氣體在液體中的溶解度曲 線(xiàn)可從有關(guān)書(shū)籍、手冊(cè)中查得。圖2

11、-3 在水中的溶解度曲線(xiàn)3?二gErfs二=些湛貌0X2/LI 1- T、JU XijlTJF./：!；：T.JFz.-；：T.,巳lAI lJP名蕓s-=-圖2-4 ,章化硫任水中的溶解度曲線(xiàn)也J0n 21：；!： i：I： H!： JW J2I：5OI巧* WL.7-.&;-*.笙腰圖5域在水中的溶解度,線(xiàn)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(xiàn)。從圖分析可知：III(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。

12、Ill對(duì)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(duì)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(xiàn)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(duì)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(guò)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(lái)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。III=1IIIIIIIIIIII(1) px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

13、亨 利定律可寫(xiě)成如下的形式，即p* = Ex(2-1)式中p*一溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa； x溶質(zhì)在液相中的摩爾分率； 一亨利系數(shù)，kPa。式2-1稱(chēng)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(duì)于理想溶液，在壓力不高及溫度 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* xIIIIII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

14、曲線(xiàn)直線(xiàn)部分。亨利系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，亦可從有 關(guān)手冊(cè)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)氣體溫度/(c )種類(lèi)05|10152025303540 |455060708090100(Ex106)/(kPa)5.876.166446706927167397527617707757757717657617.55N25.356.0567774881587693699810511011412212712812812.8空氣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 |-對(duì)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(shuō)來(lái)，溫度升 高則E增大，這體現(xiàn)了氣體的溶解度隨 溫度升高而減小的變化趨勢(shì)。在同一溶IIIIIIIII=1劑中，難溶氣體的E值很大，而易溶氣體的E值則很小。SO(2) 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，則亨 利定律可寫(xiě)成如下的形式，即(2-2)式中c溶液中溶質(zhì)的摩爾濃度，kmol/m3； p*氣相中溶質(zhì)的平衡分壓，kPa； 丑一溶解度系數(shù)，kmol/(m3*kPa)o溶解度系數(shù)H也是溫度的函數(shù)。對(duì)于一定的溶質(zhì)和溶劑，H值隨溫度升高III而減小。易溶氣體的H值很大，而難 溶氣體的

18、H值則很小。溶解度系數(shù)H與亨利系數(shù)E的關(guān)i=i系可推導(dǎo)如下：設(shè)溶液的體積為Vm3, 濃度為 c kmol（A）/m3，密度為p kg/m3, 則溶質(zhì)A的總量為cV kmol，溶劑S的 總量為（pVcVM、）/M kmol （M 及 Mc 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_(kāi) eV _ cMs TOC o 1-5 h z X cV Pv- Ma）m 占（2-3）將上式代入式2-1可得P*衣?它r將此式與式2-2比較可得1 一尺 螞Hq + c（M 占-虬4）對(duì)稀溶液，c值很小，c（m-m）p，故上式可簡(jiǎn)化為s AH- B(2-4)EMyx關(guān)系若溶質(zhì)在氣、液相中的組

19、成 分別以摩爾分率y x表示，則亨利定 律可寫(xiě)成如下的形式，即(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； 加相平衡常數(shù)，或稱(chēng)為分配系數(shù)。hi對(duì)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(cè) 得。由m值同樣可以比較不同氣體溶 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*=Ex，y*=Ex/P將此式與式2-5比較可得Em = F將式2-6代入式2-4，即可得Hm的關(guān)系為(2-7)FX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(guò)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(guò) 程，氨作為溶質(zhì)可溶于水中，而空氣與 水不能互溶(稱(chēng)為惰性組分)。隨著吸收 過(guò)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)