第二章 气体吸收 2.1 概述 2.2 气体吸收的平衡关系 2.3 气体吸收速率方程式 2.4 低组成气体吸收的计算 2.5 吸收系数 2.6 其它吸收与解吸 本章总结－联系图 2.1 概述 max.book118.com 气体吸收过程 吸收：根据混和气体中各组分在某溶液中的溶解度（或化学反应活性）不同而将气体混合物分离的单元操作。 分离的依据：各组分溶解度的差异。 在吸收操作中，通常将混合气体中能够溶解于溶剂中的组分称为溶质，以A表示，而不溶或微溶的组分称为载体或惰性组分，以B表示；吸收所用的溶剂称为吸收剂，以S表示；经吸收后得到的溶液称为吸收液；被吸收后排出吸收塔的气体称为吸收尾气。 max.book118.com 气体吸收的分类 按溶质与溶剂间是否发生显著化学反应分： 物理吸收：如水吸收二氧化碳 化学吸收：如硫酸吸收氨 按被吸收组分数目分： 单组分吸收：如水吸收氯化氢气体 多组分吸收：如洗油处理焦炉气，苯、甲苯、二甲苯等组分均溶解 按吸收前后温度是否发生变化分： 等温吸收： 非等温吸收 按溶质在气液两相中组成大小分： 低组成吸收：摩尔分数≤0.1 高组成吸收：摩尔分数 0.1 本章重点讨论单组分低组成的等温物理吸收 max.book118.com 气体吸收的工业应用 净化气体或精制气体。如用水脱除合成氨原料气中的CO2，用丙酮脱除石油裂解气中的乙炔等以除去气体中的有害成分，便于下一步的反应顺利进行。 制备液体产品。如用水吸收HCl气体制备盐酸，用水吸收NO2气体制硝酸，用水吸收NH3气制氨水，用稀硫酸吸收SO3制浓硫酸等均属于吸收操作。 回收有用物质。如用洗油从焦炉气中回收粗苯(苯、甲苯、二甲苯)等。 环境保护的需要。如用碱液吸收工业过程排放的废气中含有的一些有害物质如SO2、H2S、NO、HF等。 max.book118.com 吸收剂的选择 完成一个吸收过程需选择合适的溶剂，对吸收剂的要求是： 溶解度大。可提高吸收速率并减少吸收剂的耗用量。 选择性好。对溶质有良好的溶解能力，而对其它组分不溶或微溶，且便于再生，否则不能实现分离的目的。 挥发度小，即在操作温度下蒸汽压小，基本不汽化。离开吸收设备的气体被吸收剂所饱和，吸收剂挥发度愈大，损失量便愈大。 粘度低。可改善吸收设备内的流动状况，从而提高传质速率和传热速率，有助于降低泵的效率，减小传质、传热阻力。 其它。来源充分，价格低廉，无毒，无腐蚀性不易燃，不发泡，化学性质稳定等。 2.2 气体吸收的平衡关系phase equilibrium relationships max.book118.com 气体在液体中的溶解度 在一定温度和压强下，当气体混合物与一定量的液体吸收剂接触时，溶质组分便不断进入液相中，这一过程称为溶解即吸收。而同时已被溶解的溶质也将不断摆脱液相的束缚重新回到气相，该过程称为解吸。这两个过程互为逆过程并具有各自的速率，当气液两相经过长时间的接触后，溶质的溶解速率与解吸速率达到相等时，气液两相中溶质的浓度就不再因两相间的接触而变化，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，是指气体在液体中的饱和组成，常以单位质量或体积的液体所含溶质的质量来表示。 气体的溶解度标明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。 1.相律 F=C-P+n 独立组分数：C=3 (A、B、S) 相数： P=2（气、液相） 影响因素： n=2（温度、压强） 故：自由度F=3-2+2=3，即气相组成、液相组成、温度、压力4个变量中，已知3个量，便可确定余下的1个量。 温度、压力一定：溶解度（液相组成）=f(气相组成) 总压 5×105Pa时：溶解度=f(气相组成，温度） 2.溶解度曲线 横标：气相分压；纵标：溶解度；参数：温度（总压不太高时）。 同种溶质： 温度一定：气相分压愈大，溶解度愈大 气相分压一定：温度愈低，溶解度愈大 不同溶质：溶解度一定时，易溶气体溶液上方分压小，难溶气体上方分压大 〖说明〗 加压Increase the total pressure 、降温 Reduce the temperature有利于吸收操作的进行 易溶气体仅需较小的分压就能达到一定溶解度 max.book118.com 亨利定律 随着对相平衡关系的研究，发现很多气体在浓度较小时其溶解度曲线为通过坐标原点的直线，这一规律用亨利(Henry)定律进行描述。 1. pe=Ex 称为吸收过程的相平衡方程 —— 亨利定律。 式中： pe— 溶质A在气相中的平衡分压，kPa； x —— 溶质A在液相中的摩尔分率； E —— 亨利系数Henry constant ，kPa。 表明：当总压不高( 0.5MPa)时，在一定温度下气液两相达到平衡时，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的摩尔分率成正比。 〖说明〗 理想溶液：拉乌尔定律： 非理想溶液： 低浓度气体吸收：E=常量 难溶物系：E≠常量，但当P 0.1MPa时，E可视为常量 P 0.1MPa时，E=f(t)；P 0.1MPa时，E=f(P,t) E由实验测定确定：以pe/x对x作图，当x→0， pe/x的值即为E。常见物系的E可查有关手册。 对于一定的气体和一定的溶剂，E值随温度变化：t↑，E↑，x↓，体现气体溶解度随温度升高而减小的变化趋势。 同一溶剂中： 易溶气体的E值很小 难溶气体的E值相对较大。 2. pe=c/H 式中： c－溶液中溶质的物质的量浓度(体积摩尔浓度)，kmol(A)/m3； H－ 称为溶解度系数，kmol/(m3·kPa) 表明：当气液两相达到平衡时，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的体积摩尔浓度成正比。 设溶液组成为ckmol(A)/m3，密度为ρkg/m3；溶质和溶剂的分子量分别为MA kg/kmol 、MS kg/kmol ，则： 3.ye=mx m与E的关系 ： 4.Ye=mX 以上亨利定律的各种表达式描述的都是互成平衡的气液两相组成间的关系，它们都是根据液相组成来计算与之平衡的气相组成。同样，也可根据气相组成计算平衡的液相组成，此时，亨利定律可写成： 2.确定传质的推动力 当传质进行时，其速率与传质的推动力大小有关，传质过程是否容易进行取决于实际组成偏离平衡组成的程度，因而推动力可用一相的实际组成与其对应的平衡组成之差来表示 。 3.指明传质过程进行的极限 因为平衡是过程进行的极限，所以当两相进行接触，达到平衡时过程也就终止，即：y=ye或者x=xe时，吸收或者解吸过程将停止，不会无限进行下去。若要使过程进行，必须改变条件，使原来的平衡打破，在新的条件下重新建立平衡。 对吸收而言，无论气液相流量、塔高、塔径如何，出塔尾气的组成不会低于与该位置液相组成相平衡的气相组成。如逆流：y2≥ye2=mx2 ；并流： y1≥ye1=mx1 ； 对吸收而言，无论气液相流量、塔高、塔径如何，吸收液的组成不会高于与该位置气相组成相平衡的液相组成。如逆流&并流：x1≤xe1=y1/m。 例题 2.查P18表2-1，得SO2在101.33kPa、0℃时亨利系数E=0.167×104kPa，则： 3.查P18表2-1，得SO2在1
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