第九章 吸收

第九章 吸收

第一节 概述

9-1 吸收操作

利用气体混合物各组分在某种溶剂中溶解度的不同而分离气体混合物的操作称为吸收。 一些基本概念：据图9-1 进行介绍。

一. 吸收操作的工业目的

1. 原料气的净化

此目的应用最广。例如合成氨工业氨中作为合成氨反应原料气的H2是通过下列变换反应得到的

CO+H 2O ＝CO 2+H 2

上述变换反应含有副产物CO2，必须在合成反应之前将

其除去。一般采用水或碱液将上述变换反应得到的混合气体中

的CO2通过吸收的方法将其除去。 2. 有用组分的回收 例如用水吸收合成氨厂中放空气体中的氨，用洗油回收焦炉煤气中的粗苯。 3. 制备产品

例如盐酸和福尔马林的工业生产。

4. 废气处理

例如工业上一些含有酸性气体的尾气通过吸收后再排放。

二. 分类 图9-1 吸收塔示意图

1. 按吸收时有否发生明显的化学反应分

●物理吸收：吸收时不发生明显的化学反应

●化学吸收：吸收时发生明显的化学反应，例如

NaOH+CO 2

NaHCO 3

NaHCO 3 +NaOH Na 2CO 3+HO

9-2 吸收流程和溶剂选择

一. 吸收流程

吸收操作所用的溶剂，有的需要回收，有的不需要回收。如果溶剂不需要回收，则吸收操作流程只有吸收部分；如果所用溶剂需要回收，则吸收操作流程包括吸收部分和脱吸部分，如图9-2所示。

关于吸收流程的几个问题：

1).气液流向

2).多塔吸收，参见图9-3和9-4

3).温度和压力

4).脱吸过程

图9-2焦炉煤气中的粗苯回收流程示意图

图9-3多塔吸收：气液逆流串联图9-4多塔吸收：气体串联液体并联

二.溶剂的选择

1).溶解度大

2).选择性好

3).不易挥发

4).其它物理性质要求(粘度、比热、发泡性等)

5).其它化学性质要求(腐蚀性、毒性、燃爆性等)

6).其它要求

第二节 吸收基本理论

9-3 吸收过程的相平衡关系

一. 气体在溶液中的溶解度

在一定的温度和压强下，使一定量的吸收剂与混合气体接触，开始了溶解过程。经过一定时间后，除了气体溶质分子进入溶液外，也有溶质分子从溶液中逸出进入气体，但总的说来入大于出。经过足够长的时间后，入等于出，物系处于相际动态平衡，简称为相平衡。平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压或饱和分压，液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度。所谓气体中溶质在溶剂中的溶解度，就是指气体中溶质在溶剂中的饱和浓度。

溶解过程自由度F ：对于单组分物理吸收而言

F ＝C （组分数）－Φ（相数）+2

＝3-2+2=3

自由度为3，则在温度t 、压力P （总压）、气相组成y 、液相组成x 四个变量中，只要任意三个变量确定，则第四个变量随之确定，不能独立变化。

由实验知，总压P 在几个大气压的范围内对平衡的影响很小，可以忽略，于是在一定温度下，一定溶质的液相平衡浓度为气相组成的函数，可表示为

c A * = f(p A ) (9-1)

同理有

p A * = f(c A ) (9-2)

在同一溶剂中，不同气体的溶解度有很大差别，图9-5为一定温度下几种气体在水中的溶解度曲线。由溶解度曲线的斜率可判断其溶解度的大小。

温度是影响溶解度的重要参数。图9-6是SO2于两个温度下在水中的溶解度曲线示图，由图可见，温度越高，溶解度越小，这一现象具有普遍性。

压力对溶解度的影响：压力增大，溶解度增大；压力减小，溶解度减小。

图9-5 几种气体在水中的溶解度曲线

二. 气液平衡方程

1. 用亨利常数关联

在总压不高（一般小于5-10atm ），一定温度下，有

p A *=Ex A (9-3)

上述关系称为亨利定律，式中的E 称为亨利常数。E 值的大小表征气体溶解度的大小，E 值越大，溶解度越小。

亨利定律的适用情况

a.对于理想溶液，在所有浓度范围内适用，且E=p A 0，于是与拉乌尔定律一致。

b.对于非理想溶液，仅适用于稀溶液（参见图9-5）。

在亨利定律适用的范围内， E 值只是温度的函数，而与P 、c A 、p A 无关。

2. 用溶解度关联

p A *= （9-4）

式中H 称为溶解度常数，其与E 的关系为

H ＝ （9-5）

3. 用相平衡常数关联

y A *=mx A (9-6)

对于单组分吸收，可表示为

y*=mx (9-6a)

式中m 称为相平衡常数，其与E 的关系为

m= (9-7)

注意，m 值既是温度的函数，又与总压有关。

9-4 吸收过程机理和传质速率方程

一. 吸收过程机理－双膜理论

以膜模型为基础的双膜理论在传质机理研究中

占有重要地位，其物理模型如图9-7所示，其理论

要点：

1）.气液间存在稳定的相界面，两侧各有很薄的

当量层流膜层，溶质以分子扩散的方式串联通过二

膜层；

2）.相界面气液达成平衡，无传质阻力；

3）.气液主体浓度处处相同。

二. 传质速率方程

1. 亨利定律适用于气液平衡的情况

图9-7 传质双膜模型示意图

H c A E c t P E

将前一章得到的固体壁面与流体间的传质速率方程应用于气液传质的两膜层，得

N A =k G (p G –p i ) (9-8) N A =k L (c i –c L ) (9-9)

注意上二式推动力顺序的不同。由于pi 、 ci 实际上很难测定，上二式不便应用，解决办法是设法消除其中的p i 、 c i 。对于亨利定律适用于气液平衡的情况：

c i ＝ p i H （9-10）

设与c L 达成平衡的气相组成为p L *，则有

c L ＝ p L *H （9-11） 将式（9-10）和（9-11）代入式（9-9）得

N A =k L H(p i –p L * ) (9-12)

将式（9-12）与（9-8）联立并全部写成（推动力/阻力）的形式得

N A =

上式中，1/k G 为气相传质分阻力， 1/Hk L 为气相传质分阻力。应用加比定律 NA =

令

K G = （9-13a ）

或

（9-13b ）

于是得

N A =K G (p G –p L * ) (9-14)

K G 称为以压强差为推动力的总传质系数，简称为总传质系数。1/ K G 则为总传质阻力。

同理可得

N A =K L (c G * –c L ) (9-15)

式中

K L = （9-16a ） L L i G i G Hk 1p p k 1p p *-=-L G L G Hk 1k 1p p +-*L

G Hk 1k 11+L G G Hk 1k 1K 1+=L

G k 1k H 1+