化工单元操作 吸收

对理想气体：
摩尔分数=压力分数=体积分 数
二、吸收过程的气液平衡关系 吸收相平衡关系是指，气液两 相达到平衡时，吸收质（溶质） 在两相中的浓度关系，即吸收质 在气相中的分压以及吸收质在吸 收剂中的平衡溶解度的相对关系。
本节主要研究吸收达到平衡状 态下的气液相组成关系（吸收 质的组成）
溶解度曲线（气体在液体中的 溶解度）
平衡状态：一定压力和温度下， 一定量的吸收剂与混合气体充分 接触，气相中的易溶组分（溶质） 向溶剂中转移，长期充分接触后， 液相中易溶组分的浓度不再增加， 而气相中的易溶组分不再减少。 此时，气液两相达到平衡。 注：此平衡状态为动态平衡。
饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓 度。 （溶解度）
平衡分压pA*：平衡的状态下，（即达到平
2、亨利定律
在一定温度下，吸收达到平衡 时，气液相组成符合亨利定律。
亨利定律表达式： p Ex
* A
意义：在一定温度下，稀溶液 上方气相中溶质的平衡分压与溶质 在液相中的摩尔分数成正比，其比 例系数为亨利系数。
p Ex
* A
讨论：E来源：实验测得，查手册，
其单位同压力。
E值的影响因素：溶质、溶剂、温 度、压力。 物系一定时：温度升高，E值？ E值即亨利系数表示气体溶解的难 易程度。E值越大，溶解度越小，气体 难溶，反之，E值越小，溶解度越大，
吸收，
p m
加压有利吸收
用摩尔比表示
将x与X，y与Y的关系代入y*=mx中， Y X 则有
1 Y

m
1 X
mX 整理得： Y 1 (1 m) X

它在X-Y坐标中是一条经原点的 曲线，称为吸收平衡线。
mX Y 1 (1 m) X

当溶液很稀时，X≈0， 1+（1-m） X≈0
1.3本章节几个名词
本章研究单组份、恒温、常压、物理吸收过程 吸收质（溶质）—可溶组分（A） 惰性气（载体）—不被吸收的组分（B）
吸收剂（溶剂）—吸收操作中所用的液体（S）
吸收液（富液）—吸收操作中所得到的溶液（A+S） 尾气—吸收操作中所排出的气体（B+A）
2、吸收操作在化工等生产中的应用 （1）原料气的净化 （2）回收混合气中的有用组分 （3）制备某种气体的溶液作为产品
吸 收 过 程 及 设 备
吸收尾气
溶剂
吸收质 （惰性组分）
吸收液
乙醇胺 脱碳气<0.5% CO2
吸 收原料气含 CO 30% 解 吸 流 程 2
加 热 器
冷 却 器
冷凝液
水蒸汽
吸收与解吸流程
吸 收 设 备 填 料 塔
-
第二节吸收过程的相平衡关系
一、吸收中常用的相组成表示法： 二、气液相平衡关系 1、气体在液体中的溶解度 2、亨利定律 3、吸收平衡曲线
吸收速率
吸收速率定义：单位时间内通过 单位传质面积的吸收质（溶质） 的量。用符号NA表示，其单位为 kmol/(㎡· 推动力 s) 计算依 速率 系数 推动力 阻力 据： 因此，表达式类似于传热速率表 达式。
传质的推动力为浓差，而在吸 收中表示浓差的方法很多，这里主 要讨论以摩尔比表示的浓差的表达 式。
（4）环境保护，综合利用
吸收的反过程称为解吸
3、吸收操作的分类
有无化学反应：物理吸收和化学吸收
被吸收组分数：单组分和多组分吸收
温度是否变化：等温和非等温吸收
操作压强：常压吸收和加压吸收
本章主要讨论单组分等温物理吸收
二、吸收剂的选择要求
（1）溶解度大； （2）选择性高； 选择原则： （3）再生容易； （4）挥发性小； 经济、合理 （5）粘度低； （6）化学稳定性高； （7）腐蚀性低； （8）无毒、无害、价廉等。
一、相组成表示方法
1．质量分数与摩尔分数
mA 质量分数：wA m
摩尔分数： nA 气相： y A n nA 液相： x A n
质量分数与摩尔分数的关系：
nA mwA / M A xA n mwA / M A mwB / M B mwN / M N wA /M A wA /M A wB /M B wN /M N
亨利定律的其它表达形式
1、用摩尔浓度表示
cA p H nA nA V E cA * pA Ex E E cA n n V c H S c cS 则有：H E E EM S
* A
cA p H
* A
c H E
H ：1)H 大，溶解度大，易溶气体
H 小，溶解度小，难溶气体
K液或kl —气膜吸收分系数， 2· kmol/(m s)。
1/k液 为液膜传质阻力。
由以上研究可知，分系数 （膜系数）表示的吸收速率方 程中有Xi、Yi，而实际操作中 气液界面上的浓度时无法测量 的，因此，分系数法不能应用 于实际计算。
此问题转向可应用型研究，其原 理：以同一相中的实际状态浓度X、 Y和平衡浓度X*、Y*的差为推动力。
X
X*
过程的推动力
吸收推动力： Y-Y* 吸收推动力： X*-X
X X*
Y A ·
Y*
分析各状态点在不同位置的 时候所要进行的过程。
吸收机理
&
吸收速率
吸收机理
吸收过程 * A由气相主体到相界面，气相内传 递； * A在相界面上溶解，溶解过程； * A自相界面到液相主体，液相内传 递。
传质过程也称为扩散过程。 扩散的推动力是浓度差。
衡时）气相中溶质的分压为平衡分压。
相平衡关系：平衡时溶质组分在气 液两相中的浓度关系。 溶解度曲线：气液相平衡关系绘成 的关系曲线。
氨 在 水 中 的 溶 解 度
气 相 中 氨 的 分 压
60℃
50℃ 40℃
30℃
液相中氨的摩尔数
在 水 中 的 溶 解 度
下 二 y 氧 化 硫
x
20℃
101.3kPa
w A /M A 两组分 w A /M A w B /M B
2.比质量分数与比摩尔分数
m A wA wA 质量比： WA m B wB 1 wA 摩尔比： n A yA yA 气相： A Y n B y B 1-y A
nA xA xA 液相： A X nS x S 1-x A
(Y Yi ) 1/k气为气 N A k气 (Y Yi ) 膜传质阻力 1/ k气 k气或kg—气膜吸收分系数， kmol/(m2· s)。
2、液膜吸收速率方程
如果分别用Xi和X表示界面处和液 体主体区吸收质的摩尔比，则有以下 表达式：
(Xi X A) N A k液 ( X i X A ) 1/ k液
根据双膜理论假设可知，传质的 阻力和推动力集中在了气、液膜里， 研究气相主体区与界面气相浓度差为 推动力，或界面液相与液相主体区浓 度差为推动力的情况；也可研究总浓 度差为推动力的情况。
以分系数（膜系数）表示的速 率 1、气膜吸收速率方程
如果分别用Y和Yi表示气相主体 区和界面处吸收质的摩尔比，则有 以下表达式：
源自文库
以总系数表示的速率
——总推动力分析
Y A ·
吸收推动力： * Y-Y
Y*
X
X*
吸收推动力： *-X X
N A K 气 YA YA ) （
以总系数表示的速率——表达 N式 K（Y Y ) N K（X X )
A Y
A X

（X X ) （Y Y ) NA NA 1/ K X 1/ K Y
双 膜 理 论 示 意 图
通过分析，我们就把整个 复杂的吸收过程，简化为吸收 质只是经由气、液两膜层的分 子扩散过程。因而两膜层也就 成为吸收过程的两个基本阻力， 在两相主体浓度一定的情况下， 两膜层的阻力便决定了传质速 率的大小。因此，双膜理论也 可称为双阻力理论。
注意：
双膜理论应用范围 为假设有着固定气液接触 界面的情况，大大简化了 吸收过程的分析过程和设 计依据。
一般在应用过程中都省略下标 m A wA w 质量比： W m B wB 1 w 摩尔比：
n A yA y 气相： Y n B y B 1-y nA xA x 液相： X nS x S 1-x
由 y Y 1-y x X 1-x
可得
X x 1 X
Y y 1 Y
2)H称溶解度系数kmol/(m3· Pa)
温度对H的影响 T H
用摩尔分数表示
y mx
*
*
m — 相平衡常数，无因次。
p py Ex
* A
E y x mx p
*
E m p
y mx
*
E m p
m
m 的讨论：1）m 大，溶解度小，难
溶气体
2） T 升温不利
化工原理
Principles of Chemical Engineering
吸 收
概 述
吸收是传质过程的一个基本单 元操作过程 传质过程分为相间传质 和相际传质，主要依靠物质 的扩散，又称为扩散过程。
本章主要研究气体混合物的分 离操作。
1.1定义：
吸收：用适当的液体吸收剂处理 气体混合物，利用混合气体中 各组分在液体溶剂中溶解度的 不同而分离气体混合物的操作。
3.质量浓度与物质的量浓度
质量浓度：单位体积内所含物质的质量。 mA A V 物质的量浓度：单位体积内所含物质的 物质的量。
nA cA V
pA RT
气体
质量浓度与质量分数的关系 m A mwA A wA V V 摩尔浓度与摩尔分数的关系
n A nxA cA cxA V V
KX、KY——液、气相吸收（传质）质 总系数。 1/KX、1/KY——液、气相吸收总 阻力。


N A K（Y Y ) Y
N A K（X X ) X
1 1 m K Y k 气 k液


中的KY、KX如 下：
202.6kPa
在几 水种 中气 的体 溶 解 度 曲 线
结论：
1、在相同的吸收剂、温度和分压 下，不同的溶质的溶解度不同； 2、同一物系，在相同的温度下， 分压越高，则溶解度越大； 3、同一物系，在分压一定的情况 下，温度越低，则溶解度越大。
重要结论： 加压和降温对吸收操作有利。 减压和升温对解吸操作有利
吸收的依据：混合气中 各组分在液体溶剂中溶解度 的差异。 操作性质：气—液相间 的单向传质过程。 操作目的：？
1.2吸收和蒸馏的区别
气体吸收：选择一定的溶剂 （外界引入第二相）造成两相， 处理气体混合物。 液体蒸馏：对液体混合物加 热，使混合物内部造成两相，利 用不同组分挥发性的差异，使得 液体混合物得以分离。
扩散的基本方式有分子扩散 和涡流扩散两种，而实际操作中 多为对流扩散。 分子扩散：在静止或滞流流体 内部，若某一组分存在浓度差，则 因分子无规则的热运动使该组分由 浓度较高处传递至浓度较低处，这 种现象称为分子扩散。
涡流扩散：在流体作湍流运动 的主体区时，流体质点的无规则运 动造成质点的相互碰撞和混合，使 组分从高浓度向低浓度方向传递， 此现象称为涡流扩散。
1926年，由刘易斯和惠特曼提 出“双膜理论”，至今应用比较广泛。 气液接触界面的两侧分别有一层 气膜和液膜，将所有问题的研究集中 到这两层膜内。
双膜理论的内容
• 相互接触的气、液两流体间存在稳 定的相界面，界面两侧各有一个很 薄的有效层流膜层。吸收质以分子 扩散方式通过此二膜层。 • 在相界面处，气、液两相达于平衡。 • 在膜层以外的气、液两相中心区， 由于流体充分湍动，吸收质的浓度 是均匀的，即两相中心区内浓度梯 度为零，全部浓度变化集中在两个 有效膜层内。
得： Y mX
此时它在X-Y坐标中是一条 直线。
此表达式最常用也最有用。
Y2
X2 E y Y A P
M x
N Y* O Y1 X1 X X*
Y
Y
·
A B
Y
*
·
X
·
C
X
*
X
相平衡关系在吸收过程中的应用 1．判断过程进行的方向
Y Y
* *
*
气相→液相,吸收 Y 气液平衡
Y
*
A ·
Y Y
Y Y 液相→气相,解吸
涡流扩散速率比分子扩散速率 大得多，其速率决定于流体的流动 形态。
对流扩散： 对流扩散包括湍流主体的涡流扩 散和层流内层的分子扩散。 湍流主体中主要靠涡流扩散， 层流内层中主要靠分子扩散， 过渡层中两种扩散作用相当。所 以对流传质过程要综合考虑分子 扩散及涡流扩散作用，总称为对 流扩散。
综上所述，通过传质机理的分析可 知，吸收过程非常复杂。因此，需 要一个成熟的简单理论来进行吸收 过程的分析。