第九章吸收

第九章吸收本章学习要求1.掌握的内容相组成的表示方法及换算；气体在液体中的溶解度，亨利定律各种表达式及相互间的关系；相平衡的应用；分子扩散、菲克定律及其在等分子反向扩散和单向扩散的应用；对流传质概念；双膜理论要点；吸收塔的物料衡算、操作线方程及图示方法；最小液气比概念及吸收剂用量的确定；填料层高度的计算，传质单元高度与传质单元数的定义、物理意义、传质单元数的计算。

2.熟悉的内容各种形式的传质速率方程、传质系数和传质推动力的对应关系；各种传质系数间的关系；气膜控制与液膜控制；吸收剂的选择。

3.了解的内容分子扩散系数及影响因素。

第1节概述9.1.1．气体吸收过程和工业应用1．吸收吸收~利用混合气体中各组份在同一种液体（溶剂）中溶解度差异而实现组分分离的过程称为气体吸收。

2．吸收操作在化工生产中的应用(1)分离混合气体以获得一定的组分。

(2)除去有害组分以净化气体。

(3)制备某种气体的溶液。

(4)保护环境。

3．吸收与脱吸作为一种完整的分离方法，吸收过程应包括“吸收”和“脱吸”两个步骤。

“吸收”仅起到把溶质从混合气体中分出的作用，在塔底得到的是由溶剂和溶质组成的混合液，此液相混合物还需进行“脱吸”才能得到纯溶质并回收溶剂。

9.1.2 吸收过程的分类吸收过程可按多种方法分类1．按过程有无化学反应分类(1) 物理吸收～在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生明显的化学反应，可看做是气体中可溶组分单纯溶解于液相的物理过程，称为物理吸收。

用水吸收二氧化碳、用洗油吸收芳烃等过程都属于物理吸收。

(2) 化学吸收～如果溶质与溶剂发生显著的化学反应，则称为化学吸收。

用硫酸吸收氨、用碱液吸收二氧化碳等过程均为化学吸收。

2．按被吸收的组分数目分类(1) 单组分吸收～混合气体中只有一个组分进入液相，其余组分不溶解于溶剂中，称为单组分吸收。

例如合成氨原料气中含有N2、H2、CO、CO2等组分，而只有CO2一个组分在高压水中有较为明显的溶解度，这种吸收过程属于单组分吸收过程。

(2) 用洗油处理焦炉气时，气相中的苯、甲苯、二甲苯等几个组分都可明显的溶解与洗油中，这种吸收过程属于多组分吸收。

3．按吸收过程有无温度变化分类(1) 非等温吸收：气体溶解于液体时常伴随着热效应，若进行化学吸收，还会有反应热，从而引起液相温度升高，这样的吸收过程称为非等温吸收。

(2) 等温吸收：被吸收组分在气相中浓度很低而吸收剂的用量又很大时，热效应很小，几乎觉察不到液相温度的升高，则可视作等温吸收。

4．按溶质在气、液两相中浓度分类(1) 低浓度吸收：溶质在气、液两相中浓度均不太高的吸收过程，即为低浓度吸收过程。

(2) 高浓度吸收：若溶质在气、液两相浓度都必较高，则称为高浓度吸收。

5．膜基气体吸收随着膜分离技术应用领域的扩大，绝大多数气体的吸收和脱吸都可采用微孔膜来进行操作。

目前，在生物医学、生物化工及化工生产中利用膜基气体吸收和脱吸取得了良好的效果。

本章只讨论低浓度单组分等温物理吸收的原理与计算。

9.1.3 吸收剂的选择选择性能优良的吸收剂是吸收过程的关键，选择吸收剂时一般应考虑如下因素：1．溶剂应对被分离组分有较大的溶解度，以减少吸收剂用量，从而降低回收溶剂的能量消耗；2．吸收剂应有较高的选择性，即对于溶质A能选择性溶解，而对其余组分则基本不吸收或吸收很少；3．吸收后的溶剂应易于再生，以减少“脱吸”的设备费用和操作费用；4．溶剂的蒸气压要低，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失；5．溶剂应有较低的粘度、较高的化学稳定性；6．溶剂应尽可能价廉易得、无毒、不易燃、腐蚀性小。

9.1.4 吸收操作的特点气体的吸收与液体的蒸馏同属分离均相混合物的气、液传质操作，所以对吸收过程的研究方法与蒸馏过程有许多共性之处，但二者又有重要的区别。

1．建立两相的方法不同：蒸馏操作：采用加热与冷凝等方法。

吸收操作：采用从外界引入液相（吸收剂）的方法。

2．操作条件和组分传递方式不同：蒸馏操作：液相部分气化与气相部分冷凝同时发生，每层塔板上的液体和蒸汽都接近饱和温度，在相界面处，轻、重组分进行着相反方向的传递。

吸收操作：液相温度低于其沸点，溶剂没有明显的气化现象。

只有溶质分子由气相进入液相的单方向传递。

第2节吸收过程的相平衡关系9.2.1气体在液体中的溶解度1．相平衡在一定的温度和压强下，使混合气体与一定量的吸收剂相接触，溶质便向液相转移，直至液相中溶质达到饱和浓度为止，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。

2．饱和分压平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压或饱和分压。

3．饱和浓度（溶解度）液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度，也即气体在液体中的溶解度。

溶解度表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度，习惯上用单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示。

4．溶解度曲线气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度曲线。

(1) 在同一溶剂（水）中，不同气体的溶解度有很大差异。

(2) 同一溶质在相同的温度下，随着气体分压的提高，在液相中的溶解度加大。

(3) 同一溶质在相同的气相分压下，溶解度随温度降低而加大。

由溶解度曲线所显示的共同规律可知：加压和降温可以提高气体的溶解度，对吸收操作有利；反之，升温和减压对脱吸操作有利。

9.2.2亨利定律1．亨利定律：描述互成平衡的气、液两相间组成的关系。

当总压不高时，在恒定温度下，稀溶液上方的气体溶质平衡分压与其在液相中摩尔分率成正比。

由于组成有多种表示方法，所以亨利定律有多种表达式。

2．亨利定律表达式(1) 以p 及x 表示的平衡关系当液相组成用物质的量的分数（摩尔分数）表示时，则稀溶液上方气体中溶质的分压与其在液相中物质的量的分数（摩尔分数）之间存在如下关系，即：p*＝Ex （9－1）式中 p* — 溶质在气相中的平衡分压，kPa ；x — 溶质在液相中物质的量分数；E — 亨利系数，单位与压强单位一致。

其数值随物系特性及温度而变。

(2) 以p 及c 表示的平衡关系若用物质的量浓度c 表示溶质在液相中的组成，则亨利定律可写成如下形式，即：p*＝H c（9－2）式中 c — 单位体积溶液中溶质的物质的量，3/m kmol ；H — 溶解度系数，)/(3kPa m kmol ⋅。

溶解度系数的数值随物系而变，同时也是温度的函数。

对一定的溶质和溶剂，H 值随温度升高而减小。

易溶气体有很大的H 值，难溶气体的H 值很小。

对于稀溶液，H 值可由下式近似估算，即：H ＝EMs ρ（9－3）式中 ρ — 溶液的密度，kg ／m 3；Ms — 溶剂的摩尔质量。

(3) 以y 与x 表示平衡关系若溶质在气相与液相中的组成分别用物质的量的分数y 与x 表示，亨利定律又可写成如下形式： y*＝mx （9－4）式中 y —与液相成平衡的气相中溶质物质的量的分数；m —相平衡常数，又称为分配系数，无因次。

式2－4可由式2－1两边除以系统的总压P 得到，即：x P E P P y ==* P E m =(4) 以X 及Y 表示平衡关系在吸收计算中，为方便起见，常采用物质的量之比Y 与X 分别表示气、液两相的组成。

物质的量之比定义为：X=液相中溶质的物质的量／液相中溶剂的物质的量＝x x-1 （9－6）Y=气相中溶质的物质的量／气相中惰性组分物质的量＝y y-1 （9－7）由上式二可得：)1(X X x += （9－6a ）)1Y Y y += （9－7a ）当溶液很稀时，式9－4又可近似表示为： Y*＝mX （9－8）式2－8表明，当液相中溶质含量足够低时，平衡关系在X-Y 坐标图中也可近似的表示成一条通过原点的直线，其斜率为m 。

亨利定律的各种表达式既可由液相组成计算平衡的气相组成，也可反过来根据气相组成来计算平衡的液相组成，因此，前述的亨利定律各种表达式可分别改写如下。

x*＝p/E （9－1a ）c*＝H/p （9－2a ）x*=y/m （9－3a ）X*=Y/m （9－4a ）9.2.3相平衡关系在吸收操作中的应用相平衡关系在吸收操作中有下面几项应用。

1．选择吸收剂和确定适宜的操作条件性能优良的吸收剂和适宜的操作条件综合体现在相平衡常数m 值上。

溶剂对溶质的溶解度大，加压和降温均可使m 值降低，有利于吸收操作。

2．判断过程进行方向根据气、液两相的实际组成与相应条件下平衡组成的比较，可判断过程进行的方向。

若气相的实际组成Y 大于与液相呈平衡关系的组成Y*（＝mX ），则为吸收过程；反之，若Y*>Y ，则为脱吸过程：Y=Y*，系统处于相际平衡状态。

3．计算过程推动力气相或液相的实际组成与相应条件下的平衡组成的差值表示传质的推动力。

对于吸收过程，传质的推动力为*Y Y -或X X -*。

4．确定过程进行的极限相平衡关系在吸收操作中的应用在Y －X 坐标图上表达更为清晰，如图2－5。

气相组成在平衡线上方（点A 1），进行吸收过程；气相组成在平衡线下方（点A 2），则为脱吸操作。

吸收过程的推动力为Y 1－Y*或X 1*－Xc ，脱吸的推动力为Y*－Y 或Xc －Xc*。

吸收液的最高组成为X 1*；尾气的最低组成为Y 2*第3节 传质机理与吸收速率9.3.1分子扩散与菲克定律1．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。

2. 分子扩散现象：图2-6 扩散现象如图2-6所示的容器中，用一块隔板将容器分为左右两室，两室分别盛有温度及压强相同的A 、B 两种气体。

当抽出中间的隔板后，分子A 借分子运动由高浓度的左室向低浓度的右室扩散，同理气体B 由高浓度的右室向低浓度的左室扩散，扩散过程进行到整个容器里A 、B 两组分浓度均匀为止。

3. 扩散通量：扩散进行的快慢用扩散通量来衡量，定义为：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，成为扩散通量。

4. 菲克定律：由两组分A 和B 组成的混合物，在恒定温度、总压条件下，若组分A 只沿z 方向扩散，浓度梯度为dz dc A，则任一点处组分A 的扩散通量与该处A 的浓度梯度成正比，此定律称为菲克定律，数学表达式为：dz dc D J A AB A -= （9-9）式中负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行。

9.3.2气相中的定态分子扩散1．等分子反方向扩散（1）等分子反方向扩散如图9－7所示，当连通管内任意截面上单位时间单位面积上向右传递A 分子数与向左传递的B 分子数相等时，这种情况称为等分子反方向扩散。

若以A 的传递方向（z ）为正方向，则可写出下式，即：B A J J -= （9－10）][dz dc D dz dc D A BA A AB --=- 得到D AB ＝D BA （9-11）上式表明，由A 、B 两种气体所组成的混合物中，A 和B 的扩散系数相等。