第五章吸收

第五章吸收

本章要点： • 吸收过程的气液相平衡关系 • 传质机理 • 吸收速率 • 吸收塔的计算：物料衡算，吸收剂用量计算，塔径，填料层高度计算制药工程专业《化工原理》

第一节概述 尾气吸收剂吸收定义：使混合气体与选择的某种液体相接触时,利用混合气体中各组分在该液体中溶解度的差异,有选择的使混合气体中一种或几种组分溶于此液体而形成溶液,其它未溶解的组分仍保留在气相中,以达到从混合气体中分离出某些组分的目的。吸收塔混合气体溶液制药工程专业《化工原理》

几个概念 • 吸收操作的依据：混合物各组分在某种溶剂（吸收剂）中溶解度（或化学反应活性）的差异。 • 溶质：混合气体中，能够显著溶解的组分称为溶质或吸收质； • 惰性组分：不被溶解的组分称为惰性组分（惰气）或载体； • 吸收剂：吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂或溶剂； • 吸收液：吸收操作中所得到的溶液称为吸收液或溶液，其成分为溶质A和溶剂S；制药工程专业《化工原理》

一、吸收操作的应用 （1）原料气的净化。（2）有用组分回收。（3）制备有用溶液。（4）废气治理。制药工程专业《化工原理》

吸收塔 解吸塔二、工业吸收过程必须解决问题： 1、选择合适的吸收剂； 2、提供合适的气液传质设备； 3、吸收剂的再生循环使用。制药工程专业《化工原理》

三、吸收(传质)设备 气体气体 • 填料塔液体液体降液管塔板填料层气体气体液体液体 • 板式塔

四、吸收操作的分类 按是否有化学反应分:物理吸收、化学吸收按有无明显温度变化分:等温吸收、非等温吸收按组分数分:单组分吸收、多组分吸收按浓度分:低浓度气体吸收、高浓度气体吸收本章主要讨论:低浓度单组分等温的物理吸收。制药工程专业《化工原理》

五、吸收剂的选用 • （1）溶解度溶质在溶剂中的溶解度要大，即在一定的温度和浓度下，溶质的平衡分压要低，这样可以提高吸收速率并减小吸收剂的耗用量，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低。 • （2）选择性吸收剂对混合气体中的溶质要有良好的吸收能力，而对其它组分应不吸收或吸收甚微。 • （3）操作温度下吸收剂的蒸气压要低，因为离开吸收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。制药工程专业《化工原理》

（4） 粘性：吸收剂粘度要低，流体输送功耗小。 • （5）化学稳定性：避免因吸收过程中条件变化而引起吸收剂变质。 • （6）腐蚀性吸收剂腐蚀性应尽可能小。 • （7）其它所选用吸收剂应尽可能满足价廉、易得、易再生、无毒、无害、不易燃烧、不易爆等要求。制药工程专业《化工原理》

解吸塔 吸收塔用洗油吸收苯系物质的吸收与解吸流程 • 煤气脱苯吸收操作流程

制药工程专业《化工原理》

废气解吸气预热后的饱和溶液稀溶液冷却水进净化CO2 1 3 4 2 烟道气 6 5 烟道气二氧化碳的气体吸收工艺流程示意图 1-吸收塔 2-泵 3-换热器 4-冷却器 5-解吸塔 6-冷凝器

从合成氨原料气中回收CO2的流程 制药工程专业《化工原理》

六、吸收操作的经济性 1、吸收操作费用： (1) 气液两相流经吸收设备的能量消耗，指泵送液体、风机送气的能耗。 (2) 溶剂的挥发损失和变质损失。 (3) 溶剂的再生费用，即解吸操作费，此项所占的比例最大。制药工程专业《化工原理》

2、吸收设备费用： • 吸收塔及辅助设备（泵、风机、加热器、冷却器等）的费用。吸收设备分为板式塔tray tower与填料塔packed tower • 3、吸收操作的经济性是由总费用（即操作费用加设备费用）来衡量的。 • 最经济的吸收操作应是操作费用与设备费用之和即总费用为最小。制药工程专业《化工原理》

第二节气液相平衡 气体吸收过程实质上是溶质组分自气相通过相界面转移（迁移）到液相的过程。现将气体吸收中的传质过程与传热过程相对照来研究两个问题： (1)、气体吸收过程的推动力是什么？（传热过程的推动力：温差） (2)、若气液两相能充分完全的接触，则吸收过程的极限是什么？（传热过程的极限：T=t）制药工程专业《化工原理》

一、平衡溶解度 在一定温度下，使某一定量气体与一定量液体溶剂在密闭容器中接触，溶质向溶剂中转移。经过足够长的时间，气、液相浓度不再改变，宏观上传质过程停止,达成平衡。微观上是气体进出液体的分子数相等，故称相际动平衡，简称相平衡。达到平衡时，气相中溶质的压力称当时条件下的平衡分压pA，而液相中所含溶质气体的浓度既为当时条件下的气体在液体中的溶解度。气体在液体中的溶解度表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。制药工程专业《化工原理》

溶解度曲线 制药工程专业《化工原理》

(一)平衡分压与溶解度的关系 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 (二)不同气体在同一吸收剂中的溶解度不同溶质：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制药工程专业《化工原理》

〖说明〗 • 加压、降温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制药工程专业《化工原理》

实验测定――若固定温度、压力不变，测得某动平衡下，溶液上方氨的分压为p1，此时溶于水的氨的浓度为x1；再改变浓度为，测得上方氨分压为p2, ……依次类推，改变氨的浓度为，测得溶液上方氨的分压为，如图所示。将这个点，标绘在图上，即得在一定温度、压力下的溶解度曲线。图　实测p-x曲线示意图制药工程专业《化工原理》

(三)总压对溶解度的影响 • 在溶质的分压没有改变的情况下，总压对溶解度没有影响。 • 溶解度仅与溶质的分压有关。制药工程专业《化工原理》

二、亨利定律 当总压不高(不超过5 atm)时,在一定温度下,稀溶液上方气体溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比,这就是亨利定律。其表达式为:pA*=Ex E:亨利系数,由实验测定，单位与压强单位一致。 T E溶解度 E含义：表示气体溶解趋势在同一溶剂中，难溶气体的E值很大，易溶气体的E值则很小。制药工程专业《化工原理》

亨利定律的不同表达形式： B、分压与质量浓度的关系形式： pA*=cA /H H:溶解度系数,单位:kmol/(kN · m) H=s/EMs 制药工程专业《化工原理》

C、气液相摩尔分率的形式： y*=mx m:相平衡常数总压P一定时 y*=pA*/P=(E/P)x=mx m=E/P T p m溶解度 制药工程专业《化工原理》

D、气液相摩尔比的形式： 制药工程专业《化工原理》

由：y*=mx 亨利定律是稀溶液定律,则X很小， 1+（1-m）X≈1，则： Y*=mX 制药工程专业《化工原理》

（二）亨利定律各系数之间的关系 • 1. m与E 之间的关系由理想气体分压定律，有PA* =P y *，带入式 pA*=Ex 得：即：制药工程专业《化工原理》

2. H与E 之间的关系 由 pA*=Ex pA*=cA /H 以及：得：又由：得：制药工程专业《化工原理》

溶液总浓度与溶液密度之间的关系： 对于稀溶液，溶质对其总浓度的影响可不计：将上式代入：得：制药工程专业《化工原理》

3. H、m与E 之间的关系 制药工程专业《化工原理》

与液相摩尔分率xA成平衡的气相摩尔分率 相平衡常数，无因次，m = E/p ——适用稀溶液与液相溶质浓度cA成平衡关系的气相中溶质的分压亨利系数，Pa H↑，E ↓，越易溶。 E= f ( T ) 亨利定律（Henry law）小结 p ↑，H ↑，E ↓，有利于吸收 T↑， H ↓， E ↑, 不利于吸收 H = f ( T )：一般 p 的影响可忽略 E= f ( T,c ): E= c/H m = f ( T,p,c ): m = E/p= c/(H p)

【例5-1】总压为101.325kPa、温度为20℃时，1000kg水中溶解15kg NH3，此时溶液上方气相中NH3的平衡分压为2.266kPa。试求:溶解度系数H、亨利系数E、相平衡常数m。【水的密度取1000kg/m3】解：首先将此气液相组成换算为y与x。 NH3的摩尔质量为17kg/kmol，溶液的量为15kg NH3与1000kg水之和。故制药工程专业《化工原理》

kPa • E=P·m=101.325×1.436=145.5kPa • 或者：溶剂水的密度ρs=1000kg/m3，摩尔质量Ms=18kg/kmol，计算H kmol/（m3·kPa）制药工程专业《化工原理》

H值也可直接由亨利定律算出，溶液中NH3的浓度为H值也可直接由亨利定律算出，溶液中NH3的浓度为 kmol/m3 所以 kmol/（m3·kPa）制药工程专业《化工原理》

三、相平衡关系在吸收过程中的应用 （一）判断传质方向与传质推动力: 1.判断传质方向: y*=mx x*= y/m 若 y > y*，吸收过程若 x > x*，解吸过程 y = y*，平衡过程 x = x*，平衡过程 y < y*，解吸过程 x < x*，吸收过程

y y A m B ye y/ye ye C y xe x xe xe/x x x 〖结论〗组成点在平衡线上方，为吸收过程组成点在平衡线上，为平衡过程组成点在平衡线下方，为解吸过程制药工程专业《化工原理》

y y A m ye C ye y x xe x x xe 3.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。〖说明〗实际组成偏离平衡组成的程度愈大，过程的推动力愈大，其传质速率愈大，吸收/解吸过程愈容易进行。制药工程专业《化工原理》

平衡曲线 O(x,y) x*-x y y-y* y* x x* x 吸收：y - y*> 0 [ y – x（不是传质推动力，因为不同相)] x* - x > 0, pA- pA* > 0， cA* - cA > 0

y * 平衡曲线 y y* -y O(x,y) x-x* x* x 解吸：y* - y > 0 ， x - x*> 0， pA* - pA > 0， cA - cA* > 0 制药工程专业《化工原理》

V Y2 L X2 吸收塔 V Y1 L X1 4、确定传质过程极限 y - y*> 0为吸收过程， x ↑，当x→ x* 时，达到最大（1）吸收液的最大组成吸收液最大组成为与塔底混合气组成平衡的液相组成x* 1： x 1max= x* 1=y1/m 制药工程专业《化工原理》

（2）吸收尾气的最小组成 最小极限组成y1min为与塔顶吸收剂组成x2 平衡的气相组成y*2： y 2min= y*2=mx2 制药工程专业《化工原理》

【例】已知在总压101.3kPa及温度20℃下，液相中氨的摩尔浓度为0.582kmol/m3，气相中氨的平衡分压为800Pa，若在此浓度范围内的相平衡关系符合亨利定律，试求：【例】已知在总压101.3kPa及温度20℃下，液相中氨的摩尔浓度为0.582kmol/m3，气相中氨的平衡分压为800Pa，若在此浓度范围内的相平衡关系符合亨利定律，试求： H、E、m。吸收相平衡关系【例】在总压1200kPa、温度303K下，含CO2 5%（体积分数）的气体与含CO2为1.0g/L的水溶液相遇，问：会发生吸收还是脱吸？以分压差表示的推动力有多大？若要改变其传质方向可采取哪些措施？

【例】在总压101.3kPa，温度30℃的条件下, SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问： • (1) 从液相分析SO2的传质方向； • (2) 从气相分析，其它条件不变，温度降到0℃时SO2的传质方向； • (3) 其它条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。 SO2在101.33kPa、0℃、30 ℃时亨利系数E=1670kPa、4850kPa; 制药工程专业《化工原理》

解：(1)查得在总压101.3kPa，温度30℃条件下SO2在水中的亨利系数E=4850kPa • 所以从液相分析故SO2必然从液相转移到气相，进行解吸过程。制药工程专业《化工原理》

（3）在总压202.6kPa，温度30℃条件下，SO2在水中的亨利系数E=4850kPa 从气相分析 y*=mx=23.94×0.01=0.24<y=0.3 故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。制药工程专业《化工原理》

以液相摩尔分数表示的吸收推动力为: ∆x=x*－x=0.0125－0.01=0.0025 以气相摩尔分数表示的吸收推动力为: ∆y= y－y*=0.3－0.24=0.06 制药工程专业《化工原理》

第五章 吸 收