化工原理之六 吸收

吸收简介

重要概念:

⑴．吸收

⑵．溶质、载体、吸收液和吸收尾气

关于吸收的介绍：

吸收过程常在吸收塔中进行，图2-1为逆流操作的吸收塔示意图。气体的吸收是一种重要的分离操作，它在化工生产中主要用来达到以下目的：

（1） 分离混合气体以获得一定的组分。例如用硫酸处理焦炉气以回收其中的氨，用洗洗油处理焦炉气以回收其中的芳烃，用液态烃处理裂解气以回收其中的乙烯、丙烯等。

（2）除去有害组分以净化气体。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，用丙酮脱除裂解气中的乙炔等。

（3）制备某种气体的溶液。例如用水吸收二氧化氮以制造硝酸，用水吸收氯化氢以制取盐酸，用水吸收甲醛以制备福尔马林溶液等。

在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生显著的化学反应，可以当作气体单纯地溶解于液相的物理过程，则称为物理吸收；如果溶质与溶剂发生显著的化学反应，则称为化学吸收。前面提到的用水吸收二氧化碳、用洗油吸收芳烃等过程都属于物理吸收，用硫酸吸收氨、用碱液吸收二氧化碳等过程都属于化学吸收。

若混合气体中只有一个组分进入液相，其余组分皆可认为不溶解于吸收剂，这样的吸收过程称为单组分吸收；如果混合气体中有两个或多个组分进入液相，则称为多组分吸收。例如合成氨原料气含有Ｎ２、Ｈ２、ＣＯ及ＣＯ２等几种成分，

其中唯独 ＣＯ２在水中有较为显著的溶解度，这种原料气用水吸收的过程即属于单组分吸收；用洗油处理焦炉气时。气体中的苯。 甲苯、二甲苯等几种组分都在洗地中有显著的溶解度，这种吸收过程则应属于多组分吸收。

气体溶解于液体之中；常常伴随着热效应，当发生化学反应时，还会有反应热，其结果是使液相温度逐渐升高，这样的吸收过程称为非等温吸收。但若热效应很小，或被吸收的组分在气相中浓度很低而吸收剂的用量相对很大则；温度升高并不显著，可认为是等温吸收。如果吸收设备散热良好，能及时引出热量而维持液相温度大体不变，自然也应按等温吸收处理。

图2-1 吸收操作示意图 吸收过程进行的方向与限度取决于溶质在气液两相中的平衡关系。当气相中溶质的实际分压高于与液相成平衡的溶质分压时，溶质便由气相向液相转移，即发生吸收过程。反之，如果气相中溶质的实际分压低于与液相成平衡的溶质分压时，溶质便由液相向气相转移，即发生吸收的逆过程，这种过程称为脱吸（或解吸）。脱吸与吸收的原理相同，所以，对于脱吸过程的处理方法也完全用以对照吸收过程加以考虑。

本章基本内容在于讨论低浓度单组分等混物理吸收的原理与计算。在此基础L，再对脱 吸和其它条件下的吸收过程如高浓度气体吸收、非等混吸收、多组分吸收及化学吸收的原理和计算作概略介绍。

气体的吸收与液体的蒸馏同为分离均相物系的气－液传质操作，但是，二者有重要的差别。

一般说来，为使均相混合物分离成皎纯净的组分，必须出现第二个物相。蒸馏操作中采 用改变状态参数的办法（如加热与冷却），使混合物系内部产生出第二个物相。吸收操作中 则采用从外界引入另一相物质（吸收剂）的办法形成两相系统。因此，经过蒸馏（精馏）操作可以直接获得较的净的轻、重组分，但经过吸收操作，混合气中的溶质却进人吸收液中，而 不能以较纯净的状态直接得到。要取得较纯净的洛西组分，还需经过第二个分离操作（例如 脱吸）才能实现。

精馏操作中液相的部分气化与气相的部分冷凝同时发生，每层塔板上的液体和蒸气都处于接近饱和的温度之下。在相界面两侧，轻、重组分同时地向着彼此相反的方向传递，即气相中的重组分向着液相一侧传递过去，液相中的轻组分则向着气相一侧传递过来．但是在吸收 操作中，液相温度远远低于其沸点，溶剂没有显著的气化现象。因此，只有溶质分子由气相进入液相的单向传递，而气相中的惰性组分及液相中的溶剂组分则处于“停滞”状态。

第一节 气一流相平衡

在恒定的温度与压强下，使一定量的吸收剂与混合气体接触， 溶质便向液相转移，直至液相中溶质达到饱和，浓度不再增加为止。此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间内进入液相的溶质分子数与从液相选出的溶质分子数恰好相抵，在宏观过程就象停止了。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，液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度，所谓气体在液体中的溶解度，就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上常以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示。

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。要确定吸收设备 内任何位置L气液实际浓度与其平衡浓度的差距，从而计算过程进行的速度，也需明了系统的平衡关系。

互成平衡的气液两相彼此依存，而且任何平衡状态都是有条件的．所以，一般而言，气体溶质在一定液体中的溶解度与整个物系的温度、压强及该溶质在气相中的浓度密切相关。因为单组分的物理吸收涉及由A、B、S 三个组分构成的气液两相物系，根据相律可知其自由度数应为3，所以在一定的温度和总医之下，箱质在波相中的溶解度决定于它在气相中的组成。但是，在总任不很高的情况下．可以认为气体在液体中的溶解度只取决于该气体的分压，而与总压无关。 在同一溶剂中，不同气体的溶解度有很大差异。图2－2、2－4、2－4示出总压不很高时氨、二氧化硫和氧在水中的溶解度与其在气相中的分压之间的关系

（以温度为参数）。图中的关系线称为溶解度曲线。

图2-2 氨在水中的溶解度

图2-3 二氧化碳的溶解度

图2-4 氧在水中的溶解度

从上述三个图中可以看出；当温度为20ＯＣ、港期分压为20kPa时，每1000kg水中所能溶解的氨、二氧化硫或氧的质量分别为170Kg、22kg或0.009kg。这表明氨易溶干水，氧难溶于 水，而二氧化硫的溶解度居中。从图中也可看出，在20t时，若分别有10O吃的纽和10Qh的 二氧化硫各溶于1000kg水中，则氨在其溶液上方的分压仅为9.3kPa，而二氧化硫在其溶液上方的分压为93kPa 。至于氧，即使在1000kg水中值溶有0.1kg氧, 在此溶液上方的分压已超过220kPa。显然， 对于同样浓度的溶液，易溶气体溶液上方的分压小，而难溶气体溶液上方的分压大。换言之，如欲得到一定浓度的溶液，对易溶气体所需的分压较低，而对难溶气体所需的分压较高。从图中可以看出，对于同一种溶质来说，溶解度随温度的升高而减小，这反映了一般情况下气体溶解度随温度变化的正常趋势。

由溶解度曲线所表现出的规律性可以得知，加压和降温对吸收操作有利，因为加压和降温可以提高气体的溶解队反之，升温和减压则有利于脱吸过程。

第二小节 亨利定律

当总压不高（譬如不超过5×105Pa）时，在恒定的温度下，稀溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度之间存在着如下的关系:

（2－l）

式中 ---溶质在气相中的平衡分压，kPa ；

x ---溶质在液相中的摩尔分率；

E ---亨利系数，其数值随物系的特性及温度而异。E的单位与压强单位一致。

式2－1称为亨利（Henry）定律。此式表明稀溶液上方的溶质分区与该溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例常数即为亨利系数。

凡理想溶液，在压强不高及温度不变的条件下，p*－x关系在整个浓度范围内都符合亨利定律，而亨利系数即为该温度下纯溶质的饱和蒸气压，此时亨利定体与拉乌尔定律一致（见式1－2）。但吸收操作所涉及的系统多为非理想溶液，此时亨利系数不等于纯溶质的饱和蒸气压，目只在液相中港质浓度很低的情况下才是常数。在同一种溶剂中，不同的气体维持其亨利系数恒定的浓度范围是不同的。对于某些较难溶解的系统来说，当溶质分压不超过1×105Pa，恒定温度下的E值可视为常数。当分压超过1×105Pa后；E值不仅是温度的函数，溶质本身的分压而变。

亨利系数由实验测定。在恒定的温度下，对指定的物系进行实验，测得一系列平衡状态下的波相溶质浓度x与相应的气相溶质分压p*，将测得的数值在普通直角坐标纸上进行标绘， 据此求出浓度趋近于零时的p*/x值，便是系统在该温度下的亨利系数E。常见物系的亨利系数也可以从有关手册中查得。表2－1列出若干种气体水溶液的亨利系数。

对于一定的气体和一定的溶剂，亨利系数随温度而变化。一般说来，温度上升则E值增大。这体现着气体溶解度随温度升高而减少的变化趋势。在同一溶剂中。难溶气体的E值很大，而易溶气体的E值则很小。

由于互成平衡的气液两相组成各可采用不同的表示法，因而亨利定律有不同的表达形式。

若将亨利定律表示成溶质在液相中的体积摩尔浓度C与其在气相中的分压p'之间的关系，则可写成如下形式，即：

(2-2) 式中 c--单位体积溶液中溶质的摩尔数，kmol/m3 p*--气相中溶质的平衡分压，kPa

H--溶解度系数， kmol/(kN.m)。

溶解度系数H与亨利系数E的关系可推导如下：

若溶液的浓度为ckmol（A）kmol/m3 而密度为ρkg/m3 ，则1m3 溶液中所自的溶质A为ckmol而溶剂S为kmo1（MA及MS分别为溶质A及溶剂S的分子量，于是可知溶质在液相中的摩尔分率为：

将上式代入式2－1可得：

将此式与式2-2比较，可知：

对于稀溶液来说，c值很小，此式等号右端分母中的C（MS－MA）与ρ相比可以忽略不计，故上式简化为：

溶解度系数H当然也是温度的函数。对于一定的鞭质和溶剂，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值则很小。

若溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率X及y表示，亨利定律可写成如下形式，即：

(2-5)

式中 x--液相中溶质的摩尔分率；

y--与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率；

m--相平衡常数，或称分配系数，无因次。

若系统总压为P，则由分压定作可知溶质在气相中的分率为

p = Py

同理 p* = Ey*

将上式代入式2－1可得：

将此式与式2－5相比较，可知：

(2-6)

相平衡常数ｍ也是由实验结果计算出来的数值。对于一定的物系，它是温度和压强的函数。由ｍ的数值大小同样可以比较不同气体溶解度的大小，ｍ值愈大，则表明该气体的溶解度愈小。由式2－6可以看出，温度升高、总压下降则m值变大，不利于吸收操作。

在吸收计算中常可认为惰性组分不进入液相，溶剂也没有显著的气化现象，因而在塔的各个横截面上，气相中惰性组分B的摩尔流量和液相中溶剂S的摩尔流量不变。若以B和S 的量作为基准分别表示溶质A在气液两相中的浓度，对吸收的计算会带来一些方便。为此，常采用摩尔比Y和X分别表示气液两相的组成。摩尔比的定义如下：

（2-7）

（2-8）

由上二式可知：

（2-7a）

（2-8a）

将式2－7a及2－8ａ代入式2－5可得：

整理后得到：

（2-9）

式2－9是由亨利定律导出的，此式在Y-X直角坐标系中的图形总是曲线。但是，当溶液浓度很低时，式2－9等号右端分母趋近于1，于是该式可简化为：

（2一10）