气体吸收.

华中师范大学化工基础教案 气体吸收

- 1 - 8 气体吸收

8.1概述

（1）吸收的目的：在化学工业种，将气体混合物种的各组分加以分离，

其目的是：

① 回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；

② 除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，如有害气体会使催化剂中毒，必须除去；或除去工业放空尾气中的有害物，以免污染大气。

（2）吸收的依据

为达到吸收分离气体混合物的目的，要用什么物质（溶剂，吸收剂），其分离的依据使什么？（气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同，若各组分在吸收剂中的溶解度差异越大，吸收 华中师范大学化工基础教案 气体吸收

- 2 - 的选择性越好）例如欲分离氨气＋空气的混合物，可选择水做溶剂，因为氨水在水中的溶解度最大，而空气几乎不溶于水。

（3）工业吸收设备及气、液两相接触方式

我们已经了解了吸收的依据，下面再思考一个问题，上述密闭容器能否用作工业吸收设备？（可以，但吸收效果不好，原因在于气、液两相接触情况不好）对工业吸收设备有什么要求？（尽可能提供气、液两相有足够大的接触面积，尽可能使气、液两相接触充分，尽可能使气、液两相的传质推动力大（逆流））为达到上述要求，目前工业上常用的吸收设备使塔设备，按气、液两相在塔中的接触方式不同分为级式接触和微分接触两大类。

在工业上，上述两种不同接触方式的传质设备不仅用于气体吸收，同样也可用于液体精馏、萃取等其他传质单元操作。两类设备可采用完全不同的计算方法，本章吸收主要讨论填料塔的计算方法，下章精馏主要讨论板式塔的计算方法，而两种方法之间的关系及具体的塔结构及其设计计算在塔设备一章中介绍。

在工业上，两种形式的塔设备大多情况均为连续操作，即设备内的参数都不随时间变化，称为定态连续过程。当然也可以式间歇操作的非定态过程，很少见，故后面除特殊说明外，均指连续定态操作。

（4）工业吸收流程

由流程图可见，采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题：

① 选择合适的溶剂，使能选择性比溶解某个（或某些）被分离组风；

② 提供适当的传质设备（多位填料塔，也有板式塔）以实现气液两相的接触，使被分离组分得以从气相转移到液相（吸收）或相反（解吸）； 氨气（浓度高）＋空气（惰性气体）

（溶质，被吸收组分） 氨气（浓度低）＋空气

水（溶剂） 密闭容器 总压p

溶质（A）分压Ap

ep与溶液中A的浓度成平衡的气相分压

eApp吸收，eApp解吸，eApp平衡，

eApp——吸收总推动力亦可用其他浓度差表示推动力， 华中师范大学化工基础教案 气体吸收

- 3 - ③ 溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。除了制取溶液产品只需单独吸收外，一般都要进行解吸操作，使溶剂再生循环使用。

总之，一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和解吸两个组成部分。

（5）溶剂的选择

吸收操作的成功与否在很大程度上决定于溶剂的性质，特别是溶剂与气体混合物之间的相平衡关系。根据物理化学中有关相平衡的知识可知，评价溶剂优劣的主要依据应包括以下几点：

① 溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解度，或者说在一定的温度与浓度下，溶质的平衡分压要低。这样，从平衡角度来说，处理一定量混合气体所需溶剂量较少，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低；就过程数率而言，溶质平衡分压ep↓，过程推动力eApp大，传质数率快，所需设备尺寸小。

② 溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶剂应具备较高的选择性。若溶剂的选择性不高，将同时吸收混合物中的其他组分，只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较为完全的分离。

③ 溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小，而且随着温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升。这样，被吸收的气体容易解吸，溶剂再生方便。

④ 溶剂的蒸汽压要低，不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸收和再生过程的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂质。

⑤ 溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质；

⑥ 溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离。

⑦ 溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。

实际上很难找到一个理想得溶剂能够满足上述所有要求，应对可供选择得溶剂做全面得评价，以便作出经济、合理得选择。

（6）吸收操作得经济性

吸收总费用＝设备（塔、换热器等）折旧费＋操作费（占比重大）

操作费用主要包括：

① 气、液两相流经吸收设备得能量消耗；

② 溶剂得挥发度损失和变质损失；

③ 溶剂得再生费用，即解吸操作费用。（在三者中占比例最大）

常用得解吸方法有升温、吹气、减压，其中升温与吹气特别是升温与吹气同时使用最为常见。减压有利解吸，加压有利吸收，溶剂在吸收与解吸设备之间循环，其间得加热和冷却、泄压与加压必消耗较多得能量，故采用减压解吸不常见。若溶剂得溶解能力差，离开吸收塔得吸收液中溶质浓度低，则所需得溶剂循环量大，再生能耗也大。若溶剂得溶解能力对温度变化不敏感，所需解吸温度较高，溶剂再生得能耗也将增大。

若吸收了溶质以后得溶液是产品，此时不再需要溶剂的再生，这种吸收过程自然是最经济的。

提高吸收操作经济性的一种措施是对吸收系统进行优化设计（使系统的总费用最低），单塔吸收优化设计较容易，解题指南中有介绍（课程优化设计要做），吸收—解吸系统优化设计较难，许多问题有待研究解决（感兴趣的同学可去解决）

（7）物理吸收和化学吸收

① 物理吸收：吸收时溶质与溶剂不发生明显的化学反应，如上述洗油吸收苯，水吸收CO2、SO2等。

② 化学吸收：吸收时溶质与溶剂或溶液中的其它物质发生化学反应。如CO2在水中的溶解度甚低，但若用K2CO3水溶液吸收CO2，则在液相中发生下列反应：

K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3

从而使K2CO3水溶液具有较高的吸收CO2的能力，作为化学吸收可被利用的化学反应一般都满足以下条件：

a. 可逆性。若该反应不可逆，溶剂将难以再生和循环使用 华中师范大学化工基础教案

气体吸收

- 4 - b. 较高的反应数率。若反应速率较慢，应研究加入适当的催化剂以加快反应速率。

（8）本章所作的基本假定

① 单组分吸收。其余组分可视为一个惰性组分

② 溶剂的蒸汽压很低，因此气相中不含溶剂蒸汽

8.2气液相平衡

吸收（传质）与传热两个过程的相似处：

传热与吸收过程均由三步构成（解释三步相似），但两个过程也有不同处：传热的推动力是两流体的温度差，过程的极限是两流体的温度相等；吸收的推动力不是两相的浓度差，过程的极限也不是两相的浓度相等。这是由于气液之间的相平衡不同于冷热流体之间的热平衡，气液相平衡关系是吸收过程的重要基础，我们将详细讨论它。

8.2.1平衡溶解度

在一定的温度t与总压p下，使一定量的溶剂与溶质接触，溶质便由气相向液相转移，随着溶液浓度的逐渐增高，传质速率将逐渐减慢，最后降为零，此时液相中溶质达到饱和，浓度达到一最大限度ex（x为液相中溶质A的摩尔分数，下标e代表平衡），这时称气液两相达到相平衡，ex称为平衡溶解度，简称为溶解度（溶解度可以用不同的方式表示，相平衡关系亦可用不同的方式表示，如ep～x、ep～ex、ey～x、ey～ex等）。

注意：此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，在宏观上过程就象是停止了。这种状态称为相际动平衡，简称相平衡。

（1）溶解度曲线

对单组分物理吸收的物系，根据相律，自由度数F为F=C-Φ+2=3-2+2=3(C=3,溶质A，惰性组分B,溶剂S，Φ＝2，气、液两相)，即在温度t，总压p，气、液相组成共4个变量中，由3个自变量（独立变量），另1个是它们的函数，故可将平衡时溶质在气相中的分压ep表达为温度t，总压p和溶解度x的函数：xptgpe、、

有关气液相平衡关系的理论还不够完善，故上述平衡关系的具体函数形式还不能从理论上推出，一般时针对具体物系进行实验测定。实验表明，当总压不太高（一般p<0.5Mpa）时，p对平衡的影响可以忽略，而温度t对平衡的影响颇大。图8-3为不同温度下氨在水中的溶解度曲线。从此图可以看出，t↑同一ep下x↓或同一x下ep↑。ep～x图直接反映了相平衡的本质（气相组成用分压表示直观），可直截了当地用以思考与分析。后面在讨论吸收塔的计算问题时所涉及到的许多关系式如物料衡算关系式、填料层高度计算式等其中的气液组成均用摩尔分数y（气相）、x（液相）表示，故以摩尔分数y、x表示的相平衡关系可以方便地与吸收的上述关系一起对整个吸收过程进行数学描述。图8-4为SO2 在101.3Kpa下在水中的溶解度曲线，图中气、液组成用摩尔分数y、x表示。图华中师范大学化工基础教案 气体吸收

- 5 - 8-3ep～x关系曲线为何不指定总压p？（p<0.5Mpa时总压对ep～x的对应关系的影响可略去）图8-4y～x关系曲线为何要指定总压p？（p变，PpyA变，y～x溶解度曲线的位置不同）。

（2）亨利定律

吸收操作最常用于分离低浓度的气体混合物，此时液相的浓度x通常比较低，即常在稀溶液范围内。稀溶液的溶解度曲线通常近似地为一过原点的直线，即气液两相的浓度成正比，这一关系称为亨利定律。气液组成用不同的单位表示时，亨利定律有以下3种形式

Expe 解题指南 AAExp*

HCpe 解题指南 AAHpC*或HCpAA*

mxye 解题指南 mxy*

上述3种形式的亨利定律，最常见的是最后一种形式，式中m称为相平衡常数，无因次。但题目有时不是已知m，而是给定亨利常数E(或H)，必须知道它们相互间的换算关系。

mxxpEyxpEppee pEm

HCCCEExpMe MHCE

MC为溶液的总摩尔浓度，MMMMC

注意：解题指南MC用C表示。解题指南H与本书H互为倒数，故HCE.

对稀水溶液，5.5502.181000MCKmol/m3，此数据应记住，考试时不给。

),(ptm，m小，溶解度大，对水吸收有利，t↓，p↑， m↓。

例8-1①平衡数据a换算成x；

②y～x曲线与总压有关。

8.2.2相平衡吸收过程的关系

（1）判别过程的方向

①y>ey或xep吸收）

②yex解吸（Ap

（2）指明过程的极限

（3）计算过程的推动力

8.3 扩散和单相传质

在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题：过程的极限和过程的数率。吸收过程的极限决定于吸收的相平衡常数，在8.2节中作了讨论。本节将讨论吸收的速率问题。吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步骤：

① 溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；

② 溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程

③ 溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。 溶液平均密度