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化工原理第八章吸收第一节概述一、吸收剂的选择实践证明，吸收的好坏与吸收剂用量关系很大，而吸收剂用量又随吸收剂的种类而变。可见，选择吸收剂是吸收操作的重要环节。选择吸收剂时，通常从以下几个方面考虑：1．溶解度吸收剂对于溶质组分应具有较大的溶解度，这样可以加快吸收过程并减少吸收剂本身的消耗量。2．选择性吸收剂要在对溶质组分有良好吸收能力的同时，对混合气体中的其他组分却能基本上不吸收或吸收甚微，否则不能实现有效的分离。第一节概述3．挥发度操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小，以减少吸收过程中吸收剂的损失。4．腐蚀性吸收剂若无腐蚀性，则对设备材质无过高要求，可以减少设备费用。5．黏性操作条件下吸收剂的黏度要低，这样可以改善吸收塔内的流动状况从而提高吸收速率，且有助于降低输送能耗，还能减小传热阻力。第一节概述6．其他吸收剂还应具有较好的化学稳定性，不易产生泡沫，无毒性，不易燃，凝固点低，价廉易得等经济和安全条件。实际生产中，满足上述全部条件的吸收剂是很难找到的，往往要对可供选择的吸收剂进行全面的评价以做出经济合理的选择。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在吸收操作中气体的总量和液体的总量都随操作的进行而改变，但惰性气体和吸收剂的量始终保持不变。因此，在吸收计算中，相组成以比质量分数或比摩尔分数表示较为方便。1．比质量分数与比摩尔分数（1）比质量分数混合物中某两个组分的质量之比称为比质量分数，用符号表示。即：（8-1）KgBKgA−==第二节吸收过程的相平衡关系（2）比摩尔分数混合物中某两个组分的摩尔数之比称为比摩尔分数，用符号（或）表示。即：kmolA/kmolB(8-2a)如果混合物是双组分气体混合物时，上式则用与的关系表示为：kmolA/kmolB（8-2b）（3）比质量分数与比摩尔分数的换算关系（8-3）AABAAxxxxX−==1AABAAyyyyY−==1BAABBAABAAMMXMnMnmmW===第二节吸收过程的相平衡关系式中、分别为混合物中、组分的千摩尔质量，kg/kmol。在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时，通常以在操作中不转移到另一相的组分作为组分。在吸收中，组分是指吸收剂或惰性气，组分是指吸收质。2．质量浓度与物质的量浓度质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对于组分,有（8-4）式中——混合物中组分的质量浓度，㎏/m3；——混合物的总体积，m3。AMBMVmAA=ρAρV第二节吸收过程的相平衡关系物质的量浓度是单位体积混合物内所含物质的量（用千摩尔数表示）。对于气体混合物，在压强不太高、温度不太低的情况下，可视为理想气体，则组分，有（8-5）式中——混合物中组分的物质的量浓度，kmol/m3。==VncAARTpAAc第二节吸收过程的相平衡关系二、气液相平衡关系吸收的相平衡关系，是指气液两相达到平衡时，被吸收的组分（吸收质）在两相中的浓度关系，即吸收质在吸收剂中的平衡溶解度。1．气体在液体中的溶解度在恒定的压力和温度下，用一定量的溶剂与混合气体在一密闭容器中相接触，混合气中的溶质便向液相内转移，而溶于液相内的溶质又会从溶剂中逸出返回气相。随着溶质在液相中的溶解量增多，溶质返回气相的量也在逐渐增大，直到吸收速率与解吸速率相等时，溶质在气液两相中的浓度不再发生变化，此时气液两相达到了动平衡。平衡时溶质在气相中的分压称为平衡分压，用符号表示；溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度；它们之间的关系称为相平衡关系。∗Ap第二节吸收过程的相平衡关系相平衡关系随物系的性质、温度和压力而异，通常由实验确定。图8-1是由实验得到的SO2和NH3在水中的溶解度曲线，也称为相平衡曲线。图中横坐标为溶质组分(SO2、NH3)在液相中的摩尔分数，纵坐标为溶质组分在气相中的分压。从图中可见：在相同的温度和分压条件下，不同的溶质在同一个溶剂中的溶解度不同，溶解度很大的气体称为易溶气体，溶解度很小的气体称为难溶气体；同一个物系，在相同温度下，分压越高，则溶解度越大；而分压一定，温度越低，则溶解度越大。这表明较高的分压和较低的温度有利于吸收操作。在实际吸收操作过程中，溶质在气相中的组成是一定的，可以借助于提高操作压力来提高其分压；当吸收温度较高时，则需要AxApApp第二节吸收过程的相平衡关系采取降温措施，以增大其溶解度。所以，加压和降温对吸收操作有利。反之，升温和减压则有利于解吸。对于同样浓度的溶液，易溶气体在溶液上方的气相平衡分压小，难溶气体在溶液上方的平衡分压大。图8-1气体溶解度曲线第二节吸收过程的相平衡关系2．亨利定律（1）亨利定律在一定温度下，对于稀溶液，在气体总压不高（≯500kpa）的情况下，吸收质在液相中的浓度与其在气相中的平衡分压成正比：（8-6）式中——溶质在气相中的平衡分压，kPa；——溶质在溶液中的摩尔分数；——亨利系数，其单位与压力单位一致。式（8-6）即为亨利定律的数学表达式，它表明稀溶液上方的溶质平衡分压与该溶质在液相中的摩尔分数成正比，比例系数称为亨利系数。亨利系数的数值可由实验测得，表8-1列出了某些气体水溶液的亨利系数值。AAExp=∗∗ApAxE∗ApAx第二节吸收过程的相平衡关系表8-1某些气体水溶液的亨利系数值（E×10-6/kPa）由表8-1中的数值可知：不同的物系在同一个温度下的亨利系数不同；当物系一定时，亨利系数随温度升高而增大，温度愈高，溶解度愈小。所以亨利系数值愈大，气体愈难溶。在同一溶剂中，难溶气体的值很大，而易溶气体的值很小。（2）亨利定律的其他表达形式由于互成平衡的气、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。第二节吸收过程的相平衡关系①用量浓度表示若将亨利定律表示成溶质在液相中的量浓度与其在气相中的分压之pA*间的关系，则可写成如下形式，即：（8-7）式中H——溶解度系数，kmol/(m3．Pa)。由实验测定，其值随温度的升高而减小。H值的大小反映气体溶解的难易程度，对于易溶气体，值很大；对于难溶气体，值很小。溶解度系数与亨利系数的关系如下：（8-8）HcpAA=*剂剂EMHρ=第二节吸收过程的相平衡关系式中——溶剂的密度，kg/m3；——溶剂的千摩尔质量，kg/kmol。②用摩尔分数表示如果气相中吸收质浓度用摩尔分数表示,则，式（8-6）可写为：（8-9）式中m称为相平衡常数，它与亨利系数之间的关系为。由式（8-9）可以看出，值越大，表明该气体的溶解度越小。剂ρ剂MAAAmxxpEy==∗pEm=第二节吸收过程的相平衡关系③用比摩尔分数表示如果气液两相组成均以比摩尔分数表示时，式（8-9）又可写为：整理，得（8-10）当溶液很稀时，必然很小，上式分母中一项可忽略不计，因此上式可简化为（8-11）AAAAXXmYY+=+∗∗11AAAXmmXY)1(1−+=∗AAmXY=∗AXAXm)1(−第二节吸收过程的相平衡关系（3）吸收平衡线表明吸收过程中气、液相平衡关系的图线称吸收平衡线。在吸收操作中，通常用图来表示。图8-2吸收平衡线第二节吸收过程的相平衡关系式（8-10）是用比摩尔分数表示的气液相平衡关系。它在坐标系中是一条经原点的曲线，称为吸收平衡线，如图8-2（a）所示；式（8-11）在图坐标系中表示为一条经原点、斜率为m的直线。如图8-2（b）所示。（4）相平衡在吸收过程中的应用①判断吸收能否进行。由于溶解平衡是吸收进行的极限，所以，在一定温度下，吸收若能进行，则气相中溶质的实际组成必须大于与液相中溶质含量成平衡时的组成，即。若出现时，则过程反向进行，为解吸操作。图8-2中的A点，为操作（实际状态）点，若A点位于平衡线的上方，为吸收过程；点在平衡线上，AY∗AYAY∗AYAY∗AYAY∗AY第二节吸收过程的相平衡关系YA-YA*，体系达平衡，吸收过程停止；当点位于平衡线的下方时，则YAYA*，为解吸过程。②确定吸收推动力。显然，YAYA*是吸收进行的必要条件，而差值△YA=YA-YA*则是吸收过程的推动力，差值越大，吸收速率越大。三、吸收机理1．传质的基本方式吸收过程是溶质从气相转移到液相的质量传递过程。由于溶质从气相转移到液相是通过扩散进行的，因此传质过程也称为扩散过程。扩散的基本方式有两种：分子扩散及涡流扩散，而实际传质操作中多为对流扩散。A第二节吸收过程的相平衡关系（1）分子扩散物质以分子运动的方式通过静止流体的转移，或物质通过层流流体，且传质方向与流体的流动方向相垂直的转移，导致物质从高浓度处向低浓度处传递，这种传质方式称为分子扩散。分子扩散只是由于分子热运动的结果，扩散的推动力是浓度差，扩散速率主要决定于扩散物质和静止流体的温度及某些物理性质。分子扩散现象在我们日常生活中经常遇到。将一勺砂糖放入杯水之中，片刻后整杯的水就会变甜；如在密闭的室内，酒瓶盖被打开后，在其附近很快就可闻到酒味。这就是分子扩散的表现。（2）涡流扩散在湍流主体中，凭借流体质点的湍动和漩涡进行物质传递的现象，称为涡流扩散。若将一勺砂糖放入杯水之中，用勺搅动，则将甜的更快更均，那便是涡流扩散的效果了。涡流扩散速率比分子扩散速率大得多，涡流扩散速率主要决定于流体的流动形态。第二节吸收过程的相平衡关系（3）对流扩散对流扩散亦称对流传质，对流传质包括湍流主体的涡流扩散和层流内层的分子扩散。2．双膜理论由于吸收过程是物质在两相之间的传递，其过程极为复杂。为了从理论上说明这个机理，曾提过多种不同的理论，其中应用最广泛的是1926年由刘易斯和惠特曼提出的“双膜理论”。双膜理论的模型如图8-3所示，双膜理论的基本要点如下：（1）相互接触的气、液两流体间存在着稳定的相界面，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。（2）在相界面处，气、液两相达于平衡。第二节吸收过程的相平衡关系（3）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。通过以上假设，就把整个相际传质过程简化为经由气、液两膜的分子扩散过程。双膜理论认为相界面上处于平衡状态，即图8-3中的与符合平衡关系。这样，整个相际传质过程的阻力便全部体现在两个有效膜层里。在两相主体浓度一定的情况下，两膜的阻力便决定了吸收速率的大小。因此，双膜理论也可称为双阻力理论。第二节吸收过程的相平衡关系图8-3双膜理论的假想模型示意图第二节吸收过程的相平衡关系图8-3所示为气体中的溶质气体在气相中的分压分布及液相中的浓度分布，根据双膜理论描绘出的示意图。由于气膜内的分压差的作用，气相中的溶质气体从气相主体转移到相界面，并在相界面处溶质气体溶解于液相中，又由于液膜浓度差的作用，从相界面转移到液相主体中。这非常类似于冷热两流体通过简壁进行的换热过程，即对流扩散、溶解和对流扩散。双膜理论把复杂的相际传质过程大为简化。对于具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质，双膜理论与实际情况是相当符合的。根据这一理论的基本概念所确定的相际传质速率关系，至今仍是传质设备设计的主要依据，这一理论对于生产实际具有重要的指导意义。cci−ipp−第二节吸收过程的相平衡关系四、吸收速率方程所谓吸收速率即指单位传质面积上单位时间内吸收的溶质量。表明吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式即为吸收速率方程式。吸收速率用符号NA表示，其单位为kmol/(㎡·s)。按照双膜理论，吸收过程无论是物质传递的过程，还是传递方向上的浓度分布情况，都类似于间壁式换热器中冷热流体之间的传热步骤和温度分布情况。所以可用类似于传热速率方程的形式来表达吸收速率方程。吸收速率=过程推动力/过程阻力=吸收系数×过程推动力由于吸收的推动力可以用各种不同形式的浓度差来表示，所以，吸收速率方程也有多种形式。第二节吸收过程的相平衡关系1.气膜吸收速率方程式吸收质从气相主体通过气膜传递到相界面时的吸收速率方程可表示为：（8-12a）或（8-12b）式中YA、Yi——气相主体和相界面处吸收质的比摩尔分数；K气——气膜吸收系数，kmol