第三章 传质过程-II.ppt

第 II 部分 吸收 吸收可分为物理吸收和化学吸收两类。 （一） 物理吸收 内涵：吸收组分仅溶解于吸收剂中，并不与吸收剂发生化学反应。 物理吸收的速率主要取决于组分从气相转移到液相的扩散速率； 物理吸收所能达到的最大的程度取决于在吸收条件下气体在液体中的平衡溶解度。 （二） 化学吸收 内涵：在吸收过程中组分与吸收剂还发生化学反应，这种吸收就叫做化学吸收。 化学吸收的速率除了与扩散速率有关外，有时还与化学反应的速率有关； 化学吸收的极限同时取决于气液相的平衡关系和其化学反应的平衡关系。 吸收在工程中应用非常广泛，例如用水除去合成氨原料气中的CO2，用中油吸收煤焦油中的萘和甲苯，用水吸收氨以制得氨水，用丙酮吸收乙烯和丙炔混合物中的乙炔等。 §1 吸收原理和装置流程 吸收操作是在一种称为“吸收塔”的设备中进行的。如图3-II-1所示。 吸收塔中通常采用的是连续逆流操作，因为逆流推动力大，传质速率快，分离效果好。 图3-II-1 图3-II-1（a）中，在吸收塔塔顶喷淋液体吸收剂C，混合气由塔底进入，它与液体逆流而上，塔内装有各种板或填料，气液两相在塔内密切接触，液体吸收剂选择性地吸收易溶的气体A后从塔底排出；难溶的气体B则从塔顶引出，这样就实现了分离混合物中组分A和B的目的。 当吸收反应的放热量很大，或需要加大液体喷淋量以保证填料表面润湿时，也可加大吸收剂量，然后将吸收后的吸收液部分出料，经冷却后在塔内循环使用（图3-II-1b）。 工业上的吸收操作可以采用单塔操作流程。若生产任务很大，用一个塔时嫌尺寸太大，则可采用多塔，即将大塔分成几个小塔，相互连接而成一套塔组。如塔径过大，则将大塔分成几个小塔并联；如塔太高，则将几个小塔串联起来操作。近年来由于塔板效率的提高和化工装置大型化，又多采用了单塔操作。 上述的吸收过程是用吸收剂吸收气体中的有用组分，有时也需要用吸收剂除去气体中不要的组分，两者仅仅在工艺上不相同，其基本原理则是一样的，所以其流程也基本相似。 经过吸收过程以后，吸收剂中溶入了被吸收组分，如果吸收剂需反复使用，或根据工艺需要，要求从吸收剂中分离出有用的吸收组分，则需要多种方法，例如增加解吸（为了吸收的相反过程，使溶解的气体组分析出，解吸在工业上有时也称“吹出”）装置或采用其它分离方法，这样，在吸收流程上还需要加上后处理的工序。 §2 吸收的气液平衡关系 混合气中各组分在液体吸收剂中具有不同的溶解度，这是能够利用吸收操作分离气体混合物的依据。因此气体混合物中被吸收的组分在吸收剂中溶解度的大小，决定着吸收过程能否进行，以及进行的极限。 在一定的温度和压力下，当吸收剂和混合气体接触时，气体中的吸收质就向液体吸收剂中转移，进行吸收；同时，溶液中被吸收的吸收质也可能由液相向气相传递，进行解吸。 开始时吸收是主要的，而随着时间的延长，吸收质在溶液中的浓度逐渐增加，相应地吸收质从气相向液体的传递速度逐渐减慢，从液相向气相的传递速度却逐渐加快。 经过足够长的时间接触后，当吸收速度和解吸速度相等，气相和液相中吸收质的浓度不再变化时，气液两相就达到了相际动平衡，简称相平衡或平衡。 达到平衡时，溶液的浓度为平衡浓度，也即吸收质在液体中的最大溶解度，也叫平衡溶解度；溶液上方溶解气体的分压称为平衡分压。 例如通过实验测得293 [K]和303 [K]时SO2的两组溶解度数据如表3-II-1所示，如将这些数据绘在坐标图上，就可得到上述温度条件下SO2在水中得溶解度曲线，也就是气－液两相得平衡曲线，如图3-II-2所示。 图3-II-2 SO2在水中的溶解度 综观平衡时吸收质的分压和溶液浓度，可发现它们之间一般存在一定的函数关系，如 p* = f (x)。 实验结果表明，在一定温度下，对于多数气体的稀溶液，在气体总压不高（低于5 [大气压]，即506.5 [kPa]）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，这一规律也就是亨利（Henry）定律。 亨利（Henry）定律数学表达式可写成： p* = Ex (3-II-1) 式中：p* － 气相中吸收质的平衡分压 [kPa]； x － 液相中吸收质的浓度 [摩尔分数]； E － 亨利系数 [kPa]。 E值的大小表示气体被吸收的难易程度。显然，E值愈大，气体愈难于被吸收，反之，则愈容易被吸收。对于一定的系统，E值随温度的增高而加大。 在实际应用中，亨利定律表达式还有其他的常用形式，例如： （1）液相中吸收质浓度用c [kmol/m3]表示：