完整word版知识点21吸收过程概述与气液平衡关系良心出品必属精品.docx

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完整word版知识点21吸收过程概述与气液平衡关系良心出品必属精品

例2-1

例2-2

第二章气体吸收

本章学习指导

1.本章学习的目的

通过本章的学习，掌握气体吸收的基本概念和气体吸收过程的基本计算方法。

2.本章重点掌握的内容

（1）气体吸收过程的平衡关系

（2）气体吸收过程的速率关系

（3）低浓度气体吸收过程的计算

本章应掌握的内容

（1）费克定律和分子传质问题求解方法

（2）双膜模型

本章一般了解的内容

（1）溶质渗透模型和表面更新模型

（2）吸收系数

3.本章学习应注意的问题

（1）表示吸收过程的平衡关系为亨利定律，亨利定律有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间联系。

（2）表示吸收过程的速率关系为吸收速率方程，吸收速率方程有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间的联系。

（3）学习分子传质，不要机械地记忆各过程的求解结果，应注意把握求解的思路和应用背景。

（4）学习中应注意把握传质机理和吸收过程机理之间的联系，注意体会讲述传质机理和吸收过程机理的目的和意义。

吸收过程概述

气体吸收的原理与流程

气体吸收的工业应用

气体吸收的分类

吸收剂的选择

吸收过程的气液平衡关系

气体在液体中的溶解度

亨利定律

知识点2-1吸收过程概述与气液平衡关系

【学习指导】

1.学习目的

通过本知识点的学习，应掌握气体吸收的基本原理、吸收塔流程和气液平衡关系。

2.本知识点的重点

吸收过程的气液平衡关系。

3.本知识点的难点

本知识点无难点。

一、吸收过程概述

1.气体吸收的原理与流程

气体吸收是典型的化工单元操作过程。

气体吸收的原理是，根据混合气体中各组分在某液体溶剂中的溶解度不同而将气体混合物进行分离。

吸收操作所用的液体溶剂称为吸收剂，以S表示；混合气体中，能够显著溶解于吸收剂的组分称为吸收物质或溶质，以A表示；而几乎不被溶解的组分统称为惰性组分或载体，以B表示；吸收操作所得到的溶液称为吸收液或溶液，它是溶质A在溶剂S中的溶液；被吸收后排出的气体称为吸收尾气，其主要成分为惰性气体B，但仍含有少量未被吸收的溶质A。

吸收过程通常在吸收塔中进行。

根据气、液两相的流动方向，分为逆流操作和并流操作两类，工业生产中以逆流操作为主。

吸收塔操作示意图如图2-1所示。

应予指出，吸收过程使混合气中的溶质溶解于吸收剂中而得到一种溶液，但就溶质的存在形态而言，仍然是一种混合物，并没有得到纯度较高的气体溶质。

在工业生产中，除以制取溶液产品为目的的吸收（如用水吸收HCl气制取盐酸等）之外，大都要将吸收液进行解吸，以便得到纯净的溶质或使吸收剂再生后循环使用。

解吸也称为脱吸，它是使溶质从吸收液中释放出来的过程，解吸通常在解吸塔中进行。

图2-2所示为洗油脱除煤气中粗苯的流程简图。

图中虚线左侧为吸收部分，在吸收塔中，苯系化合物蒸汽溶解于洗油中，吸收了粗苯的洗油（又称富油）由吸收塔底排出，被吸收后的煤气由吸收塔顶排出。

图中虚线右侧为解吸部分，在解收塔中，粗苯由液相释放出来，并为水蒸汽带出，经冷凝分层后即可获得粗苯产品，解吸出粗苯的洗油（也称为贫油）经冷却后再送回吸收塔循环使用。

2.气体吸收的工业应用

气体吸收在化工生产中的应用大致有以下几种。

（1）净化或精制气体。

混合气的净化或精制常采用吸收的方法。

如在合成氨工艺中，采用碳酸丙烯酯（或碳酸钾水溶液）脱除合成气中的二氧化碳等。

（2）制取某种气体的液态产品。

气体的液态产品的制取常采用吸收的方法。

如用水吸收氯化氢气体制取盐酸等。

（3）回收混合气体中所需的组分。

回收混合气体中的某组分通常亦采用吸收的方法。

如用洗油处理焦炉气以回收其中的芳烃等。

（4）工业废气的治理。

在工业生产所排放的废气中常含有少量的SO2、H2S、HF等有害气体成分，若直接排入大气，则对环境造成污染。

因此，在排放之前必须加以治理，工业生产中通常采用吸收的方法，选用碱性吸收剂除去这些有害的酸性气体。

3.气体吸收的分类

气体吸收过程通常按以下方法分类。

（1）单组分吸收与多组分吸收吸收过程按被吸收组分数目的不同，可分为单组分吸收和多组分吸收。

若混合气体中只有一个组分进入液相，其余组分不溶（或微溶）于吸收剂，这种吸收过程称为单组分吸收。

反之，若在吸收过程中，混合气中进入液相的气体溶质不止一个，这样的吸收称为多组分吸收。

（2）物理吸收与化学吸收在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生显著的化学反应，可以把吸收过程看成是气体溶质单纯地溶解于液相溶剂的物理过程，则称为物理吸收。

相反，如果在吸收过程中气体溶质与溶剂（或其中的活泼组分）发生显著的化学反应，则称为化学吸收。

（3）低浓度吸收与高浓度吸收在吸收过程中，若溶质在气液两相中的摩尔分率均较低（通常不超过0.1），这种吸收称为低浓度吸收；反之，则称为高浓度吸收。

对于低浓度吸收过程，由于气相中溶质浓度较低，传递到液相中的溶质量相对于气、液相流率也较小，因此流经吸收塔的气、液相流率均可视为常数。

（4）等温吸收与非等温吸收气体溶质溶解于液体时，常由于溶解热或化学反应热，而产生热效应，热效应使液相的温度逐渐升高，这种吸收称为非等温吸收。

若吸收过程的热效应很小，或虽然热效应较大，但吸收设备的散热效果很好，能及时移出吸收过程所产生的热量，此时液相的温度变化并不显著，这种吸收称为等温吸收。

工业生产中的吸收过程以低浓度吸收为主。

本章讨论单组分低浓度的等温物理吸收过程，对于其它条件下的吸收过程，可参考有关书籍。

4.吸收剂的选择

吸收是气体溶质在吸收剂中溶解的过程。

因此，吸收剂性能的优劣往往是决定吸收效果的关键。

选择吸收剂应注意以下几点。

（1）溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度越大，则传质推动力越大，吸收速率越快，且吸收剂的耗用量越少。

（2）选择性吸收剂应对溶质组分有较大的溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微，否则不能实现有效的分离。

（3）挥发度在吸收过程中，吸收尾气往往为吸收剂蒸汽所饱和。

故在操作温度下，吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小，以减少吸收剂的损失量。

（4）粘度吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动阻力越小，扩散系数越大，这有助于传质速率的提高。

（5）其它所选用的吸收剂应尽可能无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定。

二、吸收过程的气液平衡关系

吸收过程的气液平衡关系是研究气体吸收过程的基础，该关系通常用气体在液体中的溶解度及亨利定律表示。

1.气体在液体中的溶解度

在一定的温度和压力下，使一定量的吸收剂与混合气体接触，气相中的溶质便向液相溶剂中转移，直至液相中溶质组成达到饱和为止。

此时并非没有溶质分子进入液相，只是在任何时刻进入液相中的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，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，液相中的溶质组成称为平衡组成或饱和组成。

气体在液体中的溶解度，就是指气体在液体中的饱和组成。

气体在液体中的溶解度可通过实验测定。

由实验结果绘成的曲线称为溶解度曲线，某些气体在液体中的溶解度曲线可从有关书籍、手册中查得。

图2-3、图2-4和图2-5分别为总压不很高时氨、二氧化硫和氧在水中的溶解度曲线。

从图分析可知：

（1）在同一溶剂（水）中，相同的温度和溶质分压下，不同气体的溶解度差别很大，其中氨在水中的溶解度最大，氧在水中的溶解度最小。

这表明氨易溶于水，氧难溶于水，而二氧化硫则居中。

（2）对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度的升高而减小。

（3）对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。

由溶解度曲线所显示的上述规律性可看出，加压和降温有利于吸收操作，因为加压和降温可提高气体溶质的溶解度。

反之，减压和升温则有利于解吸操作。

2.亨利定律

对于稀溶液或难溶气体，在一定温度下，当总压不很高（通常不超过500kPa）时，互成平衡的气液两相组成间的关系用亨利（Henry）定律来描述。

因组成的表示方法不同，故亨利定律亦有不同的表达形式。

（1）p～x关系若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔分率x表示，则亨利定律可写成如下的形式，即

（2-1）

式中

p*—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，kPa。

式2-1称为亨利定律。

该式表明：

稀溶液上方的溶质分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数即为亨利系数。

对于理想溶液，在压力不高及温度恒定的条件下，p*~x关系在整个组成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汽压，此时亨利定律与拉乌尔定律是一致的。

但实际的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汽压，且只在液相溶质组成很低时才是常数。

因此，亨利定律适用范围是溶解度曲线直线部分。

亨利系数可由实验测定，亦可从有关手册中查得。

表2-1列出某些气体水溶液的亨利系数，可供参考。

表2-1某些气体水溶液的亨利系数

气体

温度/（℃）

种类

100

（E×10—6）/（kPa）

5.87

6.16

6.44

6.70

6.92

7.16

7.39

7.52

7.61

7.70

7.75

7.71

7.65

7.61

7.55

5.35

6.05

6.77

7.48

8.15

8.76

9.36

9.98

10.5

11.0

11.4

12.2

12.7

12.8

空气

4.38

4.94

5.56

6.15

6.73

7.30

7.81

8.34

8.82

9.23

9.59

10.2

10.6

10.8

10.9

10.8

3.57

4.01

4.48

4.95

5.43

5.88

6.28

6.68

7.05

7.39

7.71

8.32

8.57

2.58

2.95

3.31

3.69

4.06

4.44

4.81

5.14

5.42

5.70

5.96

6.37

6.72

6.96

7.08

7.10

CH4

2.27

2.62

3.01

3.41

3.81

4.18

4.55

4.92

5.27

5.58

5.85

6.34

6.75

6.91

7.01

7.10

1.71

1.96

2.21

2.45

2.67

2.91

3.14

3.35

3.57

3.77

3.95

4.24

4.44

4.45

4.58

4.60

C2H6

1.28

1.57

1.92

2.90

2.66

3.06

3.47

3.88

4.29

4.69

5.07

5.72

6.31

6.70

6.96

7.01

（E×10-5）/（kPa）

C2H4

5.59

6.62

7.78

9.07

10.3

11.6

12.9

N2O

1.19

1.43

1.68

2.01

2.28

2.62

3.06

---

CO2

0.378

0.8

1.05

1.24

1.44

1.66

1.88

2.12

2.36

2.60

2.87

3.46

C2H2

0.73

0.85

0.97

1.09

1.23

1.35

1.48

Cl2

0.272

0.334

0.399

0.461

0.537

0.604

0.669

0.74

0.80

0.86

0.90

0.97

0.99

0.97

0.96

H2S

0.272

0.319

0.372

0.418

0.489

0.552

0.617

0.686

0.755

0.825

0.689

1.04

1.21

1.37

1.46

1.50

（E×10-4）/（kPa）

SO2

0.167

0.203

0.245

0.294

0.355

0.413

0.485

0.567

0.661

0.763

0.871

1.11

1.39

1.70

2.01

对于一定的气体溶质和溶剂，亨利系数随温度而变化。

一般说来，温度升高则E增大，这体现了气体的溶解度随温度升高而减小的变化趋势。

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。

（2）p～c关系若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔浓度c表示，则亨利定律可写成如下的形式，即

（2-2）

式中

c—溶液中溶质的摩尔浓度，kmol/m3；

p*—气相中溶质的平衡分压，kPa；

H—溶解度系数，kmol/（m3·kPa）。

溶解度系数H也是温度的函数。

对于一定的溶质和溶剂，H值随温度升高而减小。

易溶气体的H值很大，而难溶气体的H值则很小。

溶解度系数H与亨利系数E的关系可推导如下：

设溶液的体积为Vm3，浓度为ckmol（A）/m3，密度为kg/m3，则溶质A的总量为cVkmol，溶剂S的总量为（V-cVMA）/MSkmol（MA及MS分别为溶质A和溶剂S的摩尔质量），于是溶质A在液相中的摩尔分率为

（2-3）

将上式代入式2-1可得

将此式与式2-2比较可得

对稀溶液，c值很小，c（MS-MA）<<，故上式可简化为

（2-4）

（3）y～x关系若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔分率y、x表示，则亨利定律可写成如下的形式，即

（2-5）

式中

x—液相中溶质的摩尔分率；

y*—与液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率；

m—相平衡常数，或称为分配系数。

对于一定的物系，相平衡常数m是温度和压力的函数，其数值可由实验测得。

由m值同样可以比较不同气体溶解度的大小，m值越大，则表明该气体的溶解度越小；反之，则溶解度越大。

若系统总压为P，由理想气体分压定律可知p=Py

同理p*=Py*

上式代入2-1可得Py*=Ex，y*=Ex/P

将此式与式2-5比较可得

（2-6）

将式2-6代入式2-4，即可得H～m的关系为

（2-7）

（4）Y～X关系式2-5是以摩尔分率表示的亨利定律。

摩尔分率是指混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的分率，但在吸收过程中，混合物的总摩尔数是变化的。

如用水吸收混于空气中氨的过程，氨作为溶质可溶于水中，而空气与水不能互溶（称为惰性组分）。

随着吸收过程的进行，混合气体及混合液体的摩尔数是变化的，而混合气体及混合液体中的惰性组分的摩尔数是不变的。

此时，若用摩尔分率表示气、液相组成，计算很不方便。

为此引入以惰性组分为基准的摩尔比来表示气、液相的组成。

摩尔比的定义如下：

X＝（液相中溶质的摩尔数）/（液相中溶剂的摩尔数）

＝x/（1-x）（2-8）

Y＝（气相中溶质的摩尔数）/（气相中惰性组分的摩尔数）＝y/（1-y）（2-9）

上述二式也可变换为

（2-10）

（2-11）

将式2-10和2-11代入式2-5可得

整理得

（2-12）

当溶液组成很低时，（1-m）X<<1，则式2-12可简化为

（2-13）

式2-13表明当液相中溶质组成足够低时，平衡关系在Y~X图中可近似地表示成一条通过原点的直线，其斜率为m。

应予指出，亨利定律的各种表达式所描述的都是互成平衡的气液两相组成之间的关系，它们既可用来根据液相组成计算与之平衡的气相组成，也可用来根据气相组成计算与之平衡的液相组成。

因此，上述亨利定律表达形式可改写为

【例题与解题指导】

【例2-1】含有10％（体积%）C2H2的某种混合气体与水充分接触，系统温度为30℃，总压为101.3kPa。

试求达平衡时液相中C2H2的摩尔浓度。

解：

混合气体按理想气体处理，由理想气体分压定律可知，C2H2在气相中的分压为

kPa

C2H2为难溶于水的气体，其水溶液的组成很低，故气液平衡关系符合亨利定律，并且溶液的密度可按纯水的密度计算。

查得30℃水的密度为=995.7kg/m3

由

故

查表2-1可知，30℃时C2H2在水中的亨利系数E=1.48105kPa。

故

kmol/m3

分析：

求解本题的关键是熟练掌握亨利定律的表达式和各系数间的关系。

【例2-2】在总压101.3kPa及30℃下，氨在水中溶解度为1.72g（NH3）/100g（H2O）。

若氨水的气液平衡关系符合亨利定律，相平衡常数为0.764，试求气相组成Y。

解：

先求液相组成

由亨利定律，求气相组成

则

分析：

求解本题的关键是熟练掌握亨利定律的表达式及摩尔比的定义。

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