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第5章 气体吸收
在化工生产中，通常会遇到均相物系混合物的分离问题，即将这些混合物分离为较净或几乎纯态的物质。利用原物系中各组分间某种物性的差异，从而将均相物系形成一个两相物质，达到分离的目的。物质在相间的转移过程称为物质传递过程（简称传质过程）。化学工业中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥、萃取和吸附等单元操作。
混合物
非均相混合物——有明显的相界面——
机械分离
均相混合物——以分子状态分散
溶液：液态、气态
引入添加剂（物质或能量）
传质分离
气体吸收、精馏、萃取、干燥、浸取
某种力场作用下速率差异实现混合物的分离
速率分离过程
反渗透、渗析、膜分离
一、吸收
1、定义：利用气体中各组分在液相中溶解度的差异而分离气体混合的操作称为吸收。
2、依据：气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同，使混合气得以分离。
3、几个概念
⑴所用液体称为吸收剂（或溶剂）。
⑵气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质。
⑶不被溶解的组分称为惰性气体或载体。
⑷吸收操作所得到的液体称为溶液（主要成分是吸收剂和溶质）。
⑸剩余的气体为尾气，主要成分为惰性气体，还有残余的吸收质。
（6）解吸（脱吸）——与吸收相反的操作，
溶质：液相 气相
二、吸收的分类
⑴按吸收方式分为：物理吸收和化学吸收
在吸收的过程中，如果溶剂中的气体不与溶剂发生明显的化学反应，所进行的操作称为物理吸收，如用水吸收ＣＯ２等。若气体溶解后与溶剂或预先溶于溶剂里的其它物质进行化学反应，则称为化学吸收。如用ＮａＯＨ溶液吸收CO2、ＳＯ２等。
⑵按组分数分为：：单组分吸收和多组分吸收。如制取盐酸、硫酸等为单组分吸收，回收苯、治理ＮＯ等为多组分吸收。
⑶按温度变化分为：等温吸收和非等温吸收
本章主要讨论低浓度、单组分的等温、物理吸收的原理与设备。
三、吸收操作的应用：
（１）分离和净化原料气。原料气在加工以前，其中无用的或有害的成分都要预先除去。如从合成氨所用的原料气中分离出ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｓ等杂质。
（2）某些产品的制取。如制酸工业中用水分别吸收混合气体中的HCl、ＳＯ３ 和ＮＯ２制取盐酸、硫酸和硝酸。
（3）废气的治理。生产过程中排放的废气往往含有对人体和环境有害的物质，如ＳＯ２、Ｈ２Ｓ等这类环境保护问题已愈来愈受重视。选择适当的工艺和溶剂进行吸收是废气治理中应用较广的方法。
四、实现吸收操作的条件
⑴选择适宜的吸收剂是实现吸收操作的必要条件
⑵利用混合气中各组分在相同条件下具有不同的溶解度是实现吸收操作的基本依据。
四、实现吸收操作的条件
⑶气液两相必须充分接触，要有足够的接触面积，才能完成吸收任务，达到分离效果。
⑷吸收和解吸联合操作，可使吸收剂再生而重复利用，降低生产成本。
五、吸收剂的选择（对吸收剂的要求）
⑴对被吸收的组分要有较大的溶解度，且有较好的选择性。即对溶质的溶解度要大，而对惰性气体几乎不溶解。
⑵要有较低的蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。
⑶要有较好的化学稳定性，以免使用过程中变质。
五、吸收剂的选择（对吸收剂的要求）
⑷腐蚀性要小,以减小设备费用和维修费。
⑸粘度要低，以利于传质及输送；比热要小，使再生时的耗热量较小、不易燃，利于安全生产。
⑹吸收后的溶剂应易于再生。
实际上很难找到一种能满足以上所有要求的溶剂，因此，对可供选用的溶剂应作经济评价后作出合理的选择。
六、吸收与蒸馏操作的区别
七、吸收操作流程：如下图
吸收操作流程
八、吸收设备
一、相组成的表示法
吸收剂和惰性气体的用量在吸收过程中不发生变化，只有吸收质的量发生变化。
1、比质量分率，XW、YW
混合气中两组分的质量之比。kgA/kgB
XW，A=mA/mB=xW,A/xW,B
2、比摩尔分率，X、Y
混合气中两组分的摩尔数之比。
XA=nA/nB=xA/xB=xA/(1-xA)
3、比质量分率与比摩尔分率之间的关系
XA=nA/nB=（MB/MA） XW，A
二、吸收的气液相平衡
1、气液相平衡：在一定的温度下，使某一定量的可溶性气体溶质与一定量的液体溶剂在密闭的容器内相接触，溶质便向溶剂转移。经过足够长的时间后，在任何瞬间，气体进入液体的分子数与从液体中逸出并返回到气体中的分子数相等，宏观上过程象停止一样，这种状况称为相际动平衡，简称气液相平衡。
2、平衡分压：在气液相平衡状态下，溶液上方气相中溶质的压力称为当时条件下的平衡分压。
二、吸收的气液相平衡
3、溶解度：溶解达到平衡时，液相中含溶质的浓度（习惯上溶解度是以在一定的温度和溶解气体的平衡分压下在单位质量的气体溶剂中溶质气体的质量分数来表示，kg溶质/kg溶剂)
4、影响溶解度的因素
⑴ 溶解度= (物系、p、t）
⑵ 同一物系：p↑,t↓,有利于吸收。
p一定，t↓，有利于吸收。
t一定， p↑，有利于吸收。
二、吸收的气液相平衡
⑶溶解度曲线
平衡溶解度曲线
三、亨利定律
气液相平衡关系的数学表达式用亨利定律表示
1、用平衡分压表示的亨利定律
p*=E·x
p*—平衡时溶质在气相中的平衡分压Kpa
x—平衡时溶质在液相中的摩尔分率
E—亨利系数， Kpa
2、用摩尔分率表示的亨利定律
三、亨利定律
CM—为溶液的总摩尔浓度
溶液平均密度
溶液平均分子量
y*—平衡时气相中溶质的摩尔分率；
m—为相平衡常数，
3、用比摩尔分率表示的亨利定律
Y*=mX/[1+(1-m)X]
对于稀溶液，上式近似的看成： Y*=mX
三、亨利定律
4、亨利定律适用情况
⑴总压P不高，一定温度t ，稀溶液。
⑵难溶气体。
⑶易溶气体低浓度范围。
5、亨利定律的应用
判别过程的方向
① y >y* 或 x p* 吸收）
② y< y* 或 x > x*为解吸过程（ p< p* 解吸）
三、亨利定律
判别过程的方向:吸收y>y*,x指明过程的极限:xmax=y/m
过程的推动力:y-y*,x*-x
氨-水的相平衡方程Y*=0.94X。若让Y=0.06的含氨混合气与X=0.1的氨水接触，则将发生 （吸收还是解吸）；
若让Y=0.1的含氨混合气与X=0.06的氨水接触，则将发生 （吸收还是解吸）。
【例】某系统温度为10℃，总压101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？
【解】查得10℃时，氧气在水中的亨利系数E为
3.31×106kPa。
=101.3×0.21=21.27kPa
Xi 6.42 ╳ 10-6
【例】在总压101.3kPa，温度30℃的条件下, SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问：
1.SO2的传质方向；
2.其它条件不变，温度降到0℃时SO2的传质方向；
3.其它条件不变，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔分率差表示的传质推动力。
【解】1.查表，得SO2在101.33kPa、30℃时亨利系数E=0.485×104kPa，则：
2.查表，得SO2在101.33kPa、0℃时亨利系数E=0.167×104kPa，则：
3.查表，得SO2在101.33kPa、30℃时亨利系数E=0.485×104kPa，则：
例：在P=1000kPa，T=25℃下，含CO2 y=0.06的空气与含CO2为0.1g/L的水溶液接触
问：(1)将发生吸收还是解吸？
(2)如气体与水溶液逆流接触，空气中的CO2含量最低可能降到多少？
解： (1)判断过程方向
CO2气相中分压 pCO2 = P y =1000×0.06=60 kPa
查得25℃下CO2溶解在水里的 E=1.66×105 kPa
∵ CO2水溶液的浓度很低，∴溶液的总摩尔
浓度可以按水处理 ( P=1000kPa，T=25℃)：
CO2在水中的摩尔分数(溶解度0.1g/L液)：
与水溶液达平衡的分压
pCO2 = 60 kPa
(2)吸收过程的极限
气体与水溶液逆流接触，极限时吸收塔有无限多块塔板或填料吸收塔无限高，出口气体中CO2含量最低可能降到与进塔的水溶液达平衡的分压
或

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