第7章吸收与蒸馏481 动力状态理论等。但这些理论仍存在局限性，只能在一定场合下解释个别现象 不能全面地说明传质过程机理，目前还不能用于工程计算和解决实际问题。所以 下面的讨论仍基于传统的双膜模型理论。 1.4传质设备简介 对传质设备的共同要求是给传质的各相提供良好的接触机会，包括增大相接 触面积和增强湍动程度；传质的各相在接触后能分离完全；传质的两相间要有较大 的推动力。另外，还要求结构简单紧凑，操作方便，运转稳定可靠周期长、能耗小等。 工业上广泛使用的传质设备是塔式设备，分为填料塔和板式塔两大类，两类 塔的简图见图75。 体 降液 填料层 ◆ 1 ,液体 液体 (a)填料塔 (b)板式塔 图7-5塔设备简图 1.4.1填料塔 如图7-5()，在圆筒形的塔体内放置专用的填料作为接触元件，使从塔顶 下流的液体沿着填料表面散布成大面积的液膜，并使从塔底上升的流体增强湍 动，从而提供良好的接触条件。在塔内，两相流体沿着塔高连续地接触、传质
482食品工程原理 浓度沿塔高连续变化。故填料塔是连续接触式传质设备。与其他塔型比较，填料 塔具有结构简单、压降低的优点，尤其适用于真空蒸馏、大气体量的汽液传质过 程（如吸收过程）以及具有腐蚀性物料的传质等。 所使用的填料有各种形式，如拉西环（等径等高的陶瓷或钢质环）、鲍尔环、 阶梯环、弧鞍及木栅等。填料有一定的特性数据：如名义尺寸、比表面积α（单 位体积填料层所具有的表面积)、空隙率€（干塔状态时单位体积填料所具有的 空隙率)、干填料因子α/e(比表面积与空隙率之比)及湿填料因子（操作状态 时比表面积与空隙率之比)等。 1.4.2板式塔 如图7-5(b),沿塔往下流的液体与上升气体在塔板上相连，液体横向流过 塔板，经降液管流至下层塔板，塔板上有气体流经的通道。汽液两相浓度沿塔高 呈阶跃式变化。板式塔是逐级接触式传质设备，所使用的塔板有筛孔塔板，浮阀 塔板，斜孔塔板等。与填料塔相比，板式塔具有空塔速度高，生产能力大，液汽 比的适应范围较大等优点，且板式塔放大时，塔板效率比较稳定。但是，板式塔 结构较填料塔复杂，其压降也比填料塔高。 2 吸收与解吸 2.1概述 吸收(absorption)是依据不同组分在溶剂中溶解度不同，让混合气体与适 当的液体溶剂相接触，使气体中的一个或几个组分溶解于溶剂中形成溶液，难以 溶解的组分保留在汽相中，从而达到混合气体初步分离的操作。所用液体称为吸 收剂（或溶剂）。气体中能被溶解的组分称为溶质或吸收质。不被溶解的组分称 为惰性气体或载体。 在工业生产中有时需要将吸收得到的溶质气体从液体中取出来，如天然油类 的脱臭，液体食品的脱气等，这种使溶质从溶液里脱除的过程称为解吸或脱吸。 它是吸收操作的逆过程，常常是一个工业吸收操作不可分割的步骤
第7章吸收与燕馏483 图7-6所示的是利用烟道气生产二氧化碳的气体吸收工艺流程示意图。从锅 炉出来的炽热的烟气，经冷却、去杂等处理后，约在40℃进入吸收塔。在吸收 塔中，烟道气里含有的二氧化碳气体被从上部淋下的一乙醇胺吸收，而被吸收了 二氧化碳后的烟道气，沿吸收塔上升，从吸收塔顶部的出口排入大气。 被二氧化碳饱和的一乙醇胺溶液（饱和液），从吸收塔的下部排出，由泵经 换热器被加热到接近95℃后，被压送到解吸塔内由填料组成的冷凝器上部安装 的分布器，淋洒下来。 经预热过的一乙醇胺溶液，在沿解吸塔逐渐下淋的过程中，被加热到102 105℃，与此同时也与上升的气体混合物混合、交换、下流，并沿解吸塔外溢流 管流到加热室下部。溶液被加热室管外的蒸汽煮沸。在加热进行的过程中，被汽 化的二氧化碳与二次蒸汽形成气体混合物上升，进人填料式冷凝器，在填料表面 和空间加热下淋的饱和的一乙醇胺溶液，因此上升的混合气体本身被冷却到 100~105℃。 唐气 解吸气 预热后的泡和溶液 稀溶液 冷却水进 解吸后的稀溶液 ,净化C02 ·乙醇 胺回收 出水 6 因道 饱和液只 出小 吸收塔2.泵3.换热器4.冷却器5.解吸塔6.冷凝器 图76烟道气二氧化碳的气体吸收工艺流程示意图 释放了二氧化碳的热的一乙醇胺溶液（称稀溶液），从解吸塔的加热器上部 液封管流出，进入热交换器去加热即将进入解吸塔的饱和一乙醇胺溶液。再流入 乙醇胺冷却器，送往吸收塔分布器，循环使用。 由二氧化碳气、水蒸气和一乙醇胺蒸汽形成的气体混合物，从解吸塔上部的 填料式分凝器出来，进人气体冷却器，水和一乙醇胺的蒸汽被冷凝，二氧化碳气 被冷却后，再经过进一步净化、压缩等处理得到不同形式二氧化碳产品。 由此可见， 一个完整的吸收过程往往包括吸收与解吸两个部分。当然，如果
484食品工程原理 溶剂吸收溶质后的溶液是过程产品，就不需要解吸了。同时可知，为实现气体吸 收过程，需要解决的问题是：①选择合适的溶剂（吸收剂）；②溶剂的再生，这 项费用往往占整个吸收操作费用的很大比例；③设计或选用合适的传质设备。吸 收操作根据物系气一液组分间是否发生化学反应分为化学吸收和物理吸收；根据 吸收过程热效应是否显著分为等温吸收和非等温吸收；根据混合气体浓度高低分 为低浓度吸收和高浓度吸收；根据被吸收组分数分为单组分吸收和多组分吸收 本节主要讨论单组分、低浓度、等温、物理吸收。 如前所述，由于吸收过程进行的方向、极限、推动力以及吸收速率方程的表 达形式都与汽液相平衡关系直接相关，为此，吸收单元操作的讨论从相平衡原理 开始。 2.2汽液相平衡 2.2.1气体在液体中的溶解度 在恒定温度和压力下汽液两相接触时将发生溶质气体向液相转移，使其在液 相中的浓度增加，当充分接触之后，液相中溶质浓度不再增加达到饱和。这时两 相达到相平衡。此时，溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度；溶解 度随温度和溶质气体的分压而不同，平衡时溶质在汽相中的分压称为平衡分压。 平衡分压力·与溶解度间的关系如图77上的曲线所示，这些曲线称为溶解度曲 线。 10 0.01 (5000 650 0.05 NH,分层阳 100 20 40o,压0.100 120 图7-7 氨与氧气在水中溶解度的比较
第7章吸收与蕉馏485 不同气体在同一溶剂中的溶解度有很大差异。从图77中可以看到，在相同 温度下，氨在水中的溶解度很大，氧在水中的溶解度极小。对于同样浓度的溶 液，易溶气体在溶液上方的汽相平衡分压小，难溶气体在溶液上方的分压大。换 言之，欲得到一定浓度的溶液，易溶气体所需的分压较低，而难溶气体所需的分 压则很高。 一般情况下气体的溶解度随温度的升高而减小。加压和降温可以提高气体 的溶解度，故加压和降温有利于吸收操作；反之，升温和减压则有利于解吸过 程。 2.2.2亨利定律 当总压不高（一般约小于500kPa)时，在一定温度下，稀溶液上方汽相中 溶质的平衡分压与液相中溶质的摩尔分数成正比，其表达式为 Ph=Ex (7-13) 式中：pX为溶质A在汽相中的平衡分压，kPa;x为液相中溶质的摩尔分数； E为比例系数，称为亨利系数，kPa。 式(7-13)称为亨利(Henry)定律。溶液越稀，溶质越能较好地服从亨利 定律。在严格服从亨利定律的溶液中，溶质分子周围几乎是溶剂分子。因而溶质 分子所受的作用，是溶剂分子对它的作用。 亨利系数E是式(7-13)直线方程的斜率。易溶气体的E值很小，难溶气 体的E值很大。一般E值随温度升高而增大。常见气体的E值见表75。 表75一些气体水溶液的亨利系数E值 10-9Pa 温度心 0 10 20 30 40 50 60 70 80 H 5.85 6.43 6.90 7.367.597.737.73 7.707.63 h 5.24 6.75 8.12 9.3410.7 11.6 12.4 12.9 13.0 空气 4.45 5.65 6.84 7.95 8.96 9.7510.4 10.8 11.0 02 2.62 3.36 4.13 4.89 5.51 6.05 6.47 6.83 7.07 0 3.57 4.48 5.43 6.28 7.05 7.71 8.32 8.57 8.57 002 0.07480.107 0.1460.1910.2390.2900.350 C32 0.02700.04050.05440.06770.08100.09140.09850.1010.0985 S02 0.001690.002480.00360.004920.00670.008830.01130.0140.0172