第七章 吸收 §1 吸收过程概述 7-1 吸收定义与工业背景 在合成氨工厂，合成氨的原料气中含有30%CO2，如何将 CO2 从原料气中分离？ 在焦化厂，焦炉气中含有多种气体，如 CO，H2，NH3，苯类等，如何将 NH3从焦炉 气中分离？ 在硫酸厂，硫铁矿经焙烧氧化，可以得到 SO3，如何由 SO3 制造硫酸？ 为了解决上述问题，化学工程师提出了一种化工单元操作——吸收。 什么叫吸收操作？——利用组成混合气体各组分在溶剂中溶解度不同，来分离气体混 合物的操作，称为吸收操作。 如图 7-1 所示，这就是从合成氨原料气中回收 CO2 的工业流程。乙醇胺对 CO2 有较大 溶解度，选乙醇胺做溶剂。溶剂要回收循环使用，又有了 CO2 解吸塔。吸收塔、解吸塔、 锅炉就构成了 CO2 回收的工段或车间。如红线框所示，进工段的是合成氨原料气，出 工段的是 CO2 和低浓 CO2 的合成氨气。 图 7-1 从合成氨原料气中回收 CO2 的流程 7-2 吸收的用途与分类 一、吸收的工业应用分三类： （1）分离混合气体，是最主要的应用。 （2）气体净化。例如某厂放空气体中含有有毒有害气体 A ，不符合环境保护的排放标
第七章 吸收 §1 吸收过程概述 7-1 吸收定义与工业背景 在合成氨工厂，合成氨的原料气中含有30%CO2，如何将 CO2 从原料气中分离？ 在焦化厂，焦炉气中含有多种气体，如 CO，H2，NH3，苯类等，如何将 NH3从焦炉 气中分离？ 在硫酸厂，硫铁矿经焙烧氧化，可以得到 SO3，如何由 SO3 制造硫酸？ 为了解决上述问题，化学工程师提出了一种化工单元操作——吸收。 什么叫吸收操作？——利用组成混合气体各组分在溶剂中溶解度不同，来分离气体混 合物的操作，称为吸收操作。 如图 7-1 所示，这就是从合成氨原料气中回收 CO2 的工业流程。乙醇胺对 CO2 有较大 溶解度，选乙醇胺做溶剂。溶剂要回收循环使用，又有了 CO2 解吸塔。吸收塔、解吸塔、 锅炉就构成了 CO2 回收的工段或车间。如红线框所示，进工段的是合成氨原料气，出 工段的是 CO2 和低浓 CO2 的合成氨气。 图 7-1 从合成氨原料气中回收 CO2 的流程 7-2 吸收的用途与分类 一、吸收的工业应用分三类： （1）分离混合气体，是最主要的应用。 （2）气体净化。例如某厂放空气体中含有有毒有害气体 A ，不符合环境保护的排放标
准，则选用合适溶剂将有害气体吸收，使该厂放空气体达到排放标准。 （3）制备液体产品。例如用水吸收氯化氢气体制备盐酸，用93%硫酸吸收 SO3 制备 硫酸等等。 二、吸收操作工业分类。 按有无化学反应，分物理吸收和化学吸收。例如用 NaOH 吸收 CO2 就是化学吸收。 按溶质气体的数目，分单组分吸收和多组分吸收。 按有无明显热效应，分等温吸收与非等温吸收。 本章重点讨论的是单组分等温的物理吸收。 7-3 吸收计算引论 如图 7-2 所示，填料层高度 Z 与什么有关？ 图 7-2 吸收塔示意图 一、首先想到 Z 与分离的物系性质有关。某溶剂对某溶质的溶解度越大，越易吸收，Z 会越小。这与分子间的力有关，即物系的相平衡关系。 二、与传质相界面的面积有关。单位体积填料提供的有效传质面积越大，达到相同分 离要求的 会越小。此即与填料的形状有关。衡量填料形状的因素，可用传质速率与传质 系数表达。 Z 三、若物系相同，填料形状亦相同，但处理的原料气量 和原料气的进出口组成( 和 不同，所以 又与V 有关，此即与物料衡算有关。下面将分相平衡 关系、传质速率、物料衡算等三个方面来展开吸收过程。 (V ) 1 y ) 2 y Z 1 2 1 ，L，y ，y ，x §2 吸收相平衡关系 7-4 气体的溶解度曲线 1．何谓溶解度？——在一定温度与压力下，溶质气体最大限度溶解于溶剂中的量，即溶
准，则选用合适溶剂将有害气体吸收，使该厂放空气体达到排放标准。 （3）制备液体产品。例如用水吸收氯化氢气体制备盐酸，用93%硫酸吸收 SO3 制备 硫酸等等。 二、吸收操作工业分类。 按有无化学反应，分物理吸收和化学吸收。例如用 NaOH 吸收 CO2 就是化学吸收。 按溶质气体的数目，分单组分吸收和多组分吸收。 按有无明显热效应，分等温吸收与非等温吸收。 本章重点讨论的是单组分等温的物理吸收。 7-3 吸收计算引论 如图 7-2 所示，填料层高度 Z 与什么有关？ 图 7-2 吸收塔示意图 一、首先想到 Z 与分离的物系性质有关。某溶剂对某溶质的溶解度越大，越易吸收，Z 会越小。这与分子间的力有关，即物系的相平衡关系。 二、与传质相界面的面积有关。单位体积填料提供的有效传质面积越大，达到相同分 离要求的 会越小。此即与填料的形状有关。衡量填料形状的因素，可用传质速率与传质 系数表达。 Z 三、若物系相同，填料形状亦相同，但处理的原料气量 和原料气的进出口组成( 和 不同，所以 又与V 有关，此即与物料衡算有关。下面将分相平衡 关系、传质速率、物料衡算等三个方面来展开吸收过程。 (V ) 1 y ) 2 y Z 1 2 1 ，L，y ，y ，x §2 吸收相平衡关系 7-4 气体的溶解度曲线 1．何谓溶解度？——在一定温度与压力下，溶质气体最大限度溶解于溶剂中的量，即溶
解度。如图 7-3 所示，NH3 溶于水的速率等于 NH3 逸出水的速率，此时达到动平衡。动平 衡时，水中溶解的氨的量，称为在该温度、压力下的氨在水中的溶解度。 图 7-3 气体溶解示意图 2．溶解度曲线——平衡曲线。 若固定温度、压力不变，测得某动平衡下，溶液上方氨的分压为 ，此时溶于水的氨 的浓度为 ；再改变浓度为 ，测得上方氨分压为 ；.依次类推，改变氨的浓度为 ， 测得溶液上方氨的分压为 ，如图 7-4 所示。将这 个点，标绘在图上，即得在一定温度、 压力下的溶解度曲线。 1 p 1 x 2 x n 2 p n n x p 图 7-4 实测 p-x 曲线示意图 【例 7-1】 已知 20℃时，在一个大气压下氨气溶解于水的溶解度数据如下表所示，据 此画出的溶解度曲线，横坐标用 x （摩尔分率），纵坐标用 （kPa）。 * p 氨水浓度 kgNH3 100kg水 2 2.5 3 4 5 7.5 10 15 NH3 的平衡分压 mmHg 12 15 18.2 24.9 31.7 50 69.6 114 解：以第六组数据为例计算如下 0.0736 7.5 17 100 18 7.5 17 = + x = p 101.3 6.66 kPa 760 * 50 = × = 将计算结果列在下表中 氨水浓度 x （摩尔分率） 0.0207 0.0258 0.0308 0.0407 0.0503 0.0736 0.0958 0.137
解度。如图 7-3 所示，NH3 溶于水的速率等于 NH3 逸出水的速率，此时达到动平衡。动平 衡时，水中溶解的氨的量，称为在该温度、压力下的氨在水中的溶解度。 图 7-3 气体溶解示意图 2．溶解度曲线——平衡曲线。 若固定温度、压力不变，测得某动平衡下，溶液上方氨的分压为 ，此时溶于水的氨 的浓度为 ；再改变浓度为 ，测得上方氨分压为 ；.依次类推，改变氨的浓度为 ， 测得溶液上方氨的分压为 ，如图 7-4 所示。将这 个点，标绘在图上，即得在一定温度、 压力下的溶解度曲线。 1 p 1 x 2 x n 2 p n n x p 图 7-4 实测 p-x 曲线示意图 【例 7-1】 已知 20℃时，在一个大气压下氨气溶解于水的溶解度数据如下表所示，据 此画出的溶解度曲线，横坐标用 x （摩尔分率），纵坐标用 （kPa）。 * p 氨水浓度 kgNH3 100kg水 2 2.5 3 4 5 7.5 10 15 NH3 的平衡分压 mmHg 12 15 18.2 24.9 31.7 50 69.6 114 解：以第六组数据为例计算如下 0.0736 7.5 17 100 18 7.5 17 = + x = p 101.3 6.66 kPa 760 * 50 = × = 将计算结果列在下表中 氨水浓度 x （摩尔分率） 0.0207 0.0258 0.0308 0.0407 0.0503 0.0736 0.0958 0.137
NH3 的平衡分压 kPa 1.6 2 2.42 3.32 4.22 6.66 9.28 15.2 画出溶解度曲线 p − x ，如图 7-5 所示。 * 图 7-5 【例 7-1】附图 7-5 亨利定律 上节中，通过实验的方法，可以得到平衡曲线，平衡线能否用一简单的解析式表达呢？ 对于理想溶液，溶质在溶液中浓度 与溶液上方溶质的平衡分压 服从拉乌尔定 律。 (x) ( ) * p p p x A A = ⋅ * 0 对于非理想溶液，在低浓度下，服从亨利定律。 图 7-6 亨利定律示意图 由图 7-6 看出，O D 是平衡曲线，但在 的这一段，可以写成亨利定律的表 达式。 x = 0 ~ 0.10 p = E ⋅ x *
NH3 的平衡分压 kPa 1.6 2 2.42 3.32 4.22 6.66 9.28 15.2 画出溶解度曲线 p − x ，如图 7-5 所示。 * 图 7-5 【例 7-1】附图 7-5 亨利定律 上节中，通过实验的方法，可以得到平衡曲线，平衡线能否用一简单的解析式表达呢？ 对于理想溶液，溶质在溶液中浓度 与溶液上方溶质的平衡分压 服从拉乌尔定 律。 (x) ( ) * p p p x A A = ⋅ * 0 对于非理想溶液，在低浓度下，服从亨利定律。 图 7-6 亨利定律示意图 由图 7-6 看出，O D 是平衡曲线，但在 的这一段，可以写成亨利定律的表 达式。 x = 0 ~ 0.10 p = E ⋅ x *
E 称为亨利系数， x 为溶质在溶液中所占的摩尔分率。 亨利定律还可写成： H C p =* 比例系数 愈大，表明同样分压下 的溶解度愈大。 可称为溶解度系数，C 为单 位体积溶液中溶质气体的千摩尔数 kmol·m H * p H -3 亨利定律最常用的是下列形式： y = mx * .（Ⅰ） 式中， ——气相中溶质的摩尔分率； ——液相中溶质的摩尔分率 * y x m ——相平衡常数（亦称亨利常数） 7-6 亨利系数之间的关系 单位： Pa x p E = ⇒ * Pa kmol m p C H 3 * − ⋅ = ⇒ / * = ⇒ x y m 1． E 与 m 的换算 = = y mx p Ex * * m E y p ⇒ = * * .(a) Q 代入式 * * p = P ⋅ y (a) m E y P y = ⋅ ∴ * * P E ⇒ m = 2． E 与 H 的换算 = = H C p p Ex * * H C ⇒ Ex = .(b) ( ) 3 3 1 − − ⋅ + × ⋅ = = kg m kmol kmol M kg kmol kmol m kmol C L m ρ 溶质的 溶剂的 溶质的 溶液的体积 溶质的 数 Mm L x C ρ ∴ =
E 称为亨利系数， x 为溶质在溶液中所占的摩尔分率。 亨利定律还可写成： H C p =* 比例系数 愈大，表明同样分压下 的溶解度愈大。 可称为溶解度系数，C 为单 位体积溶液中溶质气体的千摩尔数 kmol·m H * p H -3 亨利定律最常用的是下列形式： y = mx * .（Ⅰ） 式中， ——气相中溶质的摩尔分率； ——液相中溶质的摩尔分率 * y x m ——相平衡常数（亦称亨利常数） 7-6 亨利系数之间的关系 单位： Pa x p E = ⇒ * Pa kmol m p C H 3 * − ⋅ = ⇒ / * = ⇒ x y m 1． E 与 m 的换算 = = y mx p Ex * * m E y p ⇒ = * * .(a) Q 代入式 * * p = P ⋅ y (a) m E y P y = ⋅ ∴ * * P E ⇒ m = 2． E 与 H 的换算 = = H C p p Ex * * H C ⇒ Ex = .(b) ( ) 3 3 1 − − ⋅ + × ⋅ = = kg m kmol kmol M kg kmol kmol m kmol C L m ρ 溶质的 溶剂的 溶质的 溶液的体积 溶质的 数 Mm L x C ρ ∴ =