文档介绍：第四章吸收
§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。
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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 Z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。
三、若物系相同,填料形状亦相同,但处理的原料气量(qn,V ) 和原料气的进出口组成(y1
和 y2 ) 不同,所以 Z又与 qn,V,qn,L,y1,y2,x1 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。
§2 吸收相平衡关系
7-4 气体的溶解度曲线
?——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。
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图7-3 气体溶解示意图
——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 p1 ,此时溶于水的氨
的浓度为 x1 ;再改变浓度为 x2 ,测得上方氨分压为 p2 ;……依次类推,改变氨的浓度为 xn ,
测得溶液上方氨的分压为 pn ,如图 7-4 所示。将这 n个点,标绘在图上,即得在一定温度、
压力下的溶解度曲线。
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(摩尔分数),纵坐标用 p* (kPa)。
−1
氨水浓/ kgNH 3 ⋅100kg 水 2 3 4 5 10 15
NH 3 的平衡分压/ mmHg 12 15 50 114
解:以第六组数据为例计算如下
17 50
x = = p* = × = kPa
17 +100 18 760
将计算结果列在下表中
氨水浓度 x/ 摩尔分数
NH 3的平衡分压/ kPa 2
画出溶解度曲线 p* − x ,如图 7-5 所示。
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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