12.1 概述

概念与定义

吸收与解吸

• 气体吸收：气体混合物中一种（或多种）组分从气相转移到液相的过程。
• 解吸：将溶质从液相中分离出来而转移到气相的过程（用惰性七六吹扫溶液，或将溶液加热，或将其送入减压容器中使溶质放出）。
• 混合气中可容入液相的组分称为溶质，不能溶的组分称为惰性组分或载气。能将溶质溶于其中的液体称为溶剂，溶质溶于其中之后便成为溶液。

物理吸收与化学吸收

• 若气体溶质与液体溶剂并不发生明显的化学反应，所进行的过程称为 物理吸收 ，例如用水吸收二氧化碳等。
• 若气体溶质进入液相之后与溶剂或预先溶解在溶剂里的其他物质进行化学反应，则所进行的过程称为 化学吸收 ，例如用稀硫酸吸收氨等。

气液平衡关系

• 在一定条件（系统的温度、总压力）下，混合气中某溶质组分的分压若一定，则与之密切接触而达到平衡的溶液中，改溶质的浓度也为一定，反之亦然。对气相中的溶质来说，液相中的浓度是它的溶解度；相对液相中的溶质而言，气相分压是它的平衡蒸汽压。
• 吸收用的气液平衡关系可以用 亨利定律 表示：”一气体在液体中的溶解度与它在气相中的分压成正比“。
• 气液平衡数据可以通过以下途径查询：
  • 化学工程手册-第三版；
  • Perry手册第二部分；
  • 《化学工艺算图》第一册；
  • 化工工艺设计手册上册第21章；
  • 理想溶液中亨利常数可用拉乌尔定律估计。

相际传质

传质速率与传质系数

• 吸收过程中，气相主体内容溶质组分A的分压为$p$，气液界面处A的分压为$p_{\mathrm{i}}$。气相主体与气液界面之间A的分压差$p-p\mathrm{i}$便成为A由气相主体向界面转移的推动力。传质速率与推动力成正比。 同理，气液界面与液相主体之间A的浓度差$c-c\mathrm{i}$便是A自界面向液相主体转移的推动力。
• 吸收时溶质组分A通过惰性组分B而扩散（这是指在气相中，若在液相中，则是通过溶剂S），故B（或S）的浓度便成为影响传质阻力的重要因素。又由于界面上没有物质积累，并假设界面对传质不产生阻力。单位时间通过单位面积界面的传递通量可以写成： N_{A}=\frac{D_\mathrm{G}}{RTz_\mathrm{G}} \times \frac{P}{p_\mathrm{Bm}}(p-p_\mathrm{i} \tag{1}) N_A=\frac{D_\mathrm{L}}{z_\mathrm{L}} \times \frac{C_\mathrm{M}}{c_\mathrm{Sm}}(c_\mathrm{i}-c) \tag{2} N_{A}=\frac{k_\mathrm{G}P}{p_\mathrm{Bm}}(p-p_\mathrm{i}) \tag{3} N_{A}=\frac{k_\mathrm{L}C_\mathrm{M}}{c_\mathrm{Sm}}(c_\mathrm{i}-c) \tag{4} 式中： $N_{\mathrm{A}}$——A的传递通量，kmol·m${}^{-2}$·s${}^{-1}$； $D_G\text{，}{D}_L$——气、液相中A的扩散系数，m${}^2$·s${}^{-1}$； $p\text{，}{p}_{\mathrm{i}}$——气相主体、界面处A的分压，kPa； $P$——气相的总压，kPa； $p_{\mathrm{Bm}}$——在气相主体与在界面处的分压的平均值，kPa； $R$——气体常数，kJ·kmol${}^{-1}$·K${}^{-1}$； $T$ ——温度，K； $c_{\mathrm{i}}\text{，}c$——界面处或液相主体中A的浓度，kmol·m${}^{-3}$； $C_{\mathrm{M}}$——液相中溶质与溶剂的浓度之和 (总浓度)，kmol·m${}^{-3}$； $c_{\mathrm{Sm}}$——溶剂S在液相主体与界面处的浓度的平均值，kmol·m${}^{-3}$； $z_{\mathrm{G}}\text{，}{z}_{\mathrm{L}}$——界面两侧虚拟的静止气膜或液膜厚度，m； $k_{\mathrm{G}}$——气相传质系数，kmol·m${}^{-2}$·s${}^{-1}$·kPa${}^{-1}$； $k_{\mathrm{L}}$——液相传质系数，m·s${}^{-1}$。
• (1)、(3)式中的$P$ / $p_{\mathrm{Bm}}$称为漂流因子，它反映混合气体中被吸收的A进入界面后留下的空间所引起的A与B总体流动的效应。类似地，$C_{\mathrm{M}}$ / $c_{\mathrm{Sm}}$也成为漂流因子。

低浓度系统

• 在溶质A浓度低的系统，惰性组分B的分压与系统总压P很接近，漂流因子约等于1，则式(3)、(4)可简化成： N_{A} \approx k_\mathrm{G} (p-p_\mathrm{i}) \tag{5} N_{A} \approx k_\mathrm{L} (c_\mathrm{i}-c) \tag{6}
• 令$p=Py$，$P_{\mathrm{i}}=P{y}_{\mathrm{i}}$，$c_{\mathrm{i}}=C_{\mathrm{M}}{x}_{\mathrm{i}}$，$c=C_{\mathrm{M}}x$，$k_{\mathrm{G}}P=k_{\mathrm{y}}$，$k_{\mathrm{L}}{C}_{\mathrm{M}}=k_{\mathrm{x}}$，上两式又可写成： N_{A} \approx k_y(y-y_\mathrm{i}) \tag{7} N_{A} \approx k_x (x_\mathrm{i}-x) \tag{8} 式中： $k_y$——气相传质系数，kmol·m${}^{-2}$·s${}^{-1}$； $k_x$——液相传质系数，kmol·m${}^{-2}$·s${}^{-1}$。
• 假设气液界面处A的气相浓度与A的液相浓度达到平衡（不是相等），即符合亨利定律$y_{\mathrm{i}}=m{x}_{\mathrm{i}}$时，$y_{\mathrm{i}}$与$x_{\mathrm{i}}$之值可根据式(7)(8)利用下述方法求得。下图中，OE为平衡线，线上任一点反映界面上达到平衡的$y_{\mathrm{i}}$与$x_{\mathrm{i}}$的关系。根据气相组成$y$与液相组成$x$可在平衡线上方定出一点P。由P引斜率等于$-k_x/k_y$的直线与平衡线OE交于R，则R坐标正好代表界面上的组成。
• 为了避免麻烦，推动力改以两相的组成来表示，并相应地将 传质系数 改变，将 传质速率 写成： N_{A} = K_y(y-y_\mathrm{e}) \tag{9} N_{A} = K_x (x_\mathrm{e}-x) \tag{10} 式中： $K_y\text{，}{K}_x$——气相或液相总传质系数，kmol·m${}^{-2}$·s${}^{-1}$； $y_{\mathrm{e}}$——与液相组成$x$相平衡的气相组成，摩尔分数； $x_{\mathrm{e}}$——与气相组成$y$相平衡的液相组成，摩尔分数。
• 若平衡线OE为直线，斜率m=常数，或线上QRS一段近似于直线，斜率可取为m，则由式(7)~(10)可导出： \frac1{K_{y}}=\frac1{k_{y}}+\frac m{k_{x}} \tag{11} \frac1{K_{x}}=\frac1{mk_{y}}+\frac1{k_{x}} \tag{12}
• 若平衡线不为直线时，式(11)(12)中的m便不为常数。

高浓度系统

• 若气液两相或其中一相中溶质A的浓度高（比如超过10%），则 传质速率 要用未简化的式(3)或(4)表示。
• 为了将推动力改成以摩尔分数计，将上两式中的漂流因子的倒数改写成： \frac{P_{\mathrm{Bm}}}{P}=\frac{y_{\mathrm{Bm}}}{1}=(1-y)_{\mathrm{im}}=\frac{(1-y)-(1-y_\mathrm{i})}{\ln\frac{1-y}{1-y_\mathrm{i}}} \tag{13} \frac{c_{\mathrm{Sm}}}{C_\mathrm{M}}=\frac{x_{\mathrm{Sm}}}{1}=(1-x)_{\mathrm{im}}=\frac{(1-x)-(1-x_\mathrm{i})}{\ln\frac{1-x}{1-x_\mathrm{i}}} \tag{14}
• 于是式(7)与(8)可写成： N_{A} = \frac{k_y}{(1-y)}_\mathrm{im}(y-y_\mathrm{i}) \tag{15} N_{A} = \frac{k_x}{(1-x)}_\mathrm{im}(x_\mathrm{i}-x) \tag{16}
• 比拟于式(9)(10)，又得： N_{A} = \frac{K_y}{(1-y)}_\mathrm{om}(y-y_\mathrm{e}) \tag{17} N_{A} = \frac{K_x}{(1-x)}_\mathrm{om}(x_\mathrm{e}-x) \tag{18}
• 上两式中，${(1-y)}_{\mathrm{om}}$与${(1-x)}_{\mathrm{om}}$亦为漂流因子的倒数，即 (1-y)_{\mathrm{om}}=\frac{(1-y)-(1-y_\mathrm{e})}{\ln\frac{1-y}{1-y_\mathrm{e}}} \tag{19} (1-x)_{\mathrm{om}}=\frac{(1-x)-(1-x_\mathrm{e})}{\ln\frac{1-x}{1-x_\mathrm{e}}} \tag{20}
• 注意：$(1-y)$和$(1-x)$的下标都有两个字母，后一字母m指平均；前一字母若为i，表示取一相主体组成与界面组成的平均；若为o，表示取一相主体与另一相主体平衡组成的平均。
• 总传质系数与相传质系数的关系，在平衡线为直线时，可以写成： \frac{1}{K_{y}}=\frac{(1-y)_{\mathrm{im}}}{(1-y)_{\mathrm{om}}}\times\frac{1}{k_{y}}+\frac{(1-x)_{\mathrm{im}}}{(1-x)_{\mathrm{om}}}\times\frac{m}{k_{x}} \tag{21} \frac{1}{K_{x}}=\frac{(1-x)_{\mathrm{im}}}{(1-x)_{\mathrm{om}}}\times\frac{1}{k_{x}}+\frac{(1-y)_{\mathrm{im}}}{(1-y)_{\mathrm{om}}}\times\frac{1}{mk_{y}} \tag{22}
• 当各漂流因子都趋近于1时，上两式便化为低浓度系统中的式(11)与(12)。

有关传质系数的说明：

1. 在中、低压（40~50atm以内，1atm=101325Pa）下可认为$k_y$不随压力而变；
2. $k_x$和$k_{\mathrm{L}}$不受压力的影响；
3. 温度对$k_{\mathrm{G}}$的影响可以忽略；
4. 一般来说都是按照低浓度计算的；
5. 系统特性中引起主要影响的是扩散系数D，大致按下列关系： k_G\propto D_G^n\left(n=\frac12\sim\frac13\right) \tag{23} k_L\propto D_L^{0.5} \tag{24}