【文章內(nèi)容簡介】 （34）式中 x —— 液相中溶質(zhì)的摩爾分率y —— 與該液相成平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分率 m —— 相平衡常數(shù)若系統(tǒng)的總壓為P，則依道爾頓分壓定律可知溶質(zhì)在混合氣體中的分壓為 p = Py同理 p* = Py* 將上式代入式33中可得 Py* = Ex將此式與式34相比較可知m = E/P （35）相平衡常數(shù)m也是依實驗結(jié)果計算出來的數(shù)值。對于一定物系，它是溫度和壓力的函數(shù)。由m值的大小同樣可以比較不同氣體溶解度的大小，m值愈大，則表明該氣體的溶解度愈小。由式35可以看出，溫度升高、總壓下降則m值增大，不利于吸收操作。若溶質(zhì)在液相和氣相中的組成分別用比摩爾X及Y表示時，則可知x = （a）y = （b）將式（a）和式（b）代入式（34）可得： = m 整理后得 Y* = （36）式中 Y*—— 氣、液相平衡時，每kmol惰性組分中含有氣體溶質(zhì)的kmol數(shù) X —— 氣、液相平衡時，每kmol吸收劑中含有氣體溶質(zhì)的kmol數(shù) m —— 相平衡常數(shù)式36是用比摩爾分率表示亨利定律的一種形式。此式在Y—X直角坐標(biāo)系中的圖形總是通過原點的一條直線，如圖39所示，此圖線稱為氣、液相平衡線或吸收平衡線。但是，當(dāng)溶液濃度很低時，式36分母趨近于1，于是該式可簡化為式37是亨利定律又一形式，它表明當(dāng)液相中溶質(zhì)溶解度足夠低時，氣液相平衡關(guān)系在Y—X圖中，也可近似地表示成通過原點的直線。其斜率為m，如圖310所示。 Y* = mX （37）若氣相組成用分壓，液相組成用物質(zhì)的量濃度時，亨利定律為： p*= （38）式中： C —— 液相中溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度 kmol/m3 H —— 溶解度系數(shù) kmol/（kNm）溶解度系數(shù)H也是溫度的函數(shù)，對一定的溶質(zhì)和吸收劑而言，H值隨著溫度的升高而減小，易溶性氣體H值很大，難溶性氣體H值很小。溶解度系數(shù)H與亨利系數(shù)E的關(guān)系為： H = （39）式中：ρ—— 溶液的密度 kg/m3 MS —— 吸收劑的摩爾質(zhì)量 kg/kmol圖39 吸收平衡線 圖310 稀溶液吸收平衡線上述亨利定律的各種表達式所表示的都是互成平衡的氣、液兩相組成間的關(guān)系，利用它們即可根據(jù)液相組成計算平衡的氣相組成，同樣也可根據(jù)氣相組成計算平衡的液相組成。從這種意義上講，上述亨利定律的幾種表達形式也可改寫如下： x *= C* = x *= X *= 根據(jù)吸收操作的特點，我們常用比摩爾濃度來表示相組成，因此在表示氣液相平衡關(guān)系時，也就常常采用式36或式37?！纠?1】某礦石焙燒爐送出來的氣體，經(jīng)冷卻后將溫度降到20℃，然后送入填料吸收塔中用水洗滌以除去其中SO2，已知平均操作壓力為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，20℃時SO2在水中的平衡溶解度數(shù)據(jù)如本例附表1例31 附表1SO2溶解度kgSO2/100kgH2OSO2平衡分壓kN/m2試按以上數(shù)據(jù)標(biāo)繪Y*—X曲線。解：；現(xiàn)以第1組數(shù)據(jù)為例計算如下：各組數(shù)據(jù)計算結(jié)果列于本例附表2例31 附表2SO2溶液濃度X氣相中SO2平衡濃度YSO2溶液濃度X氣相中SO2平衡濃度Y將以上數(shù)據(jù)關(guān)系標(biāo)繪于本題附圖中，為通過原點O的曲線。例31 附圖（3）相平衡與吸收操作當(dāng)不平衡的氣液兩相接觸時，溶質(zhì)是被吸收，還是被解吸，這要由相平衡關(guān)系來決定。人們可以依據(jù)物系的氣液平衡關(guān)系來判明吸收過程進行的方向、限度和難易程度。①根據(jù)氣液相平衡關(guān)系判明過程進行的方向和限度在吸收塔的計算中通常以氣液兩相的實際狀態(tài)與相應(yīng)的平衡狀態(tài)的偏離程度來表示吸收推動力的大小。如果氣液兩相處于平衡狀態(tài)，則兩相的實際狀態(tài)與平衡狀態(tài)無偏離，吸收推動力為0，吸收速率也為0。實際狀態(tài)與平衡狀態(tài)偏離越大，則吸收推動力也越大，吸收推動力可用氣相濃度差ΔY=YY*表示，也可用液相濃度差ΔX=X*X表示。若YY*或X*X，從圖39或310上可看出，實際物系點位于平衡曲線上方，此時溶質(zhì)由氣相向液相傳遞，這就是吸收。隨著吸收過程的進行，氣相中被吸收組分的含量不斷降低，溶液濃度不斷上升，直到Y(jié)=Y*或X*=X，此時實際物系點與平衡曲線重合，吸收達到了極限。若YY*或X*X，從圖39或310上可看出，實際物系點位于平衡曲線下方，此時溶質(zhì)由氣相向液相傳遞，這就是吸收過程的逆過程——解吸。當(dāng)氣液相濃度用其它形式表示時推動力也可表示成相應(yīng)的形式，如：Δp = p p*、Δx = x* x、Δy = yy*。在吸收塔中沿塔高各處的氣、液相的濃度是不同的，所對應(yīng)的平衡濃度就不同，這樣吸收推動力也就不同了，因此所表示出來的推動力只能反映出吸收塔中某一個截面的情況。表32吸收過程判據(jù)濃度關(guān)系傳遞過程液相濃度X*X＞0吸收X*X＜0解吸X*X=0平衡氣相濃度YY*0吸收YY*＜0解吸YY*=0平衡②判斷吸收操作的難易程度在一定壓強和溫度下，對于一定濃度的溶液，被溶解氣體在氣相中平衡分壓的大小，反映了氣體溶解度的大小即氣體被吸收的難易程度。平衡分壓越小，則溶解度越大氣體越容易被吸收。氣體吸收的難易程度還可從亨利系數(shù)E或相平衡常數(shù)m的值的大小來判斷。E或m越大，氣體的溶解度越小，吸收就越困難。③根據(jù)氣液平衡關(guān)系選擇操作條件對于同一物系，氣體的溶解度隨溫度和壓力而改變。溫度升高，氣體的溶解度減小。因此，吸收操作在較低溫度下進行較為有利，對于熱效應(yīng)較大的物系，可以在吸收過程中采取冷卻措施，為此通常要設(shè)置中間冷卻器以降低吸收溫度。但要注意的是操作時如果溫度太低，除了消耗大量冷凍物外，還會增大吸收劑的粘度，甚至?xí)泄腆w結(jié)晶析出，影響吸收操作順利進行。因此應(yīng)綜合考慮不同因素，選擇一個最適宜的溫度。提高操作壓力可以提高混合氣中被吸收組分的分壓，增大吸收的推動力，有利于吸收。但在壓力增高的同時，動力消耗就會隨之增大，對設(shè)備的強度要求也隨之提高，使設(shè)備投資的經(jīng)常性生產(chǎn)費用加大。因此一般能在常壓下進行的吸收操作不必在高壓下進行。除非在常壓下溶解度太小，才采用加壓吸收。若吸收后氣體需進行高壓反應(yīng)，則可采用高壓下吸收操作，既有利于吸收，又增大吸收塔的生產(chǎn)能力。根據(jù)二氧化碳水的平衡關(guān)系，引言工作任務(wù)中操作條件選擇常溫（25C176。），10個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（106 Pa）。 任務(wù)解決3 操作溫度和操作壓力的選擇三、吸收劑用量的確定吸收劑用量是通過對吸收過程進行物料衡算和操作分析得到的。為完成工作任務(wù)，吸收劑水的用量最小為多少？化工實際生產(chǎn)中通常用量為多少？吸收塔的物料衡算與操作線方程（1）物料衡算圖311 逆流吸收塔操作示意如圖311所示為一處于穩(wěn)定操作狀態(tài)下，氣、液兩相逆流接觸的吸收塔，混合氣體自下而上流動；吸收劑則自上而下流動。在吸收過程中，混合氣體通過吸收塔的過程中，可溶組分不斷被吸收，在氣相中的濃度逐漸減小，氣體總量沿塔高而變；液體因其中不斷溶入可溶組分，液相中可溶組分的濃度是逐漸增大的，液體總量也沿塔高而變。但V和L的量卻沒有變化，假設(shè)無物料損失，對單位時間內(nèi)進、出吸收塔的吸收質(zhì)進行衡算則得：V Y1 + L X2 = V Y2 + L X1 （310）式中：V —— 單位時間內(nèi)通過吸收塔惰性氣體量 kmol/ sL —— 單位時間內(nèi)通過吸收塔的吸收劑 kmol/ sYY2 ——分別為進塔及出塔氣體中吸收質(zhì)的比摩爾分率 kmol吸收質(zhì)/ kmol惰性組分XX2 —— 分別為出塔及進塔液中吸收質(zhì)的比摩爾分率 kmol吸收質(zhì)/ kmol吸收劑式310可改寫為： V（Y1Y2）= L（X1X2）= GA （311）式中：GA —— 吸收塔的吸收負荷（單位時間內(nèi)的傳質(zhì)量）kmol/s則可得： （312） L/V稱為“液氣比”，即在吸收操作中吸收劑與惰性氣體摩爾流量的比值，亦稱吸收劑的單位耗用量。在吸收操作中，氣相中吸收質(zhì)被吸收的質(zhì)量與氣相中原有的吸收質(zhì)質(zhì)量之比，稱為吸收率。用符號Φ表示。 Φ = = = （313） 式（311）可改寫成：Y2 = Y1（1 Φ） （314）在吸收塔的計算中，已知V、L、XXY1及Y2中的任何5項，即可求出其余的一項。如：已知V、L、XY1及Y2即可依式（310）求得塔底排出的溶液濃度X1；已知V、L、XXY1即可依式（310）求出Y2，后依式（313）而求算吸收塔的吸收率Φ是否達到了規(guī)定的指標(biāo)；已知Y1及Φ可依式（314）計算吸收塔的尾氣濃度Y2。（2）吸收塔的操作線方程與操作線參照圖311，取任一截面MM，在MM與塔底端之間做吸收質(zhì)的物料衡算。設(shè)截面MM上氣、液兩相濃度分別為Y、X，則得： V Y1 + L X = V Y + L X1 （315）將上式可改寫成： Y = X +（Y1X1）=（X X1 ）+ Y1 （315a） 式（315a）即為逆流吸收塔的操作線方程，它反映了吸收操作過程中吸收塔內(nèi)任一截面上氣相濃度Y與液相濃度X之間的關(guān)系。在穩(wěn)定操作中，式中XYL/V都是定值，所以該操作線方程為一直線方程，其斜率為L/V。圖312 逆流吸收塔的操作線由式（315）可得： 同理可得： 而由前知： 因此： 這說明逆流吸收操作的操作線方程過吸收塔的塔頂、塔底截面所對應(yīng)的狀態(tài)點A（XY1）、B（XY2），因此只要找出A、B兩點即可繪制出逆流吸收操作的操作線。依此方法繪出逆流吸收操作的操作線，如圖312所示。此操作線上任一點C代表著塔內(nèi)相應(yīng)截面上的氣、液相濃度Y、X之間的對應(yīng)關(guān)系。端點A代表塔底的氣、液相濃度Y、X的對應(yīng)關(guān)系；端點B則代表著塔頂?shù)臍?、液相濃度Y、X的對應(yīng)關(guān)系。圖313 吸收塔的最小液氣比在進行吸收操作時，在塔內(nèi)任一截面上，吸收質(zhì)在氣相中的分壓總是要高于與其接觸的液相平衡分壓的，所以吸收操作線的位置總是位于平衡線的上方。與之相應(yīng)的是在解吸操作中，吸收質(zhì)在氣相中的分壓小于與其接觸的液相平衡分壓，因此解吸操作線總是位于平衡線的下方。吸收劑的用量在吸收塔的計算中，需要處理的氣體流量以及氣相的初濃度和終濃度均由生產(chǎn)任務(wù)所規(guī)定。吸收劑的入塔濃度則常由工藝條件決定或由設(shè)計者選定，因此吸收劑的用量仍需選擇。吸收劑的用量通常是根據(jù)分離要求和相平衡關(guān)系先確定最小吸收劑用量再乘以一個經(jīng)驗系數(shù)得到。由前知，當(dāng)V、YY2及X2已知的情況下，吸收塔操作線的一個端點B已經(jīng)固定，而另一個端點A在Y=Y1的水平線上移動，且點A的橫坐標(biāo)X1將取決于操作線的斜率L/V。如圖313所示。若增大吸收劑用量，則操作線的斜率L/V將增大，點A將沿Y=Y1的水平線左移，塔底出口溶液的濃度X1減小，操作線遠離平衡線，從而過程推動力X1*X1增大，減小設(shè)備尺寸、節(jié)約設(shè)備費用（主要是塔的造價）。但超過一定限度后，則使吸收劑輸送及回收等項操作費用急劇增加。反之，若減少吸收劑用量，則操作線的斜率L/V將減小，點A將沿Y=Y1的水平線右移，塔底出口溶液的濃度X1增大，操作線靠近平衡線，從而過程推動力X1*X1減小，要在單位時間內(nèi)吸收同量的溶質(zhì)，設(shè)備也就要大一些，以致設(shè)備費用增大。若吸收劑用量減少到恰好使點A移到水平線Y=Y1與平衡線的交點A*時，則X1* = X1即塔底流出的溶液與剛進塔的混合氣體這兩相中吸收質(zhì)濃度是平衡的，這也是理論上在操作條件下溶液所能達到的最高濃度。但此時的推動力為零，表示取得一定的吸收效果必須要用無限大的接觸面積，顯然這是一種