第二节吸收基本理

1）稳态传质，两相传质速率相等，且平衡关系满足 亨利定律（平衡关系为线性）
N A k L (ci c L )
N A kG ( pG pi ) k L ( ci cL ) ci Hpi

pi、ci
2）图解法
复习：
1. 气液相平衡关系及亨利定律（三种表达形式及三个系数 之间的关系） 2. 气液相平衡关系的应用（传质方向，传质极限，传质推 动力） Q Q 3. 吸收传质速率-----三个串联传质环节 1）双模模型 2) 单向传质速率方程
y* o x
吸收溶质
吸收过程： y y*或x* >x或 c A c A 解吸过程： y < y*或x* <x或 cA cA
*
x* x
结论：若系统气、液相浓度 (y,x)在平衡线上方，则体系将 发生从气相到液相的传质，即吸收过程。
2
2. 气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)：

3. 气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)：
cA
cL
3）相界面组成及压力的计算--计算法和图解法
二、总传质速率方程
总吸收速率方程式:采用两相主体组成的某种差值 来表示总推动力而写出吸收速率方程式。
1.以（pG - pL*）为总推动力的总吸收速率方程式:
---pG 代表气相主体的分压； ---pL*代表与液相主体浓度cL呈平衡的气相溶质分压。
若气液平衡符合亨利定律,则:
* cL Hp L ; ci Hpi * N A k L (ci cL ) k L H ( pi p L ) * N A pi p L kL H N N A kG ( pG pi ) A pG pi kG
两式相加， 可得：
----独立变量只有3个，例如：T、P、pA
0
在几个大气压以内、温度T一定条件下：
10ncA，kmol/m3
O2n=3，CO2n=2，SO2n=1，NH3n=0 几种气体在 20℃水中的溶解度曲线
或 p A g c A
二）亨利定律
（1）亨利定律内容
当总压不高（≤5×105 Pa）时，一定温度下，稀溶液上 方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度之间成线性 关系 。
亨利定律
* pA
m与E的关系 ：
* pA py *
y * p Ex
m E p
cA H
S
百度文库
m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体 2） T m
p m
E
HM S
m
E p
三）相平衡关系在吸收过程中的应用
1. 气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：
一）传质过程的方向
pG , pi — 设备某处气相主 体，气相界面处的溶质分压
pG pi ci cL
气相推动力= pG -pi
ci , cL — 代表该处液相主 体，液相界面处的溶质浓度
NA
DG p (pG pi ) RT G pBm
DG p RT G pBm
令k G
δG δL
液相推动力= ci -cL
5
NA(
令
1 1 * ) pG p L k L H kG
2.以（cG*-cL）表示总推动力的总吸收速率方程式：
--- cL 代表液相主体的浓度； ---cG*代表与气相主体浓度pG呈平衡的液相浓度。
1 1 1 ＝ K G k L H kG
* pG pL 1 KG
* N A K G ( pG p L )
S （液体）
难溶体系
溶解度适中体系
32 2 3
(对双组分气体)
0.3 0.2 0.1
对双组分气体吸收，所有变量共4个： 温度T、总压P、气相组成、溶解度
pA=0.36cA pA=0.0136cA
NH3
c A f T , P , p A
c A f pA
易溶体系
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
传质阻力全部集中在两层膜内，膜外湍 流区阻力忽略，总阻力为两层膜阻力之和。
气液相界面处无阻力，气液两相在相界 面处达到平衡状态。
吸收速率 吸收系数 吸收推动力
吸收过程：溶质由气相主体到相界面(i)→穿 越界面→由相界面液相主体
气相 液相
1. (pG - pi)为推动力的气膜吸收速率方程
据双膜模型，溶质以分子扩散方式通过气相一侧 停滞膜时的传质速率为：
o x* x x
际液相浓度过饱和 (x>x*) ， 故液相有释放溶质 A 的能力 。
o
液相浓度为平衡浓度 (x=x*) ，故液相不释放或
x
x*
x
吸收溶质 A。 结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上 讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。
结论：若系统气、液相浓度 (y,x)在平衡线下方，则体系将 发生从液相到气相的传质，即解吸过程。
CO2
说明： （1）不同气体的 溶解度差异很大 （2）对于稀溶液 或极稀溶液，溶 解度曲线近似为 直线
气液达到相平衡时，液相中的溶质浓度称为溶解度，记作 c A
pA=723cA
pA=25.5cA
SO2
根据相律可知， 相平衡时 自由度数 F 组分数 C 相数 2
A A+B （气体）
c A
c c c p A x H c H
c E H
T H
c—为液相（A+S）的总浓度，c=cA+cS
* 2）y mx
y* ——与液相（摩尔分数为x）平衡的气相摩尔分数 m ——相平衡常数，无因次。

例9-1 已知在总压101.3kPa及20℃下，液相中氨的浓 度为0.582kmol.m-3，气相中氨的平衡分压为800Pa； 若在此范围内的相平衡关系符合亨利定律，试求 H，E，m值。 分析：已知cA=0.582kmol.m-3，pA*=800Pa H E m
N A kG ( pG pi ) k L ( ci cL )
pG pi

kL (cL ci ) kG
过点P(pA, cL)作一条斜 率为－ kL/ kQ 的直线 , 该 直线与平衡线的交点 I即 为界面状态 (pi, ci）
N A kG ( pG pi )
N A k L (ci c L )
避开难以测定的界面组成。 总吸收速率方程式中的吸收系数，称为总吸收数，用K表 示。 K的倒数即为总阻力，总阻力应当是两膜阻力的代数和。 总推动力是两相主体组成的某种差值，因气、液相组成表 示法不相同，二者不能直接相减，即使表示法相同，差值也 不能代表过程的总推动力。吸收过程的总推动力采用任何一 相的主体组成与其平衡组成的差值表示。
与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转 移，长期充分接触后，液相中溶质组分的浓度不 再增加，此时，气液两相达到平衡(动态平衡)。

溶解度(或平衡溶解度):平衡状态下液相中溶质浓度。 平衡分压或饱和分压:平衡状态下气相中溶质的分压。

1.0
一）溶解度及溶解度曲线
pA，atm
O2
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4

相对于液相浓度x而言,实
相对于液相浓度 x 而言 ,
y y*
吸收溶质
y y* y
际气相浓度为欠饱和 (y<y*) ，溶质 A 由液相向气 相转移。

y*=f(x)
气相浓度为平衡浓度 (y=y*)，溶质 A 不发生转 移。

y*=f(x) R
相对于气相浓度 y 而言 , 实
y
释放溶质
Q
相对于气相浓度 y 而言 ,
判断吸附 还是脱附
比较p(CO2)与p* (CO2)的大小
p(CO2) p*(CO2)
p(CO2)=Py (CO2)
以气相分压差表示 的传质推动力。
* A
E—查表
p*(CO2)=Ex
x
cL c L S c MS
3
（2）
推动力= p*(CO2)- p (CO2)
二、吸收传质速率
溶质从气相转移到液相的传质过程，可分为三个步骤： -----三个串联传质环节 1 ）溶质由气体主体通过对流 和扩散到达两相界面，即气 相内的传质。 降低操作温度 2 ）溶质在相界面上，由气相转 入液相，即在界面上发生的溶解 过程。 3）溶质由界面通过扩散和对流进 入液相主体，即液相内的传质。 NAG NAL
二）传质过程的限度---相平衡 对吸收而言：
1）若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最低只能降到与之 相平衡的浓度 y*，即 ymin=y*； 2）若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度 x 最高也只能升高 到与气相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmax=x*。
y y P y*=f(x)
对解吸而言：

讨 论： 1）E的影响因素：溶质、溶剂、T 物系一定，T E 2）E大的，溶解度小，难溶气体
* pA Ex
式中：
-----亨利定律
E小的，溶解度大，易溶气体 3）E的来源：实验测得；查手册
pA* —— 溶质在气相中的平衡分压，kPa； x —— 溶质在液相中的摩尔分数； E —— 亨利系数，kPa.
pA p
y y （y-y*） y* （x*-x） o x x* x P y*=f(x)
例9-3 在总压1200kPa及303K下，含CO25%(体积分 数)的气体与含CO2为1.0g.L-1的水溶液相遇，问： 1）会发生吸附还是脱附？ 2）以分压差表示的推动力有多大？ 3）若要改变传质方向可采取哪些措施？ 分析： （1）
1）若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最高只能升到与之相平 衡的浓度 y*，即 ymax=y*； 2）若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度 x 最高也只能降到与气 相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmin=x*。
y y* y*=f(x)
y y* o o x x* x x* x
Q
x
三）传质过程的推动力
（3）
若要改变 传质方向
增大p (CO2)
增大总压P
气体
液体
减小p* (CO2)
一）双膜模型
1923年惠特曼(Whiteman)提出，最早的传质模型。 要点：
气液两相间存在稳定的相界面，界面两 侧各有一个很薄的停滞膜，溶质A只能以 分子扩散的方式通过此膜层。
二）吸收过程的单向传质速率方程 1）传质速率：单位时间内，通过单位传质面 积吸收的溶质的量。 ----反映吸收过程进行快慢程度。 2）传质速率方程：描述传质速率与传质推动 力之间关系的数学表达式。
* pA pA
A由气相向液相传质，吸收过程 平衡状态 A由液相向气相传质，解吸过程
*

相对于液相浓度 x 而言，
y y
释放溶质
气相浓度为过饱和 (y>y*)，溶 质 A 由气相向液相转移。

P
y*=f(x)
* pA pA
pA p
* A
相对于气相浓度 y 而言，
液相浓度欠饱和 (x<x*) ，故 液相有吸收溶质 A 的能力。
若气液平衡符合亨利定律,则
* HpG ; ci Hpi cG
〖说明〗 KG－气相总吸收系数，单位同kG：kmol/(m2.s.Pa) 1/KG－总阻力， (m2.s.Pa)/kmol，此阻力的表达形 式是与总推动力（pG-pL*）相对应的，且由气膜阻力 1/kG与液膜阻力1/(HkL)组成。
复 习： 1. 吸收的概念。 2. 吸收的目的（制取产品，回收有用组分，除去有害组分） 3. 吸收过程的分类（按组分数，是否有化学反应，温度是否变化） 4. 吸收流程（单纯吸收，吸收解吸流程） 5. 吸收剂的选择（溶解性，选择性，挥发性）
第二节
吸收基本理论
一、气液相平衡关系

平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂
1
（2）亨利定律其它形式
* 1） p A
c
cA H
kmol/（m3·kPa）
溶液密度 L 溶液（A+S）平均摩尔质量M L

L
M S (1 x) M A x

S
MS
（对于稀溶液）
H——溶解度系数，
cA——摩尔浓度，kmol/m3；

E
S
HM S
H与E的关系：
* A

H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体 2）P对H影响小，
N A kG ( pG pi )
4
2. (ci - cL)为推动力的液膜吸收速率方程
据双膜模型，溶质以分子扩散方式通过液相一侧 停滞膜时的传质速率为：
3. 相界面组成pi、ci的计算
由双膜模型，相界面处气液两相达到平衡。

界面浓度的求取:计算法和图解法
D C NA L (ci cL ) L cSm D C 令k L L L cSm
未达平衡的两相接触会发生相际间传质 (吸收或解吸 )，离平衡浓 度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。 方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过 程的推动力。 对吸收过程： (y-y*) ：以气相摩尔分数差 表示的传质推动力； (x*-x) ： 以 液 相 摩 尔 分 数 差表示的传质推动力。