气体吸收习题参考资料

第九章 气体吸收

一、本章学习的目的、应掌握的内容和学习注意事项

1. 本章学习的目的

通过本章的学习，掌握气体吸收与解吸的基本概念和气体吸收过程的基本计算方法。

2. 本章重点掌握的内容

（1）气体吸收过程的平衡关系

（2）气体吸收过程的速率关系

（3）低浓度气体吸收过程的计算

本章应掌握的内容

（1）费克定律和分子传质问题的求解方法

（2）双膜模型

本章一般了解的内容

（1）溶质渗透模型和表面更新模型

（2）吸收系数

3. 本章学习应注意的问题

（1）表示吸收过程的平衡关系为亨利定律，亨利定律有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间的联系。

（2）表示吸收过程的速率关系为吸收速率方程，吸收速率方程有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间的联系。

（3）学习分子传质，不要机械地记忆各过程的求解结果，应注意把握求解的思路和应用背景。

（4）学习中应注意把握传质机理和吸收过程机理之间的联系，注意体会讲述传质机理和吸收过程机理的目的和意义。

二、例题解析

9-1 惰性气与CO 2的混合气中CO 2体积分数为30％，在表压1MPa 下用水吸收。设吸收塔底水中溶解的CO 2达到饱和，此吸收液在膨胀槽中减压至表压20kPa ，放出大部分CO 2，然后再在解吸塔中吹气解吸。

设全部操作范围内水与CO 2的平衡关系服从亨利定律，操作温度为25℃。求1kg 水在膨胀槽中最多能放出多少千克CO 2气体。

解：依题意，在全部操作范围内水与CO 2的平衡关系服从亨利定律，查附录二得25℃下CO 2溶于水时的亨力系数为

方法一：对膨胀槽作CO 2物料平衡(以1kg 水为衡算基准)

入膨胀槽吸收液中CO 2的组成

设此液1kg 水中溶解CO 2的kg 数为W 1，则有：

出膨胀槽吸收液中CO 2的组成

设此液1kg 水中溶解CO 2的kg 数为W 2，则有：

故1kg 水在膨胀槽中最多能释放出CO 2的kg 数为

方法二：不考虑气流夹带走的水量，则膨胀槽内水的量恒

定不变，于是1kg 水在膨胀槽中最多能放出CO 2气体的的千克

数为

9-2 某水杯中初始水面离杯上缘1cm ，水温30℃，水汽扩散进入大气。杯上缘处的空气中水汽分压

可设为零，总压101.3kPa 。求水面下降4cm 需要多少天?

解：本题因水温、大气温度和大气压力恒定，故分子扩散的推动力)(2A 1A p p 恒

定，但因停滞空气层厚度随杯中水面的下降而增厚，分子扩散阻力逐渐增大，传质速率逐渐下降，故此题为一维拟定态单向分子扩散问题，其传质速率仍可表示为

式中：D 为水气在空气中的扩散系数，查教材P11中表8-1得/s cm 260.02=D （25℃），需将其换算至30℃下的值为

又查附录二、3.得30℃时水的饱和蒸汽压为4242P a ＝4.242kPa 。于是

设水杯的截面积为A ，在任意时刻θ时，杯中水面距杯口的高度为z ，经过时段dθ后水面高度下降了dz ，作时段dθ内的微分物料衡算有：

zdz d dz d z

M dz A d A N 98

A

A 1020.118/7.9951061.4/?==?=-θθρθ 积分得： 16.7d

s 1044.1)01.005.0(5.01020.11020.1622905.001.09=?=-???=?=?zdz θ 9-3 采用图9-3所示的双塔流程以清水吸收混合气中的SO 2，气体经两塔后SO 2总的回收率为0.91，两塔的用水量相等，且均为最小用水量的1.43倍，两塔的传质单元高度H OG 均为1.2m 。在操作范围内物系的平衡关系服从亨利定律。试求两塔的塔高。

解：因是低浓度气体吸收，故两塔气相摩尔流率相可视为近似相等，又二塔液相摩尔流率也相等，故两塔操作的液气比相等，于是有

因7.0/)(7.0/)(232B 121A =-==-=y y y y y y ηη，，即

ηηη==B A ，又43.1B A ==ββ。于是

即A 、B 二塔的操作线与平衡线平行，于是有3B 2)()(y y y y m A m ==??，（可参考图示），故有

说明：关于操作线与平衡线平行的问题

对吸收而言，当1=S 时，无论采用何种方法计算OG N ，都会出现一个0/0型的不定式，此时应牢记21y y y y i m ????===，因为此时在塔的任何截面上，传质的对数平均推动力都相等，现证明如下：

不妨设x a y x a y -=+=21??，，当0→x 时，则有a y y ==21??。而

此结论不仅适用于传质，同样也适用于传热的计算。

9-4 一逆流操作吸收塔如图所示．混合气体由塔底引入，其中可溶组分的浓度05.01=y （摩尔分率，下同），单位塔截面上的气相流率s)kmol/(m 014.02

?=G ，吸收剂分两处加入。由塔顶加入的为纯溶剂，单位塔截面上的流率s)kmol/(m 0112.021?=L 。从塔顶往下，经2米填料层高度后，又加入一股

01.02='x 的吸收剂，单位塔截面上的流率s)kmol/(m 0112.022?=L ，再经6m 填料层高度后，液体由

塔底引出。全塔各处的a K y 均为s)8kmol/(m 02.02?，物系平衡关系为x y 8.0=，试求： （1）第二股吸收剂L 2加入后，塔内该截面上的液相浓度2

x '' （2）塔底排出的液相浓度1x

（3）为使出塔气相浓度2y 降低，第二股吸收剂的加入口是向上移还是向下移？为什么？

解：依题意，塔上下两段的传质单元高度相同，且有：

全塔物料衡算： 008.06.105.0)()(122

22112121-=-?'--+=-x y x L x L x L L y y G

设第二股吸收液与上塔段流下来的液相流混合后的浓度为3x ，与之对应的气相组成为3y ，对上下两塔段作物料衡算有：

上塔：

（1）

008.06.1))(()(3232

2232123-=-?

'--+=-x y y x L x x L L y y G

下塔： )(6.105.0)

)(()(313312131x x y x x L L y y G --=?

-+=- 两塔段的传质单元数 因上塔段的操作线与平衡线平行（8.0/==m G L ），22221y mx y y y m =-==??，故有

塔上段：2312231231545.02y y H h y y y y y y N OG m OG =?===-=-=? （4）

塔下段：125

.06ln 11233112212===--'-=-=OG m OG H h mx y mx y S y y y N ? )(43.4036ln 33113

311mx y mx y mx y mx y -=-?=-- （5） 式中 5.0)/(21=+='L L mG S

（1）联立求解方程组，将式（4）代入式（2）可得：005.05.223+=y x ，由式（1）得21625.00

3625.0y x -=，

再利用式（5），将331,,y x x 均表示成2y 的等式，即可求解出2y ，所得结果如下： 001351.02=y ，008378.03=x ，035405.01=x ，006755.03=y

即本题中的008378.032

==''x x （2）前已解出：035405.01=x

（3）为使出塔气体的浓度2y 降低，第二股物流应在塔内液相浓度01.0=x 处所处的截面加入，这样才不致因第二股物流的进入产生返混，使塔的吸收效率发挥到最大。

现对上塔段作计算，考察经过2m 填料层高度后的液相组成

显然，尚未达到0.01，故第二个加入口应下移。

其物理解释如下：

若第二股物流在原加入口加入，在第二股液流进塔之前，因塔内液相浓度为006755.03

='x ，与第二股液流浓度不等，当第二股液流进塔后便会与塔上段下来的液流相混合，其混合后的浓度为

三、概念题、思考题与练习题

（一）概念题

9-1 常压下用水吸收二氧化碳的低浓度系统，如在水中加碱，此系统( )。

(A)k G 和K G 都明显增大 (B)k G 减小，K G 增大 (C)k G 基本不变，K G 增大 (D)k G 和K G 都基本不变

9-2 对一定的气体和稀溶液物系，相平衡常数m 取决于 ( )

(A)温度和浓度 (B)温度和压强 (C)压强和浓度 (D)流速和浓度

9-3 只要组分在气相中的分压__________液相中该组分的平衡分压，解吸就会继续进行，直至达到一个新的平衡为止。

(A)大于 (B)小于 (C)等于 (D)不等于

（2） （3）

9-4 低浓度难溶气体吸收，其他操作条件不变,入塔气量增加，气相总传质单元高度H OG、出塔气体浓度y a、出塔液体浓度x b将会有( )变化。

(A)H OG↑，y a↑，x b↑ (B)H OG↑，y a↑，x b↓ (C)H OG↑，y a↓，x b↓(D)H OG↓，y a↑，x b↓

9-5 在逆流吸收塔内，入塔条件不变，填料层高度h0趋向无穷大，当吸收因数A<1时，气液相在( )处达到平衡。

(A)塔顶(B)塔底(C)塔中部(D)塔中某一位置

9-6 用纯溶剂逆流吸收混合气中的溶质，符合亨利定律。当入塔气体浓度上升[属低浓度范围]其他入塔条件不变，则气体出塔浓度y a和吸收率η( )。

(A)y a↑，η↓(B)y a↓，η↑ (C)y a↑，η↓ (D)y a↑，η↑

9-7 正常操作的逆流吸收塔，因故吸收剂入塔量减少，以致使液气比小于原定的最小液气比，将会发生( )。

(A)出塔液x b↑，吸收率η↓ (B)出塔气y a↑，出塔液x b不变

(C)出塔气y a↑，出塔液x b↑ (D)在塔下部发生解吸现象

9-8 温度__________，将有利于解吸的进行。

(A) 降低(B) 升高(C)变化(D)

9-9 在解吸操作中，总压P和温度T( )，将有利于解吸的进行。

(A)P↑，T↑ (B)P↑，T↓ (C)P↓，T↑ (D)P↓，T↓

9-10 在y-x 图上，操作线若在平衡线下方，则表明传质过程是( )。

(A)吸收(B)解吸(C)相平衡(D)不确定

（三）思考题

9-1 吸收的目的和基本依据是什么？吸收的主要操作费用花费在哪里？

9-2 选择吸收溶剂的主要依据是什么？什么是溶剂的选择性？

9-3 E、m、H三者各自与温度、总压有何关系?

9-4 工业吸收过程气液接触的方式有哪两种?

9·5 扩散流J A，净物流N，传递速率N A相互之间有什么联系和区别？

9-6 漂流因子有什么含义？等分子反向扩散时有无漂流因子？为什么？

9-7 气体分子扩散系数与温度、压力有何关系？液体分子扩散系数与温度、黏度有何关系?

9-8 修伍德数、施密特数的物理含义是什么？

9-9 传质理论中，有效膜理论与表面更新理论有何主要区别？

9-10 传质过程中，何种情况是气相阻力控制?何种情况是液相阻力控制？

9-11 低含量气体吸收有哪些特点?

9-12 吸收塔高度计算中，将N OG与H OG分开，有什么优点？

9-13 建立操作线方程的依据是什么?

9-14 什么是返混?

9-15 何谓最小液气比？操作型计算中有无此类问题？

9-16 x2max与(L/G)min。是如何受到技术上的限制的？技术上的限制主要是指哪两个制约条件？

9-17 有哪几种Nca的计算方法？用对数平均推动力法和吸收因数法求Not；的条件各是什么？

9-18 Hca的物理含义是什么？常用吸收设备的H OG约为多少？

9-19 吸收剂的进塔条件有哪三个要素？操作中调节这三要素，分别对吸收结果有何影响?

9-20 吸收过程的数学描述与传热过程的数学描述有什么类似与区别？

9-21 高含量气体吸收的主要特点有哪些？

9-22 化学吸收与物理吸收的本质区别是什么?化学吸收有何特点？

9-23 化学吸收过程中，何时成为容积过程?何时成为表面过程？

（三）练习题

气液相平衡

9-1 在盛水的鼓泡吸收器中通人纯CO 2气，经长期接触后测得水中CO 2的平衡

浓度为2.857×10 -2mol/L 溶液。鼓泡器中的总压为101.3kPa ，水温30℃，溶液的密度

ρ = 996kg/m 3。求亨利系数，并将此实验值与文献值E = 188.5MPa 作比较。

[答：E ＝188.1MPa ，偏差0.21％]

9-2 惰性气与CO 2的混合气中CO 2体积分数为30％，在表压1MPa 下用水吸收。

设吸收塔底水中溶解的CO

2达到饱和，此

吸收液在膨胀槽中减压至表压20kPa ，放

出大部分CO 2，然后再在解吸塔中吹气解吸。

设全部操作范围内水与CO 2的平衡关系服从亨利定律，操

作温度为25℃。求1kg 水在膨胀槽中最多能放出多少千克CO 2

气体。

[答：3.07×10-3kg CO 2]

9-3 20℃的水与N 2气逆流接触以脱除水中溶解的O 2气。

塔底人口的N 2气中含氧体积分数为0.1％，设气液两相在塔底

达到平衡，平衡关系服从亨利定律。求下列两种情况下，水离开塔底时的最低含氧量，以mg/m 3水表示。

(1)操作压力(绝对)为101.3kPa 。(2)操作压力(绝对)为40kPa 。

[答：(1)44.16mg/m 3水；(2)17.51mg/m 3水]

9-4 气液逆流接触的吸收塔，在总压为101.3kPa 下用水吸收Cl 2气，进入塔底的气体混合物中含氯体积分数为1％，塔底出口的水中含氯摩尔分数x ＝0.8×10-5。试求两种不同温度下塔底的吸收推动力，分别以(x x e -)及(e y y -)表示。

(1)塔底温度为20℃；(2)塔底温度为40℃。

[答： (1)1.09×10-5，5.76×10-3；(2)4.7×10-6，3.68×10-3]

9-5 某逆流吸收塔塔底排出液中含溶质摩尔分数x ＝2×10-4，进口气体中含溶质体积分数为2.5％。操作压力为101kPa ，气液平衡关系为y ＝50x 。

现将操作压力由101kPa 增至202kPa ，问塔底推动力(e y y -)及(x x e -)各增加至原有的多少倍。

[答：1.33，2.67]

扩散与相际传质速率

9-6 柏油马路上积水2mm ，水温20℃。水面上方有一层0.2mm 厚的静止空气层，水通过此气层扩散进入大气。大气中的水汽分压为1.33kPa 。问多少时间后路面上的积水可被吹干。

[答：0.58hr ]

9-7 某水杯中初始水面离杯上缘1cm ，水温30℃，水汽扩散进入大气。杯上缘处的空气中水汽分压

可设为零，总压101.3kPa 。求水面下降4cm 需要多少天?

[答：1.44×106s ]

9-8 某填料塔用水吸收混合气中的丙酮蒸气。混合气流率为16kmol/(m 2·h)，

操作压力101.3kPa 。已知容积传质系数k y a ＝64.6kmol/(m 3·h)，k L a ＝

16.6kmol/(m 3·h)(kmol/m 3)，相平衡关系为p A ＝4.62c A 。式中气相分压p A 的单位是

kPa ，平衡浓度单位是kmol/m 3。求(1)容积总传质系数及传质单元高度H OG 。(2)液相

阻力占总传质阻力的百分数。

[答：(1)54.9kmol/(m 3·h)，0.291m ；(2)15.1％]

9-9 在设计某降膜吸收器时，规定塔底气相中溶质的摩尔分数y ＝0.05，液相中溶质的摩尔分数x ＝0.01。两相的传质系数分别为是k x ＝8×10-4kmol/(m 2·s)，k y ＝5×10-4kmol/(m 2·s)。操作压力为101.3kPa

时相平衡关系为y ＝2x 。试求：(1)该处的传质速率N A ，单位为kmol/(m 2·s)；(2)如果总压改为162kPa ，塔径及气、液两相的摩尔流率均不变，不计压强变化对流体黏度的影响，此时的传质速率有何变化?讨论总压对k y 、K y ，及(e y y -)的影响。

[答：(1)6.66×10-6；(2)1.05×10-5，k y 不变，K y 增加，(e y y -)增加]

吸收过程数学描述

9-10 对低含量气体吸收或解吸，由

x y y k m k K +=11出发，试证OG OL 1N A N =。 9-11 低含量气体逆流吸收，试证：

式中 1e 11y y y -=?为塔底的吸收推动力；2e 22y y y -=?为塔顶的吸收推动力。

9-12 用纯溶剂对低浓度气体作逆流吸收，可溶组分的回收率为η，采用的液气比是最小液气比的β倍。物系平衡关系服从亨利定律。试以η、β两个参数列出计算OG N 的表达式。

[答：??????+-???? ??--=-βηηβηβη11111ln )(11

1OG N ] 9-13 附图为两种双塔吸收流程，试在y-x 图上定性画出每种吸收流程中A 、B 两塔的操作线和平

衡线，并标出两塔对应的气、液相进口和出口摩尔分数。

[答略]

9-14 含量较高的溶液进入图示解吸塔塔顶，塔底吹气解吸，塔中部某处抽出一半液体，另一半液 体由塔底排出，试在y -x 图上画出平衡线与操作线，并标出各股流体的含量坐标。

[答略]

吸收过程的设计型计算

9-15 流率为0.014kmol/(m 2·s)的空气混合气中含氨体积分数为2％，拟用逆流吸收以回收其中95％的氨。塔顶淋入摩尔分数为0.0004的稀氨水溶液，设计采用的液气比为最小液气比的1.5倍，操作范围内物系服从亨利定律y ＝1.2x ，所用填料的总传质系数K y a ＝0.052kmol/(m 3·s)。试求：(1)液体在塔底的摩尔分数x 1；(2)全塔的平均推动力m y ?；(3)所需塔高。

[答：(1) 0.0113；(2) 2.35×10-3；(3) 2.18m ]

9-16 用纯溶剂对低含量混合气作逆流吸收以回收其中的可溶组分，物系的相平

衡关系服从亨利定律，吸收剂用量是最小用量的1．3倍，试求下列两种情况下所需

的塔高，已知传质单元高度Hoc ；＝0.8m 。(1)回收率η＝90％。 (2)回收率η＝99％。(3)两种情况下的吸收剂用量有何差别?

[答：(1) 4.61m ；(2) 11.3m ；(3) L′/L ＝1.1]

9-17 含H 2S 摩尔分数2.5×10-5的水与空气逆流接触以使水中的H 2S 脱除，操作在101.3kPa 、25℃下进行，物系的平衡关系为y ＝545x ，水的流率为5000kg/(m 2·h)。

试求：(1)为使水中H 2S 的摩尔分数降至x ＝0.1×10-5所需的最少空气用量。(2)当空气用量为G = 0.40kmol/( m 2·h)，设计时塔高不受限制，可以规定离解吸塔的水中含H 2S 最低摩尔分数是多少?示意画出该种情况下的解吸操作线。

[答：(1) 0.489kmol/(m 2·h)；(2) 5.43×10-6]

9-18 采用图示的双塔流程以清水吸收混合气中的SO 2，气体经两

塔后SO 2总的回收率为0.91，两塔的用水量相等，且均为最小用水量的

1.43倍，两塔的传质单元高度H OG 均为1.2m 。在操作范围内物系的平衡

关系服从亨利定律。试求两塔的塔高。

[答：2.8m ，2.8m ]

9-19

某填料吸收塔用过热水蒸气吹出洗油中的苯，人塔液体中苯

的摩尔分率为0.05，要求解吸率97％，该物系相平衡关系为y ＝2.8x ，采用的过热蒸汽用量为最小气体用量的1.3倍，该填料的传质单元高度H OG = 0.3m ，试求该塔的填料层高度。

吸收过程的操作型计算

9-20 某吸收塔用25mm×25mm 的瓷环作填料，充填高度5m ，塔径1m ，用清水逆流吸收流量为2250m 3/h 的混合气。混合气中含有丙酮体积分数为5％，塔顶逸出废气含丙酮体积分数降为0.26％，塔底液体中每千克水带有60g 丙酮。操作在101.3kPa 、25℃下进行，物系的平衡关系为y ＝2x 。试求：(1)该塔的传质单元高度H OG 及容积传质系数K y a ；(2)每小时回收的丙酮量，kg/h 。

[答：(1) 0.695m ，0.0467kmol/(m 2·s)；(2) 253kg/h ]

9-21 某填料吸收塔高2.7m ，在常压下用清水逆流吸收混合气中的氨。混合气人塔的摩尔流率为 0.03kmol/(m 2·s)。清水的喷淋密度0.018kmol/(m 2·s)。进口气体中含氨体积分数为2％，已知气相总传质系数K y a = 0.1kmol/(m 2·s)，操作条件下亨利系数为60kPa 。试求排出气体中氨的浓度。

[答：0.002]

9-22 某填料吸收塔用含溶质x 2＝0.0002的溶剂逆流吸收混合气中的可溶组分，采用液气比是3，气体人口摩尔分数y 1＝0.01回收率可达η＝0.90。已知物系的平衡关系为y ＝2x 。

今因解吸不良使吸收剂入口摩尔分数x 2升至0.00035，试求：(1)可溶组分的回收率下降至多少? (2)液相出塔摩尔分数升高至多少?

[答：(1) 0.87；(2) 0.00325]

9-23 在15℃、101.3kPa 下用大量的硫酸逆流吸收空气中的水汽。入塔空气中含水汽摩尔分数为 0.0145，硫酸进、出塔的摩尔分数均为80％，硫酸溶液上方的平衡水汽摩尔分数y e ＝1.05×10-4，且已知该塔的容积传质系数8.0G a K y ∝。空气经塔后被干燥至含水汽摩尔分数0.000322。

现将空气流率增加一倍，则出塔空气中的含水量为多少?

[答：000478.02

='y ]