第5章吸收-传质与分离过程的基本概念及吸收系数
化工基础 第五章 吸 收
第五章 吸 收§5.1 概述气体吸收是典型的扩散传质过程。
气相（吸附质）：由可溶于吸收剂的气体组分和吸收操作系统包括两个相：不溶或难溶于吸收剂的惰性组分组成。
液相：液体吸收剂。
对吸收操作的吸收率、吸收条件、吸收设备类型的选择都起决定性的作用。
吸收过程：利用混合气中各组分在吸收剂中有不同溶解度的特点，选择合宜的吸收剂对混合气中的组分进行选择性的吸收，以达到从混合气中分离出纯的组分，或得到指定浓度的溶液或使气体净制的目的。
吸收的应用：(1)制取成品：如用NaOH溶液吸收Cl2制取NaClO3，用水吸收氯化氢以制取盐酸，用硫酸(98.3％)吸收三氧化硫以制取浓硫酸等。
(2)从气体中回收有用的组分和分离气体混合物：如用水吸收氯磺酸生产尾气回收HCl，用油吸收石油裂解气中C2以上组分，使之与氢和甲烷分离；由乙烯直接氧化来制环氧乙烷时用水吸收反应后气体中的环氧乙烷等。
(3)吸收气体中的有害物质以净化气体：如用水吸收AC发泡剂缩合工段和氯化工段的尾气以除去HCl气体；合成氨工业中用铜氨液吸收除去原料气体中的一氧化碳等。
(4)作为生产的辅助环节：如氨碱法生产中用饱和盐水吸收氨以制备原料氨盐水等。
(5)作为环境保护和职业保健的重要手段：如硫酸厂用吸收除去废气中二氧化硫；过磷酸钙厂用吸收除去废气中含氟气体等。
在净化这类废气时有时还可以回收有用的副产品。
1 吸收的类型吸收包括两种类型。
（1）物理吸收：吸收质只是简单地从气相溶入液相，吸收质与吸收剂间没有显著的化学反应或只有微弱的化学反应，条件稍有改变，解吸即可发生。
例如用吸收油吸收焦炉气中的苯，用水吸收氯化氢、二氧化碳或氨等。
特点：①是一个物理化学过程，吸收的极限取决于当时条件下吸收质在吸收剂中的溶解度，吸收速率主要取决于吸收质从气相主体传递进入液相主体的扩散速率。
②是可逆的，热效应一般较小。
③加压有利于吸收，减压则有利于解吸；降低温度可以有限度地增大吸收质的溶解度，提高吸收速率，但温度过低，吸收质分子的扩散速率减慢，有可能减慢吸收速率。
化工原理答案-第五章--吸收
第五章 吸收 相组成的换算【5-1】 空气和2的混合气体中，2的体积分数为20%，求其摩尔分数y 和摩尔比Y 各为多少？解 因摩尔分数=体积分数，.02y =摩尔分数 摩尔比 ..020251102y Y y ===--． 【5-2】 20℃的l00g 水中溶解3, 3在溶液中的组成用摩尔分数x 、浓度c 及摩尔比X 表示时，各为多少？解 摩尔分数//117=0．010*******／18x =+浓度c 的计算20℃，溶液的密度用水的密度./39982skg m ρ=代替。
溶液中3的量为 /311017n kmol -=⨯溶液的体积 /.33101109982 V m -=⨯溶液中3的浓度//.33311017==0．581／101109982n c kmol m V --⨯=⨯ 或 . 3998200105058218s sc x kmol m M ρ==⨯=．．／ 3与水的摩尔比的计算//1170010610018X ==． 或 ..00105001061100105x X x ===--． 【5-3】进入吸收器的混合气体中，3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时3的组成，以摩尔比Y 和摩尔分数y 表示。
吸收率的定义为122111Y Y Y Y Y η-===-被吸收的溶质量原料气中溶质量解 原料气中3的摩尔分数0.1y = 摩尔比 (11)10101111101y Yy ===-- 吸收器出口混合气中3的摩尔比为 () (2)11109011100111Y Y η=-=-⨯=（）摩尔分数 (22)200111=0010981100111Y yY ==++ 气液相平衡【5-4】 l00g 水中溶解lg 3NH ，查得20℃时溶液上方3NH 的平衡分压为798。
此稀溶液的气液相平衡关系服从亨利定律，试求亨利系数E(单位为kPa )、溶解度系数H[单位为/()3kmol m kPa ⋅]和相平衡常数m 。
(最新整理)第05章质量传递
浓度保持不变时，组分A在分子扩散的同时伴有组分 B向相反方向的分子扩散，且组分B扩散的量与组分A 相等，这种传质过程称为等分子反向扩散。
pA1
p1 pB1
pA1 > pA2 A
B pB1 < pB2
pA2
2
p
pB2
1、2两截面上A、B 分压保持不变
组分A在相主体的分压
主体间的对数平均分压
与等分子反向扩散速率方程相比，单向扩散时多了一个因子
第三节 分子传质
讨论
NA
DABclnccA,0 L ccA,i
NA
DABc LcB,m
(cA,i
cA,0)
NARDTABB pLm , p(pA,i pA,0)
（1）组分A的浓度与扩散距离L为指数关系
p
c
（2） p Bm 、c B, m
分子扩散是由浓度差引起的分子微观运动；主 体流动是由气相主体与相界面之间的压差引起的流 体的宏观运动，起因是分子扩散，所以主体流动是 分子扩散的伴生现象。
第三节 分子传质
2、扩散通量 扩散组分的总通量由两部分组成，即流动所造成的 传质通量和叠加于流动之上的分子扩散通量；
由组分A、B 组成的混合气体，如组分A 为溶质，B 为惰 性气体，组分A向液体界面扩散并溶于液体中，则组分A 的传质通量为流动中组分A的传质通量+分子扩散通量。
第五章 质量传递 本章主要内容
第一节 环境工程中的传质过程 第二节 质量传递的基本原理 第三节 分子传质 第四节 对流传质
第一节 环境工程中的传质过程
1、水、气体和固体中污染物的分离过程
分类
非均相混合物
化工原理 第五章 气体吸收
Y
*
mX 1 (1 m) X
当溶液浓度很低时,上式右端分母约等于1,于是上式可简化为:
Y*=mX
20
三、 相平衡关系在吸收中的应用
（一）判断过程进行的方向
* pA pA * pA pA * 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
*或x* >x或 c * y
dc A —组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m； dz
DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。
负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿 着浓度降低的方向进行
28
理想气体：
pA cA RT
dc A 1 dp A = dz RT dz
DAB dpA JA RT dz
25
吸收过程： （1）A由气相主体到相界面，气相内传递； （2）A在相界面上溶解，溶解过程； （3）A自相界面到液相主体，液相内传递。
单相内传递方式：分子扩散；对流扩散 。
26
一、 分子扩散与菲克定律
分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存 在浓度差，则因分子无规则的热运动使
该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，
物系一定， E T 2）E大的，溶解度小，难溶气体 E小的，溶解度大，易溶气体
3）E的来源：实验测得；查手册
对于理想溶液，亨利常数即为纯溶质的饱和蒸汽压。亨利常数E值较大表示溶解度 较小。一般E值随温度的升高而增大，常压下压力对E值影响不大。
16
（二）亨利定律其它形式
cA 1）p H
体主体浓度线相交于一点E，则厚度zG为E到相界
面的垂直距离。
（二）气相传质速率方程
气体吸收
5.1 概述
2、传质
气体吸收是传质分离过程。 前面提到的传质分离过程中，
重点是要讲述平衡分离过程， 是组分在两相间的分配不同 （平衡）来实现分离。 气体吸收过程包含有组分从一 相到另一相的转移。 过程的推动力为：浓度差C
二. 物理吸收和化学吸收
物理吸收 定义： 溶质气体溶于液相中不发生显著化学 反应的吸收过程，称之为～ 例如： CO2 ＋ H2O＝ H2 CO3 HCl（g）＋H2O ＝ HCl（L） 丙酮（g）＋H2O＝丙酮（L） 化学吸收 定义： 液相中有某种组分，能够与溶质气体 （溶解于L）进行化学反应的吸收过程，促进 了吸收过程的进行速率； 例如：Na2 CO3 （K2CO3) ＋CO2 ＋ H2O = Na2HCO3 （ KHCO3 )
X1、X2——分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率； φA——混合气体中溶质A被吸收的百分率，称为吸收率或回收率
现取塔内任一截面ｍ－ｎ与塔底（图中的虚线范围）作溶质
的物料衡算， 即：
V(Y1 - Y) = L(X1 - X)
L L Y X (Y1 X 1 ) V V
同理，可得
L L Y X (Y2 X 2 ) V V
NA=ky(y-yi) ky=PkG NA=kX(xi -X) kX=CkL
NA=Ky(y-ye) Ky=PKG Ky=1/(1/ky+m/kX) 气膜控制时Ky=ky
液膜
NA=kL(Ci-C)
NA=KG(P-Pe)
KG=1/(1/kG+1/HkL)
气相
气膜控制 KG=kG NA=KL(Ce -C)
一、亨利定律
5.2
气液相平衡
当总压不高（<5×105Pa）时，在一定温度下，稀溶液上方 溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：
第五章吸收
5.2 吸收的相平衡 相平衡---相际间传质的最终状态
与热平衡的不同之处：
※达到相平衡时，一般两相浓度不相等。
※达到相平衡时，传质过程仍在进行，只不过通过相
界面的某一组分的净传质量为零，因此属于动态平衡。
相界面
水
pG
气相主体
pi 液相主体
传质方向 Ci
CL
空气+氨气
二、亨利定律 吸收操作一般用于分离低浓度的气体混合物，因此时吸 收操作较为经济，低浓度气体混合物吸收时液相的浓度 通常也较低，即在稀溶液范围内，气液间的平衡关系可 用亨利定律来表示。亨利定律的不同表示形式：
1、
p
* A
ExA ,
E-亨利系数，单位Pa，E越大，表明溶解度越小。 E随温度、压力变化而变化，一般 T , E ; P , E
吸收
y 0.05
y ye , x xe
解吸
2、指明过程的极限
y2 y2e
x2
y1
x1 x1e
吸收过程的极限
3、计算过程的推动力
y
A
y
推动力y ye或xe x
x
ye
x
xe
吸收推动力
5.3 吸收过程的速率
传质方式
分子扩散:静止或层流流动的流体中，靠分 子运动来进行传质。
cBm
cm
pB2 pB1 ln pB2
pB1
由于实际的扩散层并不是全部由惰性组分B组成，扩散 途径中有A分子，B分子只占全量的 pBm / p ，使得实际 的扩散层厚度变小。
二、对流传质 在湍流流体中,物质传递包 括两部分:分子扩散和涡流 扩散.其传递速率为
化工原理28气体吸收
煤气中的芳烃,可采用洗油吸收方法回收芳烃获得粗苯.
二、吸收操作分类
*物理吸收与化学吸收 *等温吸收与非等温吸收 *单组分吸收与多组分吸收 *定态吸收与非定态吸收（过程参数是否随时间而变） 本章讨论所作的基本假定： 单组分、低浓度、连续定态逆流、等温物理吸收
三、吸收操作的经济性
吸收操作费用主要包括： ①气、液两相流经吸收设备的能量消耗； ②溶剂的挥发损失和变质损失；
=
0
dz dz dz
—d —PA = - —d P—B
dz
dz
—d C—A= - —d —CB
dz
dz
DAB = DBA = D
若选择固定的，垂直扩散方向的截面为基准，观察 扩散传质的速率。对于定态分子扩散则有
NA= JA
同理有
NB= JB
由以上讨论可知，等摩尔逆向扩散过程传质速率的大小主
要是分子扩散的贡献。
有总体流动时的传质速率： 对于B组分有： NB = JB+NBM =0
即： JB= - NBM
且
NAM
PA
——— = ———
NBM
PB
JB= -NBM = - JA
对于A组分，其传递速率 ：
即：
NA = JA + NAM = JA + NBM PA / PB NA =（1+ PA / PB）JA
NA=
dCA JA= - DAB———
dZ 式中：
JA— 组分A沿Z方向的扩散通量kmol/m2 ·s； CA— 组分A在混合物中摩尔浓度kmol/ m3 ; DAB—组分A在A、B混合中的扩散系数，m2/s 。
同理，对B组分的扩散可表示为
dCB JB= - DBA———
第五章吸收解析
0.014g)。
10
影响吸收过程的因素有温度、总压、气液相组成。 在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力
的增加而增加。如果要使一种气体在溶液中达到某 一特定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡压 力。 气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则 气体的溶解度增高。 气体在液相中的溶解度，随温度和吸收质在气相的 组成而变化。下图为SO2、NH3、HCl的气液相平衡 关系。
系服从亨利定律： PA* = E xA
式中 PA*—与稀溶液相平衡的吸收质气相平衡分压； xA—吸收质在溶液中的摩尔分数；
E—亨利系数，Pa。 吸收质在稀溶液上方的气相平衡分压与其在液相中
5
吸收设备与吸收操作
连续接触(也称微分接触)：气、液 两相的浓度呈连续变化。如填料塔。
溶剂 溶剂
规整填料
散装填料
塑料丝网波纹填 塑料鲍尔环填
料
料
级式接触：气、液两相逐级接 触传质，两相的组成呈阶跃变 化。 如板式塔。
气体
气体
a 微分接触
b 级式接触
图9-2 填料塔和板式塔
6
吸收操作的分类
物理吸收(physical absorption)：吸收过程溶质与溶剂不发 生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。 如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油 吸收芳烃等。
溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)] 溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]
500
0 oC
10 oC 20 oC 30 oC 40 oC 50 oC
200 150 100 50
0 oC 10 oC
20 oC 30 oC 40 oC
50 oC
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少倍？
kYa V0.8
气体流量增加20%
8
z HOG NOG
V
HOG KY a
解： (1)回收率变为多少？
NOG
1 1 S
ln1
S Y1
Y2
Y2 Y2
S
原工况下： S m 1.18 0.56 L V 2.1
NOG
1 1 S
ln1
S 1
1
S
1
1 0.56
ln1
0.56
1
1 0.95
11
解：∵
Y1
y1 1 y1
0.05 1 0.05
0.0527
Y2
y2 1 y2
0.0263 1 0.0263
0.00264
X1
61.2 / 58 (1000 61.2)
/ 18
0.02023
X2 0
Y1* 2X1 2 0.02023 0.04046 Y2* 0
∴ ΔY1 Y1 Y1* 0.0527 0.04046 0.01224
解①水的用量：
100/ 32 y1 (11000) / 22.4 0.07
0.07 Y1 1 0.07 0.0753
Y2 Y1(1 ) 0.0753 (1 0.98) 0.00151 X 2 0
5
习题课
X1
0.67
X
* 1
0.67
0.0753 1.15
0.0439
1000
1000
学习目的 与要求
通过本章学习，应掌握吸收的基本概念和吸收过 程的平衡关系与速率关系；掌握低浓度气体吸收的计 算方法；了解传质与分离过程的基本概念及吸收系数 的获取途径、解吸过程的概念。
1
本章小结
一、概念 分子扩散、对流传质、扩散通量、双模理论要点、对流传质 机理、影响对流传质的因素 等摩尔逆向扩散与单向扩散的特点 吸收推动力、吸收阻力（总的、气相侧、液相侧）、影响吸 收阻力的因素 传质单元高度、传质单元数、影响传质单元高度的因素
V 22.4 (1 y1 ) 22.4 (1 0.07) 41.5kmol / h
∴ L V (Y1 Y2 ) 41.5 (0.0753 0.00151) 69.8kmol / h
X1 X2
0.0439 0
②塔径：Vs
1000 3600
273 25 273
0.303m 3
Y2
Y2* Y2*
S
S mV L
2、
N OG
Y1 Y2 Ym
Ym
(Y1
Y1* ) (Y2 Y2* )
ln
Y1 Y2
Y1* Y2*
六、塔径的确定 D 4Vs
u
4
习题课
[习题1]在连续逆流操作的填料吸收塔中，用清水吸收原料 气中的甲醇蒸汽,已知处理的混合气量为1000m3(标准)/h,原 料气中含甲醇100g/m3(标准)，要求甲醇回收率达98%，吸收 后水中甲醇含量等于最大可能浓度的67%，操作条件为常压， 25℃。在此条件下汽液平衡关系为Y*=1.15X，气相总体积 吸收系数KYa=120kmol/(m3·h)，气体的空塔速度为0.5m/s， 试求：①水的用量；②塔径；③填料层高度。
ΔY2 Y2 Y2* 0.00264
则
Ym
Y1 Y2 ln Y1
0.01224 0.00264 ln 0.01224
0.00626
Y2
0.00264
12
∴
N OG
Y1 Y2 Ym
气比为2.1时,丙酮回收率可达95%。已
知物系平衡关系为Y*=1.18X,吸收过程
D=1.1m
大致为气膜控制,气相传质系数
kYaV0.8。今气体流量增加20%,而液体 流量及气液进口浓度不变,试求:
L 2.1
(1)回收率变为多少？
V
V
L
(2)单位时间内被吸收的丙酮量增加多 Y=1.18X Y1 X1
m X2 m X2
S
1
1 0.684
ln(1
0.684)
Y1 (1
Y1 98%)
0.684
8.86
∴ z HOG NOG 0.544 8.86 4.82m
7
习题课
[习题2]某吸收塔在101.3kPa、293K下 用清水逆流吸收丙酮空气混合气体
Y2
=95% ?
X2=0
(可视为低浓气体)中的丙酮。当操作液
二、相平衡关系
亨利定律 的三种形
cp*A*A
Hp A Ex A
式及应用 y* mx
H 溶解度系数，T ，H
E
亨利
系
数
，T
，E
m 相平衡常数，T ，m ；p ，m
2
本章小结
三、物料衡算与操作线方程
Y2 Y1(1 )
Y
L V
X
Y12
L V
X
21
L Y1 Y2 V X1 X2
/
s
∴ D 4Vs 4 0.303 0.878m
u 3.14 0.5 圆整塔径，取 D 0.9m
6
习题课
③填料层高度：
V
41.5
HOG KY a 120 0.785 0.92 0.544m
∵ S mV 1.15 41.5 0.684
L
69.8
N OG
1 1 S
ln(1
S) Y1 Y2
S m 1.2m 1.2 0.56 0.672 L V L V
92.4%
(2)单位时间内被吸收的丙酮增加量
V Y1 Y2 V Y1 Y2
V V
Y1 Y1
Y2 Y2
/ /
Y1 Y1
1.2
1.2 0.924 1.17倍
0.95
10
[习题3]某厂有一填料吸收塔，直径为880mm ，填料 层高6m ，所用填料为56mm的拉西环。在25 ℃及 1atm时，每小时处理2000m3含5%丙酮(体积% ,下 同) 的空气-丙酮混合气。处理时用水作溶剂。塔顶 送出的尾气中含丙酮 0.263%，塔底送出的溶液中每 千克含丙酮61.2克。已知在此操作条件下的平衡关 系为Y=2X ，试计算气相总体积传质系数KY a。
四、液气比
L V min
Y1 Y2
X
* 1
X2
平衡关系符号亨利定律时： L Y1 Y2 V min Y1 / m X2
实际吸收剂用量 L 1.1 ~ 2.0 Lmin
3
五、填料层高度 z HOG NOG
平衡关系为直线时
V
HOG KY a
1、
NOG
1 1 S
ln1
S Y1
0.56
5.1
新工况下： 因为是气膜控制，故有 KY kY
HO G HOG
V V
KY KY
a a
V V
0.8
V V
V 0.2 V
1.20.2
1.04
9
习题课
N O G N OG
H OG H O G
1 1.04
0.96
NO G 4.9
∴
NO G
1 1 S
ln1
S 11S Nhomakorabea4.9