1、 1 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
2、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 CO2 的混合气中 CO2 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 CO2 达到饱和，此吸 收液在膨胀槽中减压至表压 20kPa，放出大部分 CO2，然后再在解吸塔中吹气解吸。 设全部操作范围内水与 CO2 的平衡关系服从亨利定律，操作温度为
3、25 。求 1kg 水在膨胀槽中最多能放出多少千克 CO2 气体。 解：依题意，在全部操作范围内水与 CO2 的平衡关系服从亨利定律，查附录二得 25 下 CO2 溶于水时的亨力系数为 MPa1066.1 2E 方法一： 对膨胀槽作 CO2 物料平衡 (以 1kg 水为衡算基准 ) 入膨胀槽吸收液中 CO2 的组成 3211 10990.11066.1/3.01 0 1 3.1/ Epx 设此液 1kg 水中溶解 CO2 的 kg 数为 W1，则有： kg10875.410990.118/144/ 44/ 3131 11 WW Wx 出膨胀槽吸收液中 CO2 的组成 4222 103 0 7.
4、71066.1/)0 2 0.01 0 1 3.0(/ Epx 设此液 1kg 水中溶解 CO2 的 kg 数为 W2，则有： 2 kg10788.110307.718/144/ 44/ 3242 22 WW Wx 故 1kg 水在膨胀槽中最多能释放出 CO2 的 kg 数为 O/ k g Hk g C O1009.310)7 8 8.18 7 5.4( 223321 WWW 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 CO2 气体 的的千克数为 O/ k g Hk g C O0 0 3 0 8.0101 6 618 44)3.1 2
5、 13.03.1 1 0 1(1/)()()(223CO21CO21CO21 222 EMppLMxxLMXXLm sss 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 )( 2A1A pp 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 )( 2A1ABmt ppppRTzDN A 式中： D 为水气在空气中的扩散系
6、数，查教 材 P11 中表 8-1 得 /scm260.0 2D （ 25），需将其换算至 30下的值为 /sm1068.23.1 0 1 3.1 0 12 9 83 0 3102 6 0.0 2581.14081.100 ppTTDD 又查附录二、 3.得 30时水的饱和蒸汽压为 4242Pa 4.242kPa。于是 k P a1 6 4.99)2 4 2.43.1 0 1/()03.1 0 1l n ( 02 4 2.4)/()l n ( )()( A1A2 A1A2Bm pppp ppppp tt tt s)k m o l / ( m1061.4)02 4 2.4(1 6 4.99 3.
7、1 0 13 0 33 1 4.8 1068.2)(2852A1ABmtzzppp pR T zDN A设水杯的截面积为 A，在任意时刻 时，杯中 水面 距杯口的高度为 z，经过时段 d 后水面高度 下降了 dz，作时段 d 内的微分物料衡算有： z d zddzdzMdzAdAN98AA1020.118/7.9951061.4/积 分得： 1 6 . 7 ds1044.1)01.005.0(5.01020.11020.1622905.001.09 z d z9-3 采用图 9-3 所 示的双塔流程以清水吸收混合气中的 SO2，气体经两塔后 SO2 总的回收率为 0.91，两塔的用水量相等，且
8、均为最小用水量的 1.43 倍，两塔的传质单元高度 HOG均为 1.2m。在操作范围内物3 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 232232232m i n,121121221m i n,0/)()(0/)()(yyymmyyyxxyyGLGLyyymmyyyxxyyGLGLBBBBAAAA 1312113232121 3.0 09.0)1( yyyy yyyy yyy yyGLGLBA 因 7.0/)(7.0/)( 232B121A yyyyyy ，即 BA ，又 4
9、3.1BA 。于是 0.17.043.1 11 BA SS 即 A、 B 二塔的操作线与平衡线平行，于是有 3B2 )()( yyyy mAm ， （可参考图示），故有 m8.23/72.137)()(3709.009.03.0)()(373.03.0)()(OGOG11132OG11121OGOGOGBABABmBAmANHHHNNyyyyyyNyyyyyyN说明：关于操作线与平衡线平行的问题 对吸收而言，当 1S 时，无论采用何种方法计算 OGN ，都会出现一个 0/0 型的不定式，此时应牢记21 yyyy im ，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
10、 xayxay 21 ， ，当 0x 时，则有 ayy 21 。而 )0()()()(2)()()()()2()()/()l n (2)/()l n ()()()/l n (2102002121limlimlimxyyyaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxyxaxaxxaxaxaxayyyyymxxmxm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 05.01y （摩尔分率，下同），单位塔截面上的气相流率 s)k m o l/(m014.0 2 G ，吸收剂分两处加入。由塔顶加入的为纯溶剂，单位塔截
11、面上的流率 s)k m o l/(m0 1 1 2.0 21 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)k m o l/(m0112.0 22 L ，再经 6m 填料层高度后，液体由塔底 引出。全塔各处的 aKy 均为 s)8kmol/(m02.0 2 ，物系平衡关系为 xy 8.0 ，试求： （ 1）第二股吸收剂 L2 加入后，塔内该截面上的液相浓度 2x 4 （ 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：
12、 5m.00 2 8.0 0 1 4.0 aKGH yOG 全塔物料衡算： 008.06.105.0 )()( 12 222112121 xy xLxLxLLyyG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： 008.06.1 )()( 323 22232123 xyy xLxxLLyyG下塔： )(6.105.0 )()( 313 312131 xxy xxLLyyG 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/ mGL ）， 22221 ymxyyy m ，故有 塔上段：2312 231 23
13、1 545.0 2 yyH hy yyy yyN OGmOG （ 4） 塔下段： 125.0 6ln1 1 233 112 212 OGmOG H hmxy mxySy yyN )(43.4036ln 331133 11 mxymxymxy mxy （ 5） 式中 5.0)/( 21 LLmGS （ 1）联立求解方程组，将式（ 4）代入式（ 2）可得： 005.05.2 23 yx ，由式（ 1）得 21 625.003625.0 yx ，再利用式（ 5），将 331 , yxx 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 ，
14、 035405.01 x ， 006755.03 y 即本题中的 008378.032 xx （ 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 01.0x 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 0 0 6 7 5 5.0)()( 323123 xxxLyyG （ 1） （ 2） （ 3） 5 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
15、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 0 0 8 3 7 8.0)01.00 0 6 7 5 5.0(5.021 223132 LL xLxLxx 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)kG和 KG都明显增大 (B)kG减小 ， KG增大 (C)kG基本不变 ， KG增大 (D)kG和 KG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 (
16、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 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 HOG、出塔气体浓度 ya、出塔液体浓度 xb将会有 ( )变化。 (A)HOG， ya， xb (B)HOG， ya， xb (C)HOG， ya， xb (D)HOG， ya， xb 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 A1时 ， 气液相在 ( )处达到平衡。 (
17、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 ya和吸收率 ( )。 (A)ya， (B)ya， (C)ya， (D)ya， 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 xb， 吸收率 (B)出塔气 ya， 出塔液 xb不变 (C)出塔气 ya， 出塔液 xb (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 (
18、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 ( )。 6 (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 ? 95 扩散流 JA，净物流 N，传递速率 NA 相互
19、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 NOG 与 HOG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
20、计算中有无此类问题 ？ 9-16 x2max与 (L/G)mi n。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 HOG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 ？
21、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 CO2 气，经长期接触后测得水中 CO2 的平衡浓度为 2.85710 -2mol/L 溶液。鼓泡器中的总压为 101.3kPa，水温 30 ，溶液的密度 = 996kg/m3。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 CO2 的混合气中 CO2 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 CO2 达到饱和，此吸收液在膨胀槽中减压至表压 20
22、kPa，放出大部分 CO2，然后再在解吸塔中吹气解吸。 设全部操作范围内水与 CO2 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 CO2气体。 答： 3.0710-3kg CO2 9-3 20 的水与 N2 气逆流接触以脱除水中溶解的 O2 气。7 塔底人口的 N2 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/m3 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/m3 水； (2)1
23、7.51mg/m3 水 9-4 气液逆流接触的吸收塔，在总压为 101.3kPa 下用水吸收 Cl2 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 0.810-5。试求两种不同温度下塔底的吸收推动力，分别以 ( xxe )及 ( eyy )表示。 (1)塔底温度为 20 ； (2)塔底温度为 40 。 答： (1)1.0910-5， 5.7610-3； (2)4.710-6， 3.6810-3 9-5 某逆流吸收塔塔底排出液中含溶质摩尔分数 x 210-4，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
24、由 101kPa 增至 202kPa，问塔底推动力 ( eyy )及 ( xxe )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： 1.44106s 9-8 某填料塔用水吸收混合气中的丙酮蒸气
25、。混合气流率为 16kmol/(m2 h)，操作压力 101.3kPa 。已知容积传质系数 kya 64.6kmol/(m3 h) ， kLa 16.6kmol/(m3 h)(kmol/m3)，相平衡关系为 pA 4.62cA。式中气相分压 pA 的单位是kPa，平衡浓度单位是 kmol/m3。求 (1)容积总传 质系数及传质单元高度 HOG。 (2)液相阻力占总传质阻力的百分数。 答： (1)54.9kmol/(m3 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 x0.01。两相的传质系数分别为是 kx
26、 810-4kmol/(m2 s)， ky 510-4kmol/(m2 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 NA，单位为 kmol/(m2 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 ky、 Ky，及 ( eyy )的影响。 答： (1)6.66 10-6； (2)1.05 10-5， ky不变， Ky增加， ( eyy )增加 吸收过程数学描述 9-10 对低含量气体吸收或解吸，由xyy kmkK 11 出发，试证 OGOL 1 NAN 。
27、 9-11 低 含量气体逆流吸收，试证： 8 21OG ln/1 1 yyLmGN 式中 1e11 yyy 为塔底的吸收推动力； 2e22 yyy 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 ，采用的液气比是最小液气比的 倍。物系平衡关系服从亨利定律。试以 、 两个参数列出计算 OGN 的表达式。 答 ： 11 111ln)(1 1 1OGN 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
28、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/(m2 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 Kya 0.052kmol/(m3 s)。试求： (1)液体在塔底的摩尔分数 x1； (2)全塔的平均推动力 my ； (3)所需塔高。 答： (1) 0.0113； (2
29、) 2.3510-3； (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 90。 (2)回收率 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 H2S 摩尔 分数 2.510-5 的水与空气逆流接触以使水中的 H2S 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 5000k
30、g/(m2 h)。 试求： (1)为使水中 H2S 的摩尔分数降至 x 0.110-5 所需的最少空 气用量。 (2)当空气用量为 G = 0.40kmol/( m2 h)，设计时塔高不受限制，可以规定离解吸塔的水中含 H2S 最低摩尔分数是多少 ?示意画9 出该种情况下的解吸操作线。 答： (1) 0.489kmol/(m2 h)； (2) 5.4310-6 9-18 采用图示的双塔流程以清水吸收混合气中的 SO2，气体经两塔后 SO2 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 HOG均为 1.2m。在操作范围内物系的平衡关系服从亨利定律。
31、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 HOG = 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 25mm25mm 的瓷环作填料，充填高度 5m，塔径 1m，用 清水逆流吸收流量为2250m3/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、 2
32、5 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 HOG及容积传质系数 Kya； (2)每小时回收的丙酮量， kg/h。 答： (1) 0.695m， 0.0467kmol/(m2 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/(m2 s)。清水的喷淋密度 0.018kmol/(m2 s)。进口气体中含氨体积分数为 2，已知气相总传质系 数 Kya = 0.1kmol/(m2 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
33、某填料吸收塔用含溶质 x2 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 y1 0.01 回收率可达 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 x2 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 ye 1.0510-4，且已知该塔的容积传质系数 8.0GaKy 。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
