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
MPa 1066.12?=E 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
321110990.11066.1/3.01013.1/-?=??==E p x
设此液1kg 水中溶解CO 2的kg 数为W 1，则有：
kg 10875.410990.118
/144/44
/313111--?=??=+=
W W W x
出膨胀槽吸收液中CO 2的组成
422210307.71066.1/)020.01013.0(/-?=?+==E p x
设此液1kg 水中溶解CO 2的kg 数为W 2，则有：
kg 10788.110307.718
/144/44
/324
222--?=??=+=
W W W x
故1kg 水在膨胀槽中最多能释放出CO 2的kg 数为
O /kgH kgCO 1009.310)788.1875.4(223321--?=?-=-=W W W
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
O
/kgH kgCO 00308.010*******)3.1213.03.1101(1/)()()(223
CO 21CO 21CO 21222=???-??=-=-≈-=E M p p L M x x L M X X L m s s s
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
)(2A 1A Bm
t
p p p p RTz D N A -=
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
/s m 1068.23.1013.10129830310260.02
581
.14
081
.100--?=??
? ????? ????=?
??
? ???
???
??=p p T T D D 又查附录二、3.得30℃时水的饱和蒸汽压为4242P a ＝4.242kPa 。于是
kPa 164.99)]
242.43.101/()03.101ln[(0
242.4)]/()ln[()()(A1A2A1A2Bm =---=-----=
p p p p p p p p p t t t t
s)
kmol/(m 10
61.4)0242.4(164.993.101303314.81068.2)
(28
5
2A 1A Bm
t
??=
-??=
-=
--z
z p p p p RTz D N A
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 9
8
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
232232232min
,121121221min ,0/)()(0/)()(y y y m m y y y x x y y G L G L y y y m m y y y x x y y G L G L B B B B A A A A -=--=--=?
??
??=??? ??-=--=--=?
??
??=??? ??**ββββββββ
?????===-=?-=-?
???
??=??? ??1
3121132321213.009.0)1(y y y y y y y y y y y y y G L G L B A η 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
0.17
.043.11
1
=?=
=
=βη
B A S S
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
m
8.23/72.13
7
)()(3709.009.03.0)()(3
7
3.03.0)()(OG OG 11132OG 11121OG =?=?===
=???
????
?
=
-=-==
-=-=
OG OG B A B A B m B A m A N H H H N N y y y y y y N y y y y y y N ??
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
)
0()
()()
)((2)())(()()()2()()]
/()ln[(2)]/()ln[()()()/ln(2102
002121lim lim
lim →==∴=++--+=-'-+--'++-'=-+=
-+--+=-=
→→→x y y y a x a x a x a x a x a x a x a x a x a x a x a x y x a x a x
x a x a x a x a y y y y y m x x m x m ?????????
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 0112.02
1?=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：
5m .0028
.0014
.0===
a K G H y OG 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：
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
.02
y y H h y y y y y y N OG m OG =?===-=-=
? （4）
塔下段：125
.06
ln 11233112212===--'-=-=
OG m OG H h mx y mx y S y y y N ? )(43.4036ln
33113
31
1mx 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
006755.0)()(323
123='?-'=-x x x L y y G （1）
（2）
（3）
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
008378.0)01.0006755.0(5.02
1223
132
=+=+'+'==''L L x L x L x x
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
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h 0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CO2气，经长期接触后测得水中CO2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/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。
达到饱和，此
设吸收塔底水中溶解的CO
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25℃。求1kg水在膨胀槽中最多能放出多少千克CO2
气体。
[答：3.07×10-3kg CO2]
9-3 20℃的水与N2气逆流接触以脱除水中溶解的O2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：
2
1OG ln /11
y y L mG N ??-=
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 ]
第二节吸收与解吸 2.1 概述 吸收(absorption)是依据不同组分在溶剂中溶解度不同，让混合气体与适当的液体溶剂相接触，使气体中的一个或几个组分溶解于溶剂中形成溶液，难以溶解的组分保留在气相中,从而达到混合气体初步分离的操作。 所用液体称为吸收剂(或溶剂)。 气体中能被溶解的组分称为溶质或吸收质。 不被溶解的组分称为惰性气体或载体。 使溶质从溶液里脱除的过程称为解吸或脱吸。它是吸收操作的逆过程，一个完整的吸收过程往往包括吸收与解吸两个部分。 为实现气体吸收过程，需要解决的问题是： ①选择合适的溶剂(吸收剂)； ②溶剂的再生，这项费用往往占整个吸收操作费用的很大比例； ③设计或选用合适的传质设备。 吸收操作根据物系气—液组分间是否发生发生化学反应分为化学吸收和物理吸收； 根据吸收过程热效应是否显著分为等温吸收和非等温吸收； 根据混合气体浓度高低分为低浓度吸收和高浓度吸收； 根据被吸收组分数分为单组分吸收和多组分吸收。 本节主要讨论单组分、低浓度、等温、物理吸收。
2.2 气液相平衡 2.2.1 气体在液体中的溶解度 在恒定温度和压力下气液两相接触时将发生溶质气体向液相转移， 使其在液相中的浓度增加，当充分接触，两相达到相平衡。此时，溶质 在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度；溶解度随温度和溶质气 体的分压而不同，平衡时溶质在气相中的分压称为平衡分压。 平衡分压p ﹡与溶解度间的关系曲线，这些曲线称为溶解度曲线。 加。 故加压和降温有利于吸收操作。反之，升温和减压则有利于解吸过 程。 2.2.2 亨利定律 亨利定律：当总压不太高(一般约小于500kPa)时，在一定温度下， 稀溶液（或理想溶液）上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的摩尔 分数成正比。 Ex p A =* 式中——* A p 溶质A 在气相中的平衡分压，kPa ； x ——液相中溶质的摩尔分数； E ——称为亨利系数，kPa 。 采用其他的气、液相组成时，亨利定律有如下几种表达形式： (1)气相组成用溶质A 的分压*A p ， 液相组成用溶质的浓度c A 表示时，亨利定律可表示为 H c p A A =* 式中c A ——液相中溶质的浓度kmol/m 3； H ——溶解度系数，kmol/(m 3﹒kPa)。 易溶气体H 值很大，难溶气体H 值很小。H 值一般随温度升高而 减小。 (2)气、液两相组成分别用溶质A 的摩尔分数y 与x 表示，则亨利定
第四章气体吸收 Chapter4 Gas Absorption §4-1多组分吸收和解吸过程分析 Analysis of Multicomponent Absorbing and Desorbing Process 吸收是化工生产中分离气体混合物的重要方法之一，在化工生产中，无论是原料的精制或产品的分离，常常需要从气体混合物中分出一种或若干种组分，因而吸收的应用十分广泛。吸收在化工原理中曾接触这个概念，现在不是旧曲重弹，而是赋予新的内容，在原来的基础上更进一步的研究，由原来的单组分吸收，扩展到现在的多组分吸收。 1、吸收和解吸 吸收是利用液体处理气体混合物，根据气体混合物中各组分在液体中溶解度的不同，而达到分离目的传质过程。 吸收是一个分离过程，且分离的是气体混合物，分离的介质是某一种液体溶剂称之为吸收剂，被吸收的气体混合物称为溶质。 当吸收过程用于中间产物分离时，离开吸收塔的吸收液需进行解吸操作，其作用是将溶质从吸收液中驱赶出来，并使吸收剂获得再生，所以解吸是吸收的逆过程。 2、工业生产中的吸收过程 ①净化或精制气体 为除去原料气中所含的杂质，吸收是最常用的方法。如用乙醇胺液脱出石油裂解气或天然气中的硫化氢，乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中原料气的脱硫、脱卤化 ，二氯乙烷生产过程中用水去除氯化氢等。物，合成甲烷工业中的脱硫、脱CO 2 ②分离气体混合物 以上的用以得到目的产物或回收其中一些组分，如石油裂解气的油吸收，将C 2 组分与甲烷、氢分开；用N－甲基吡咯烷酮作溶剂，将天然气部分氧化所得裂解气中的乙炔分离出来；焦炉气的油吸收以回收苯以及乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中用吸收法分离反应气体中的环氧乙烷等。 ③将最终气态产品制成溶液或中间产品 将气体中需用的组分以指定的溶剂吸收出来，成为液态的产品或半成品，如用水吸收氯化氢气体制成盐酸；在甲醇蒸汽氧化后用水吸收甲醛蒸汽制甲醛溶液；用水吸收丙烯腈作为中间产物等。
第2节 气体实验定律及应用 知识梳理 一、气体分子运动速率的统计分布 气体实验定律 理想气体 1．气体分子运动的特点 (1)分子很小，间距很大，除碰撞外不受力． (2)气体分子向各个方向运动的气体分子数目都相等． (3)分子做无规则运动，大量分子的速率按“中间多，两头少”的规律分布． (4)温度一定时，某种气体分子的速率分布是确定的，温度升高时，速率小的分子数减少，速率大的分子数增多，分子的平均速率增大，但不是每个分子的速率都增大． 2．气体的三个状态参量 (1)体积；(2)压强；(3)温度． 3．气体的压强 (1)产生原因：由于气体分子无规则的热运动，大量的分子频繁地碰撞器壁产生持续而稳定的压力． (2)大小：气体的压强在数值上等于气体作用在单位面积上的压力．公式：p ＝F S . (3)常用单位及换算关系： ①国际单位：帕斯卡，符号：Pa,1 Pa ＝1 N/m 2. ②常用单位：标准大气压(atm)；厘米汞柱(cmHg)． ③换算关系：1 atm ＝76 cmHg ＝1.013×105 Pa ≈1.0×105 Pa. 4．气体实验定律 (1)等温变化——玻意耳定律： ①内容：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强p 与体积V 成反比． ②公式：p 1V 1＝p 2V 2或pV ＝C (常量)． (2)查理定律： ①内容：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强p 与热力学温度T 成正比． ②公式：p 1p 2＝T 1T 2或p T ＝C (常量)． ③推论式：Δp ＝p 1 T 1 ·ΔT . (3)等压变化——盖—吕萨克定律： ①内容：一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，其体积V 与热力学温度T 成正比． ②公式：V 1V 2＝T 1T 2或V T ＝C (常量)． ③推论式：ΔV ＝V 1 T 1 ·ΔT . 5．理想气体状态方程 (1)理想气体：在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体． ①理想气体是一种经科学的抽象而建立的理想化模型，实际上不存在． ②理想气体不考虑分子间相互作用的分子力，不存在分子势能，内能取决于温度，与体积无关． ③实际气体特别是那些不易液化的气体在压强不太大，温度不太低时都可看作理想气体． (2)一定质量的理想气体状态方程： p 1V 1T 1＝p 2V 2T 2或pV T ＝C (常量)． 典例突破 考点一 气体压强的产生与计算 1．产生的原因：由于大量分子无规则地运动而碰撞器壁，形成对器壁各处均匀、持续的压力，作用在器壁单位面积上的压力叫做气体的压强． 2．决定因素 (1)宏观上：决定于气体的温度和体积． (2)微观上：决定于分子的平均动能和分子的密集程度． 3．平衡状态下气体压强的求法 (1)液片法：选取假想的液体薄片(自身重力不计)为研究对象，分析液片两侧受力情况，建立平衡方程，消去面积，得到液片两侧压强相等方程．求得气体的压强． (2)力平衡法：选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象进行受力分析，得到液柱(或活塞)的受力平衡方程，求得气体的压强． (3)等压面法：在连通器中，同一种液体(中间不间断)同一深度处压强相等． 4．加速运动系统中封闭气体压强的求法 选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象，进行受力分析，利用牛顿第二定律列方程求解． 例1．如图中两个汽缸质量均为M ，内部横截面积均为S ，两个活塞的质量均为m ，左边的汽缸静止在水平面上，右边的活塞和汽缸竖直悬挂在天花板下．两个汽缸内分别封闭有一定质量的空气A 、B ，大气压为p 0，求封闭气体A 、B 的压强各多大？ 解析：题图甲中选m 为研究对象． p A S ＝p 0S ＋mg 得p A ＝p 0＋mg S 题图乙中选M 为研究对象得p B ＝p 0－Mg S . 答案：p 0＋mg S p 0－Mg S 例2 ．若已知大气压强为p 0，在下图中各装置均处于静止状态，图中液体密度均为ρ，求被封闭气体的压强． 解析：在甲图中，以高为h 的液柱为研究对象，由二力平衡知p 气S ＝－ρghS ＋p 0S
实验四碱液吸收气体中的二氧化硫 一、实验意义和目的 本实验采用填料吸收塔，用5％NaOH或Na2CO3溶液吸收SO2。通过实验可初步了解用填料塔的吸收净化有害气体研究方法，同时还有助于加深理解在填料塔内气液接触状况及吸收过程的基本原理。通过实验要达到以下目的： 1．了解用吸收法净化废气中SO2的效果； 2．改变气流速度，观察填料塔内气液接触状况和液泛现象； 3．测定填料吸收塔的吸收效率及压降； 4．测定化学吸收体系（碱液吸收SO2） 二、实验原理 含SO2的气体可采用吸收法净化。由于SO2在水中溶解度不高，常采用化学吸收方法。吸收SO2吸收剂种类较多，本实验采用NaOH或Na2CO3溶液作吸收剂，吸收过程发生的的主要化学反应为： 2NaOH＋SO2 —→ Na2SO3＋H 2O Na2CO3＋SO2 —→ Na2SO3＋CO2 Na2SO3＋SO2+H2O —→2NaHSO3； 实验过程中通过测定填料吸收塔进出口气体中SO2的含量，即可近似计算出吸收塔的平均净化效率，进而了解吸收效果。气体中SO2含量的测定采用：甲醛缓冲溶液吸收一盐酸付玫瑰苯胺比色法。 实验中通过测出填料塔进出口气体的全压，即可计算出填料塔的压降；若填料塔的进出口管道直径相等，用U型管压差计测出其静压差即可求出压降。 三、实验装置、流程仪器设备和试剂 （一）实验装置、流程、仪器设备和试剂 实验装置流程如图1所示 图1 SO2吸收实验装置
1一空压机；2一缓冲罐；3一转子流量计（气）；4一毛细管流量计；5—转子 流量计（水）；6一压差计；7一填料塔；8一S02钢瓶；9一混合缓冲器；10— 受液槽；11一高位液槽；12、13一取样口；14一压力计；15一温度计；16一 压力表；17一放空阀；18—泵 图2：SO2吸收试验装置 吸收液从高位液槽通过转子流量计，由填料塔上部经喷淋装置进人塔内，流经填料表面，由塔下部排到受液槽。空气由空压机经缓冲罐后，通过转子流量计进人混合缓冲器，并与SO2气体相混合，配制成一定浓度的混合气。SO2来自钢瓶，并经毛细管流量计计量后进人混合缓冲器。含SO2的空气从塔底进气口进人填料塔内，通过填料层后，尾气由塔顶排出。 （二）实验仪器设备 空压机压力7 kg/cm2，气量3.6m3 /h 1台 液体SO2钢瓶1瓶 填料塔D＝700mm H＝650mm 1台 填料Φ＝5～8mm瓷杯若干 泵扬程3m，流量4001／h 1台 缓冲罐容积lm3l个 高位槽500×400 x×600m 1个 混合缓冲罐0.5m3 1个 受液槽500×400×600mm 1个 转子流量计（水）10－100L／hLZB－10 1个 转子流量计（气）4－40m3／hLZB－40 1个 毛细管流量计0.1－0.3mm 1个 U型管压力计200mm 3只
1、在一填料塔中用清水逆流吸收混合空气中的氨气，混合气体的流率为0.0305kmol/m 2 ·s 。氨浓度为0.01（体积分率），要求回收率为99％，水的用量为最小用量的 1.5倍，操作条件下的平衡关系为 2.02e y x =，气相体积总传质系数 30.0611/y K a kmol m s =。 试求：（1）出塔的液相浓度 1x ； （2）传质单元数 OG N （用吸收因数法）； （3）填料层高度H 。 解：（1）12 1 y y y η-= 21(1)0.01(199%)0.0001y y η=-=-= 1212min 11e 22 0.010.0001() 2.0 0.0102.02y y y y L y G x x x m ---====--- min 1.5() 1.5 2.0 3.0 L L G G ==?= 由全塔物料衡算： ()1212() G y y L x x -=- 11220.010.0001 ()00.0033 3.0 G x y y x L -=-+=+= （2）解吸因数： 2.020.673 3.0 mG S L === 12OG 22 1 ln[(1)] 1y mx N S S S y mx -=-+-- 10.01 2.020 ln[(10.673)0.673]10.7 10.6730.0001 2.020 -?=-+=--? （3） OG y 0.0305 0.500.0611 G H K a === OG OG 0.5010.7 5.4 H H N =?=?=（m ） 2、某填料吸收塔，用清水除去混合气体中的有害物质，若进塔气中含有害物质5％（体积％），吸收率为90％，气体流率 为32kmol/m 2·h ，液体流率为24kmol/m 2 ·h ，此液体流率为最小流率的1.5倍。如果物系服从亨利定律，并已知气相体积总传质系数 s m kmol a K y ?=3/0188.0，该塔在常压下逆流等温操作，试求： （1）塔底排出液的组成； （2）所需填料层高度。 解：（1） 12 1 y y y η-= 21(1)(190%)0.050.005y y η=-=-=
气体实验定律 ★1.关于温度,下列说法中正确的是( ).【1】 (A)气体的温度升高1℃,也可以说温度升高1K;温度下降5K,也就是温度下降5℃ (B)温度由摄氏温度t升至2t,对应的热力学温度由T升至2T (C)绝对零度就是当一定质量的气体体积为零时,用实验方法测出的温度 (D)随着人类制冷技术的不断提高,总有一天绝对零度会达到 ★2.一定质量的气体在等温变化过程中,下列物理量中将发生变化的是( ).【1】 (A)分子的平均动能(B)单位体积内的分子数 (C)气体的压强(D)分子总数 ★★3.一定质者的气体在等容变化过程中.温度每升高1℃,压强的增加等于它在300K时压强的( ).【2】 (A)1/27 (B)1/273 (C)1/300 (D)1/573 ★★4.下列关于盖·吕萨克定律的说法中正确的是( ).【2】 (A)对于一定质量的理想气体,在保持压强不变的情况下,温度每升高1℃时,其体积的增量是温度升高前体积的1/273 (B)对于一定质量的理想气体.在保持压强不变的情况下,温度每升高1℃时,其体积的增量是它在0℃时体积的1/273 (C)对于一定质量的气体,在保持压强不变的情况下,其体积与温度成止比 (D)对于一定质量的气体,在保持压强不变的情况下,其体积与热力学温度成正比 ★★5.如图所示,将一只倒置的试管竖直地插入容器内,试管内原有的空气被压缩,此 时,试管内外水面的高度差为h,若使试管插入水中的深度增大一些,则试管内外水面 的高度差将( ).(1990年上海高考试题)【2.5】 (A)增大(B)减少(C)保持不变(D)无法确定 ★★6.如图所示,密封的U形管中装有水银,左、右两端都封有空气,两水银 面的高度差为h.把U形管竖直浸没在热水中,高度差将( ).【3】 (A)增大(B)减小 (C)不变(D)两侧空气柱的长度未知,不能确定 ★★7.在冬季,剩有半瓶热水的暖水瓶经过一个夜晚,第二天拔瓶口的软木 塞时觉得很紧,不易拔出来,主要原因是( ).(2001年上海理科综合试题)【2】 (A)软木塞受潮膨胀(B)瓶口因温度降低而收缩变小 (C)白天气温升高,大气压强变大(D)瓶内气体因温度降低而压强减小 ★★8.人们常常用充气泵为金鱼缸内的水补充氧气,右图所示为充气 泵气室的工作原理图.没大气压强为p0,气室中的气体压强为p,气通 过阀门S1、S2与空气导管相连接,下列选项中正确的是( ). (A)当橡皮碗被拉伸时,p＞p0,S1关闭S2开通
常见气体的实验室制法 学习方法建议： 1. 此部分会考说明上要求为掌握水平，所以建议同学们在熟练记忆的基础上，一定要多进行习题训练 2. 此部分相关内容还可参见《大聚焦》P30～31、P91、P138 中学课本中要求掌握的常见气体制备的有关知识，如：反应原理、实验装置(包括：发生、净化、干燥装置)和药品、操作步骤(包括：仪器的组装顺序和操作顺序)、气体的收集和检验(或验满)等务必全面、熟练掌握，这也是准确、迅速解答有关实验设计题和综合实验题必不可少的基础知识。 一、气体的制备： 1、常见气体的制备原理： 气体发生装置的三种典型类型：中学化学中要求掌握约13种气体的制备，它们是：三种单质气体(O2，H2，Cl2)、三种氢化物(HCl，H2S，NH3)、三种有机气体(CH4，C2H4，C2H2)、四种氧化物(CO2，SO2，NO，NO2)。 写出下列制备反应的化学方程式： 1. 常见气体的制备原理： 固体-固体加热装置 制O2的反应原理2KClO3 2KCl+3O2↑ 2KMnO4 K2MnO4+MnO2+O2↑ 制NH3的反应原理2NH4Cl+Ca(OH)2 CaCl2+2NH3↑+2H2O 制CH4的反应原理CH3COONa+NaOH Na2CO3+CH4↑ 固体-液体(液体-液体)加热装置 制Cl2的反应原理MnO2+4HCl(浓) MnCl2+Cl2↑+2H2O 制HCl的反应原理NaCl(固)+H2SO4(浓)==NaHSO4+HCl↑（不加热或微热均可）NaCl(固)+NaHSO4(浓) Na2SO4+HCl↑ 制SO2的反应原理Na2SO3(固)+H2SO4(较浓) Na2SO4+H2O+SO2↑ 制NO的反应3Cu+8HNO3(稀) 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O（不加热速率慢） 制C2H4的反应原理CH3CH2OH CH2==CH2↑+H2O 固体-液体不加热装置 制H2的反应原理Zn+H2SO4(稀)==ZnSO4+H2↑ 制CO2的反应原理CaCO3+2HCl==CaCl2+CO2↑+H2O 制H2S的反应原理FeS+H2SO4(稀)==FeSO4+H2S↑
二氧化碳吸收与解吸实验 一、实验目的 1.了解填料吸收塔的结构、性能和特点，练习并掌握填料塔操作方法；通过实验测定数据的处理分析，加深对填料塔流体力学性能基本理论的理解，加深对填料塔传质性能理论的理解。 2.掌握填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法，练习实验数据的处理分析。 二、实验内容 1. 测定填料层压强降与操作气速的关系，确定在一定液体喷淋量下的液泛气速。 2. 固定液相流量和入塔混合气二氧化碳的浓度，在液泛速度下，取两个相差较大的气相流量，分别测量塔的传质能力（传质单元数和回收率）和传质效率（传质单元高度和体积吸收总系数）。 3. 进行纯水吸收二氧化碳、空气解吸水中二氧化碳的操作练习，同时测定填料塔液侧传质膜系数和总传质系数。 三、实验原理： 气体通过填料层的压强降：压强降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。压强降与气、液流量均有关，不同液体喷淋量下填料层的压强降P ?与气速u 的关系如图一所示： 1 2 3 L 3L 2L 1 L 0 = ＞＞0 图一 填料层的P ?～u 关系 当液体喷淋量00=L 时，干填料的P ?～u 的关系是直线，如图中的直线0。 ΔP , k P a
当有一定的喷淋量时，P ?～u 的关系变成折线，并存在两个转折点，下转折点称为“载点”，上转折点称为“泛点”。这两个转折点将P ?～u 关系分为三个区段：既恒持液量区、载液区及液泛区。 传质性能：吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，实验测定可获取吸收系数。对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。 1.二氧化碳吸收-解吸实验 根据双膜模型的基本假设，气侧和液侧的吸收质A 的传质速率方程可分别表达为 气膜 )(Ai A g A p p A k G -= （1） 液膜 )(A Ai l A C C A k G -= （2） 式中：A G —A 组分的传质速率，1-?s kmoI ； A —两相接触面积，m 2 ； A P —气侧A 组分的平均分压，Pa ； Ai P —相界面上A 组分的平均分压，Pa ； A C —液侧A 组分的平均浓度，3-?m kmol Ai C —相界面上A 组分的浓度3-?m kmol g k —以分压表达推动力的气侧传质膜系数，112---???Pa s m kmol ; l k —以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，1-?s m 。 以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为： )(*-=A A G A p p A K G （3） )(A A L A C C A K G -=* （4） 式中：*A p —液相中A 组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa ； * A C —气相中A 组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，3-?m kmol ； G K —以气相分压表示推动力的总传质系数或简称为气相传质总系数，112---???Pa s m kmol ；
实验七 吸收实验 一、实验目的 1. 了解填料吸收装置的基本流程及设备结构； 2. 测定填料层的压强降和空塔气速的关系； 3. 测定总体积吸收系数，并分析气体空塔气速及喷淋密度对总体积吸收系数的影响。 二、设备流程 吸收塔为玻璃塔，塔内径为0.1m ，填料为12×12×2.2mm 的拉西环，整个吸收实验装置由四部分组成： 1、空气系统： 空气由风机（旋涡气泵或容积式风机）供给，进入缓冲罐6，通过空气调节阀8调节流量，经空气转子流量计10计量后，在主管路上和氨气混合后由塔底进入，为保持一定的尾气压力（100~200mmH 2O ）以通过尾气分析器，在尾气出口处装置有尾气调节阀22。 2、氨气系统： 氨气由氨气钢瓶供给，经减压阀降压至0.1Mpa 以下后，进入氨气缓冲罐（为确保安全，缓冲罐上装有安全阀，其排出经塑料管引到室外），由氨气调节阀3调节流量后，经氨气转子流量计5计量后（同时串联有孔板流量计）与空气混合进入塔底。转子流量计前装有压力计及温度计。 3、自来水系统： 自来水经过滤后，由调节阀15调节流量，经转子流量计16计量后，进入塔顶，经莲蓬式喷淋器均匀地喷洒在填料上，塔底吸收液经排出管17排出。 4、尾气分析系统： 由尾气分析器19及湿式气体流量计21组成（并联有质量流量计，使用质量流量计时要使用喷射管装置以补充尾气压力的不足）。 三、实验原理 1、填料层流体力学性能的测定： AES —II 型吸收实验装置流程示意图 1氨气缓冲罐；2氨气温度计；3流量调节阀；4氨表压计；5转子流量计；6空气缓冲罐；7空气温度计；8流量调节阀；9空气表压计；10转子流量计；11吸收塔；12喷淋器；13塔顶表压计；14压差计；15水流量调节阀；16转子流量计；17排液管；18尾气三通阀；19吸收盒；20尾气温度计；21湿式气体流量计；22尾气稳压阀；
气体实验定律 专题一：密闭气体压强的计算 一、平衡态下液体封闭气体压强的计算 1. 理论依据 ① 液体压强的计算公式 gh p ρ=。 ② 液面与外界大气相接触。则液面下h 处的压强为 gh + p = p 0ρ 帕斯卡定律：加在密闭静止液体（或气体）上的压强能够大小不变地由液体（或气体）向各个方向传递（注意：适用于密闭静止的液体或气体） ③ 连通器原理：在连通器中，同一种液体（中间液体不间断）的同一水平面上的压强 是相等的。 2、计算的方法步骤（液体密封气体） ① 选取假想的一个液体薄片（其自重不计）为研究对象 ② 分析液体两侧受力情况，建立力的平衡方程，消去横截面积，得到液片两面侧的压 强平衡方程 ③ 解方程，求得气体压强 例1：试计算下述几种情况下各封闭气体的压强，已知大气压P 0，水银的密度为ρ，管中 水银柱的长度均为h 。均处于静止状态 练1：计算下图中各种情况下，被封闭气体的压强。（标准大气压强0p =76cmHg ，图中液体为水银 θ θ
练2、如图二所示，在一端封闭的U 形管内，三段水银柱将空气柱A 、B 、C 封在管中，在竖直放置时，AB 两气柱的下表面在同一水平面上，另两端的水银柱长度分别是h 1和h 2，外界大气的压强为0p ，则A 、B 、C 三段气体的压强分别是多少？ 练3、 如图三所示，粗细均匀的竖直倒置的U 型管右端封闭，左端开口插入水银槽中，封闭着两段空气柱1和2。已知12cm Hg =h 1，15cm Hg =h 2，外界大气压强76cm Hg =p 0，求空气柱1和2的压强。 二、平衡态下活塞、气缸密闭气体压强的计算 1. 解题的基本思路 （1）对活塞（或气缸）进行受力分析，画出受力示意图； （2）列出活塞（或气缸）的平衡方程，求出未知量。 注意：不要忘记气缸底部和活塞外面的大气压。 例2 如下图所示，一个横截面积为S 的圆筒形容器竖直放置，金属圆板A 的上表面是水平的，下表面是倾斜的，下表面与水平面的夹角为θ，圆板的质量为M 。不计圆板与容器内壁之间的摩擦。若大气压强为P 0，则被圆板封闭在容器中的气体压强P 等于（ ） A B. C. D. P Mg S 0+ cos θP Mg S 0cos cos θθ + P Mg S 02+ cos θ P Mg S 0+
气体实验定律-理想气体的状态方程
[课堂练习] 1．一定质量的理想气体处于某一初始状态，现要使它的温度经过状态变化后，回到初始状态的温度，用下列哪个过程可以实现( ) A ．先保持压强不变而使体积膨胀，接着保持体积不变而减小压强 B ．先保持压强不变而使体积减小，接着保持体积不变而减小压强 C ．先保持体积不变而增大压强，接着保持压强不变而使体积膨胀 D ． 先保持体积不变而减少压强，接着保持压强不变而使体积减小 2．如图为 0.2mol 某 种气体的压强与 温度关系．图中 p 0为标准大气压．气体在B 状态时的体积是_____L ．
3．竖直平面内有右图所示的均匀玻 璃管，内用两段水银柱封闭两段空气 柱a、b，各段水银柱高度如图所示．大 气压为p0，求空气柱a、b的压强各多大？ 4．一根两端封闭，粗细均匀的玻璃管，内有一小段水银柱把管内空气柱分成a、b两 部分，倾斜放置时，上、下两段空气 柱长度之比L a/L b=2．当两部分气体的 温度同时升高时，水银柱将如何移 动？ 5.如图所示，内径均匀的U型玻璃管竖直放置，截面积为5cm2，管右侧上端封闭，左侧上端开口，内有用细线栓住的活塞．两管中分别封入L=11cm 的空气柱A和B，活塞上、下气体压强相等为76cm 水银柱产生的压强，这时两管内的水银面的高度
差h=6cm，现将活塞用细线缓慢地向上拉，使两管内水银面相平．求： （1）活塞向上移动的距离是多少？ （2）需用多大拉力才能使活塞静止在这个位置上？ 6、一定质量的理想气体，在某一平衡状态下的压强、体积和温度分别为p1、V1、T1，在另一平衡状态下的压强、体积和温度分别为p2、V2、T2，下列关系正确的是（） A．p1 =p2，V1=2V2，T1= 21T2 B．p1 =p2，V1=21V2，T1= 2T2 C．p1=2p2，V1=2V2，T1= 2T2 D．p1 =2p2，V1=V2，T1= 2T2 7、A、B两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银 槽组成，除玻璃泡在管上的位置
常见气体的检验和吸收 班级 姓名 2、 检验和吸收上述气体的一般装置： 图1 图2为U 型管 洗气（除杂）：长进短出 （盛放固体） 验气： 长进短出 3、CO 、H 2的检验 常常先通过灼热的氧化铜 看见 固体由黑色变成红色，再通过证明其另一生成物 CO 2和H 2O ，以达到检验这两种气体的目的。 右图3为检验和吸收上述气体的一般装置： 图3 图2 1
例1．某无色气体可能含有H 2、CO 、CO 2中的一种或多种。现将该气体依次经过下列装置处理后（假设每步作用均完全）。有关的实验事实是：①A 装置质量增重；②B 装置中的固体由黑变红；③C 装置中无水硫酸铜变蓝；④D 装置中石灰水变浑浊。请回答下列问题： （1）原混合气体中肯定含，可能含有。为确认可能含有的气体是否存在，请在和之间（填 装置编号）添加框图中的装置，装置中试剂名称是。 （2）B 装置中的固体由黑变红说明氧化铜发生了__________（填“氧化”、“还原”）反应， 写出B 处硬质玻璃管中肯定发生反应的化学方程式：。 练习： 1、为鉴别氢气、氧气、二氧化碳三瓶气体，可选用的方法是 （ ） A ．将水倒入三瓶气体中 B ．将澄清石灰水倒入三瓶气体中 C ．将紫色石蕊试液滴入三瓶气体中 D ．将燃着的木条分别伸入三瓶气体中 2、如右图所示，该装置有洗气、检验及储气等多种用途。 （1）洗气：除去ＣＯ２中的水蒸气，装置内应盛的物质是________， 气体应从________端通入。 （2）检验：证明ＣＯ中含有ＣＯ２，装置内应盛________，要除去 ＣＯ２最好盛________。 （3）贮气：排空气法收集Ｈ2时，气体从_____端通入；排水法收集Ｏ2时，瓶内先装满水， 气体从_____端通入；若要用水将装置中的Ｏ２排出进行实验，水应从_____端通入。 （4）量气：要测量气体体积，还需要用到的一种仪器是________，测量时瓶内先装满水， 气体从________端通入，该法适用于测量________气体的体积。 3、有五种气体，实验步骤与实验现象如图所示：试推断A 、B 、C 、D 、E 五种代表物（写化学式） 无水CuSO 4 Ca(OH)2溶液 NaOH 溶液 a b
气体吸收 1.向盛有一定量水的鼓泡吸收器中通入纯的CO 2气体，经充分接触后，测得水中的CO 2平衡浓度为 2.875×10－2 kmol/m 3 ，鼓泡器内总压为101.3kPa ，水温30℃，溶液密度为1000 kg/m 3 。试求亨利系数E 、溶解度系数H 及相平衡常数m 。 解： 查得u30℃，水的kPa 2.4=s p kPa 1.972.43.101*=-=-=s A p p p 稀溶液：3kmol/m 56.5518 1000 == ≈ S M c ρ 42 1017.556 .5510875.2--?=?==c c x A kPa 10876.110 17.51.975 4*?=?==-x p E A )m kmol/(kPa 1096.21 .9710875.2342 *??=?== --A A p c H 18543 .10110876.15 =?= =p E m 2．在总压101.3kPa ，温度30℃的条件下, SO 2摩尔分率为0.3的混合气体与SO 2摩尔分率为0.01的水 溶液相接触，试问： （1） 从液相分析SO 2的传质方向； （2） 从气相分析，其他条件不变，温度降到0℃时SO 2的传质方向； （3） 其他条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa 时SO 2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。 解：(1)查得在总压101.3kPa ，温度30℃条件下SO 2在水中的亨利系数E =4850kPa 所以 == p E m =3 .1014850 47.88 从液相分析 00627.088 .473.0*=== m y x < x =0.01 故SO 2必然从液相转移到气相，进行解吸过程。
《化工原理》任课教师：杨雪峰Prof. Dr. Yang Xuefeng Principles of Chemical Engineering
第九章 气体吸收Gas Absorption
概述（Introduction ） 吸收分离操作：利用混合气体中各组分(component)在液体中溶解度(solubility)差异，使某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或难溶组分仍留在气相(gas phase)，从而实现混合气体的分离。吸收剂 气体 y x 界面 气相主体液相主体 相界面 气相扩散 液相扩散 y i x i 气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。
吸收分离操作实例：乙醇胺水溶液吸收二氧化碳气体 图9-3 乙醇胺水溶液吸收CO 2 流程 原料气 (CO 2 ) 吸 收 塔 解 吸 塔 换热器 冷却器 再沸器 CO 2 冷却器
吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体(inert gas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。 吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。 吸收液(strong liquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。 吸收尾气(dilute gas)：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。 解吸或脱吸(desorption)：与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离而转移到气相的过程。 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。
一、实验目的 12 3 4 二、实验原理 ㈠、吸收实验 根据传质速率方程，在假定Kxa 低浓、难溶等] 条件下推导得出吸收速率方程： Ga=Kxa ·V ·Δx m 则： Kxa=Ga/(V ·Δx m ) 式中：Kxa ——体积传质系数 [kmolCO 2/m 3hr Ga ——填料塔的吸收量 [Kmol CO 2 V ——填料层的体积 [m 3] Δx m ——填料塔的平均推动力 1、Ga 的计算 已知可测出：Vs[m 3/h]、V B [m 3/h]（可由色谱直接读出） Ls[Kmol/h]=Vs ×ρ水/M 水 101 1'29]/[ρρρρV M V h Kmol G B B B =?=?= 空气 标定情况：T 0=273+20 P 0=101325 测定情况：T 1=273+t1 P 1=101325+ΔP 因此可计算出L S 、G B 。又由全塔物料衡算：G a =Ls(X 1-X 2)=G B (Y 1-Y 2) 2 2 21 1111y y Y y y Y -= -= 且认为吸收剂自来水中不含CO 2，则X 2=0，则可计算出G a 和X 1 2、Δx m 的计算 根据测出的水温可插值求出亨利常数E[atm]，本实验为P=1[atm] 则 m=E/P m y x m y x x x x x x x x x x x x e e e e m 1 1221 112221 2 1 2ln = = -=?-=????-?= ?
㈡、解吸实验 低浓、难溶等] Ga=K Y a ·V 则： K Y a=Ga/(V 式中：K Y a Ga V ΔY m 1、Ga 的计算 已知可测出：y 2 ]/[h Kmol G B 标定情况：T 0 测定情况：T 1因此可计算出L S 、G B 。又由全塔物料衡算：G a =Ls(X 1-X 2)=G B (Y 1-Y 2) 0112 2 21 11=-= -= y y Y y y Y 且认为空气中不含CO 2，则y 2=0；又因为进塔液体中X 1有两种情况，一是直接将吸收后的液体用于解吸，则其浓度即为前吸收计算出来的实际浓度X 1；二是只作解吸实验，可将CO 2用文丘里吸碳器充分溶解在液体中，可近似形成该温度下的饱和浓度，其X 1*可由亨利定律求算出： m m y x 1 *1== 则可计算出G a 和X 2 2、ΔY m 的计算 根据测出的水温可插值求出亨利常数E[atm]，本实验为P=1[atm] 则 m=E/P 1 12 21112221 2 1 2ln x m y x m y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y e e e e m ?=?=-=?-=????-?= ? 根据 e e Y y y y Y 换算成将-= 1 三、实验装置
气体吸收实验 1.实验目的 （1）观测气、液在填料塔内的操作状态，掌握吸收操作方法。 （2）测定在不同喷淋量下，气体通过填料层的压降与气速的关系曲线。 （3）测定在填料塔内用水吸收CO2的液相体积传质系数K X a。 （4）对不同填料的填料塔进行性能测试比较。 2.实验原理 （1）气体吸收是运用混合气体中各种组分在同一溶液中的溶解度的差异，通过气液充分接触，溶解度较大的气体组分进入液相而与其他组分分离的操作。 气体混合物以一定气速通过填料塔内的填料层时，与吸收剂液相想接触，进行物资传递。气，夜两项在吸收塔内除物质传递外，其流动相互影响，还具有自己的流体力学特征。填料塔的流体力学特征是吸收设备的重要参数，他包括了压降和液泛的重要规律。 填料塔的流体力学特征是以气体通过填料层所产生的压降来表示。该压降在填料因子、填料层高度、液体喷淋密度一定的情况下随气体速度变化而变化，与压降与气速的关系如图。 气体通过干填料层时，其压降与空塔时，其压降与空气塔气速的函数关系在双对数坐标上为一条直线，其斜率为 1.8-2.0.当有液体喷淋时，气体低速流过填料层，压降与气速的关系几乎与L=0的关系线平行，随着气速的增加出现载点B 与B’，填料层内持液量增加，压降与气速的关系关联线向上弯曲，斜率变大，当填料层持液越积越多时，气体的压降几乎是垂直上升，气体以泡状通过液体，出现液泛现象，P-U线出现载点C，称此点为泛点。 （2）反应填料塔性能的主要参数之一是传质系数。影响传质系数的因素很多，对不同系统和不同吸收设备，传质系数各不相同，所以不可能有一个通用的计算式计算传质系数。 本实验采用水来吸收空气中的CO2，常压下CO2在水中的溶解度比较小，用水吸收CO2的操作中是液膜控制吸收的过程，所以在低浓度吸收时填料的计算式
一、实训目的 1.认识吸收解吸设备结构 2.认识吸收解吸装置流程及仪表 3.掌握吸收解吸装置的运行操作技能 4.学会常见异常现象的判别及处理方法 二、吸收与解吸实训装置功能： 1开车前准备和正常开停车实训任务 1.1工艺文件准备 能识记吸收、解吸生产过程工艺文件（能识读吸收岗位的工艺流程图、实训设备示意图、实训设备的平面和立面布置图，能绘制工艺配管简图，能识读仪表联锁图。熟悉吸收塔、解吸塔、填料及附属设备等主要设备的结构和布置）。 1.1.1吸收与解吸基本原理 气体吸收是典型的化工单元操作过程，其原理是根据气体混合物中各组分在选定液体吸收剂中物理溶解度或化学反应活性的不同而实现气体组分分离的传质单元操作。前者称物理吸收，后者称化学吸收。吸收操作所用的液体溶剂称为吸收剂，以S表示；混合气体中，能够显著溶解于吸收剂的组分称为吸收物质或溶质，以A表示；而几乎不被溶解的组分统称为惰性组分或载体，以B表示。吸收操作所得的溶液称为吸收液或溶液，它是溶质A在溶剂S中的溶液；被吸收后排除出的气体称为吸收尾气，其主要成分为惰性气体B，但仍含有少量未被吸收的溶质A。吸收操作在石油化工、天然气化工以及环境工程中有极其广泛的应用，按工程目的可归纳为： ①净化原料气或精制气体产品； ②分离气体混合物以获得需要的目的组分； ③制取气体溶液作为产品或中间产品； ④治理有害气体的污染、保护环境。 与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离出来而转移到气相的过程（用惰性气体吹扫溶液或将溶液加热或将其送入减压容器中使溶质放出），称为解吸或提馏。吸收与解吸的区别仅仅是过程中物质传递的方向相反，它们所依据的原理一样。
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 MPa 1066.12?=E 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 321110990.11066.1/3.01013.1/-?=??==E p x 设此液1kg 水中溶解CO 2的kg 数为W 1，则有： kg 10875.410990.118 /144/44 /313111--?=??=+= W W W x 出膨胀槽吸收液中CO 2的组成 422210307.71066.1/)020.01013.0(/-?=?+==E p x 设此液1kg 水中溶解CO 2的kg 数为W 2，则有：
高中物理-气体实验定律(Ⅱ)练习 [A级抓基础] 1．一定质量的理想气体经历等温压缩过程时,气体的压强增大,从分子微观角度来分析,这是因为( ) A．气体分子的平均动能增大 B．单位时间内器壁单位面积上分子碰撞的次数增多 C．气体分子数增加 D．气体分子对器壁的碰撞力变大 解析：温度不发生变化,分子的平均动能不变,分子对器壁的碰撞力不变,故A、D错；质量不变,分子总数不变,C项错误；体积减小,气体分子密集程度增大,单位时间内器壁单位面积上分子碰撞次数增多,故B正确． 答案：B 2．(多选)一定质量的理想气体在等压变化中体积增大了1 2 ,若气体原来温度 是27 ℃,则温度的变化是( ) A．升高到 450 K B．升高了 150 ℃C．升高到 40.5 ℃D．升高了450 ℃ 解析：由V 1 V 2 ＝ T 1 T 2 得 V 1 V 1 ＋ 1 2 V 1 ＝ 273＋27 T 2 ,则T2＝450 K Δt＝450－300＝ 150(℃)． 答案：AB 3．一定质量的理想气体被一绝热气缸的活塞封在气缸内,气体的压强为p0,如果外界突然用力压活塞,使气体的体积缩小为原来的一半,则此时压强的大小为( ) A．p＜2p0B．p＝2p0 C．p＞2p0D．各种可能均有,无法判断 解析：外界突然用力压活塞,使气体的体积瞬间减小,表明该过程中气体和外界没有热变换,所以气体的内能将会变大,相应气体的温度会升高,若温度不变时,p＝2p0,因为温度变高,压强增大,则p＞2p0,故选项C正确． 答案：C
4．如图所示是一定质量的气体从状态A经B到状态C的V-T图象,由图象可知( ) A．p A>p B B．p C
T A,故p B>p A,A、C错误,D 正确；由B→C为等压过程p B＝p C,故B错误． 答案：D 5．如图所示的四个图象中,有一个是表示一定质量的某种理想气体从状态a 等压膨胀到状态b的过程,这个图象是( ) 解析：A项中由状态a到状态b为等容变化,A错；B项中由状态a到状态b 为等压压缩,B错；C项中由状态a到状态b为等压膨胀,C对；D项中由状态a 到状态b,压强增大,体积增大,D错． 答案：C 6．一水银气压计中混进了空气,因而在27 ℃,外界大气压为758 mmHg时,这个水银气压计的读数为738 mmHg,此时管中水银面距管顶80 mm,当温度降至－3℃时,这个气压计的读数为743 mmHg.求此时的实际大气压值． 解析：初状态：p1＝(758－738)mmHg＝20 mmHg, V ＝80S mm3(S是管的横截面积), 1