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第八章传质过程导论第九章气体吸收1-1 吸收过程概述与气液平衡关系1-1 在25℃及总压为101.3kPa的条件下，氨水溶液的相平衡关系为p*=93.90x kPa。
试求(1) 100g水中溶解1g的氨时溶液上方氨气的平衡分压和溶解度系数H；(2) 相平衡常数m。
1-2 已知在20℃和101.3kPa下，测得氨在水中的溶解度数据为：溶液上方氨平衡分压为0.8kPa时，气体在液体中溶解度为1g (NH3)/1000g(H2O)。
试求在此温度和压力下，亨利系数E、相平衡常数m及溶解度系数H。
1-3 在总压为101.3kPa，温度为30℃的条件下，含有15%（体积%）SO2的混合空气与含有0.2%（体积%）SO2的水溶液接触，试判断SO2的传递方向。
已知操作条件下相平衡常数m=47.9。
1-2 传质机理1-4 组分A通过厚度为的气膜扩散到催化剂表面时，立即发生化学反应：，生成的B离开催化剂表面向气相扩散。
试推导稳态扩散条件下组分A、B的扩散通量及。
1-5 假定某一块地板上洒有一层厚度为1mm的水，水温为297K，欲将这层水在297K的静止空气中蒸干，试求所需时间为若干。
已知气相总压为101.3kPa，空气湿含量为0.002kg/（kg 干空气），297K时水的饱和蒸汽压为22.38 kPa。
假设水的蒸发扩散距离为5mm。
1-3 吸收速率1-6 采用填料塔用清水逆流吸收混于空气中的CO2。
已知25℃时CO2在水中的亨利系数为1.66×105kPa，现空气中CO2的体积分率为0.06。
操作条件为25℃、506.6kPa，吸收液中CO2的组成为。
试求塔底处吸收总推动力∆p、∆c、∆ X和∆ Y。
1-7 在101.3kPa及20℃的条件下，在填料塔中用清水逆流吸收混于空气中的甲醇蒸汽。
若在操作条件下平衡关系符合亨利定律，甲醇在水中的溶解度系数H＝1.995kmol/(m3·kPa)。
塔内某截面处甲醇的气相分压为6kPa，液相组成为2.5 kmol/m3，液膜吸收系数k L=2.08×10-5m/s，气相总吸收系数K G＝1.122×105 kmol/(m2·s·kPa)。
第一节概述一、什么是吸收？吸收是利用气体混合物中各组分在某种溶剂中溶解度的差异，而将气体混合物中组分加以分离的单元操作。
溶质: 气体混合物中能溶解的组分称为溶质，以A表示；惰性组分: 不溶或微溶组分称为惰性组分或载体，以B表示；溶剂: 吸收过程所用的溶剂称为吸收剂，以S表示；吸收液: 所得的溶液称为吸收液。
二、吸收在石油化工中的应用(1)回收有用组分(2)制取液态产品(3)净化气体（废气治理）三、吸收的工艺流程四、吸收分类按溶质和溶剂之间是否发生明显的化学反应吸收按溶于溶剂的组分数吸收按吸收过程是否发生明显的温度变化吸收五、吸收剂的选择1．溶解度大；2．选择性好；3．挥发度低；4．粘度低；5．无毒、无腐蚀；6．吸收剂应尽可能不易燃、不易发泡、价廉易得、稳定。
第二节吸收过程的相平衡关系一、气体在液体中的溶解度在一定的温度与压力下、使气体混合物与一定量的溶剂接触，气相中的溶质便向液相中的溶质转移，直至液相中溶质达到饱和为止，这时，我们称之为达到了相平衡状态。
达到了相平衡状态时气相中溶质的分压，成平衡分压；液相中溶质的浓度称为平衡浓度（或溶解度）。
大量实验表明，溶解度和气相中溶质的分压有关。
从图上可以看出：分压高，溶解度大温度高，溶解度小吸收操作应在低温高压下进行，脱吸应在高温、低压下进行二、亨利定律1．亨利定律在一定的温度下，当总压不很高（<500kpa）时，稀溶液上方溶质的平衡分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正比，其表达式如下式中------溶质在气相中的平衡分压,KN/m2；------溶质在液相中的摩尔分率；E------亨利系数,。
式(9-1)称为亨利(Henry)定律。
亨利系数E值由实验测定，常见物系的E值可由有关手册查出。
当物系一定时，亨利系数随温度而变化。
一般说来，值随温度升高而增大，这说明气体的溶解度随温度升高而减小，易溶气体值小，难溶气体的值大。
2．用溶解度系数表示的亨利定律若将亨利定律表示成溶质在液相中的摩尔浓度与其在气相中的平衡分压之间的关系，则可写成如下形式(9-2)式中C──液相中溶质的摩尔浓度,kmol/m3H──溶解度系数，溶液中溶质的摩尔浓度和摩尔分率及溶液的总摩尔浓度之间的关系为(9-3)把上式代入式(9-2)可得将上式与式(9-1)比较，可得(9-4)溶液的总摩尔浓度可用1m3溶液为基准来计算，即(9-5)式中──溶液的密度(kg／m3)──溶液的摩尔质量。
第九章吸收本章学习要求1.掌握的内容相组成的表示方法及换算；气体在液体中的溶解度，亨利定律各种表达式及相互间的关系；相平衡的应用；分子扩散、菲克定律及其在等分子反向扩散和单向扩散的应用；对流传质概念；双膜理论要点；吸收塔的物料衡算、操作线方程及图示方法；最小液气比概念及吸收剂用量的确定；填料层高度的计算，传质单元高度与传质单元数的定义、物理意义、传质单元数的计算。
2.熟悉的内容各种形式的传质速率方程、传质系数和传质推动力的对应关系；各种传质系数间的关系；气膜控制与液膜控制；吸收剂的选择。
3.了解的内容分子扩散系数及影响因素。
第1节概述9.1.1．气体吸收过程和工业应用1．吸收吸收~利用混合气体中各组份在同一种液体（溶剂）中溶解度差异而实现组分分离的过程称为气体吸收。
2．吸收操作在化工生产中的应用(1)分离混合气体以获得一定的组分。
(2)除去有害组分以净化气体。
(3)制备某种气体的溶液。
(4)保护环境。
3．吸收与脱吸作为一种完整的分离方法，吸收过程应包括“吸收”和“脱吸”两个步骤。
“吸收”仅起到把溶质从混合气体中分出的作用，在塔底得到的是由溶剂和溶质组成的混合液，此液相混合物还需进行“脱吸”才能得到纯溶质并回收溶剂。
9.1.2 吸收过程的分类吸收过程可按多种方法分类1．按过程有无化学反应分类(1) 物理吸收～在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生明显的化学反应，可看做是气体中可溶组分单纯溶解于液相的物理过程，称为物理吸收。
用水吸收二氧化碳、用洗油吸收芳烃等过程都属于物理吸收。
(2) 化学吸收～如果溶质与溶剂发生显著的化学反应，则称为化学吸收。
用硫酸吸收氨、用碱液吸收二氧化碳等过程均为化学吸收。
2．按被吸收的组分数目分类(1) 单组分吸收～混合气体中只有一个组分进入液相，其余组分不溶解于溶剂中，称为单组分吸收。
例如合成氨原料气中含有N2、H2、CO、CO2等组分，而只有CO2一个组分在高压水中有较为明显的溶解度，这种吸收过程属于单组分吸收过程。
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 10788.110307.718/144/44/324222--⨯=⇒⨯=+=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/)()()(223CO 21CO 21CO 21222=⨯⨯⨯-⨯⨯=-=-≈-=E M p p L M x x L M X X L m s s s9-2 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 Bmtp 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 1068.23.1013.10129830310260.02581.14081.100--⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛=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[(0242.4)]/()ln[()()(A1A2A1A2Bm =---=-----=p p p p p p p p p t t t ts)kmol/(m 1061.4)0242.4(164.993.101303314.81068.2)(2852A 1A Bmt⋅⨯=-⨯⨯=-=--zz 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：zdzd dz d z M dz A d A N 98AA 1020.118/7.9951061.4/⨯==⨯=-θθρθ 积分得： 16.7ds 1044.1)01.005.0(5.01020.11020.1622905.001.09=⨯=-⨯⨯⨯=⨯=⎰zdzθ9-3 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⎪⎩⎪⎨⎧===-=⇒-=-⇒⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛13121132321213.009.0)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0.17.043.111=⨯===βηB 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 m8.23/72.137)()(3709.009.03.0)()(373.03.0)()(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(2102002121lim limlim →==∴=++--+=-'-+--'++-'=-+=-+--+=-=→→→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 xx 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)km ol/(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)km ol/(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)km ol/(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2x ''（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)()(12222112121-=-⇒'--+=-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))(()(32322232123-=-⇒'--+=-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 ∆ )(43.4036ln33113311mx 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21625.003625.0y 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。
