第八章 气体吸收 Sorption process

8.1. 概述 8.1.1.化工生产中的传质过程 8.1.2.相组成表示法 8.1.3.气体吸收过程

分离： 均相混合物：蒸馏、吸收、萃取 混合物： 非均相混合物：沉降、过滤

8.1.1.化工生产中的传质过程 1.传质过程：相内传质和相际传质。依靠物质从一相到另一相的传递过程，叫传质分离过程。也叫相际传质。物质在一相内部由一处向另一处的转移称相内传质。 2.传质分离过程的依据：依据混合物中各组分在两相间平衡分配不同。

（1）气体吸收 选择一定的溶剂，根据各个组分在同种溶剂中的溶解度不同，实现均相气体混合物的分离。 （2）液体蒸馏 对于液体混合物加热，使混合物内部造成两相，利用不同组分挥发性的差异，使得液体混合物得以分离。 （3）固体干燥 对含一定湿分的固体提供一定的热量，使溶剂汽化，利用湿分压差，使湿分从固体表面或内部转移到气相，从而将含湿分的固体物料得以净化。

8.1.2.相组成表示法 1．质量分数与摩尔分数 质量分数：在混合物中某组分的质量占 混合物总质量的分率。 摩尔分数：在混合物中某组分的摩尔数 占混合物总摩尔数的分率。

气相： 液相： 质量分率与摩尔分率的关系：

2．质量比与摩尔比 质量比：混合物中某组分A的质量与惰性 组分B（不参加传质的组分）的 质量之比。 摩尔比：混合物中某组分的摩尔数与惰 性组分摩尔数之比。

气相： 液相： 质量分率与质量比的关系： 摩尔分率与摩尔比的关系：

3．质量浓度与摩尔浓度 质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。 摩尔浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。

质量浓度与质量分数的关系： 摩尔浓度与摩尔分数的关系： c—混合物在液相中的总摩尔浓度，kmol/m3； —混合物液相的密度，kg/m3。

4．气体总压与理想气体中组分的分压 总压与某组分的分压之间的关系: 摩尔比与分压之间的关系: 摩尔浓度与分压之间的关系:

8.1.3.气体吸收过程 1 .气体吸收的作用： （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或精制气体。 （3）制备某种气体的溶液。 （4）工业废气的治理。 2.吸收的目的：分离气体均相混合物 3.吸收的依据 混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。

4．吸收过程及设备

吸收尾气(少量A+B) 溶剂S 吸收质A 惰性组分B 吸收液(S+A)

5．吸收流程 采用吸收剂再生的连续吸收流程 贫油 吸收塔 含苯煤气 解吸塔 过热蒸汽 冷凝器 粗苯 水 冷却器 换热器 补充新 鲜洗油 富油 脱苯煤气 采用吸收剂再生的连续吸收流程

溶质：混合气体中能显著被吸收剂吸收的组分（A）。 惰性组分：不能被吸收剂吸收的组分；（B） 富液 ：含有较高溶质浓度的吸收剂； 吸收过程 —— 苯吸收塔 吸收工艺过程 解吸过程 —— 苯解吸塔 吸收剂：吸收过程中所用的溶剂；（S） 溶质：混合气体中能显著被吸收剂吸收的组分（A）。 惰性组分：不能被吸收剂吸收的组分；（B） 富液 ：含有较高溶质浓度的吸收剂； 贫液：从富液中将溶质分离出来后得到的吸收剂。

6．吸收分类 （1）物理吸收和化学吸收 （2）单组分吸收和多组分吸收 （3）等温吸收和非等温吸收 （4）高浓度吸收和低浓度吸收 7．吸收剂的选择要求 （1）溶解度大；

（2）选择性高； （3）再生容易； （4）挥发性小； （5）粘度低； （6）化学稳定性高； （7）腐蚀性低； （8）无毒、无害、价廉等。 选择原则：经济、合理。

⑴气液流向。一般都采用逆流，即液体向下气体向上，以使全塔平均的推动力为最大，与传热时两流体以逆流的平均推动力为最大，原理相同。 8.对吸收流程作以下的补充说明 ⑴气液流向。一般都采用逆流，即液体向下气体向上，以使全塔平均的推动力为最大，与传热时两流体以逆流的平均推动力为最大，原理相同。 ⑵多塔吸收。 气体串联，液体串联：降低塔高 气体并联，液体串联：提高处理量，且吸收率较高 气体串联，液体并联：提高吸收程度 气体并联，液体并联

⑶加压吸收。当总压增加时，溶质气体的分压和溶解度都随之增大，有利于吸收。 ⑷解吸的方法。 A.升温 B.减压 C.气提：塔底直接通水蒸气并作为溶质蒸汽的携带剂。当溶质不是蒸气而是不凝性气体时，塔底宜用间接蒸汽加热。若下一个工序有需要，塔底可通惰性气体。

8.2.传质机理 8.2.1. 分子扩散 8.2.2. 单相分子扩散 8.2.3. 单相对流传质 8.2.3. 双膜理论

6.2传质机理 吸收过程的步骤： （1）A由气相主体到相界面，相内传质； （2）A在相界面上溶解，溶解过程；相际传质 解吸过程 气相主体 液相主体 吸收及解析传质方向 6.2传质机理 吸收过程的步骤： （1）A由气相主体到相界面，相内传质； （2）A在相界面上溶解，溶解过程；相际传质 （3）A自相界面到液相主体，相内传质。 单相内传递方式：分子扩散；对流扩散 。

8.2.1. 相内传质 （一）扩散现象 分子扩散现象：

1.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，这种现象称为分子扩散。 2.涡流扩散：当流体有宏观运动时，依靠流体质点的不规则运动即湍动来进行的扩散。称涡流扩散。 3.对流扩散：分子扩散和涡流扩散的总和称对流扩散，或对流传质。

（二）分子扩散 1.扩散通量： 单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散 的物质量，J表示， kmol/(m2·s)。 2.菲克定律： 温度、总压一定，组分A在扩散方向上任 一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。

JA——组分A扩散速率(扩散通量)， kmol/(m2·s)； —组分A在扩散方向z上的浓度梯度(kmol/m3)/m； 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

理想气体： =

分子扩散两种形式：等分子反向扩散，单向扩散。 （三）费克定律的应用： 分子扩散两种形式：等分子反向扩散，单向扩散。 1.等摩尔反向扩散 T P pA2 pB2 pA1 pB1 1 2 JA JB

（1）等分子反向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。 总压一定 =

JA=－JB　　 DAB=DBA=D （2）传质速率方程 传质速率定义：任一固定的空间位置上， 单位时间 内通过单位面积的物质量，记作N, kmol/(m2· s) 。 NA= 气相：

NA= 液相： （3）讨论 1）

2）组分的浓度与扩散距离δ成直线关系。 3）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。 2．单向扩散及速率方程 p pB2 pB1 pA1 pA2 扩散距离z δ 3）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。 2．单向扩散及速率方程

2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率。 （1）总体流动：因溶质Ａ扩散 到界面溶解于溶剂中，造 成界面与主体的微小压差， 使得混合物向界面处的流 动。 1 2 JA JB NMcA/c NA 总体流动NM NMcB/c （2）总体流动的特点： 1）因分子本身扩散引起的宏观流动。 2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率。

（3）单向扩散传质速率方程

——微分式

在气相扩散 ——积分式

——积分式 ——积分式 液相： （4）讨论 1）组分A的浓度与扩散距离δ为指数关系 2） 、 ——漂流因数，无因次

漂流因数意义：其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。 漂流因数的影响因素： 浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。 低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。

3）单向扩散体现在吸收过程中。 （三）扩散系数 1.扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；D，m2/s。 2.D的影响因素：A、B、T、P、浓度 3.D的来源：查手册；半经验公式；测定

（1）气相中的D 范围：10-5～10-4m2/s 经验公式 （2）液相中的D 范围：10-10～10-9m2/s

【例5-3】有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，5小时后，管内液面降到距管口20 【例5-3】有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，5小时后，管内液面降到距管口20.5mm，管内液体温度保持293K，大气压为100kPa，此条件下，丙酮的饱和蒸气压为24kPa。求丙酮在空气中的扩散系数。 z 空气 丙酮

解： 单位面积液面汽化的速率用液面高度变化的速率： =

（四）对流传质 1．涡流扩散 涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部 存在浓度梯度，流体质点便会靠 质点的无规则运动，相互碰撞和 混合，组分从高浓度向低浓度方 向传递，这种现象称为涡流扩散。

——涡流扩散速率，kmol/(m2·s)； 注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性 常数，其值与流体流动状态及所处的位置有 关 。 对流扩散通量：

2．对流传质过程分析 （1）相内对流传质过程 T TW tW t pA pAi cAi cA G L E T t 热流体 冷流体 气相 液相 G L E T t

1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分 子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的 变化较陡。 2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散， 溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水 平线。 3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的 变化逐渐平缓。

（2）有效膜模型 单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散 。 有效膜厚δG由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点E，则厚度δG为E到相界面的垂直距离。 3．对流传质速率方程 （1）气相对流传质速率方程（吸收的第一步）

——以分压差表示推动力的气相传质分系数， kmol/（m2·s·kPa）。 =传质系数×吸收的推动力

气相对流传质速率方程有以下几种形式： ——以气相摩尔分率表示推动力的气相传 质分系数，kmol/（m2·s）； 各气相传质分系数之间的关系： 带入上式 与 比较

（2）液相对流传质速率方程（吸收过程的第三步） 液相传质速率方程有以下几种形式：

kl——以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相 对流传质分系数，kmol/（m2·s·kmol/m3）； ——以液相组成摩尔分率表示推动力的液相 对流传质分系数，kmol/（m2·s）； 各液相传质分系数之间的关系： 注意： 对流传质系数=f (操作条件、流动状态、物性）

8.4.1两相对流传质模型 相际对流传质三大模型：双膜模型 溶质渗透模型 表面更新模型 1．双膜模型 E pA pAi cAi cA G 气相 液相 G L E

2．双膜模型的基本论点（假设） （1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩 散方式通过气膜和液膜。 （2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力。 （3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以 涡流扩散的形式传质。 （4）推动力阻力主要集中在气膜和液膜。 双膜模型也称为双膜阻力模型

8.3 气液相平衡 8.3.1.气液相平衡关系 8.3.2.相平衡关系在吸收过程中的应用

8.3.1. 气液相平衡关系 1．几个概念 平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，长期充分接 触后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡。 平衡浓度(饱和浓度cA*)：平衡时溶质在液相中的浓度。 平衡分压(pA*) ：平衡时气相中溶质的分压。

p*A=f(p,t,cA) 2、平衡中涉及的独立变量数 平衡状态的因素 F＝C－＋2=3－2+2=3 当压力一定、温度一定时 t、 P、yA(PA) xA(cA) p*A=f(p,t,cA) 当压力一定、温度一定时 c*A =f（ pA） p*A =f（ cA ） 溶解度曲线

pA 氨在水中的溶解度 液相中氨的摩尔数 气相中氨的分压 60℃ 50℃ 40℃ 30℃ x

20℃下SO2在水中的溶解度 101.3kPa 202.6kPa x y

t=293K CO2 NH3 10ncA, kmol/m3 pA, kPa 几种气体在水中的溶解度曲线 O2

讨论： （1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收 。 （2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收 。

（3）相同的总压及摩尔分率， cO2 < cCO2 < cSO2 < cNH3 氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体 2．亨利定律 （1）亨利定律内容 总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。

——溶质在气相中的平衡分压，kPa； x——溶质在液相中的摩尔分率； E——亨利常数，单位同压强单位。 讨论： 1）E的影响因素：溶质、溶剂、T 物系一定， 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

（2）亨利定律其它形式 1） H——溶解度系数， kmol/（m3·kPa） cA——摩尔浓度，kmol/m3； H与E的关系：

H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体 2）P对H影响小， 2）   m——相平衡常数，无因次。

m与E的关系 ： m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体 2）

3） 【例5-1】某系统温度为10℃，总压101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？ 查得10℃时，氧气在水中的亨利系数E为3.31×106kPa。 =101.3×0.21=21.27kPa

3.57×10-4kmol/m3 W=3.57×10-4×32×1000=11.42g/m3

8.3.2. 相平衡关系在吸收过程中的应用 1．判断过程进行的方向 O c c* p P*

· y  y*或x* >x或 y y P y* y* y x 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 吸收过程： · P y x A B C y y* y* y

2．确定过程的推动力 1)吸收过程推动力的表达式 · A P y y* x x* 2）在x～y图上

3．指明过程进行的极限 过程极限：相平衡。 G，ya G，yb L，xa L，xb 1）逆流吸收，塔高无限， 2）逆流吸收，塔高无限，

8.4. 吸收速率 8.4.1 总传质速率方程 8.4.2 传质阻力与传质速率的控制

8.4.1. 总传质速率方程 1．吸收过程的总传质速率方程（平衡关系是直线） （1）用气相组成表示吸收推动力 ——以气相分压差表示推动力的气相总传质 系数，kmol/（m2·s·kPa）； ——以气相摩尔分率差表示推动力的气相 总传质系数，kmol/（m2·s）；

（2）用液相组成表示吸收推动力 ——以液相浓度差表示推动力的液相总传 质系数，kmol/m2·s·kmol/m3）； ——以液相摩尔分率差表示推动力的液相 总传质系数，kmol/（m2·s）； （3）总传质系数与单相传质分系数之间的关系 系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线

根据双膜理论

同理： 用类似的方法得到

（4）总传质系数之间的关系

8.4.2. 传质阻力与传质速率的控制 1．传质阻力 相间传质总阻力 = 液相(膜)阻力 +气相(膜)阻力 注意:传质系数、传质阻力 与推动力一一对应。 相间传质总阻力 = 液相(膜)阻力 +气相(膜)阻力

. 2．传质速率的控制步骤 （1）气膜控制 气膜控制：传质阻力主要集中在气相，此吸收过程 为气相阻力控制（气膜控制）。 气膜控制的特点： p I pi c ci H 较大易溶气体

. 提高传质速率的措施：提高气体流速； 加强气相湍流程度。 （2）液膜控制 液膜控制：传质阻力主要集中在液相，此吸收过程 为液相阻力控制（液膜控制） . 液膜控制的特点： H较小难溶气体

提高传质速率的措施：提高液体流速； 加强液相湍流程度。 同理： 气膜控制： m小易溶气体 液膜控制： m大难溶气体

（五）相界面上的浓度 1．一般情况 定态传质 、ci =f（ci） 2．平衡关系满足亨利定律 、ci

3．图解 气膜阻力 液膜阻力 操作点 O I（界面） cA/kmol/m3 cA pA/kPa I（pi，ci）

kL/kG O pi p - pi ci c ce ci -c 界面浓度确定