化工原理课件-气体吸收

101.3
当温度、气相中溶质组成一定，
若总压增加，则在同一溶剂中，溶质的
202.6
溶解度随之增加，有利于吸收。

℃下在水中的溶解度曲线
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系

结论3：
当相同的总压及摩尔分数，温度
一定时，不同种的气体在水中的溶解度
的差别为：
2 < 2 < 2 < 3
（2）吸收溶质：（气相）
相对于液相浓度AB 而言，气相浓度AB
∗
为未饱和状态（AB < AB
），此时气相有吸
收溶质A的能力。
（3）释放溶质：（液相）
相对于气相浓度AB 而言，液相浓度AB
∗
为过饱和状态（AB
< AB ），故液相有释放
溶质A的能力
（4）若气液相浓度（A ，A ）在平衡线的下

混合物中组分A的质量，kg

=

组分A的质量比

混合物中组分B的质量，kg
质量分数和质量比之间的关系：
组分A的质量分数
=


+
3.摩尔比
摩尔比是指混合物中组分A的物质的量与惰性组分B（不参加传质的组分）的物质
的量之比。


组分A在液相
组分A在气相
=
=
中的摩尔比
中的摩尔比
（3）过程平衡条件不同
低温
流体
传热：两侧流体的温度相等。
吸收：溶质在气液两相达到平衡
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
5.2.2
气液相平衡关系
1.基本概念
（1）平衡状态
在一定压力和温度下，一定量的液体吸收剂与混合气体 + 充分接触，气相
中的溶质向液相溶剂中转移，长期充分接触后，液相中溶质组分的浓度不再增加，
物质的量浓度与摩尔分数的关系为
组分A的物质的量浓度，
kmol/m3
=


=


第5章 气体吸收____5.1 概述
5.1.3
气体吸收过程
1.气体吸收的目的
脱苯煤气
+ []
（1）分离混合气体以
获得一定的组分。
（2）除去有害组分
吸收塔
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。
第5章 气体吸收____5.1 概述
5.气体的总压与理想气体混合物中组分的分压
当压力不太高（通常小于500kPa)、温度不太低时,气体的总压与某组分的分压之
间的关系为：
气体的总压，Pa
=
组分A的摩尔分数
组分A的分压，Pa
摩尔比与分压之间的关系为
组分A在气相
=
中的摩尔比

−
【例5-2】某系统温度为10℃，总压101.3，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？ （已知10℃时，氧气在水中的亨利系数 =
3.31 × 106。）
（11.42Τ3 ）
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
5.2.4
相平衡关系在吸收过程中的应用
1.判断过程进行的方向
④难溶气体，H值小，溶解度小；易溶气体，H值大，溶解度大。
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
（3）当气相遵循道尔顿分压定律时，
∗ =
平衡时溶质在气相
中的摩尔分数
相平衡常数
液相中溶质的
摩尔分数
∗ =


溶质在气相中
的摩尔分数
平衡时液相中溶
质的摩尔分数
讨论：

① ∗ = ∗ = = ， =
此时，气液两相达到平衡。
（2）饱和浓度（溶解度）
气液两相达到平衡时，溶质在液相中的浓度为饱和浓度。
（3）平衡分压
气液两相达到平衡时，溶质在气相中的分压为平衡分压。
（4）相平衡关系
气液两相达到平衡时，溶质组分在气液两相中的浓度存在的关系。
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
2.溶解度曲线
（1）自由度数


溶质在气相
中的摩尔比
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
【例5-1】已知在总压101.3及温度20℃下，液相中氨的摩尔浓度为0.582/3,
气相中氨的平衡分压为800，在此浓度范围内符合亨利定律，氨水的密度近似为
1000/3，求、、。
（0.728 × 10−3 Τ3 ∙ ，76.24，0.752）。
度，kmol/m3
溶解度系数，kmol/（m3∙
Pa）
平衡时溶质在液相
中的浓度，kmol/m3
溶质在气相中的
分压，kPa
讨论：
① A∗ =
A



=
② =



L




× A = ， =







=
=
≈ s ，
L
A ×+s × 1−
s
× =
≈
s
s
③物系一定时，溶解度系数是温度的函数。 ↑→ ↓，气体溶解度减少。
=
组分A的质量
分数,Τ
组分A的质量分
数,Τ


混合物中组分A的质量，kg
混合物的质量,kg
+ + ⋯ + =
摩尔分数是指混合物中某组分的物质的量占混合物总物质的量的分数。

A
气相： =
组分A在气相中的物质的量，mol
=

组分A在气相中的摩尔分数


摩尔分数和摩尔比的关系：

=
+

=
−

=
+

=
−
当 < %时，
≈
第5章 气体吸收____5.1 概述
4.质量浓度与物质的量浓度
质量浓度是指单位体积混合物中某组分的质量。
组分A的质量浓度
（密度），kg/m3
=


混合物中组分A的质量，kg
混合物的体积，m3
衡分压与溶质在液相中的摩尔分数成正比。
∗ =
溶质在气相中的平
衡分压，kPa
亨利系数，kPa
∗ =
溶质在液相中的
摩尔分数
平衡时溶质在液
相中的摩尔分数
A

溶质在气相中的
分压，kPa
讨论：
①对于理想溶液，亨利系数为同温度下的纯物质的饱和蒸汽压；对于非理想溶液，
亨利系数对低浓度溶液是常数。
②物系一定时，亨利系数是温度的函数。 ↑→ ↑，气体溶解度减少。
溶解度曲线
∗ =
∗ =
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
（2）溶解度曲线

结论1：
当总压、气相中溶质组成一定，若
℃
温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解
度随之增加，有利于吸收。
℃
℃
℃
氨在水中的溶解度曲线

5.2 吸收过程的汽液相平衡关系

结论2：
对于双组分混合气体的单组分物理吸收系统，根据相律，
=−+2=3−2+2=3
组分数
相数
因此，当气液两相达到平衡时，温度、总压、气相组成（或分压)、液相组
成（或溶解度）共4个变量。
当总压不太高时（ < ）时，压力的变化对平衡关系的影响忽略不计。
当温度一定时 ，
∗ =
第5章
气体吸收
5.1 概述
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
5.3 单相内传质
5.4 相际对流传质
5.5 吸收塔的计算
5.6 填料塔
第5章 气体吸收____5.1 概述
5.1.1
化工生产中的传质过程
1. 非均相物系：利用物系内部相界面两侧物质性质的不同，采用机械方法来分离。
如：沉降、过滤。
2. 均相物系：物系内部不存在相界面，各点处的物理性质又完全相同，通过引入第
（引入第二相）
吸收液 溶剂S
（A+S）
（液相） 溶质A（大量）
（不被溶解的组分）
（气相）
（液相）
惰性组分B
吸收尾气
（气相） 溶质A（少量）
只有溶质组分A由气相进入液相的单向传递，而气相中的惰性组分B和液相中溶剂
S处于“停滞状态”。即惰性组分B不进入液相，溶剂S不进入气相。
第5章 气体吸收____5.1 概述
=
因此，溶解小的气体（如2 、2 ）
称为难溶气体，溶解度大的气体称为易溶
气体。


几种气体在水中的溶解度曲线
结论4：
同种气体在不同溶剂中溶解度截然不
同。
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
5.2.3 亨利（Henry）定律
（1）当气体总压不高 < 500 时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平
方，则该体系将发生从液相到气相的传质，
即为解吸过程。
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
∗
∗
状态点
，
：
y
y*=f(x)
∗
AC
C
∗
AC
x
（1）位于平衡线上。
（2）吸收（释放）溶质：（无）
相对于液相浓度AC 而言，气相浓度AC
∗
刚好为平衡浓度（AC = AC
），此时气相没
有吸收溶质A，也没有释放溶质A的能力。
4．吸收过程及设备
吸收尾气A+B
溶剂S
吸收质A
惰性组分B
吸收液A+S
第5章 气体吸收____5.1 概述
5.吸收操作的分类
物理吸收：因溶解度的差异来实现分离
（1）按发不发生化学反应：
化学吸收：高选择性，可逆性，高反应速率
（2）按物系的组分数：
单组分吸收： =
多组分吸收： >
（3）按操作过程中的温度变化：

② 物系一定时，相平衡常数是温度或压力的函数。 ↓→ ↓， ↑→ ↓ ，气体溶解
度增大。
③ 难溶气体，m值大，溶解度小；易溶气体，m值小，溶解度大。
（4）当溶液为低浓度（ < 5~10%）时，
∗
∗
≈ X
平衡时溶质在气相
中的摩尔比
相平衡常数
液相中溶质的
摩尔比
≈
平衡时液相中
溶质的摩尔比
（3）释放（吸收）溶质：（无）
相对于气相浓度AC 而言，液相浓度AC
等温吸收
非等温吸收
（4）按溶质组分在气相中的摩尔分数：
低浓度吸收： < %
高浓度吸收：
重点讨论：低浓度、单组分、等温的物理吸收过程
第5章 气体吸收____5.1 概述
6. 吸收剂的选用
对可供选用的吸收剂全面评价后，经济、合理、恰当的选择。
（1）溶解度大；
（2）选择性高；
（3）再生容易；
（4）低挥发度；
质量浓度与质量分数的关系为 =
混合物的质量浓度，kg/m3
物质的量浓度（浓度）是指单位体积混合物中某组分的物质的量。

组分A的物质的量浓度，
混合物中组分A的
=
kmol/m3

物质的量，kmol
物质的量浓度与摩尔分数的关系为
=
混合物的物质的量浓度，
kmol/m3
③难溶气体，E值大，溶解度小；易溶气体，E值小，溶解度大。
④亨利系数一般由实验测定。部分气体在水中的亨利系数见表5-2。
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
（2）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浓度成正比。

A∗ = A
A∗ = A
溶质在液相中的浓

溶质在气相中的
平衡分压，kPa
2. 吸收和解吸流程示例
洗油
+ []
解吸塔
冷
凝
器
加
热
器
含苯煤气
+
冷
却
器
苯
水
过热蒸汽
吸收液
+
第5章 气体吸收____5.1 概述
3.气体吸收的依据
利用混合气中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来分离气体混合物。
溶质组分A 吸收
混合气体 （能够显著溶解的组分）
（A+B）
惰性组分B
液体溶剂（吸收剂）S
（5）粘度低；
（6）化学稳定性高；
（7）腐蚀性低；
（8）无毒、无害、价廉
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
5.2.1
思考——传热过程和吸收传质过程
（1）过程的类似性
吸收
气相
主体
传热
。
高温
流体
虚
拟
相
界
面
传
热
壁
（2）推动力的差异
液相
主体
传热：间壁两侧流体的温度差。
吸收：溶质在气相的浓度与其接触的
液相呈平衡的气相浓度差。
∗
为未饱和状态（AE
> AE ），此时液相还有
吸收溶质A的能力 。
（4）若气液相浓度（A ，A ）在平衡线的上
方，则该体系将发生从气相到液相的传质，
即为吸收过程。
5.2 吸收过程的汽液相平衡关系
状态点 AB ，AB ：
y
y*=f(x)
∗
AB
吸收
溶质
AB
释放溶质
∗
AB
B
AB
x
（1）位于平衡线的下方。
组分A在气相中的摩尔分数
液相： =


组分A在液相中的摩尔分数
A
混合物物质的量，mol
+ + ⋯ + =
+ + ⋯ + =
A
组分A的摩尔
质量，kg/mol
第5章 气体吸收____5.1 概述
2.质量比
质量比是指混合物中组分A的质量与惰性组分B（不参加传质的组分）的质量之比。
二相、外加能量，造成物系中的某一（些）组分从一相转移到另一相来分离。
传质分离过程：依据混合物中各组分在两相间平衡分配不同。
常见的单元操作：气体吸收、液体蒸馏、固体干燥、液液萃取、结晶、吸附、膜分离。
第5章 气体吸收____5.1 概述
5.1.2
相组成表示法
1.质量分数与摩尔分数
质量分数是指混合物中某组分的质量占混合物质量的分数。
状态点 AE ，AE ：
y
y*=f(x)

AE
释放
溶质
吸收溶质
∗

AE
∗

x
（1）位于平衡线的上方。
（2）释放溶质：（气相）
相对于液相浓度AE 而言，气相浓度AE
∗
为过饱和状态（AE > AE
），此时气相有释
放溶质A的能力。
（3）吸收溶质：（液相）
相对于气相浓度AE 而言，液相浓度AE