化工基础第五章：吸收

在稳态时
' NA NA
*
根据亨利定律有 pA,i cA,i / H , pA cA / H 代入（2）式得：
' NA HkL ( pA,i p* A)
（3）

（3）式同（1）式联立，得：
NA
1
令
则
1 1 kG HkL 1 1 1 KG kG HkL
( p A p* A)
AG AL
总阻力=气膜阻力+液膜阻力
3. 假定气—液界面处无传质阻力，且界面处的气— 液组成达于平衡。
一、总吸收速率方程

根据双膜理论及单相传质速率方程，溶质穿过气膜和液膜 的吸收速率方程分别为：
N A kG ( pA pA,i )
' NA kL (cA,i cA )
（1）
（2 ）
1.0 0.9 0.8
C f ( p A ) 或 p g (C A )
O2 pA=723CA CO2 pA=25.5CA
A
A
难溶体系
SO 2
pA，atm
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
溶解度适中体系
易溶体系
NH3 pA=0.36CA pA=0.0136CA
6 7 8 9 10 11
yA
M ( xA , y A )
B
液相推动力差表示为：
y* A mx A y* A
A
xA x A xA
偏离平衡浓度越远，推动力越 大。
O
xA
x* A
x
例3、当总压为1.013×105Pa、温度为293K时，氧在水中的溶 9 4 . 01 10 xA 解度可用下式表示： p* A 式中：pA*为氧的平衡分压，Pa；xA为氧在溶液中的摩尔分数。 试求在此状态下，空气与水充分接触后，每立方米水中溶有多 少克氧？
费克定律——单位时间通过单位面积物质的扩
散量与浓度梯度成正比。
以气膜传质分系数表示的吸收速度方程：
NA Dp p A p A ,i 1 ( p A p A ,i ) 1 RTlG pB ,m kG
以液相传质分系数表示的吸收速率方程
C A,i C A 传质推动力 DL C M NA (C A,i C A ) 1 l L C B ,m 传质阻力 kL
CA f T , P , p A
在几个大气压以内、温度一定条件下，
CA f pA
或 p A g C A
气液平衡时，溶质在单位液体体积或质量中的
溶解度称为平衡溶解度，而溶质在气相中的分压则
称为平衡分压或饱和分压。在平衡状态下，溶质组
分在两相中的浓度服从相平衡关系。
（4）
N A KG ( pA p* A)
上式就是以气相分压差表示推动力的总传质速率方程。
同理可得到以浓度差表示吸收推动力的总传质速率方程：
N A K L (c* A cA ) 1 H 1 式中 （5） K L kG k L 对比（4）（5）可知： KG HKL

当气膜阻力远大于液膜阻 力，即：
价廉易得，并具有化学稳定性等要求。
§2 气液相平衡关系
溶解度
气液达到相平衡时，液相中的溶质浓度称为溶解度。
根据相律可知， 自由度数 F c 2
A A+B （气体） S （液体）
32 2 3
即在温度T，总压P和气、液相组成共四个 变量 中，有三个自变量，另一个是它们的函数：
塔底送出，组成为XA，2的吸收剂自塔顶淋下。塔很高，吸收剂 用量很少，吸收液最终浓度XA，1也不会无限增大，其极值只与 气相浓度yA，1呈平衡的液相浓度xA，1* 。
3．计算过程推动力，分析过程进行的难易
在图中，在截面 M-N中，推动 力以气相浓度差表示为： y
y A y A y
*
* A
2-1 溶解度曲线
若固定温度、压力不变，测得某动平衡下，溶液
上方氨的分压为 p1，此时溶于水的氨的浓度为 x1；再
改 变 浓 度 为 x2， 测 得 上 方 氨 分 压 为 p2；……
依次类推，改变氨的浓度为 xn，测得溶液上方氨的分
压为pn，如图所示。将这n个点，标绘在图上，即得在
一定温度、压力下的溶解度曲线。
度差最大的原理相同。
吸收操作效率高的条件：
1．选择合适的吸收剂；
2．提供适宜的传质设备；
3．吸收剂的再生。
1-3 吸收剂的选择
1．溶解度 对溶质组分有较大的溶解度；
2．选择性 对溶质组分有良好的选择性，即对
其它组分基本不吸收或吸收甚微；
3．挥发性 应不易挥发；
4．黏性 黏度要低；
5．其它 无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、
吸收可分为物理吸收和化学吸收
物理吸收所能达到的最大程度取决 于在吸收条件下气体在液体中的平衡溶 解度，吸收速率则主要取决于组分从气 相转移到液相的扩散速度。 化学吸收，吸收的速率除与扩散速 率有关外，有时还与化学反应的速率有 关，而吸收的极限同时取决于气液相的 平衡关系和其化学反应的平衡关系。

1-1 吸收分类
物 理 吸 收 化 学 吸 收 等 温 吸 收 非 等 温 吸 收 单 组 分 吸 收 多 组 分 吸 收
重点是低浓度气体混合物的单组分等温物理吸收。
1-2 吸收操作
吸收过程的气、液接触方式
吸收操作流程
通常的吸收过程都采用逆流操作，即液体从上 到下，气体从塔底通入，这样可以保证全塔的平均 推动力最大，与传热时两流体以逆流流动的平均温
C C A p Ex A E越大，表明溶解度越小， H C E随温度变化而变化， T，E。 亨利系数，Pa
A
p E A yA x A mx A P P
m越大，表明溶解度越小，
m随温度变化而变化，
T，m，P，m。
相平衡常数，无因次
§3 吸收速率方程
吸收过程中吸收速率是指单位时间内、在单
位相际传质面积上被吸收的溶质量。
吸收速率可以表示为：
传质推动力 吸收速度 吸收系数 传质推动力 传质阻力
3-1 分吸收速率方程 分子扩散——流体内某一组分存在浓度差时，
则由于分子运动使组分从浓度高处传递至浓度低处，
这种现象称为分子扩散。
（1）分离混合气体。是最主要的应用。
（2）气体净化。例如某厂放空气体中含有有毒有害
气体A，不符合环境保护的排放标准，则选用合适
溶剂将有害气体吸收，使该厂放空气体达到排放标
准。
（3）制备液体产品。例如用水吸收氯化氢气体制备
盐酸，用93%硫酸吸收SO3制备硫酸等等。
采用吸收剂再生的连续吸收装置
吸收操作是在吸收设备中进行的。
3-2 总吸收速率方程
1．两相间有物质传递时，相界面两侧各有一层极薄的 静止膜，传递阻力都集中在这里。
N AG k G p A pi N AL k L Ci C A p A p A ,i 1 kG C A,i C A 1 kL
I II
2．物质通过双膜的传递过程为稳态过程，没有物 质的积累。即， N N
cA
c A, i
c* A
c
界面组成的确定
即：
k L p A p A,i kG c A,i c A
该式为一直线，斜率为－kL/kG，并 通过M(cA, pA)和R(cA,i, pA,i)，并和平衡 曲线交于R点。 对流传质的推动力： p ＝pA－pA,i c ＝cA,i －cA 相际传质的总推动力： p ＝ p A － p A * c ＝ c A *－ cA
物质量比的定义为： 液相：
A组分物质的量 XA 吸收剂的量
气相：
A组分物质的量 YA 惰性组分物质的量
物质的量比与摩尔数之间的关系：
y A Y A 1 y A x XA A 1 xA
式中：YA，XA——平衡状态时，溶质A在气相、液相 中的物质的量的比； yA，xA——平衡状态时溶质A在气相中、液相 中的摩尔分数； p*A——溶质A在气相中的平衡分压； cA——平衡状态下溶质A在液相中的物质的量 浓度。
pA
*
比例系数H愈大，表明同样分压下的溶解度愈 大。H可称为溶解度系数，cA为单位体积溶液中溶
cA H
质A的物质的量浓度［mol· m-3］。
亨利定律最常用的是下列形式：
y mxA
* A
m为相平衡常数（亦称亨利常数），量纲为1。m是 温度与压强的函数，易溶气体m值小；难溶气体m 值大。
亨利定律的其他形式：
0
1
2
3
4
5
10nCA，kmol/m3
O2 n=3，CO2n=2，SO2n=1，NH3 n=0 几种气体在 20℃水中的溶解度曲线
2-2 亨利定律
说明： (1) 不同气体的溶解度差异很大
(2) 对于稀溶液，有
P ExA
亨利系数， Pa
A
亨利定律
E取决于物系的特性及物系的温度，通常由实验测定。 可从有关手册中查得。 E越大，表明溶解度越小，越难溶。
M (c 百度文库 , p A )
k kL / kG
E
p
根据双膜理论，溶质穿过气膜 和液膜时的吸收速率方程分别为：
pA
N A kG ( pA pA,i )
p* A f (c A )
pA, i
N A kL (cA,i cA )
两式相除
R (cA, i , pA, i )
p
* A
O
k G ( p A p A,i ) NA 1 NA k L (c A , i c A )
亨利系数之间的关系
pA 单位 ： E Pa xA c A km ol m 3 H * Pa pA yA m / xA H M E m p E
* *

若以比摩尔分数表示吸收质在气、液两相的浓度， 则：
液相中吸收质的量 液相中吸收剂的量 气相中吸收质的量 Y 气相中吸收剂的量 X kmol 吸收质 / kmol 吸收剂 kmol 吸收质 / kmol 惰性气体
xA XA 1 xA yA YA 1 yA
或 或
XA xA 1 XA YA yA 1 YA
代入： y mx A A
* 得： YA
mX A 1 (1 m ) X A
对于稀溶液，有： YA mX A
例1 总压为101.325kPa、温度为20℃时，1000kg水中溶解 15kg NH3，此时溶液上方气相中NH3的平衡分压为 2.266kPa。试求此时之溶解度系数H、亨利系数E、相平衡 常数m。
1 1 kG HkL
则相际传质受气膜阻力控制，此时： KG kG

当液膜阻力远大于气膜阻力，
即：
则相际传质受液膜阻力控制，此 时：

1 H kL kG
K L kL
当气液两膜的传质阻力具有相近的数量级时，由双膜阻力 联合控制。
二、相界面组成

当气液两相的组成不符合亨利定律时，平衡曲线为一曲 线，此时由于H不能确定，所以计算传质速率时，只能求出界 面组成（ci，pi）。
E随温度变化而变化，一般地，T，E 。
对于非理想溶液，在低浓度下，服从亨利定律。
由图看出， OD 是平衡曲线，但在 x=0～0.10 的
这一段，可以写成亨利定律的表达式。
pA ExA
*
p*A为溶质A在气相中的平衡分压；E称为亨利系数；xA 为溶质在溶液中所占的摩尔分率。
亨利定律还可写成：
例2 在20℃及101.325kPa下CO2与空气的混合物缓慢地沿 Na2CO3溶液液面流过，空气不溶于Na2CO3溶液。CO2透 过厚1mm的静止空气层扩散到Na2CO3溶液中。气体中CO2 的摩尔分数为0.2。在Na2CO3溶液面上，CO2被迅速吸收， 故相界面上CO2的浓度极小，可忽略不计。CO2在空气中 20℃时的扩散系数D为0.18cm2/s。问CO2的扩散速率是多 少？
2-3 相平衡与吸收过程的关系
1.用相平衡判断过程进行的方向
吸收过程：如A1点，在平衡线的上方， yA>yA*，溶 质应从气相到液相。 解吸过程：如A2点，在平衡线的下方，yA*>yA，溶 质应从液相到气相。
2．用相平衡确定过程进行的极限
在一定的温度与压力的条件下，当气、液传质达到平衡时，
净传质速率为零。在逆流操作时，含溶质为yA，1的混合气体从
第五章 吸收
§1 化工生产中的吸收操作
吸收操作——利用组成混合气体各组分在溶剂
中溶解度不同，来分离气体混合物的操作，称为吸
收操作。
在吸收过程中，吸收所用的溶剂称为吸收剂；
被吸收剂吸收溶解的组分称为吸收质；不被吸收的
组分称为惰性组分或载体；吸收了溶质后的溶液则
称为吸收液。
1-1 吸收操作的类型
吸收的工业应用