第二章吸收(1)
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26
第三节 吸收过程的速率方程
主要概念 扩散速率、漂流因子、有效膜模型
重点内容 费克定律 等摩尔逆向扩散和组分A通过静止组分B的扩散 单相对流传质模型和两相传质双膜理论 吸收过程的总传质速率方程
27
分子扩散与费克定律
分子扩散：因微观分子热运动而使组分从浓度高
处扩散到浓度低处的现象。
扩散速率：单位时间内通过单位面积扩散的物质
30
组分A通过静止组分B的扩散
如图所示，设NAM、NBM
为整体移动中组分A和B的传递速率，
则
N A J A N AM N B J B N BM 0
由于
N AM pA N BM pB
31
N A J A N AM J A JA
pA N BM pB
pA pA JB JA JA pB pB
液相传质速率方程
D C c Ai c AL NA z L c Sm
或
N A k L ci cL
N A k x xi x
N A k X X i X
44
气液相界面的溶质组成（Yi，Xi）
N A kY Y Yi
由
Hale Waihona Puke Baidu
N A kX X i X
18
19
20
21
22
3. 吸收塔的吸收液及尾气的极限浓度
（1）吸收液的最大组成x1max
x1max x y1 / m
（2）吸收尾气的最小组成y2min
* 1
y2 max y mx2
* 2
23
例2
在温度20℃、总压0.1MPa下，含有CO2 0.1 （摩尔分数）的空气与含有CO2 0.00002（摩尔
1.2 (15 / 17 1000/ 18) 76.8kPa 15 / 17 s 1000 H 0.723km ol/(m 3 kPa) EM S 76.8 18 E 76.8 m 0.758 p 101.325
17
气液相平衡在吸收中的应用
传质方向和传质推动力的判断
传质，包括分子扩散和湍流扩散。
湍流扩散：流体流动或搅拌时，由于流体质点的
湍流运动，使组分从浓度高处向浓度低处的移动， 称为湍流扩散。在湍流状态下，流体内部产生漩涡， 故又称涡流扩散。
37
有效膜模型
将单相内的传质 阻力看成全部集中在 一层虚拟的流体膜层
内，称为有效膜模型。
此时，由气相主体到界面的对流扩散速率等于 通过厚度为ZG的膜层的分子扩散速率。
25
(2)已知y 0.1，x 0.0002 用气相组成判断，则 y* m x 1440 0.0002 0.288 y y *，CO 2从液相进入气相 传质推动力y * y 0.288 0.1 0.188 用液相组成判断，则 x* y / m 0.1 / 1440 0.0000694 0.0002 CO 2从液相进入气相 传质推动力x x* 0.0002 0.0000694 0.0001306
G L
距离 气膜 液膜
pG
组成
pi
气相主体
传质方向 液相主体
Ci
CL z
双膜模型
41
42
气相传质速率方程
D P p AG p Ai NA RTZG pBm
或
N A kG pG pi
N A k y y yi
N A kY Y Yi
43
可得
Y Yi kX X i X kY
Yi mXi
45
总传质速率方程
以（Y-Y*）为推动力的总传质速率方程
若气液相关系符合亨利定律，则
Yi Y* X i ，X m m
液相传质速率方程可写为：
X i X Yi / m Y * / m Yi Y * NA 1 1 m kX kX kX
38
气相传质速率方程式
根据有效膜模型，气相对流传质速率方程式为：
D p p AG p Ai NA RTZG pBm
令
D p kG RTZG pBm
p A pi 气膜传质推动力 N A kG ( p A pi ) 1 气膜传质阻力 kG
39
则
液相传质速率方程式
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的浓度小，可忽略不计。20℃及 101.325kPa时，CO2在空气中的扩散系数D为 0.18cm2/s。CO2的扩散速率是多少？
34
解： p A1 0.2 p，p A 2 0 p B1 p 0.2 p 0.8 p，p B 2 p p Bm p B 2 p B1 p 0.8 p 90.8kPa pB 2 p ln ln p B1 0.8 p
15
例1
总压为101.325kPa、温度为20℃时， 1000kg水中溶解15kgNH3，此时溶液上 方气相中NH3的平衡分压为1.2kPa。试 求此时的亨利系数E、溶解度系数H、相 平衡常数m。
16
解： 根据亨利定律p * Ex p* E x p* p * ( n A nB ) nA nA n A nB
12
13
亨利定律各系数间的关系
H C E
E m P
H
E mp
s
HM S
S
EM S
14
摩尔比
x 液相中溶质的摩尔数 X 1 x 液相中溶剂的摩尔数
y 气相中溶质的摩尔数 Y 1 y 气相中惰性气体的摩尔 数
当液相组成X很小（X<0.05）时，有
Y * mX
46
气相传质速率方程可写成：
Y Yi NA 1 kY
稳态的气液相传质过程中，
Y Yi Yi Y * Y Y* NA 1 m 1 m kY kX kY k X
令
KY
1 1 m kY k X
47
则以（Y-Y*）为推动力的总传质速率方程式为：
吸收的原理：利用气体在液体中溶解度的差异来分离
气体混合物的传质过程。 溶剂或吸收剂S：吸收所用液体 形成溶液
溶质或吸收质A：能溶解的气体组分
惰性气体或载体B：不能溶解的气体组分
3
吸收的应用
制取液体产品
例如，用硫酸吸收SO3制取发烟硫酸；用水吸收氯化氢
制取工业盐酸；用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。
单组分吸收，H2O吸收乙醇 多组分吸收，液态烃吸收气态烃 等温吸收，H2O吸收丙酮 非等温吸收，H2O吸收SO3
6
吸收剂的选择
溶解度：对溶质组分有较大的溶解度。
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。
挥发性： 应不易挥发。 粘性： 粘度要低。 其它：无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易
得，并具有化学稳定性等要求。
7
第二节 气体吸收的相平衡关系
主要概念
平衡溶解度、平衡分压
重点掌握
亨利定律
气液相平衡在吸收中的应用
8
气液相平衡关系：描述气液相传质极限的
关系。
气液相平衡状态：进入液体的溶质数量等
于溶质从液相逸出的数量时的状态。 平衡溶解度：气液两相达到相平衡时，溶 质在液相中的浓度，记为cA、x、X。 平衡分压：气液两相达到相平衡时，溶质
D AB dp A JA RT dZ
29
等摩尔逆向扩散
对于等摩尔逆向扩散，有
J A J B
根据
dc A D dp A N A J A D dz RT dZ
可推导得
D p A1 p A2 NA JA RTz
同理，上述结论完全适用于组分B D pB 2 pB1 NB JB RTz
的量。
分子扩散定律（费克定律）
某组分沿任一方向的分子扩散速率与该组分在该方 向上的浓度变化率（梯度）成正比， 即
J A D AB
dcA dz
28
式中JA——组分A的扩散速率，kmol/(m2﹒s)； dcA/dZ——组分A沿扩散方向Z上的浓度梯度， kmol/m4； DAB——分子扩散系数，简称扩散系数，m2/s。 对于理想混合气体，费克定律可表达为：
p Ex
式中 p ——溶质在气相中的平衡分压，kPa； A
A
x ——溶质在液相中的摩尔分率；
E ——亨利系数，kPa。
11
或
cA p H
A
式中 cA——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；
H——溶解度系数，kmol/(mkN)。
或
y* m x
式中 y*——溶质在气相中的平衡摩尔分率； m——相平衡常数。
回收混合气中有用的组分
例如，用硫酸吸收煤气中的氨生成硫胺；用洗油从煤 气中回收粗苯等。
除去有害组分净化气体
包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。 例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳；燃
煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2等。
4
吸收设备
5
吸收过程的分类
物理吸收，H2O吸收CO2
化学吸收，NaOH溶液吸收CO2
在气相中的分压，记为 p 、y*、Y*。 A
9
气体溶解度的影响因素
cA f (T , p )
T↑，cA↓
p ↑，cA↑ A
A
所以：
低温高压有利吸收
高温低压有利解（脱）吸
10
亨利定律
亨利定律：在一定的温度和压力（不太高）下， 稀溶液中溶质在气相中的平衡分压与其在液相
中的摩尔分数成正比，即：
D p p A2 p A1 NA RTz pBm
pB 2 pB1 P 其中 pBm pB 2 ， p Bm 称为漂流因子 ln pB1
33
例5－3
在20℃及101.325kPa下CO2与空气的混合物缓慢 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
同理，液相对流传质速率方程式为：
D c c Ai c AL NA Z L cBm
令
D c kL Z L cBm
ci c A 液膜传质推动力 N A k L (ci c A ) 1 液膜传质阻力 kL
40
则
吸收过程的机理
1. 双膜理论
（1）气液两相间存在稳定的相界面， 界面两侧各有一层有效膜，溶质以 分子扩散的传质方式由气相主体进 入液相主体。 （2）在相界面处，气液两相达到相平 衡。 （3） 在气液两相主体中，溶质浓度均 匀，浓度梯度都集中在两膜内。
第五章 吸收
1.1 概述
1.2 气液相平衡方程
1.3 吸收过程的速率方程
1.4 吸收塔的计算 1.5 填料塔
1
第一节 概述
主要概念
吸收
重点掌握
吸收的原理
吸收过程的分类
2
吸收
吸收：气体混合物与液体接触，气体中一个或几个组分
溶解于液体，而不能溶解的组分留在气体中，从而使气
体混合物分离的过程。
D p NA ( p A1 p A 2 ) RTZ p B 0.18 10 101.325 (0.2 101.325 0) 8.314 293 0.001 90.8 1.67 10 4 km ol/(m 2 s )
35
4
36
单相内的对流传质
单相内的对流传质：指流体与某一界面之间的
pA D p A dpA (1 )J A (1 ) pB RT p B dZ D p dpA ( ) RT p p A dZ
32
Dp p p A2 Dp pB 2 积分得 N A RTz ln p p RTz ln p A1 B1
因 整理可得
p pA1 pB1 pA2 pB 2
分数）的水溶液接触，试判断CO2的传质方向，
并计算传质推动力。如果水溶液中CO2的组成
为0.0002（摩尔分数），试判断CO2的传质方
向，并计算传质推动力。
24
解：温度20 C时，CO 2水溶液的E 144MPa E 144 则相平衡常数m 1440 p 0 .1 （1）已知y 0.1，x 0.00002 用气相组成判断，则 y* m x 1440 0.00002 0.0288 y y *，CO 2从气相进入液相 传质推动力y y* 0.1 0.0288 0.0712 用液相组成判断，则 x* y / m 0.1 / 1440 0.0000694 x CO 2气相进入液相 传质推动力x * x 0.0000694 0.00002 0.0000494
第三节 吸收过程的速率方程
主要概念 扩散速率、漂流因子、有效膜模型
重点内容 费克定律 等摩尔逆向扩散和组分A通过静止组分B的扩散 单相对流传质模型和两相传质双膜理论 吸收过程的总传质速率方程
27
分子扩散与费克定律
分子扩散：因微观分子热运动而使组分从浓度高
处扩散到浓度低处的现象。
扩散速率：单位时间内通过单位面积扩散的物质
30
组分A通过静止组分B的扩散
如图所示，设NAM、NBM
为整体移动中组分A和B的传递速率，
则
N A J A N AM N B J B N BM 0
由于
N AM pA N BM pB
31
N A J A N AM J A JA
pA N BM pB
pA pA JB JA JA pB pB
液相传质速率方程
D C c Ai c AL NA z L c Sm
或
N A k L ci cL
N A k x xi x
N A k X X i X
44
气液相界面的溶质组成（Yi，Xi）
N A kY Y Yi
由
Hale Waihona Puke Baidu
N A kX X i X
18
19
20
21
22
3. 吸收塔的吸收液及尾气的极限浓度
（1）吸收液的最大组成x1max
x1max x y1 / m
（2）吸收尾气的最小组成y2min
* 1
y2 max y mx2
* 2
23
例2
在温度20℃、总压0.1MPa下，含有CO2 0.1 （摩尔分数）的空气与含有CO2 0.00002（摩尔
1.2 (15 / 17 1000/ 18) 76.8kPa 15 / 17 s 1000 H 0.723km ol/(m 3 kPa) EM S 76.8 18 E 76.8 m 0.758 p 101.325
17
气液相平衡在吸收中的应用
传质方向和传质推动力的判断
传质，包括分子扩散和湍流扩散。
湍流扩散：流体流动或搅拌时，由于流体质点的
湍流运动，使组分从浓度高处向浓度低处的移动， 称为湍流扩散。在湍流状态下，流体内部产生漩涡， 故又称涡流扩散。
37
有效膜模型
将单相内的传质 阻力看成全部集中在 一层虚拟的流体膜层
内，称为有效膜模型。
此时，由气相主体到界面的对流扩散速率等于 通过厚度为ZG的膜层的分子扩散速率。
25
(2)已知y 0.1，x 0.0002 用气相组成判断，则 y* m x 1440 0.0002 0.288 y y *，CO 2从液相进入气相 传质推动力y * y 0.288 0.1 0.188 用液相组成判断，则 x* y / m 0.1 / 1440 0.0000694 0.0002 CO 2从液相进入气相 传质推动力x x* 0.0002 0.0000694 0.0001306
G L
距离 气膜 液膜
pG
组成
pi
气相主体
传质方向 液相主体
Ci
CL z
双膜模型
41
42
气相传质速率方程
D P p AG p Ai NA RTZG pBm
或
N A kG pG pi
N A k y y yi
N A kY Y Yi
43
可得
Y Yi kX X i X kY
Yi mXi
45
总传质速率方程
以（Y-Y*）为推动力的总传质速率方程
若气液相关系符合亨利定律，则
Yi Y* X i ，X m m
液相传质速率方程可写为：
X i X Yi / m Y * / m Yi Y * NA 1 1 m kX kX kX
38
气相传质速率方程式
根据有效膜模型，气相对流传质速率方程式为：
D p p AG p Ai NA RTZG pBm
令
D p kG RTZG pBm
p A pi 气膜传质推动力 N A kG ( p A pi ) 1 气膜传质阻力 kG
39
则
液相传质速率方程式
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的浓度小，可忽略不计。20℃及 101.325kPa时，CO2在空气中的扩散系数D为 0.18cm2/s。CO2的扩散速率是多少？
34
解： p A1 0.2 p，p A 2 0 p B1 p 0.2 p 0.8 p，p B 2 p p Bm p B 2 p B1 p 0.8 p 90.8kPa pB 2 p ln ln p B1 0.8 p
15
例1
总压为101.325kPa、温度为20℃时， 1000kg水中溶解15kgNH3，此时溶液上 方气相中NH3的平衡分压为1.2kPa。试 求此时的亨利系数E、溶解度系数H、相 平衡常数m。
16
解： 根据亨利定律p * Ex p* E x p* p * ( n A nB ) nA nA n A nB
12
13
亨利定律各系数间的关系
H C E
E m P
H
E mp
s
HM S
S
EM S
14
摩尔比
x 液相中溶质的摩尔数 X 1 x 液相中溶剂的摩尔数
y 气相中溶质的摩尔数 Y 1 y 气相中惰性气体的摩尔 数
当液相组成X很小（X<0.05）时，有
Y * mX
46
气相传质速率方程可写成：
Y Yi NA 1 kY
稳态的气液相传质过程中，
Y Yi Yi Y * Y Y* NA 1 m 1 m kY kX kY k X
令
KY
1 1 m kY k X
47
则以（Y-Y*）为推动力的总传质速率方程式为：
吸收的原理：利用气体在液体中溶解度的差异来分离
气体混合物的传质过程。 溶剂或吸收剂S：吸收所用液体 形成溶液
溶质或吸收质A：能溶解的气体组分
惰性气体或载体B：不能溶解的气体组分
3
吸收的应用
制取液体产品
例如，用硫酸吸收SO3制取发烟硫酸；用水吸收氯化氢
制取工业盐酸；用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。
单组分吸收，H2O吸收乙醇 多组分吸收，液态烃吸收气态烃 等温吸收，H2O吸收丙酮 非等温吸收，H2O吸收SO3
6
吸收剂的选择
溶解度：对溶质组分有较大的溶解度。
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。
挥发性： 应不易挥发。 粘性： 粘度要低。 其它：无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易
得，并具有化学稳定性等要求。
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第二节 气体吸收的相平衡关系
主要概念
平衡溶解度、平衡分压
重点掌握
亨利定律
气液相平衡在吸收中的应用
8
气液相平衡关系：描述气液相传质极限的
关系。
气液相平衡状态：进入液体的溶质数量等
于溶质从液相逸出的数量时的状态。 平衡溶解度：气液两相达到相平衡时，溶 质在液相中的浓度，记为cA、x、X。 平衡分压：气液两相达到相平衡时，溶质
D AB dp A JA RT dZ
29
等摩尔逆向扩散
对于等摩尔逆向扩散，有
J A J B
根据
dc A D dp A N A J A D dz RT dZ
可推导得
D p A1 p A2 NA JA RTz
同理，上述结论完全适用于组分B D pB 2 pB1 NB JB RTz
的量。
分子扩散定律（费克定律）
某组分沿任一方向的分子扩散速率与该组分在该方 向上的浓度变化率（梯度）成正比， 即
J A D AB
dcA dz
28
式中JA——组分A的扩散速率，kmol/(m2﹒s)； dcA/dZ——组分A沿扩散方向Z上的浓度梯度， kmol/m4； DAB——分子扩散系数，简称扩散系数，m2/s。 对于理想混合气体，费克定律可表达为：
p Ex
式中 p ——溶质在气相中的平衡分压，kPa； A
A
x ——溶质在液相中的摩尔分率；
E ——亨利系数，kPa。
11
或
cA p H
A
式中 cA——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；
H——溶解度系数，kmol/(mkN)。
或
y* m x
式中 y*——溶质在气相中的平衡摩尔分率； m——相平衡常数。
回收混合气中有用的组分
例如，用硫酸吸收煤气中的氨生成硫胺；用洗油从煤 气中回收粗苯等。
除去有害组分净化气体
包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。 例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳；燃
煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2等。
4
吸收设备
5
吸收过程的分类
物理吸收，H2O吸收CO2
化学吸收，NaOH溶液吸收CO2
在气相中的分压，记为 p 、y*、Y*。 A
9
气体溶解度的影响因素
cA f (T , p )
T↑，cA↓
p ↑，cA↑ A
A
所以：
低温高压有利吸收
高温低压有利解（脱）吸
10
亨利定律
亨利定律：在一定的温度和压力（不太高）下， 稀溶液中溶质在气相中的平衡分压与其在液相
中的摩尔分数成正比，即：
D p p A2 p A1 NA RTz pBm
pB 2 pB1 P 其中 pBm pB 2 ， p Bm 称为漂流因子 ln pB1
33
例5－3
在20℃及101.325kPa下CO2与空气的混合物缓慢 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
同理，液相对流传质速率方程式为：
D c c Ai c AL NA Z L cBm
令
D c kL Z L cBm
ci c A 液膜传质推动力 N A k L (ci c A ) 1 液膜传质阻力 kL
40
则
吸收过程的机理
1. 双膜理论
（1）气液两相间存在稳定的相界面， 界面两侧各有一层有效膜，溶质以 分子扩散的传质方式由气相主体进 入液相主体。 （2）在相界面处，气液两相达到相平 衡。 （3） 在气液两相主体中，溶质浓度均 匀，浓度梯度都集中在两膜内。
第五章 吸收
1.1 概述
1.2 气液相平衡方程
1.3 吸收过程的速率方程
1.4 吸收塔的计算 1.5 填料塔
1
第一节 概述
主要概念
吸收
重点掌握
吸收的原理
吸收过程的分类
2
吸收
吸收：气体混合物与液体接触，气体中一个或几个组分
溶解于液体，而不能溶解的组分留在气体中，从而使气
体混合物分离的过程。
D p NA ( p A1 p A 2 ) RTZ p B 0.18 10 101.325 (0.2 101.325 0) 8.314 293 0.001 90.8 1.67 10 4 km ol/(m 2 s )
35
4
36
单相内的对流传质
单相内的对流传质：指流体与某一界面之间的
pA D p A dpA (1 )J A (1 ) pB RT p B dZ D p dpA ( ) RT p p A dZ
32
Dp p p A2 Dp pB 2 积分得 N A RTz ln p p RTz ln p A1 B1
因 整理可得
p pA1 pB1 pA2 pB 2
分数）的水溶液接触，试判断CO2的传质方向，
并计算传质推动力。如果水溶液中CO2的组成
为0.0002（摩尔分数），试判断CO2的传质方
向，并计算传质推动力。
24
解：温度20 C时，CO 2水溶液的E 144MPa E 144 则相平衡常数m 1440 p 0 .1 （1）已知y 0.1，x 0.00002 用气相组成判断，则 y* m x 1440 0.00002 0.0288 y y *，CO 2从气相进入液相 传质推动力y y* 0.1 0.0288 0.0712 用液相组成判断，则 x* y / m 0.1 / 1440 0.0000694 x CO 2气相进入液相 传质推动力x * x 0.0000694 0.00002 0.0000494