化工原理——吸收

第六章 吸收

【例6-1】 总压为101.325kPa 、温度为20℃时，1000kg 水中溶解15kg NH 3，此时溶液上方气相中NH 3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 。

解：首先将此气液相组成换算为y 与x 。

NH 3的摩尔质量为17kg/kmol ，溶液的量为15kg NH 3与1000kg 水之和。故

0156.018

/100017/1517

/15=+=+==B A A A n n n n n x

02240325101266

2...P p y *A *

===

436.10156

.00224

.0*===x y m

由式（6-11） E =P ·m =101.325×1.436=145.5kPa

或者由式（6-1） 3.1450156

.0266

.2*===x p E A kPa

溶剂水的密度ρs =1000kg/m 3，摩尔质量M s =18kg/kmol ，由式（6-10）计算H

382.0183.1451000=⨯=≈s s EM H ρkmol/（m 3·kPa ）

H 值也可直接由式6-2算出，溶液中NH 3的浓度为

()()869.01000/10001517/15//=+=+==s s A A A A A m m M m V

n c ρkmol/m 3

所以 383.0266.2869.0*

===A A p c H kmol/（m 3·kPa ）

【例6-2】 在20℃及101.325kPa 下CO 2与空气的混合物缓慢地沿Na 2CO 3溶液液面流过，空气不溶于Na 2CO 3溶液。CO 2透过厚1mm 的静止空气层扩散到Na 2CO 3溶液中。气体中CO 2的摩尔分数为0.2。在Na 2CO 3溶液面上，CO 2被迅速吸收，故相界面上CO 2的浓度极小，可忽略不计。CO 2在空气中20℃时的扩散系数D 为0.18cm 2/s 。问CO 2的扩散速率是多少？

解：此题属单方向扩散，可用式6-17计算。 扩散系数 D =0.18cm 2/s=1.8×10-5m 2/s

扩散距离 Z=1mm=0.001m ，气相总压力P =101.325kPa 气相主体中CO 2的分压力p A1=P y A1=101.325×0.2=20.27kPa 气液界面上CO 2的分压力p A2=0

气相主体中空气（惰性气体）的分压力p B1为 06.8127.20325.10111=-=-=A B p P p kPa

气液界面上空气的分压力 p B2=101.325kPa 空气在气相主体和界面上分压力的对数平均值为

8.9006

.81325.101ln

06.81325.101ln

1

212=-=-=B B B B Bm p p p p p kPa

代入式（6-17），得

()21A A Bm

A p p p p

RTZ D N -⋅⋅=

()027.208

.90325.101001.0293314.8108.15

-⋅⋅⨯⨯⨯=- 41067.1-⨯=kmol/（m 2·s ）

【例6-3】 含氨极少的空气于101.33kPa ，20℃被水吸收。已知气膜传质系数k G =3.15×10-6kmol/（m 2·s ·kPa ），液膜传质系数k L =1.81×10-4kmol/（m 2·s ·kmol/m 3），溶解度系数H =1.5kmol/（m 3·kPa ）。气液平衡关系服从亨利定律。求：气相总传质系数K G 、K Y ；液相总传质系数K L 、K X 。

解：因为物系的气液平衡关系服从亨利定律，故可由式（6-37）求K G

5461024.310

81.15.11

1015.31111⨯=⨯⨯+⨯=+=--L G G Hk k K K G =3.089×10-6kmol/（m 2·s ·kPa ）

由计算结果可见 K G ≈k G

此物系中氨极易溶于水，溶解度甚大，属“气膜控制”系统，吸收总阻力几乎全部集中于气膜，所以吸收总系数与气膜吸收分系数极为接近。

依题意此系统为低浓度气体的吸收，K Y 可按式（6-36）来计算。 ()

s m km ol

10133100893331014

6⋅⨯=⨯⨯==--...PK K G Y 根据式（6-37）求K L

5

6410

815.41015.35.11081.1111⨯=⨯+⨯=+=--G L L k H k K 6

L 1008.2K -⨯=kmol/（m 2·s ·3

m kmol ）

同理，对于低浓度气体的吸收，可用式（6-36）求K X K X =K L ·c

由于溶液浓度极稀，c 可按纯溶剂——水来计算。

6.55181000===s s M c ρkmol/m 3 K X =K L ·c =2.08×10-6×55.6=1.16×10-4kmol/（m 2·s ）

【例6-4】 由矿石焙烧炉出来的气体进入填料吸收塔中用水洗涤以除去其中的SO 2。炉气量为1000m 3/h ，炉气温度为20℃。炉气中含9%（体积分数）SO 2，其余可视为惰性气体（其性质认为与空气相同）。要求SO 2的回收率为90%。吸收剂用量为最小用量的1.3倍。已知操作压力为101.33kPa ，温度为20℃。在此条件下SO 2在水中的溶解度如附图所示。试求：

（1）当吸收剂入塔组成X 2=0.0003时，吸收剂的用量（kg/h ）及离塔溶液组成X 1。

（2）吸收剂若为清水，即X 2=0，回收率不变。出塔溶液组成X 1为多少？此时吸收剂用量比（1）项中的用量大还是小？

解：将气体入塔组成（体积分数）9%换算为摩尔比 09.0109.011-=-=y y Y

=0.099kmol （二氧化硫）/kmol （惰性气体） 根据回收率计算出塔气体浓度Y 2 回收率%Y Y Y 90121=-=η

所以

Y 2=Y 1（1－η）=0.099（1－0.9）

=0.0099kmol （二氧化硫）/kmol （惰性气体） 惰性气体流量V

()85.3709.01202732734.221000=-+=V kmol （惰性

气体）/h

=0.0105kmol （惰性气体）/s

从例6-4附图查得与Y 1相平衡的液体组成 X 1*=0.0032kmol （SO 2）/kmol （H 2O ） （1） X 2=0.0003时，吸收剂用量L

根据式（6-44）可求得m in

⎪⎭⎫ ⎝⎛V L

7.300003.00032.00099.0099.02

*

121min =--=--=⎪⎭⎫ ⎝⎛X X Y Y V L 91.397.303.13.1min

=⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛=V L V L

271551891.3985.373.1min

=⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=V L V L kg/h 因为 2

121X X Y Y V

L --=

所以 0003.091.390099.0099.0/2211+-=+-=X V L Y Y X

=0.00253kmol （二氧化硫）/kmol （水） （2）X 2=0，回收率η不变时

回收率不变，即出塔炉气中二氧化硫的组成Y 2不变，仍为 Y 2=0.0099kmol （二氧化硫）/kmol （惰性气体） 84.270032.00099.0099.00*1

21min =-=

--=⎪⎭⎫ ⎝⎛X Y Y V L 吸收剂用量L

246301884.2785.373.13.1min

=⨯⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=V L V L kg/h