第九章 气体吸收
一、本章学习的目的、应掌握的内容和学习注意事项
1. 本章学习的目的
通过本章的学习，掌握气体吸收与解吸的基本概念和气体吸收过程的基本计算方法。 2. 本章重点掌握的内容
（1）气体吸收过程的平衡关系 （2）气体吸收过程的速率关系 （3）低浓度气体吸收过程的计算 本章应掌握的内容
（1）费克定律和分子传质问题的求解方法 （2）双膜模型
本章一般了解的内容
（1）溶质渗透模型和表面更新模型 （2）吸收系数
3. 本章学习应注意的问题
（1）表示吸收过程的平衡关系为亨利定律，亨利定律有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间的联系。
（2）表示吸收过程的速率关系为吸收速率方程，吸收速率方程有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间的联系。
（3）学习分子传质，不要机械地记忆各过程的求解结果，应注意把握求解的思路和应用背景。 （4）学习中应注意把握传质机理和吸收过程机理之间的联系，注意体会讲述传质机理和吸收过程机理的目的和意义。
二、例题解析
9-1 惰性气与CO2的混合气中CO2体积分数为30％，在表压1MPa下用水吸收。设吸收塔底水中溶解的CO2达到饱和，此吸收液在膨胀槽中减压至表压20kPa，放出大部分CO2，然后再在解吸塔中吹气解吸。
设全部操作范围内水与CO2的平衡关系服从亨利定律，操作温度为25℃。求1kg水在膨胀槽中最多能放出多少千克CO2气体。
解：依题意，在全部操作范围内水与CO2的平衡关系服从亨利定律，查附录二得25℃下CO2溶于水时的亨力系数为
E?1.66?102MPa
方法一：对膨胀槽作CO2物料平衡(以1kg水为衡算基准) 入膨胀槽吸收液中CO2的组成
x1?p1/E?1.1013?0.3/1.66?102?1.990?10?3
设此液1kg水中溶解CO2的kg数为W1，则有：
x1?W1/44?1.990?10?3?W1?4.875?10?3kg
W1/44?1/18出膨胀槽吸收液中CO2的组成
x2?p2/E?(0.1013?0.020)/1.66?102?7.307?10?4
设此液1kg水中溶解CO2的kg数为W2，则有：
1
x2?W2/44?7.307?10?4W2/44?1/18?W2?1.788?10?3kg
故1kg水在膨胀槽中最多能释放出CO2的kg数为
W?W1?W2?(4.875?1.788)?10?3?3.09?10?3kgCO2/kgH2O
方法二：不考虑气流夹带走的水量，则膨胀槽内水的量恒定不变，于是1kg水在膨胀槽中最多能放出CO2气体的的千克数为
m?Ls(X1?X2)MCO2?Ls(x1?x2)MCO2?Ls(p1?p2)MCO2/E1?(1101.3?0.3?121.3)?44??0.00308kgCO2/kgH2O18?166?103
9-2 某水杯中初始水面离杯上缘1cm，水温30℃，水汽扩散进入大气。杯上缘处的空气中水汽分压可设为零，总压101.3kPa。求水面下降4cm需要多少天?
解：本题因水温、大气温度和大气压力恒定，故分子扩散的推动力(pA1?pA2)恒定，但因停滞空气层厚度随杯中水面的下降而增厚，分子扩散阻力逐渐增大，传质速率逐渐下降，故此题为一维拟定态单向分子扩散问题，其传质速率仍可表示为
NA?Dpt(pA1?pA2)
RTzpBm式中：D为水气在空气中的扩散系数，查教材P11中表8-1得D?0.260cm2/s（25℃），需将其换算至30℃下的值为
1.811.81?T?D?D0??T???0??p0??303??4?0.260?10??????p??298????101.3??52???2.68?10m/s ?101.3?又查附录二、3.得30℃时水的饱和蒸汽压为4242Pa＝4.242kPa。于是
pBm?(pt?pA2)?(pt?pA1)4.242?0??99.164kPa
ln[(pt?pA2)/(pt?pA1)]ln[(101.3?0)/(101.3?4.242)]NA??Dpt(pA1?pA2)RTzpBm2.68?10101.34.61?10(4.242?0)?8.314?303z99.164z?5?8
kmol/(m2?s)设水杯的截面积为A，在任意时刻θ时，杯中水面距杯口的高度为z，经过时段dθ后水面高度下降
了dz，作时段dθ内的微分物料衡算有：
NAAd???Adz/MA4.61?10?8d??995.7dz/18 积分得： zd??1.20?10zdz
9??1.20?109?0.050.01zdz?1.20?109?0.5?(0.052?0.012) ?1.44?106s?16.7d9-3 采用图9-3所示的双塔流程以清水吸收混合气中的SO2，气体经两塔后SO2总的回收率为0.91，两塔的用水量相等，且均为最小用水量的1.43倍，两塔的传质单元高度HOG均为1.2m。在操作范围内物
2
系的平衡关系服从亨利定律。试求两塔的塔高。
解：因是低浓度气体吸收，故两塔气相摩尔流率相可视为近似相等，又二塔液相摩尔流率也相等，故两塔操作的液气比相等，于是有
?(y?y2)?(y1?y2)y?y2?L??L???1???m1??????y1/m?0y1xA?xA2?G?A?G?A,min?(y?y3)?(y2?y3)y?y3?L??L???2???m2??????y2/m?0y2xB?xB2?G?B?G?B,min
?y1?y2y2?y3?y3?(1??)y1?0.09y1?L??L???? ??????GGyy??A??B12??y2?y1y3?0.3y1因?A?(y1?y2)/y1?0.7，?B?(y2?y3)/y2?0.7，即
?A??B??，又?A??B?1.43。于是
SA?SB?1???1?1.0
1.43?0.7(?ym)B?y3（可参考图示）即A、B二塔的操作线与平衡线平行，于是有(?ym)A?y2，，故有
????y2?y30.3y1?0.09y17?(NOG)B???(?ym)B0.09y13??(NOG)A??(NOG)A?(NOG)B?73
y1?y2y1?0.3y17??(?ym)A0.3y13HA?HB?HOG?NOG?1.2?7/3?2.8m说明：关于操作线与平衡线平行的问题
对吸收而言，当S?1时，无论采用何种方法计算NOG，都会出现一个0/0型的不定式，此时应牢记
?ym??yi??y1??y2，因为此时在塔的任何截面上，传质的对数平均推动力都相等，现证明如下：
不妨设?y1?a?x，?y2?a?x，当x?0时，则有?y1??y2?a。而
?ym??y1??y2(a?x)?(a?x)2x??ln(?y1/?y2)ln[(a?x)/(a?x)]ln[(a?x)/(a?x)](2x)?2(a?x)(a?x)?lim?a
x?0x?0a?x(a?x)?(a?x)?(a?x)(a?x)?x?0(a?x)?(a?x)a?x(a?x)2??ym??y1??y2(x?0)lim(?ym)?lim此结论不仅适用于传质，同样也适用于传热的计算。
9-4 一逆流操作吸收塔如图所示．混合气体由塔底引入，其中可溶组分的浓度y1?0.05（摩尔分率，下同），单位塔截面上的气相流率G?0.014kmol/(m?s)，吸收剂分两处加入。由塔顶加入的为纯溶剂，单位塔截面上的流率L1?0.0112kmol/(m?s)。从塔顶往下，经2米填料层高度后，又加入一股
2??0.01的吸收剂，单位塔截面上的流率L2?0.0112x2kmol/(m?s)，再经6m填料层高度后，液体由塔底引出。全塔各处的Kya均为0.028kmol/(m2?s)，物系平衡关系为y?0.8x，试求：
22?? （1）第二股吸收剂L2加入后，塔内该截面上的液相浓度x2
3
（2）塔底排出的液相浓度x1
（3）为使出塔气相浓度y2降低，第二股吸收剂的加入口是向上移还是向下移？为什么？ 解：依题意，塔上下两段的传质单元高度相同，且有：
HOG?G0.014??0.5m Kya0.028全塔物料衡算：
?G(y1?y2)?(L1?L2)x1?L1x2?L2x2?0.05?y2?1.6x1?0.008
（1）
设第二股吸收液与上塔段流下来的液相流混合后的浓度为x3，与之对应的气相组成为y3，对上下两塔段作物料衡算有：
上塔：
?G(y3?y2)?(L1?L2)(x3?x2)?L2x2?下塔：
y3?y2?1.6x3?0.008
（2）
G(y1?y3)?(L1?L2)(x1?x3)?两塔段的传质单元数
y3?0.05?1.6(x1?x3)
（3）
因上塔段的操作线与平衡线平行（L/G?m?0.8），?ym1??y2?y2?mx2?y2，故有 塔上段：NOG1?y3?y2y3?y2h2??1??4??ym1y2HOG0.5y3?5y2 （4）
塔下段：NOG2?y1?y2y?mx1h16?ln1?2??12 ?ym21?S?y3?mx3HOG0.5y1?mx1?403.43(y3?mx3) （5）
lny1?mx1?6?y3?mx3式中 S??mG/(L1?L2)?0.5
x3?2.5y2?0.005，3625（1）联立求解方程组，将式（4）代入式（2）可得：由式（1）得x1?0.0再利用式（5），将x1,x3,y3均表示成y2的等式，即可求解出y2，所得结果如下：
?0.625y2，
y2?0.001351，x3?0.008378，x1?0.035405，y3?0.006755
???x3?0.008378 即本题中的x2（2）前已解出：x1?0.035405
（3）为使出塔气体的浓度y2降低，第二股物流应在塔内液相浓度x?0.01处所处的截面加入，这样才不致因第二股物流的进入产生返混，使塔的吸收效率发挥到最大。
现对上塔段作计算，考察经过2m填料层高度后的液相组成
??x2)?x3??0.006755 G(y3?y2)?L1(x3
4
显然，尚未达到0.01，故第二个加入口应下移。 其物理解释如下：
??0.006755，与第二若第二股物流在原加入口加入，在第二股液流进塔之前，因塔内液相浓度为x3股液流浓度不等，当第二股液流进塔后便会与塔上段下来的液流相混合，其混合后的浓度为
???x3?x2??L2x2?L1x3?0.5(0.006755?0.01)?0.008378
L1?L2三、概念题、思考题与练习题
（一）概念题
9-1 常压下用水吸收二氧化碳的低浓度系统，如在水中加碱，此系统( )。
(A)kG和KG都明显增大 (B)kG减小，KG增大 (C)kG基本不变，KG增大 (D)kG和KG都基本不变
9-2 对一定的气体和稀溶液物系，相平衡常数m取决于 ( )
(A)温度和浓度 (B)温度和压强 (C)压强和浓度 (D)流速和浓度
9-3 只要组分在气相中的分压__________液相中该组分的平衡分压，解吸就会继续进行，直至达到一个新的平衡为止。
(A)大于 (B)小于 (C)等于 (D)不等于
9-4 低浓度难溶气体吸收，其他操作条件不变,入塔气量增加，气相总传质单元高度HOG、出塔气体浓度ya、出塔液体浓度xb将会有( )变化。
(A)HOG↑，ya↑，xb↑ (B)HOG↑，ya↑，xb↓ (C)HOG↑，ya↓，xb↓ (D)HOG↓，ya↑，xb↓
9-5 在逆流吸收塔内，入塔条件不变，填料层高度h0趋向无穷大，当吸收因数A<1时，气液相在( )处达到平衡。
(A)塔顶 (B)塔底 (C)塔中部 (D)塔中某一位置
9-6 用纯溶剂逆流吸收混合气中的溶质，符合亨利定律。当入塔气体浓度上升[属低浓度范围]其他入塔条件不变，则气体出塔浓度ya和吸收率η( )。
(A)ya↑，η↓ (B)ya↓，η↑ (C)ya↑，η↓ (D)ya↑，η↑
9-7 正常操作的逆流吸收塔，因故吸收剂入塔量减少，以致使液气比小于原定的最小液气比，将会发生( )。
(A)出塔液xb↑，吸收率η↓ (B)出塔气ya↑，出塔液xb不变 (C)出塔气ya↑，出塔液xb↑ (D)在塔下部发生解吸现象
9-8 温度__________，将有利于解吸的进行。 (A) 降低 (B) 升高 (C)变化 (D)
9-9 在解吸操作中，总压P和温度T( )，将有利于解吸的进行。 (A)P↑，T↑ (B)P↑，T↓ (C)P↓，T↑ (D)P↓，T↓
9-10 在 y-x 图上，操作线若在平衡线下方，则表明传质过程是( )。
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