環(huán)境工程原理課件 第08章吸收

1、第八章 吸 收 第八章 吸收 第一節(jié) 吸收的基本概念 第二節(jié) 物理吸收 第三節(jié) 化學吸收 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 本章主要內容 第一節(jié) 吸收的基本概念 一、吸收的定義與應用 二、吸收的類型 本節(jié)的主要內容 混合氣體分離最常用的操作方法之一。 依據(jù)混合氣體各組分在同一種液體溶劑中物理溶解度 （或化學反應活性）的不同，而將氣體混合物分離的操 作過程。 本質上是混合氣體組分從氣相到液相的相間傳質過程。 一、吸收的定義與應用 第一節(jié) 吸收的基本概念 液體溶劑吸收劑 混合氣體中能顯著溶于液體的組分溶質 幾乎不溶解的組分惰性組分 吸收后得到的溶液吸收液 吸收后的氣體凈化氣 第一節(jié) 吸收的基本概念

2、凈化原料氣及精制氣體產品：比如用水（或碳酸鉀水溶 液）脫除合成氨原料氣中的CO2等。 制取液體產品或半成品：比如水吸收NO2制取硝酸；水 吸收HCl制取鹽酸等。 分離獲得混合氣體中的有用組分：比如用洗油從焦爐煤 氣中回收粗苯等。 吸收在化工領域中的應用 第一節(jié) 吸收的基本概念 凈化有害氣體： 濕式煙氣脫硫：如用水或堿液吸收煙氣中SO2，石 灰/石灰石洗滌煙氣脫硫。 干法脫硫：噴霧干燥煙氣脫硫：SO2被霧化的 Ca(OH)2漿液或Na2CO3溶液吸收。 水、酸吸收凈化含NOx廢氣。 回收有用物質：如用吸收法凈化石油煉制尾氣中的硫化 氫的同時，還可以回收有用的元素硫。 能夠用吸收法凈化的氣態(tài)污染物

3、主要有：SO2，H2S, HF 和NOx等。 其他應用：曝氣充氧 吸收在環(huán)境領域中的應用 第一節(jié) 吸收的基本概念 提 問？ 大氣污染物： SO2，H2S, HF和NOx 什么污染物可以直接用水吸收？ 什么污染物需要用酸或堿液吸收？ 為什么？ 第一節(jié) 吸收的基本概念 處理氣體量大，成份復雜，同時含有多種氣態(tài)污染物； 吸收組分濃度低； 吸收效率和吸收速率要求高； 多采用化學吸收如堿液吸收燃燒煙氣中低濃度的SO2； 多數(shù)情況吸收過程僅是將污染物由氣相轉入液相，還需對 吸收液進一步處理，以免造成二次污染。 吸收法凈化氣態(tài)污染物的特點（與化工相比） 第一節(jié) 吸收的基本概念 (1)按溶質和吸收劑之間發(fā)生的

4、反應： 物理吸收：水凈化含SO2鍋爐尾氣 化學吸收：堿液凈化含SO2鍋爐尾氣 (2)按混合氣體中被吸收組分數(shù)目： 單組分吸收：如用水吸收HCl氣體制取鹽酸 多組分吸收：堿液吸收煙氣（含SO2, NOx, CO2, CO等） (3)按體系溫度是否變化： 如果液相溫度明顯升高稱為非等溫吸收 如果液相溫度基本保持不變稱為等溫吸收 單組分等溫物理吸收是最簡單和最基礎的。單組分等溫物理吸收是最簡單和最基礎的。 二、吸收的類型 第一節(jié) 吸收的基本概念 (1)簡述吸收的基本原理和過程。 (2)吸收的主要類型有哪些。 (3)環(huán)境工程領域有哪些吸收過程。 (4)利用吸收法凈化氣態(tài)污染物的特點有哪些。 本節(jié)思考題

5、 第一節(jié) 吸收的基本概念 一、物理吸收的熱力學基礎 二、物理吸收的動力學基礎 本節(jié)的主要內容 第二節(jié) 物理吸收 熱力學討論的是： 過程發(fā)生的方向、所能達到的極限及推動力。物理吸 收僅僅涉及某一組分的簡單傳質過程。溶質在氣液兩相間 的平衡關系是研究吸收熱力學的基礎。 一、物理吸收的熱力學基礎 第二節(jié) 物理吸收 （一）氣液平衡和亨利定律 1.氣液平衡 液體 氣體 溶質A溶 解速度 溶質揮 發(fā)速度 相際動態(tài)平衡相際動態(tài)平衡 平衡分壓, pA* 摩爾分數(shù), yA 摩爾比，YA . 飽和濃度 質量濃度，A 物質的量濃度，cA 摩爾分數(shù)，xA 摩爾比，XA 如果溫度和總壓一定，溶質在液體 中的溶解度只取決

6、于溶質在氣相的 組成。 氣-液相平衡關系又稱溶解度曲線 第二節(jié) 物理吸收 2.亨利（Henry）定律 在稀溶液條件下，溫度一定，總壓不大時， 氣體溶質的平衡分壓和溶解度成正比： * AA pEx p*A 溶質在氣相中的平衡分壓，Pa xA 溶質在液相中的摩爾分數(shù) E 亨利系數(shù)，Pa。 亨利系數(shù)取決于物系的特性和體系的溫度。 亨利系數(shù)越大，說明氣體越難以溶解于溶劑。 氣體在溶劑中的溶解度隨著溫度的升高是降低的，因此， 亨利系數(shù)是增大的。 氣體在各種條件下的亨利系數(shù)通常可以在手冊中查到。 第二節(jié) 物理吸收 （8.2.1） 典型氣體在水中的亨利系數(shù) 25度時 E (kPa) CO 5.88 106

7、CO2 1.66 105 H2S 0.552 105 SO2 0.413 104 上述氣態(tài)物質被水溶解的難易程度？ 第二節(jié) 物理吸收 如果溶質的溶解度用物質的量濃度表示，則亨利定律可寫為： * A A c p H p*A 溶質在氣相中的平衡分壓，Pa cA 溶質A在液相中的物質的量濃度，kmol/m3 H 溶解度系數(shù)，kmol/(m3 Pa) 注意：亨利定律的不同表示方式和系數(shù)的單位、換算 方法。 如果溶質在氣液兩相中的組成均以摩爾分數(shù)表示： * AA ymx m 相平衡常數(shù) 第二節(jié) 物理吸收 （8.2.2） （8.2.3） 在單組分物理吸收過程中，惰性氣體和溶劑物質的量是 不變的，因此以它們

8、為基準，用摩爾比表示平衡關系： * 1(1) AAA YmXm X 當溶液濃度很低時，XA很小，上式可近似寫為： * AA YmX 不滿足亨利定律的相平衡如何表征？ 第二節(jié) 物理吸收 （8.2.8） （8.2.9） 相平衡是氣液兩相接觸傳質的極限狀態(tài)。 1.判斷傳質的方向 根據(jù)相平衡，計算平衡時溶質在氣相或液相中的組成。 與實際的組成比較，可以判斷傳質方向。 實際液相組成qnLmin min (1.12.0) nLnL qq 吸收劑用量吸收塔高度 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 （8.4.5） （8.4.6） （8.4.7） 四、填料層高度的基本計算 涉及到吸收過程的物料衡算、傳質速率方程和相

9、平衡關系。 （一）填料層高度的計算式 1.基本計算式 Y X dh 對微元填料層作溶質A的物料衡算 ： nnGnL dqq dYq dX 微元填料層內的傳質速率方程： * () nAY dqN dAK YYa dh * () nAX dqN dAKXX a dh dqn經(jīng)過微元填料層傳遞的溶質A的量，kmol/s 塔的橫截面積，m2 a填料層的有效傳質比表面積，m2 / m3 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 將微元填料層物料衡算方程和傳質速率方程聯(lián)立： 穩(wěn)態(tài)低濃度吸收： 11 22 * ()() YY nGnG YY yy q dYqdY h K aYYK aYY 11 22 * ()() X

10、X nLnL XX xx q dXqdX h K aXXK aXX 單位傳質推動力下，單位時間單位體積填 料層內傳遞的溶質的量，可實驗測定。 * nG Y qdY dh K aYY * nL X qdX dh K aXX 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 1 2 * () Y OG Y dY N YY 令： nG OG y q H K a OGOG hHN 氣相總傳質單元數(shù) 總傳質單元高度，m 2.傳質單元高度和傳質單元數(shù) 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 （8.4.16） 傳質單元：是指通過一定高度的填料層傳質，使一相的組 成的變化恰好等于其中的平均推動力。 傳質單元數(shù)：分子為氣相（液相）組成的

11、變化，分母為傳 質推動力。只決定于傳質前后氣液相的組成和相平衡關系， 與設備的情況無關，其值大小反映了吸收過程的難易程度。 傳質單元高度：是完成一個傳質單元分離任務所需要的填 料層高度，主要決定于設備情況、物系特性及操作條件等， 其值大小反映了填料層傳質動力學性能的優(yōu)劣。 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 （二）傳質單元數(shù)的計算 涉及到氣相或液相的平衡組成，需要用相平衡關系確定。 假設相平衡關系為直線。 1.對數(shù)平均推動力法 Y X A B Y=Y-Y* Y1 Y2 * YYY與氣相組成Y呈直線關系 12 12 d YYY dYYY ()dYdY 則：為常數(shù) 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 氣相

12、總傳質單元數(shù)： 氣相對數(shù)平均推動力 11 22 1212112 * 12122 ln () YY OG YY m dYYYd YYYYYY N YYYYdyYYYY 12 1 2 ln m YY Y Y Y 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 同理，求得液相總傳質單元數(shù)： 液相對數(shù)平均推動力 1 2 12 * () X OL X m dXXX N XXX 12 1 2 ln m XX X X X （8.4.18） 2.吸收因子法 當平衡關系符合亨利定律時： 操作線方程： 兩式聯(lián)立，可以求得： * YmX 11 () nL nG q YXXY q * 22 () nG nL q YmYYX q 代入

13、氣相傳質單元數(shù)的表達式得： 11 22 * 22 () () YY OG YY nG nL dYdY N YYq YmYYX q 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 （8.4.19） 12 22 11 ln (1 1) 1 1 OG YmX NS SYmXS 整理得： 其中： nL nG q S mq 吸收因子，其幾何意義為操作斜率 qnL/qnG與平衡線斜率m之比。 1/S解吸因子 當S一定時，可以做 關系曲線。 已知出塔氣體氣相組成Y2, 可求得NOG, 反之，已知NOG, 可求得Y2。 12 22 OG YmX N YmX 反映了溶質 吸收率高低 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 12 22

14、YmX YmX 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 nG nL mq q 五、吸收過程的計算類型 設計型計算：給出分離任務和要求，計算完成任務所需 要的吸收塔的高度等。 操作型計算：給定吸收塔的條件，由已知的操作條件計 算最終的吸收效果，或者由要求的吸收效果確定需要的 操作條件 所依據(jù)的都是三個基本方程式：所依據(jù)的都是三個基本方程式： 物料衡算關系、相平衡關系和填料層高度計算式物料衡算關系、相平衡關系和填料層高度計算式 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 化學吸收如何反映在填料塔計算中？ 若液相發(fā)生快速的不可逆反應，液相活性組分濃度較高時， 吸收速率只取決于氣相阻力。 按物理吸收估算出的傳質系數(shù)可用于化學吸收填料塔的 計算。 當反應速率較慢，液相阻力仍占有一定比例時， 按物理吸收估算出的傳質系數(shù)不能用，須考慮增強因子 第四節(jié) 吸收設備的主要工藝計算 (