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(xué)吸收 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 本章主要內(nèi)容 第一節(jié) 吸收的基本概念 一、吸收的定義與應(yīng)用 二、吸收的類型 本節(jié)的主要內(nèi)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(xué)反應(yīng)活性）的不同，而將氣體混合物分離的操 作過程。 本質(zhì)上是混合氣體組分從氣相到液相的相間傳質(zhì)過程。 一、吸收的定義與應(yīng)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(zhì) 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(chǎn)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(chǎn)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?fàn)t煤 氣中回收粗苯等。 吸收在化工領(lǐng)域中的應(yīng)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(zhì)：如用吸收法凈化石油煉制尾氣中的硫化 氫的同時(shí)，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(yīng)用：曝氣充氧 吸收在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)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(fù)雜，同時(shí)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(xué)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(zhuǎn)入液相，還需對(duì) 吸收液進(jìn)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(diǎn)（與化工相比） 第一節(jié) 吸收的基本概念 (1)按溶質(zhì)和吸收劑之間發(fā)生的

4、反應(yīng)： 物理吸收：水凈化含SO2鍋爐尾氣 化學(xué)吸收：堿液凈化含SO2鍋爐尾氣 (2)按混合氣體中被吸收組分?jǐn)?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(jiǎn)單和最基礎(chǔ)的。單組分等溫物理吸收是最簡(jiǎn)單和最基礎(chǔ)的。 二、吸收的類型 第一節(jié) 吸收的基本概念 (1)簡(jiǎn)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(lǐng)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(diǎn)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(xué)基礎(chǔ) 二、物理吸收的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 本節(jié)的主要內(nèi)容 第二節(jié) 物理吸收 熱力學(xué)討論的是： 過程發(fā)生的方向、所能達(dá)到的極限及推動(dòng)力。物理吸 收僅僅涉及某一組分的簡(jiǎn)單傳質(zhì)過程。溶質(zhì)在氣液兩相間 的平衡關(guān)系是研究吸收熱力學(xué)的基礎(chǔ)。 一、物理吸收的熱力學(xué)基礎(chǔ) 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(zhì)A溶 解速度 溶質(zhì)揮 發(fā)速度 相際動(dòng)態(tài)平衡相際動(dòng)態(tài)平衡 平衡分壓, pA* 摩爾分?jǐn)?shù), yA 摩爾比，YA . 飽和濃度 質(zhì)量濃度，A 物質(zhì)的量濃度，cA 摩爾分?jǐn)?shù)，xA 摩爾比，XA 如果溫度和總壓一定，溶質(zhì)在液體 中的溶解度只取決

6、于溶質(zhì)在氣相的 組成。 氣-液相平衡關(guān)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(shí)， 氣體溶質(zhì)的平衡分壓和溶解度成正比： * AA pEx p*A 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，Pa xA 溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?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(cè)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(shí) 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(zhì)被水溶解的難易程度？ 第二節(jié) 物理吸收 如果溶質(zhì)的溶解度用物質(zhì)的量濃度表示，則亨利定律可寫為： * A A c p H p*A 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，Pa cA 溶質(zhì)A在液相中的物質(zhì)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(zhì)在氣液兩相中的組成均以摩爾分?jǐn)?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(zhì)的量是 不變的，因此以它們

8、為基準(zhǔn)，用摩爾比表示平衡關(guān)系： * 1(1) AAA YmXm X 當(dāng)溶液濃度很低時(shí)，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(zhì)的極限狀態(tài)。 1.判斷傳質(zhì)的方向 根據(jù)相平衡，計(jì)算平衡時(shí)溶質(zhì)在氣相或液相中的組成。 與實(shí)際的組成比較，可以判斷傳質(zhì)方向。 實(shí)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(shè)備的主要工藝計(jì)算 （8.4.5） （8.4.6） （8.4.7） 四、填料層高度的基本計(jì)算 涉及到吸收過程的物料衡算、傳質(zhì)速率方程和相

9、平衡關(guān)系。 （一）填料層高度的計(jì)算式 1.基本計(jì)算式 Y X dh 對(duì)微元填料層作溶質(zhì)A的物料衡算 ： nnGnL dqq dYq dX 微元填料層內(nèi)的傳質(zhì)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(zhì)A的量，kmol/s 塔的橫截面積，m2 a填料層的有效傳質(zhì)比表面積，m2 / m3 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 將微元填料層物料衡算方程和傳質(zhì)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(zhì)推動(dòng)力下，單位時(shí)間單位體積填 料層內(nèi)傳遞的溶質(zhì)的量，可實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 * nG Y qdY dh K aYY * nL X qdX dh K aXX 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 1 2 * () Y OG Y dY N YY 令： nG OG y q H K a OGOG hHN 氣相總傳質(zhì)單元數(shù) 總傳質(zhì)單元高度，m 2.傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù) 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 （8.4.16） 傳質(zhì)單元：是指通過一定高度的填料層傳質(zhì)，使一相的組 成的變化恰好等于其中的平均推動(dòng)力。 傳質(zhì)單元數(shù)：分子為氣相（液相）組成的

11、變化，分母為傳 質(zhì)推動(dòng)力。只決定于傳質(zhì)前后氣液相的組成和相平衡關(guān)系， 與設(shè)備的情況無關(guān)，其值大小反映了吸收過程的難易程度。 傳質(zhì)單元高度：是完成一個(gè)傳質(zhì)單元分離任務(wù)所需要的填 料層高度，主要決定于設(shè)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(zhì)動(dòng)力學(xué)性能的優(yōu)劣。 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 （二）傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 涉及到氣相或液相的平衡組成，需要用相平衡關(guān)系確定。 假設(shè)相平衡關(guān)系為直線。 1.對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法 Y X A B Y=Y-Y* Y1 Y2 * YYY與氣相組成Y呈直線關(guān)系 12 12 d YYY dYYY ()dYdY 則：為常數(shù) 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 氣相

12、總傳質(zhì)單元數(shù)： 氣相對(duì)數(shù)平均推動(dòng)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(shè)備的主要工藝計(jì)算 同理，求得液相總傳質(zhì)單元數(shù)： 液相對(duì)數(shù)平均推動(dòng)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(dāng)平衡關(guān)系符合亨利定律時(shí)： 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(zhì)單元數(shù)的表達(dá)式得： 11 22 * 22 () () YY OG YY nG nL dYdY N YYq YmYYX q 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)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(dāng)S一定時(shí)，可以做 關(guān)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(zhì) 吸收率高低 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 12 22

14、YmX YmX 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 nG nL mq q 五、吸收過程的計(jì)算類型 設(shè)計(jì)型計(jì)算：給出分離任務(wù)和要求，計(jì)算完成任務(wù)所需 要的吸收塔的高度等。 操作型計(jì)算：給定吸收塔的條件，由已知的操作條件計(jì) 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(gè)基本方程式：所依據(jù)的都是三個(gè)基本方程式： 物料衡算關(guān)系、相平衡關(guān)系和填料層高度計(jì)算式物料衡算關(guān)系、相平衡關(guān)系和填料層高度計(jì)算式 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 化學(xué)吸收如何反映在填料塔計(jì)算中？ 若液相發(fā)生快速的不可逆反應(yīng)，液相活性組分濃度較高時(shí)， 吸收速率只取決于氣相阻力。 按物理吸收估算出的傳質(zhì)系數(shù)可用于化學(xué)吸收填料塔的 計(jì)算。 當(dāng)反應(yīng)速率較慢，液相阻力仍占有一定比例時(shí)， 按物理吸收估算出的傳質(zhì)系數(shù)不能用，須考慮增強(qiáng)因子 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 (