吸收环境工程原理中北

第十三章吸收,第一节吸收的基本概念,一、吸收的定义与应用二、吸收的类型,本节的主要内容,混合气体分离最常用的操作方法之一。依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中物理溶解度（或化学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操作过程。本质上是混合气体组分从气相到液相的相间传质过程。,一、吸收的定义与应用,第一节吸收的基本概念,液体溶剂吸收剂混合气体中能显著溶于液体的组分溶质几乎不溶解的组分惰性组分吸收后得到的溶液吸收液吸收后的气体净化气,第一节吸收的基本概念,净化有害气体：湿式烟气脱硫：如用水或碱液吸收烟气中SO2，石灰/石灰石洗涤烟气脱硫。干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：SO2被雾化的Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收。水、碱吸收净化含NOx废气。回收有用物质：如用吸收法净化石油炼制尾气中的硫化氢的同时，还可以回收有用的元素硫。能够用吸收法净化的气态污染物主要有：SO2，H2S,HF和NOx等。其他应用：曝气充氧,吸收在环境领域中的应用,第一节吸收的基本概念,提问,大气污染物：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碱液吸收？为什么？,第一节吸收的基本概念,(1)按溶质和吸收剂之间发生的反应：物理吸收：水净化含SO2锅炉尾气化学吸收：碱液净化含SO2锅炉尾气(2)按混合气体中被吸收组分数目：单组分吸收：如用水吸收HCl气体制取盐酸多组分吸收：碱液吸收烟气（含SO2,NOx,CO2,CO等）(3)按体系温度是否变化：如果液相温度明显升高非等温吸收如果液相温度基本保持不变等温吸收,单组分等温物理吸收是最简单和最基础的。,二、吸收的类型,第一节吸收的基本概念,(1)简述吸收的基本原理和过程。(2)吸收的主要类型有哪些？(3)环境工程领域有哪些吸收过程？(4)利用吸收法净化气态污染物的特点有哪些？,本节思考题,第一节吸收的基本概念,热力学讨论的是：过程发生的方向、所能达到的极限及推动力。物理吸收仅仅涉及某一组分的简单传质过程。溶质在气液两相间的平衡关系是研究吸收热力学的基础。,物理吸收的热力学基础,第二节物理吸收,（一）气液平衡和亨利定律1.气液平衡,液体,气体,溶质A溶解速度,溶质挥发速度,相际动态平衡,平衡分压,pA*摩尔分数,yA摩尔比，YA.,饱和浓度质量浓度，A物质的量浓度，cA摩尔分数，xA摩尔比，XA,如果温度和总压一定，溶质在液体中的溶解度只取决于溶质在气相中的组成。气-液相平衡关系又称溶解度曲线,第二节物理吸收,2.亨利（Henry）定律在稀溶液条件下，温度一定，总压不大时，气体溶质的平衡分压和溶解度成正比：,p*A溶质在气相中的平衡分压，Pa；xA溶质在液相中的摩尔分数；E亨利系数，Pa。,亨利系数取决于物系的特性和体系的温度。亨利系数越大，说明气体越难以溶解于溶剂。气体在溶剂中的溶解度随着温度的升高是降低的，因此，亨利系数是增大的。气体在各种条件下的亨利系数通常可以在手册中查到。,第二节物理吸收,（8.2.1）,典型气体在水中的亨利系数,25时E(kPa)CO5.88106CO21.66105H2S0.552105SO20.413104,上述气态物质被水溶解的难易程度？,第二节物理吸收,注意：亨利定律的不同表示方式和系数的单位、换算方法。,第二节物理吸收,相平衡是气液两相接触传质的极限状态。1.判断传质的方向根据相平衡，计算平衡时溶质在气相或液相中的组成。与实际的组成比较，可以判断传质方向。实际液相组成平衡组成，溶质从气相液相用气、液两相平衡图来判断更加直观。根据初始状态点在平衡图中所处的位置来判断。,yA,xA,吸收,解吸,（二）相平衡关系在吸收过程中的应用,第二节物理吸收,2.计算传质的推动力实际组成与平衡组成之间的差距推动力有不同的表示方法：,气相,液相,（摩尔分数）（气体分压、物质的浓度）,第二节物理吸收,（8.2.10）,（8.2.11）,（8.2.12）,（8.2.13）,3.确定传质过程的极限溶质在气液两相间的传质过程不是无限制地进行，传质过程的极限状态就是平衡状态。在治理气态污染物时，希望通过吸收操作使出塔气体中的污染物浓度尽可能地低。可以通过增加塔高，减少处理气体的量，增加吸收剂的量来实现。,第二节物理吸收,但是出塔气体的最低浓度（y2）只能达到与入塔吸收剂浓度（x2）相平衡的浓度：,尾气y2,吸收剂x2,混合气y1,吸收液x1,第二节物理吸收,（8.2.12）,(1)亨利定律有哪些表达形式，意义如何，常数之间的关系如何？(2)如何通过相平衡曲线判断传质方向，其物理意义何在？(3)举例说明如何改变平衡条件来实现传质极限的改变。(4)吸收过程有哪几个基本步骤？,本节思考题,第二节物理吸收,第三节化学吸收,一、化学吸收的特点二、化学吸收的平衡关系,本节的主要内容,采用吸收法处理气态污染物时，通常采用化学吸收。,湿式脱硫：石灰/石灰石洗涤烟气脱硫干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：SO2被雾化的Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收水、碱吸收净化含NOx废气（硝酸生产过程）水、碱液吸收净化含氟废气（磷酸生产中）,第三节化学吸收,溶质A被吸收剂吸收后，继续与吸收剂或者其中的活性组分B发生化学反应。气液相际传质和液相内的化学反应同时进行。,一、化学吸收的特点,第三节化学吸收,相界面,溶质A,pA,pAi,气相主体,液相主体,A+BM,反应区位置影响因素：反应速率扩散速率,溶质从气相主体相界面的过程与物理吸收完全相同,活性组分B,cAi,第三节化学吸收,如果反应速率很快，活性组分B的扩散速率也比较快：溶质A达到相界面后，立即被反应消耗，相界面上液相中的溶质A的浓度就很低。如果反应速率比较慢，或者活性组分B的扩散速率慢：溶质A可能扩散到液相主体之后仍有大部分未能反应。,第三节化学吸收,溶质A的化学吸收速率的影响因素：溶质的扩散速率活性组分的扩散速率、化学反应速率反应产物扩散速率化学吸收过程可以加快溶质的传质速率，增加吸收剂的吸收容量。已经反应的溶质不再影响气液平衡关系。溶质在液相扩散中途即发生反应而消耗，增加了传质推动力。,第三节化学吸收,化学吸收涉及的过程：溶质在气液两相之间的相平衡溶质在液相中的化学反应平衡,二、化学吸收的平衡关系,第三节化学吸收,假设溶质A仅与一种活性组分反应（单一组分），反应关系式为：,化学反应平衡常数：,A液相中未反应的，以物理溶解态存在的溶质浓度与气相中溶质分压相对应的溶质浓度,此浓度可表示为：,第三节化学吸收,（8.3.1）,（8.3.2）,再根据亨利定律，就可以得到化学吸收溶质气液两相的平衡关系：,可知A低于液相中溶质A的总浓度。H一定时，低于仅有物理吸收时溶质在气相中的平衡分压。因此溶剂的吸收率是大于物理吸收的。,第三节化学吸收,（8.3.3）,1.溶质与吸收剂反应：如用水吸收氨。,假设溶质在溶剂中的总浓度为cA，,化学反应平衡关系可表示为：,进而可得,第三节化学吸收,（8.3.4）,（8.3.5）,（8.3.6）,将此浓度代入亨利定律，可得溶质的气液相平衡关系：,在稀溶液条件下：溶剂量大，B=常数；反应条件一定时，K=常数上述气液相平衡在形式上仍然符合亨利定律。溶解度系数增加了(1+KB)倍。,第三节化学吸收,（8.3.7）,如果吸收过程还涉及其他反应，那么整个吸收过程的溶质平衡关系就会更为复杂。比如，反应产物发生解离反应：,则相应的解离反应平衡关系为：,第三节化学吸收,（8.3.8）,（8.3.9）,则溶质A在液相中的总浓度为,而,第三节化学吸收,（8.3.10）,可解得：,相平衡关系式：,此时，pA*与cA不再是亨利定律的正比关系。,第三节化学吸收,（8.3.13）,2.溶质与溶剂中的活性组分B反应：,B代表溶剂中与溶质反应的活性组分。,设活性组分B的初始浓度为，反应平衡时的转化率为R,化学平衡关系可写为:,第三节化学吸收,（8.3.14）,溶剂中未反应溶质A的浓度为,由亨利定律，可以得到溶质的气液相平衡关系：,由上式可以求得：,所以参加反应的溶质浓度为：,第三节化学吸收,（8.3.15）,（8.3.17）,（8.3.16）,化学吸收过程特点,第三节化学吸收,第三节化学吸收,第三节化学吸收,如果不忽略呢？假设第一步反应的平衡常数为K，该如何计算？如果已知SO2总的溶解度，如何反推平衡时气相分压？,化学吸收与物理吸收的主要区别是什么？化学反应对吸收过程有哪些影响？如何联系化学吸收的气液平衡和化学反应平衡？如何解释化学吸收中传质速率的增加？化学反应速率的不同如何影响化学吸收？化学吸收的适用范围是什么？,本节思考题,第三节化学吸收,吸收操作实现气体混合物分离要求：（1）选择合适的溶剂；（2）提供适当的传质设备；,第四节吸收设备,第四节吸收设备,吸收剂的选择原则对溶质的溶解度要大；对溶质有较高的选择性；不易挥发；较低的粘度，不易起泡；解吸性能好，便于再生；良好的化学稳定性、热稳定性、无毒、无易燃易爆等；廉价、易得。,第四节吸收设备,吸收设备的选择原则两相接触面大；气体通过设备的阻力小。,第四节吸收设备,气体吸收设备大致可分为塔器和其他设备。塔器类主要包括喷淋塔(俗称空塔)、填料塔、板式塔、湍球塔、鼓泡塔等；其他设备也很多，如列管式湿壁吸收器、文丘里喷射吸收器、喷洒式吸收器等。,第四节吸收设备,填料塔,结构填料塔是气液互成逆流的连续微分接触式塔型。其结构如图.在塔体内充填一定高度的填料，其下方有支承板，上方为填料压板及液体分布装置。气液两相间的传质通常是在填料表面的液体与气体间的相界面上进行的。,第四节吸收设备,第四节吸收设备,填料对填料的基本要求为使填料塔发挥良好的性能，填料应符合以下几项主要要求。(1)要有较大的比表面积单位体积填料层所具有的表面积称为填料的比表面积，用表示，单位为m2m3。填料的表面只有被流体的液相所润湿，才能构成有效的传质面积。因此，还要求填料有良好的润湿性及有利于液体均匀分布的形状。(2)要求有较高的空隙率单位体积填料所具有的空隙体积称为填料的空隙率，用表示，单位为m3m3。一般说填料的空隙率多在0.450.95范围内，当较高时，气、液通过能力大且气流阻力小，操作弹性范围较宽。(3)经济、实用及可靠要求填料单位体积的质量轻、造价低、坚固耐用、不易堵塞、有足够的机构强度、对于气液两相介质都具有良好的化学稳定性。上述各项条件，未必为各种填料所兼备，在实际应用时，可以依照具体情况选定。,第四节吸收设备,填料类型填料的种类很多，大致可分为实体填料与网体填料两大类。实体填料包括环形填料(如拉西环、鲍尔环和阶梯环)，鞍型填料(如弧鞍、矩鞍)，栅板填料以及波纹填料等以及由陶瓷、金属、塑料等材质制成的填料。网体填料主要是由金属丝网制成的填料，如鞍形网、网、波纹网等。,第四节吸收设备,第四节吸收设备,液体分布器液体在填料塔内分布均匀，可以增大填料的润湿表面积，以提高分离效果。因此，液体的初始分布十分重要。常用的液体分布装置有莲蓬式、盘式、齿槽式及多孔环管式分布器等。,第四节吸收设备,（1）莲蓬式喷淋器液体经半球形喷头的小孔喷出，通常取莲蓬头直径为塔径的1/51/3，小孔直径为310mm。这种喷淋器结构简单，但只适用于直径小于600mm的塔中，且小孔容易堵塞。,（2）盘式分布器指液体加至分布盘上，经筛孔或溢流短管流下。盘式分布器常用于直径较大的塔中，基本可保证液体分布均匀，但其制造比较麻烦。适用于直径大于0.8m的塔。,第四节吸收设备,第四节吸收设备,（3）齿槽式分布器液体先经过主干齿槽向其下层各条形齿槽作第一级分布，然后再向填料层上面分布。这种分布器自由截面积大，不易堵塞，多用于直径较大的填料塔。,第四节吸收设备,（4）多孔环管式分布器如下图所示，由多孔圆形盘管、联接管及中央进料管组成，这种分布器气体阻力小，特别适用于液量小而气量大的填料吸收塔,第四节吸收设备,（5）弹溅式液体分布器,第四节吸收设备,填料支撑装置支承装置是用来支承塔内填料及其所持有的液体重量，并使气液顺利通过的附件，故要有足够的机械强度和自由截面积。填料支撑装置应满足的条件：1使气液能顺利通过，对于普通的填料塔，支撑件上流体通过的自由截面应为塔截面的50%以上，且应小于填料的自由界面或填料的自由空间率。2有足够的强度承受填料重量，还需考虑填料孔隙的拦液重量。以及可能产生的系统压力波动，机械振动、温度变化等。3要有一定的耐腐蚀性能。,第四节吸收设备,（1）栅板式支承装置它由竖立的扁钢条组成，为防止填料从栅板条间空隙漏下，在装填料时，先在栅板上铺上一层孔眼小于填料直径的粗金属丝网，或整砌一层大直径的带隔板的环形填料。（2）升气管式支承装置如右图所示，在开孔板上装有一定数量的升气管，气体由升气管上升，而液体则通过板上的小孔流下，即气、液分道而行，特别适合于高空隙率填料的支撑。,第四节吸收设备,湍球塔,湍球塔首先出现于1959年的美国专利报道，逐步得到发展。目前它广泛应用于气体及气液分离工程。湍球塔又称流化填料塔，实际上是填料塔的一种特殊结构形式。在设计上与普通填料塔没有根本的区别结构。,第四节吸收设备,结构湍球塔是一种特殊的气-液-固三相流化床。,填料一般采用聚乙烯或者聚丙烯制作，具有较好的耐磨，耐温，耐腐蚀性能,第四节吸收设备,第四节吸收设备,工作原理与流程湍球塔是一种高效的传质、吸收设备。工作原理：当气流通过筛板时，小球在塔内湍动旋转，相互碰撞，吸收剂自上向下喷淋，润湿小球表面，进行吸收。工作流程：脱硫吸收液从塔顶均匀流下，润湿湍球表面，二氧化硫和空气按一定比例在缓冲瓶中充分混合由塔的下部进入湍球塔，在一定气流速度下，使湍球处于均匀流态化状态，模拟烟气和吸收液在湍球表面逆向接触，发生化学反应，完成传质和吸收过程。净化后的烟气经除雾后排出湍球塔。,第四节吸收设备,优点、缺点优点：是气流速度高、处理能力大、设备体积小、吸收效率高。同样气速下，其压降比填料塔小。缺点：（1）是随小球的运动，有一定程度的返混，塑料小球不能承受高温，易磨损，需经常更换。（2）湍球塔的另一个缺点是雾沫夹带严重，主要原因是它所使用的气速大(有时高达10ms)。这种情况下可把塔体做成上大下小的锥形，使塔内气体流速到塔顶时逐渐减小到12ms。,第四节吸收设备,适用湍球塔被推荐用于处理含颗粒物的气体或液体以及可能发生结晶的过程。在这种塔中，由于小球剧烈湍动，不易被固体颗粒堵塞，因此，目前有人用于同时除尘、脱硫的试验中。,第四节吸收设备,板式塔，是在塔体内设置一层层的板作为气液接触元件。结构主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。,板式塔的结构塔壳体；塔板；溢流堰；受液盘；降液管,板式塔,第四节吸收设备,工作原理与流程板式塔是在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层，气体则在压强差的推动下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。气液在塔内逐板接触进行质、热交换，两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。,第四节吸收设备,塔板类型及结构特点（1）塔板上的气液接触元件气液接触元件是使气体通过塔板时将其均匀分散在液层中进行传质的气体分布装置。它可采用塔板上开筛孔(如筛板塔)，或在塔板上开大孔再在孔上覆以具有多种结构特点的元件的方式(如泡罩塔、浮阀塔等)。当气体通过这些元件时，被分散成为许多小股气流，这些气流在液层中鼓泡，使气液剧烈湍动，形成气液接触界面，促进传质过程的进行。气液接触元件是塔板形式最基本的特征，也往往作为塔板分类的标志。,第四节吸收设备,第四节吸收设备,（1）泡罩塔板：工业上应用最早的塔板，它主要由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有80、100、150mm三种尺寸，可根据塔径的大小选择。泡罩的下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面,第四节吸收设备,第四节吸收设备,（2）筛孔塔板简称筛板塔板上开有许多均匀的小孔，孔径一般为38mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。操作时，气体经筛孔分散成小股气流，鼓泡通过液层，气液间密切接触而进行传热和传质。在正常的操作条件下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。,第四节吸收设备,第四节吸收设备,筛板优缺点：优点：是结构简单、造价低，板上液面落差小，气体压降低，生产能力大，传质效率高。缺点：是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。,第四节吸收设备,（3）浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，应用广泛。浮阀的类型很多，国内常用的有F1型、V-4型及T型等。浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。,第四节吸收设备,浮阀塔板的优缺点：优点：是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。缺点：是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。,第四节吸收设备,（4）喷射型塔板上几种塔板，气体是以鼓泡或泡沫状态和液体接触，当气体垂直向上穿过液层时，使分散形成的液滴或泡沫具有一定向上的初速度。若气速过高，会造成较为严重的液沫夹带，使塔板效率下降，因而生产能力受到一定的限制。舌型塔板舌型塔板在塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，有18、20、25三种（一般为20），舌片尺寸有5050mm和2525mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管，降液管截面积要比一般塔板设计得大些。,第四节吸收设备,操作时，上升的气流沿舌片喷出，其喷出速度可达2030m/s。当液体流过每排舌孔时，即被喷出的气流强烈扰动而形成液沫，被斜向喷射到液层上方，喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中，流到下一层塔板。,第四节吸收设备,舌型塔板的优缺点：优点是：生产能力大，塔板压降低，传质效率较高；缺点是：操作弹性较小，气体喷射作用易使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，从而降低塔板效率。,第四节吸收设备,喷淋塔,喷淋塔结构简单，塔内只设若干喷嘴。喷淋塔的优点是结构简单、阻力小、操作简单。但与传统的其他类型的塔相比，处理能力小，因它不能使用较高气速(一般小于1.5m/s)，否则会造成雾沫夹带。另外它的操作性能差，本来液体由喷淋装置中喷出的雾滴直径就大，而在液滴下落的过程中往往又会聚集在一起形成更大的滴液，从而大大减小了气液传质面积，而且液滴内部几乎没有液体的循环，造成液膜的阻力往往会很高。因此喷淋塔只适用于气膜控制的传质，也就是吸收溶解度很大的气体。,第四节吸收设备,(1)吸收塔中气液两相的流动方式有几种，各有什么优缺点？(2)板式塔和填料塔的主要区别是什么？(3)画图说明并流和逆流操作线和平衡线的不同？(4)最小吸收剂用量如何确定，吸收剂用量的确定应遵循什么原则？(5)总体积传质系数的物理意义是什么？,本节思考题,第四节吸收设备,(6)传质单元的意义是什么，传质单元数和传质单元高度与哪些因素有关？(7)吸收过程计算的基本关系式有哪些？,本节思考题,第四节吸收设备,第五节烟气脱硫技术,国内外防治SO2污染的方法主要有：清洁生产工艺、采用低硫燃料、燃料脱硫、燃料固硫及烟气脱硫等。其中，烟气脱硫居主要地位。含硫的矿物燃料（主要是煤），燃烧后产生的SO2烟气排出，其中SO2含量达到3.5%以上，便可以采用一般接触法制H2SO4的流程进行反应，既