吸收环境工程原理电子教案-

第8章吸收,第八章吸收,第一节吸收的基本概念第二节物理吸收第三节化学吸收第四节吸收设备的主要工艺计算,本章主要内容,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,净化原料气及精制气体产品：比如用水（或碳酸钾水溶液）脱除合成氨原料气中的CO2等。制取液体产品或半成品：比如水吸收NO2制取硝酸；水吸收HCl制取盐酸等。分离获得混合气体中的有用组分：比如用洗油从焦炉煤气中回收粗苯等。,吸收在化工领域中的应用,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、酸吸收净化含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,实例1.煤气生产中从焦炉煤气中回收苯的生产过程,焦炉煤气在吸收塔内与洗油（贫油）逆流接触煤气中粗笨蒸汽被贫油吸收，吸收后的洗油称为富油，从塔底流出；富油经换热器升温后从塔顶进入解吸塔，过热蒸汽（惰性气体）从解吸塔底进塔，经解吸后的洗油称为贫油，贫油经换热器降温后再进入吸收塔循环使用。于解吸塔顶引出的气体为过热,水蒸气与粗苯蒸汽的混合物，冷却后，因两凝液不互溶，液相分层，粗苯在上，水在下，从而取得粗苯产品,实例2.工业制硫酸的理论分析：,接触法制硫酸的反应原理是:用硫磺或黄铁矿、石膏、有色金属冶炼厂的含二氧化硫烟气等作原料制取二氧化硫，使二氧化硫在适当的温度和催化剂的作用下氧化成三氧化硫，再使三氧化硫跟水化合生成硫酸。说明：1.选择制取硫酸的原料要从实际出发,世界上主要用硫磺作原料,而我国主要用黄铁矿作原料.2.SO2跟氧气是在催化剂的表面接触时起反应的,接触法的名称即由此而得.,制取硫酸流程图,H2SO4,SO3,SO2,S,FeS2,H2O,O2,O2,O2,V2O5,概括为：三个阶段，三个方程，三个设备,硫酸工业,三方程,3、SO3（g）+H2O（l）=H2SO4（l）；H=130.3kJ/mol,三个反应方程式,气体吸收和液体精馏的区别：吸收：为对气相混合物中的组分A、B的分离，以溶剂与气相接触，溶质A便从气相转入液相，而B则基本不溶于溶剂。即吸收操作利用的是各气体组分在一定溶剂中溶解度的差异；溶质A在气、液相间的平衡为“气-液”平衡，当A在溶液中浓度低时，平衡关系服从亨利定律（在等温等压下，某种气体在溶液中的溶解度与液面上该气体的平衡压力成正比）；溶质溶于液相，不存在气体液化问题。精馏：为对液相组分A、B的分离，利用液相组分挥发度的差异，加热溶液使之沸腾，从而产生气、液两相共存的情况易挥发组分较多地进入汽相；汽液平衡时，对于稀溶液其含量高的组分在一定浓度范围内服从拉乌尔定律（在某一温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数），若为理想体系，则任何浓度时，A与B均服从拉乌尔定律。,处理气体量大，成份复杂，同时含有多种气态污染物；吸收组分浓度低；吸收效率和吸收速率要求高；多采用化学吸收如碱液吸收燃烧烟气中低浓度的SO2；多数情况吸收过程仅是将污染物由气相转入液相，还需对吸收液进一步处理，以免造成二次污染。,吸收法净化气态污染物的特点（与化工相比）,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,一、物理吸收的热力学基础二、物理吸收的动力学基础,本节的主要内容,第二节物理吸收,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。,一、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,如果溶质的溶解度用物质的量浓度表示，则亨利定律可写为：,p*A溶质在气相中的平衡分压，Pa；cA溶质A在液相中的物质的量浓度，kmol/m3；H溶解度系数，kmol/(m3.Pa)。,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,（8.2.2）,（8.2.3）,在单组分物理吸收过程中，惰性气体和溶剂物质的量是不变的，因此以它们为基准，用摩尔比表示平衡关系：,当溶液浓度很低时，XA很小，上式可近似写为：,不满足亨利定律的相平衡如何表征？,第二节物理吸收,（8.2.8）,（8.2.9）,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qnLmin,第四节吸收设备的主要工艺计算,（8.4.5）,（8.4.6）,（8.4.7）,四、填料层高度的基本计算涉及吸收过程的物料衡算、传质速率方程和相平衡关系。（一）填料层高度的计算式1.基本计算式,Y,X,dh,对微元填料层作溶质A的物料衡算：,微元填料层内的传质速率方程：,dqn经过微元填料层传递的溶质A的量，kmol/s；塔的横截面积，m2；a填料层的有效传质比表面积，m2/m3。,第四节吸收设备的主要工艺计算,将微元填料层物料衡算方程和传质速率方程联立：稳态低浓度吸收：,第四节吸收设备的主要工艺计算,令：,气相总传质单元数,总传质单元高度，m,2.传质单元高度和传质单元数,第四节吸收设备的主要工艺计算,（8.4.16）,传质单元：是指通过一定高度的填料层传质，使一相的组成的变化恰好等于其中的平均推动力。传质单元数：分子为气相（液相）组成的变化，分母为传质推动力。只决定于传质前后气液相的组成和相平衡关系，与设备的情况无关，其值大小反映了吸收过程的难易程度。传质单元高度：是完成一个传质单元分离任务所需要的填料层高度，主要决定于设备情况、物系特性及操作条件等，其值大小反映了填料层传质动力学性能的优劣。,第四节吸收设备的主要工艺计算,（二）传质单元数的计算涉及气相或液相的平衡组成，需要用相平衡关系确定。假设相平衡关系为直线。1.对数平均推动力法,Y,X,A,B,Y=Y-Y*,Y1,Y2,与气相组成Y呈直线关系,则：,为常数,第四节吸收设备的主要工艺计算,气相总传质单元数：,气相对数平均推动力,第四节吸收设备的主要工艺计算,2.吸收因子法当平衡关系符合亨利定律时：操作线方程：两式联立，可以求得：,代入气相传质单元数的表达式得：,第四节吸收设备的主要工艺计算,（8.4.19）,整理得：,式中：,吸收因子，其几何意义为操作线斜率qnL/qnG与平衡线斜率m之比。1/S解吸因子,当S一定时，可以做关系曲线。已知出塔气体气相组成Y2,可求得NOG,反之，已知NOG,可求得Y2。,反映了溶质吸收率高低,第四节吸收设备的主要工艺计算,第四节吸收设备的主要工艺计算,五、吸收过程的计算类型设计型计算：给出分离任务和要求，计算完成任务所需要的吸收塔的高度等。操作型计算：给定吸收塔的条件，由已知的操作条件计算最终的吸收效果，或者由要求的吸收效果确定需要的操作条件。,所依据的都是三个基本方程式：物料衡算关系、相平衡关系和填料层高度计算式,第四节吸收设备的主要工艺计算,化学吸收如何反映在填料塔计算中？,若液相发生快速的不可逆反应，液相活性组分浓度较高时，吸收速率只取决于气相阻力。按物理吸收估算出的传质系数可用于化学吸收填料塔的计算。当反应速率较慢，液相阻力仍占有一定比例时，按物理吸收估算出的传质系数不能用，须考虑增强因子,第四节吸收设备的主要工艺计算,(1)吸收塔中