环境工程原理第08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,主要内容,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,主要内容,一、吸收的定义,吸收是利用混合气体各组分在同种液体中溶解度（或化学反应活性）的差异而将气体混合物分离的操作过程。,本质：是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。,气相主体,液相主体,相界面,气相扩散,液相扩散,yi,xi,吸收质或溶质：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液：吸收操作后的溶液，主要成分为溶剂和溶质。吸收尾气：吸收后排出气体，主要成分为惰性气体和少量溶质。,二、吸收的用途,1、制取产品：用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸(HCl,HNO3?)；水吸收甲醛制福尔马林；碳化氨水吸收CO2制碳酸氢氨(硫酸铵?)等。2、回收有用物质：吸收剂选择性吸收气体中某些组分以达到回收利用目的。如从焦炉气或城市煤气中回收苯；从乙醇催化裂解气中分离丁二烯等。3、气体净化：一类是原料气净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NOx等。,吸收分离操作实例：从焦炉气或城市煤气中回收苯,1、按溶质和吸收剂之间是否发生反应：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,三、吸收操作的类型,1、处理量大，成份复杂，同时含有多种气态污染物；2、吸收组分浓度低；3、吸收效率和吸收速率要求高；4、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。5、多采用化学吸收如碱液吸收燃烧烟气中低浓度的SO2；,四、吸收净化气态污染物的特点（与化工相比）,(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,主要内容,第二节物理吸收,掌握亨利定律；相平衡关系与吸收过程的判别；双膜理论；传质速率方程与传质系数。,一、物理吸收的热力学基础,过程发生的方向,过程发生的极限,过程发生的推动力,溶质在气液两相间平衡,1、气液平衡,相际动态平衡,平衡分压,pA*,平衡浓度,如温度和总压一定，溶质在液体中的溶解度只取决于溶质气相中的组成。,气-液相平衡关系表达形式：溶解度曲线、亨利定律,溶解度,摩尔分数,yA摩尔比，YA.,物质的量浓度，cA摩尔分数，xA摩尔比，XA,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与溶质在液相中的摩尔分数成正比。,pA*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。,第二节物理吸收,2、亨利（Henry）定律,数学表达式：,适用范围：x10%的稀溶液；px*)，液相有释放溶质A的能力。,相对液相浓度x而言气相浓度为欠饱和(yqnLmin,吸收剂用量,吸收塔高度,第四节吸收设备的主要工艺计算,根据全塔的物料衡算，吸收剂用量为：,吸收剂用量最小时，塔底截面气液两相平衡，由亨利定律得,qnL=(1.12.0)qnLmin,涉及吸收过程物料衡算、传质速率方程和相平衡关系,第四节吸收设备的主要工艺计算,四、填料层高度的基本计算,1、基本计算式,（一）填料层高度的计算式,qnG,Y2,qnG,Y1,qnL,X1,qnL,X2,Y,X,Z,Y+dY,dh,X+dX,选取填料塔中微元填料层dh为研究对象,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。,将微元填料层物料衡算方程和传质速率方程联立：,第四节吸收设备的主要工艺计算,dh的微分方程,沿塔高积分得,体积传质系数：实际应用中常将传质系数与比表面积a的乘积（KYa及KXa）作为一个完整的物理量看待，称为体积传质系数或体积吸收系数，单位为kmol/(m3s)。物理意义：传质推动力为一个单位时，单位时间、单位体积填料层内吸收的溶质摩尔量。,低浓度气体吸收,高浓度气体若在塔内吸收量不大(如难溶气体吸收)，吸收过程具有低浓度气体吸收特点，也可按低浓度吸收处理。,对气相总传质系数和推动力：,HOG气相总传质单元高度，m；NOG气相总传质单元数，无因次。,HOL液相总传质单元高度，m；NOL液相总传质单元数，无因次。,若令,对液相总传质系数和推动力：,若令,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,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，任务要求的气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小，意味着过程难度越大，所需传质单元数越大。（p293）在设备选型前可先计算出过程所需的传质单元数，值大，分离任务艰巨，为避免塔过高应选用传质性能优良的填料。若值过大，应重新考虑所选溶剂或液气比是否合理。,第四节吸收设备的主要工艺计算,依此类推，可以写出通式：,填料层高度=传质单元高度传质单元数,第四节吸收设备的主要工艺计算,总传质单元高度：完成一个传质单元分离任务所需填料层高度，与填料性能和塔中气、液两相的流动状况有关，其值大小反映了填料层传质动力学性能的优劣。HOG或HOL值小，表示设备性能高，完成相同传质单元数的吸收任务所需塔的高度小。HOG或HOL因分子分母同向变化的缘故，其变化幅度较小，一般吸收设备的传质单元高度在0.151.5m范围内。,1、对数平均推动力法,第四节吸收设备的主要工艺计算,（二）传质单元数的计算,传质单元数涉及气相或液相的平衡组成，需用相平衡关系确定。以下对平衡关系为直线情况进行讨论。,平衡线方程,逆流吸收操作线方程为,上两式相减,取微分,相除,以气相为基准全塔对数平均传质推动力,NOG含意：对低浓度气体吸收以全塔对数平均推动力Ym作为度量单位，量衡完成分离任务（Y1-Y2）所需传质单元高度的数目。若分离程度（Y1-Y2）大或平均推动力Ym小，NOG值就大，所需填料层就高。,第四节吸收设备的主要工艺计算,同理，可求液相总传质单元数：,由以上表示可知，传质单元数为塔底和塔顶的组成与塔底和塔顶的传质推动力对数平均值之比。,第四节吸收设备的主要工艺计算,液相对数平均推动力,2、吸收因子法,第四节吸收设备的主要工艺计算,平衡直线关系：,操作线方程：,令S=qnL/(mqnG)即吸收因子,代入NOG定义式并积分,(当S1时),1/S解吸因子,第四节吸收设备的主要工艺计算,将NOG表示为两个无因次数群,为了计算方便，将此式绘制成以1/S为参数的曲线图,1/S,反映吸收率的高低对传质单元数的影响。,当Y1,X2一定,Y2=Y1(1-),对于同一S,NoG,S反映吸收推动力的大小。,S,即1/S,Y-Y*,NoG,反之S,NoG。,S小对吸收不利，S大吸收剂用量大，一般S=0.70.8之间。,第四节吸收设备的主要工艺计算,当用（X*-X）作传质推动力时，对平衡线为直线的情况，用完全类似的方法可导出与NOG计算式并列的NOL计算式,第四节吸收设备的主要工艺计算,五、吸收过程的计算,设计型计算举例,【例题】用清水吸收混合气体中的可溶组分A。吸收塔内的操作压强为105.7kPa，温度为27，混合气体的处理量为1280m3/h。其中A的摩尔分数为0.03，要求A的回收率为95。操作条件下的平衡关系为：Y=0.65X，若取溶剂用量为最小用量的1.4倍，求每小时送入吸收塔顶的清水量qnL及吸收液浓度X1。,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，确定吸收剂用量遵循的原则？(5)总体积传质系数的物理意义是什么？(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,第四节吸收设备的主要工艺计算,书面作业：p300-8.11、8.13,第四节吸收设备的主要工艺计算,补充1：平衡线为曲线时传质单元数的计算,当平衡线为曲线不能用较简单确切的函数式表达时，通常可采用图解积分法或数值积分法求解传质单元数。,Y,X,o,Y*=f(X),A,Y1,X1,X2,Y2,B,Y,X,X*,Y*,P,Y-Y*,X*-X,图解积分法,图解积分法的关键在于找到若干点与积分变量Y相对应的被积函数的值。其步骤为:,(1)在操作线和平衡线上得若干组与Y相应的值1/(Y-Y*)；,Y,o,Y1,Y2,1/(Y-Y*),(3)计算曲线下阴影面积，此面积的值即为传