(優(yōu)選)環(huán)境工程原理吸收課件

1、（優(yōu)選）環(huán)境工程原理吸收一、吸收的定義吸收是利用混合氣體各組分在同種液體中溶解度（或化學(xué)反應(yīng)活性）的差異而將氣體混合物分離的操作過程。本質(zhì)：是混合氣體中某些組分在氣液相界面上溶解、在氣相和液相內(nèi)由濃度差推動的傳質(zhì)過程。氣相主體 液相主體 相界面氣相擴(kuò)散 液相擴(kuò)散 yi xi 吸收質(zhì)或溶質(zhì)：混合氣體中的溶解組分，以A表示。惰性氣體或載體：不溶或難溶組分，以B表示。吸收劑：吸收操作中所用的溶劑，以S表示。吸收液：吸收操作后的溶液，主要成分為溶劑和溶質(zhì)。吸收尾氣：吸收后排出氣體，主要成分為惰性氣體和 少量溶質(zhì)。二、吸收的用途1、制取產(chǎn)品：用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產(chǎn)品。如硫酸吸收SO3制濃硫酸

2、(HCl, HNO3?)；水吸收甲醛制福爾馬林；碳化氨水吸收CO2制碳酸氫氨(硫酸銨?)等。 2、回收有用物質(zhì)：吸收劑選擇性吸收氣體中某些組分以達(dá)到回收利用目的。如從焦?fàn)t氣或城市煤氣中回收苯；從乙醇催化裂解氣中分離丁二烯等。 3、氣體凈化：一類是原料氣凈化，即除去混合氣體中的雜質(zhì)，如合成氨原料氣脫H2S、脫CO2等；另一類是尾氣處理和廢氣凈化以保護(hù)環(huán)境，如燃煤煙氣，冶煉廢氣等脫除SO2，硝酸尾氣脫除NOx等。 吸收分離操作實(shí)例：從焦?fàn)t氣或城市煤氣中回收苯1、按溶質(zhì)和吸收劑之間是否發(fā)生反應(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

3、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非等溫吸收如果液相溫度基本保持不變等溫吸收 三、吸收操作的類型1、處理量大，成份復(fù)雜，同時含有多種氣態(tài)污染物； 2、吸收組分濃度低；3、吸收效率和吸收速率要求高；4、多數(shù)情況吸收過程僅是將污染物由氣相轉(zhuǎn)入液相， 還需對吸收液進(jìn)一步處理，以免造成二次污染。5、多采用化學(xué)吸收如堿液吸收燃燒煙氣中低濃度的SO2；四、吸收凈化氣態(tài)污染物的特點(diǎn)（與化工相比）(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(lǐng)域有哪些吸收過程？(4)

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、物理吸收的動力學(xué)基礎(chǔ)主要內(nèi)容第二節(jié) 物理吸收 掌握亨利定律；相平衡關(guān)系與吸收過程的判別；雙膜理論；傳質(zhì)速率方程與傳質(zhì)系數(shù)。 一、物理吸收的熱力學(xué)基礎(chǔ)過程發(fā)生的方向過程發(fā)生的極限過程發(fā)生的推動力溶質(zhì)在氣液兩相間平衡1、氣液平衡 相際動態(tài)平衡平衡分壓, pA*平衡濃度如溫度和總壓一定，溶質(zhì)在液體中的溶解度只取決于溶質(zhì)氣相中的組成。液相氣相溶質(zhì)溶解速率溶質(zhì)揮發(fā)速率界面氣-液相平衡關(guān)系表達(dá)形式：溶解度曲線、亨利定律 溶解度摩爾分?jǐn)?shù), yA摩爾比，YA. 物質(zhì)的量濃度，cA摩爾分?jǐn)?shù)，xA摩爾比，XA在稀溶液

5、條件下，溫度一定，總壓不大時，氣體溶質(zhì)的平衡分壓與溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)成正比。 pA* 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。 第二節(jié) 物理吸收 2、亨利（Henry）定律數(shù)學(xué)表達(dá)式： 適用范圍：x 10%的稀溶液；p 5105 Pa 。 影響因素：溶質(zhì)、溶劑、T。物系一定，T，E E大，溶解度小，難溶氣體。 亨利系數(shù)來源：實(shí)驗(yàn)測定、查手冊。第二節(jié) 物理吸收 上述氣態(tài)物質(zhì)被水溶解的難易程度？典型氣體在水中的亨利系數(shù) 25 E (kPa)CO 5.88 106 CO2 1.66 105 H2S 0.552 105 SO2 0.413 104 亨利定

6、律的不同表達(dá)形式： pA* 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，Pa ； cA 溶質(zhì)A在液相中物質(zhì)的量濃度，kmol/m3 ； H 溶解度系數(shù)，kmol/(m3.Pa) 。第二節(jié) 物理吸收 xA液相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；yA*與溶液平衡氣相中溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)； m相平衡常數(shù)，無量綱。三個常數(shù)之間的關(guān)系： 單組分物理吸收過程中，惰性氣體和溶劑的量不變，以它們?yōu)榛鶞?zhǔn)，用摩爾比表示平衡關(guān)系： 當(dāng)溶液濃度很低時，XA很小，上式可近似寫為： 第二節(jié) 物理吸收 總結(jié)：亨利定律有四種表達(dá)形式，都表示氣液平衡 時氣相與液相組成之間的平衡關(guān)系，其關(guān)系都 可表示成平面坐標(biāo)中的曲線。相對氣相濃度y而言，液相濃度欠飽和(xy*)，溶質(zhì)A

7、由氣相向液相轉(zhuǎn)移。(1) 判斷傳質(zhì)方向 氣、液相濃度(y, x)在平衡線上方(P點(diǎn))：yxoy*=f(x)Pyxy*結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方，體 系將發(fā)生從氣相到液相傳質(zhì)，即吸收過程。x*釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)3、相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用第二節(jié) 物理吸收 相對氣相濃度而言液相濃度過飽和(xx*)，液相有釋放溶質(zhì) A 的能力。相對液相濃度x而言氣相濃度為欠飽和(yqnLmin 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 根據(jù)全塔的物料衡算，吸收劑用量為：吸收劑用量最小時，塔底截面氣液兩相平衡，由亨利定律得 qnL=(1.12.0) qnLmin涉及吸收過程物料衡算、傳

8、質(zhì)速率方程和相平衡關(guān)系第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 四、填料層高度的基本計(jì)算1、基本計(jì)算式 （一）填料層高度的計(jì)算式 qnG, Y2qnG, Y1qnL, X1qnL, X2YXZY+dYdhX+dX選取填料塔中微元填料層dh為研究對象對微元填料層作溶質(zhì)A的物料衡算：微元填料層內(nèi)的傳質(zhì)速率方程： 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 。將微元填料層物料衡算方程和傳質(zhì)速率方程聯(lián)立：第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 dh的微分方程沿塔高積分得體積傳質(zhì)系數(shù)：實(shí)際應(yīng)用中常將傳質(zhì)系數(shù)與比表面積 a 的乘積（KY a 及 KX a

9、）作為一個完整的物理量看待，稱為體積傳質(zhì)系數(shù)或體積吸收系數(shù)，單位為 kmol/(m3s ) 。物理意義：傳質(zhì)推動力為一個單位時，單位時間、單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)摩爾量。 低濃度氣體吸收高濃度氣體若在塔內(nèi)吸收量不大(如難溶氣體吸收)，吸收過程具有低濃度氣體吸收特點(diǎn)，也可按低濃度吸收處理。對氣相總傳質(zhì)系數(shù)和推動力：HOG 氣相總傳質(zhì)單元高度，m；NOG 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次。 HOL 液相總傳質(zhì)單元高度，m；NOL 液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次。 若令 對液相總傳質(zhì)系數(shù)和推動力：若令 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 傳質(zhì)單元數(shù)：分子為氣相（液相）組成的變化，分母為

10、傳質(zhì)推動力，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，任務(wù)要求的氣體濃度變化越大，過程的平均推動力越小，意味著過程難度越大，所需傳質(zhì)單元數(shù)越大。（p293） 在設(shè)備選型前可先計(jì)算出過程所需的傳質(zhì)單元數(shù)，值大，分離任務(wù)艱巨，為避免塔過高應(yīng)選用傳質(zhì)性能優(yōu)良的填料。若值過大，應(yīng)重新考慮所選溶劑或液氣比是否合理。第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 依此類推，可以寫出通式：填料層高度=傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù) 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 總傳質(zhì)單元高度：完成一個傳質(zhì)單元分離任務(wù)所需填料層高度，與填料性能和塔中氣、液兩相的流動狀況有關(guān)，其值大小反映了填料層

11、傳質(zhì)動力學(xué)性能的優(yōu)劣。HOG或 HOL值小，表示設(shè)備性能高，完成相同傳質(zhì)單元數(shù)的吸收任務(wù)所需塔的高度小。 HOG或HOL因分子分母同向變化的緣故，其變化幅度較小，一般吸收設(shè)備的傳質(zhì)單元高度在 0.151.5 m 范圍內(nèi)。 1、對數(shù)平均推動力法 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)算傳質(zhì)單元數(shù)涉及氣相或液相的平衡組成，需用相平衡關(guān)系確定。以下對平衡關(guān)系為直線情況進(jìn)行討論。平衡線方程 逆流吸收操作線方程為 上兩式相減 取微分 相除以氣相為基準(zhǔn)全塔對數(shù)平均傳質(zhì)推動力NOG含意：對低濃度氣體吸收以全塔對數(shù)平均推動力Ym 作為度量單位，量衡完成分離任務(wù)（Y1-Y2）所需傳質(zhì)單元高度的數(shù)目

12、。若分離程度（Y1-Y2）大或平均推動力 Ym 小，NOG值就大，所需填料層就高。 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 同理，可求液相總傳質(zhì)單元數(shù)： 由以上表示可知，傳質(zhì)單元數(shù)為塔底和塔頂?shù)慕M成與塔底和塔頂?shù)膫髻|(zhì)推動力對數(shù)平均值之比。第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 液相對數(shù)平均推動力 2、吸收因子法第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 平衡直線關(guān)系：操作線方程：令S=qnL/(mqnG)即吸收因子代入NOG定義式并積分(當(dāng)S1 時)1/S解吸因子第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 將NOG表示為兩個無因次數(shù)群為了計(jì)算方便，將此式繪制成以 1/S 為參數(shù)的曲線圖1/S反映吸收率的高低對傳質(zhì)單元數(shù)的影響。當(dāng)Y1

13、, X2一定, , Y2=Y1(1-), 對于同一S, NoG S反映吸收推動力的大小。S,即1/S, Y-Y*, NoG, 反之S, NoG。S小對吸收不利，S大吸收劑用量大，一般 S=0.70.8之間。第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 當(dāng)用（X*-X）作傳質(zhì)推動力時，對平衡線為直線的情況，用完全類似的方法可導(dǎo)出與 NOG 計(jì)算式并列的 NOL 計(jì)算式 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計(jì)算 五、吸收過程的計(jì)算設(shè)計(jì)型計(jì)算舉例 【例題】用清水吸收混合氣體中的可溶組分A。吸收塔內(nèi)的操作壓強(qiáng)為105.7kPa，溫度為27，混合氣體的處理量為1280m3/h。其中A的摩爾分?jǐn)?shù)為0.03，要求A的回收率為95。操作條件下的平衡關(guān)系為：Y=0.65X，若取溶劑用量為最小用量的1.4倍，求每小時送入吸