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1、第四章 有害气体的吸收净化第一节 概述第二节 吸收的基本理论 第三节 吸收速率方程式第四节 吸收流程与操作第五节 化学吸收和非等温吸收第六节 吸收设备主要尺寸计算本章主要内容第一节 概述一、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。第一节 概述一、吸收的定义与应用 液体溶剂液体溶剂吸收剂吸收剂 混合气体中能显著溶于液体的组分混合气体中能显著溶于液体的组分溶质溶质 几乎不溶解的组分几乎不溶解的组分惰性组分惰
2、性组分 吸收后得到的溶液吸收后得到的溶液吸收液吸收液 吸收后的气体吸收后的气体净化气净化气 吸收的基本概念 净化原料气及精制气体产品：净化原料气及精制气体产品：比如用水（或碳酸钾水溶比如用水（或碳酸钾水溶液）脱除合成氨原料气中的液）脱除合成氨原料气中的CO2等。等。 制取液体产品或半成品：制取液体产品或半成品：比如水吸收比如水吸收NO2制取硝酸；水制取硝酸；水吸收吸收HCl制取盐酸等。制取盐酸等。 分离获得混合气体中的有用组分：分离获得混合气体中的有用组分：比如用洗油从焦炉煤比如用洗油从焦炉煤气中回收粗苯等。气中回收粗苯等。 吸收在化工领域中的应用 净化有害气体：净化有害气体： 湿式烟气脱硫：
3、如用水或碱液吸收烟气中湿式烟气脱硫：如用水或碱液吸收烟气中SO2，石灰，石灰/石灰石洗涤烟气脱硫。石灰石洗涤烟气脱硫。 干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：SO2被雾化的被雾化的Ca(OH)2浆液或浆液或Na2CO3溶液吸收。溶液吸收。 水、酸吸收净化含水、酸吸收净化含NOx废气。废气。 回收有用物质：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。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：能够用吸收法净化的气态污染物主要有：SO2，H2S, HF和和NOx等。等。吸收在职业卫
4、生环境领域中的应用 吸收操作中吸收剂的性能至关重要，选择吸收剂应当从以下几方面考虑： 对吸收质有较大的溶解度，以加速吸收、减少吸收剂用量； 对所处理气体必须有较高的选择性，即吸收质在吸收剂中的溶解度大，而其它组分几乎不溶解； 吸收质在吸收剂中的溶解度，应随温度的变化有较大的差异，以便使吸收剂再生； 蒸气压力要低，以减少吸收和再生过程中的挥发损失； 化学稳定性好，粘度小，价廉、易得、无毒、不易燃烧。 实际上，能满足这些条件的吸收剂很难找到。因此，对可供选用的吸收剂应作技术经济评价后合理选择。 大气污染物：大气污染物： SO2，H2S, HF和和NOx-什么污染物可以直接用水吸收？什么污染物可以直
5、接用水吸收？-什么污染物需要用酸或碱液吸收？什么污染物需要用酸或碱液吸收？-为什么？为什么？提 问 处理气体量大，成份复杂，同时含有多种气态污染物；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；吸收组分浓度低； 吸收效率和吸收速率要求高；吸收效率和吸收速率要求高； 多采用化学吸收多采用化学吸收如碱液吸收燃烧烟气中低浓度的如碱液吸收燃烧烟气中低浓度的SOSO2 2； 多数情况吸收过程仅是将污染物由气相转入液相，还需对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）
6、(1)(1)按溶质和吸收剂之间发生的反应：按溶质和吸收剂之间发生的反应：物理吸收：水净化含物理吸收：水净化含SO2锅炉尾气锅炉尾气化学吸收：碱液净化含化学吸收：碱液净化含SO2锅炉尾气锅炉尾气(2)(2)按混合气体中被吸收组分数目：按混合气体中被吸收组分数目：单组分吸收：如用水吸收单组分吸收：如用水吸收HCl气体制取盐酸气体制取盐酸多组分吸收：碱液吸收烟气（含多组分吸收：碱液吸收烟气（含SO2, NOx, CO2, CO等）等）(3)(3)按体系温度是否变化：按体系温度是否变化：如果液相温度明显升高如果液相温度明显升高非等温吸收非等温吸收如果液相温度基本保持不变如果液相温度基本保持不变等温吸收
7、等温吸收 单组分等温物理吸收是最简单和最基础的。单组分等温物理吸收是最简单和最基础的。第一节 概述二、吸收的类型吸收静力学 液相与气相间的平衡，由吸收质和吸收剂的热力学性质决定，与其中一相的组成、温度及压力有关。第一节 概述吸收动力学两相间的接触方式（并流、逆流、错流、折流）第一节 概述 即质量传递过程的速度，取决于过程的推动力；吸收剂、溶质和惰性组分的性质；两相间的接触方式。(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)职业卫生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 概述一、气液相组成的表示方法二、吸收过程的相平衡关系三、传质过程
8、的机理四、吸收过程的机理-双膜理论本节的主要内容第二节 吸收 的基本理论1质量浓度与物质的量浓度mg/Lmol/L溶质质量或物质的量/溶液体积2. 质量分数与摩尔分数%kg/kgkmol/kmol溶质的质量/溶液的质量溶质的物质的量/溶液的物质的量3质量比与摩尔比kmol/kmolkg/kg溶质的质量/溶剂的质量溶质的物质的量/溶剂的物质的量一、气液相组成的表示方法1质量浓度与物质的量浓度质量浓度与物质的量浓度（1）质量浓度A ，（2）物质的量浓度cA ， c组分A的摩尔质量AAmVAAncVAAAcM2.质量分数与摩尔分数质量分数与摩尔分数（1）质量分数和体积分数AmAmxm组分A的质量分数
9、混合物的总质量组分A的质量 一、气液相组成的表示方法在水处理中，污水中的污染物浓度一般较低，1L污水的质量可以近似认为等于1000g，所以实际应用中，常常将质量浓度和质量分数加以换算，即1mg/L 相当于1mg/1000g 110-6（质量分数）= 1ppm1g/L 相当于1g/1000g 110-9（质量分数）=1ppbppmppb g/g， 10-6 g/kg， 10-9 （质量分数）一、气液相组成的表示方法在大气污染控制工程中，常用体积分数表示污染物质的浓度。例如mL/m3，则此气态污染物质浓度为10-6。1mol任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积，因此可以用体积分数表示污染
10、物质的浓度，在实际应用中非常方便；同时，该单位的最大优点是与温度、压力无关。例如，10-6（体积分数）表示每106体积空气中有1体积的污染物，这等价于每106mol空气中有1mol污染物质。又因为任何单位物质的量的物质有着相同数量的分子，10-6（体积分数）也就相当于每106个空气分子中有1个污染物分子。一、气液相组成的表示方法对于气体，体积分数和质量浓度之间的关系和压力、温度以及污染物质的相对分子质量有关。对于理想气体，可以用理想气体状态方程表示，即： 式中：p绝对压力，Pa；VA体积，m3；nA物质的量，mol；R摩尔气体常数，8.314 Pam3K-1mol-1；T热力学温度，K。AAp
11、Vn RT0.082 atmL/(mol K) 一、气液相组成的表示方法根据质量浓度的定义AAn RTVp3AAAA10mn MVV3AAA10VRTVpM根据理想气体状态方程3AAA10n MV体积分数和质量浓度之间的关系AAVV？一、气液相组成的表示方法【例题4.1】在101.325KPa、25条件下，某室内空气一氧化碳的体积分数为9.010-6。用质量浓度表示一氧化碳的浓度。解：根据理想气体状态方程，1mol空气在101325Pa和25下的体积为1 0.082 29824.44L1V一氧化碳（CO）的摩尔质量为28 g/mol，所以CO的质量浓度为3 .101000/44.2410002
12、81096mg/m3一、气液相组成的表示方法（2）摩尔分数AAnxn组分A的摩尔分数混合物的总物质的量组分A的物质的量 当混合物为气液两相体系时，常以x表示液相中的摩尔分数，y表示气相中的摩尔分数，AAAii1/mNmixMxxMAAAii1mNix Mxx M组分A的质量分数与摩尔分数的关系 一、气液相组成的表示方法3质量比与摩尔比质量比与摩尔比AAAmmXmm组分A的质量比混合物中惰性物质的质量 组分A的质量 （当混合物中除组分A外，其余为惰性组分时）组分A与惰性组分的关系质量比与质量分数的关系 AAA1mmmxXx一、气液相组成的表示方法组分A与惰性组分的关系3质量比与摩尔比（当混合物中
13、除组分A外，其余为惰性组分时）AAAnXnn组分A的摩尔比混合物中惰性物质的物质的量 组分A的物质的量 摩尔比与摩尔分数的关系 AAA1xXxAAApYpp一、气液相组成的表示方法吸收的相平衡关系： 是指气液两相达到平衡时被吸收组分在两相中的浓度关系，即溶质在吸收剂中的平衡浓度。 二、 吸收过程的相平衡关系1.气液平衡 液体液体气体气体溶质溶质A溶溶解速度解速度溶质挥溶质挥发速度发速度相际动态平衡相际动态平衡平衡分压, pA*摩尔分数, yA摩尔比，YA.饱和浓度饱和浓度质量浓度，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。
14、气-液相平衡关系又称溶解度曲线溶解度曲线二、 吸收过程的相平衡关系在稀溶液条件下，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： *AApExp*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。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，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。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。气体在各种
15、条件下的亨利系数通常可以在手册中查到。 二、 吸收过程的相平衡关系2.亨利（Henry）定律典型气体在水中的亨利系数 25时 E (kPa)CO 5.88 106 CO2 1.66 105 H2S 0.552 105 SO2 0.413 104 上述气态物质被水溶解的难易程度？上述气态物质被水溶解的难易程度？二、 吸收过程的相平衡关系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： *AAcpHp*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。如果溶
16、质在气液两相中的组成均以摩尔分数表示： *AAymx m 相平衡常数二、 吸收过程的相平衡关系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： *AAA1 (1)YmXm X当溶液浓度很低时，XA很小，上式可近似写为： *AAYmX二、 吸收过程的相平衡关系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 min(1.12.0)nLnLqq吸收剂用量吸收塔高度（4.5.3）（4.5.4）（4.5.5）第五节 吸收设备的主要工艺计算
17、影响溶质吸收率的因素：影响溶质吸收率的因素：物系本身的性质、设备的情况（结物系本身的性质、设备的情况（结构、传质面积等）、操作条件（温度、压强、液相流量、吸构、传质面积等）、操作条件（温度、压强、液相流量、吸收剂入口条件等）收剂入口条件等）吸收塔的操作与调节 当一定的物系在已确定的吸收塔中进行吸收操作，只能通过调节当一定的物系在已确定的吸收塔中进行吸收操作，只能通过调节溶剂入口条件来强化吸收溶剂入口条件来强化吸收：1、增大溶剂用量，操作线斜率增大，出口气体含量下降，平均、增大溶剂用量，操作线斜率增大，出口气体含量下降，平均推动力增大推动力增大；2、降低溶剂温度，气体溶解度增大，平衡常数减小，平
18、衡线下、降低溶剂温度，气体溶解度增大，平衡常数减小，平衡线下移，平均推动力增大；移，平均推动力增大；3、降低溶剂入口含量，液相入口处推动力增大，全塔平均推动、降低溶剂入口含量，液相入口处推动力增大，全塔平均推动力也随之增大。力也随之增大。一、气提解吸一、气提解吸（又称载气解吸法）根据载气不同，可分为： 解 吸 为了回收溶质或回收溶剂循环使用，需要对吸收剂进行解吸处理（溶剂再生）。使溶解于液相中的气体释放出来的操作称为解吸或脱吸。 解吸的方法： 以空气、氮气、CO2作载气，又称惰性气体气提惰性气体气提 以水蒸气作载气，同时兼作加热热源的解吸常称作汽提汽提 提馏：提馏：以溶剂蒸气作为载气二、减压解
19、吸二、减压解吸 对于在加压情况下获得的吸收液，可采用一次或多次减对于在加压情况下获得的吸收液，可采用一次或多次减压的方法。溶质解吸的程度取决于解吸操作的最终压力压的方法。溶质解吸的程度取决于解吸操作的最终压力和温度。和温度。三、加热解吸三、加热解吸四、加热四、加热-减压解吸减压解吸 解吸的方法： 工程中，很少采用单一的解吸方法，往往先升温工程中，很少采用单一的解吸方法，往往先升温再减至常压，最后再采用气提法解吸。再减至常压，最后再采用气提法解吸。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 YXdh对微元填料层作溶质A的物料
20、衡算 ：GLdddnnnqqYqX微元填料层内的传质速率方程： *AddA()dnYqNK YYah*AddA()dnXqNKXX ahDqn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 。第五节 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： 1122GG*dd()()YYnnYYyyqYqYhK aYYK aYY1122LL*dd()()XXnnXXxxqXqXhK aXXK aXX体积传质系数：单位传质推动力下，单位时间单位体积填料层内传递的溶质的量，可实验测定。 G*ddnYqYhK
21、 aYYL*ddnXqXhK aXX第五节 吸收设备的主要工艺计算 12OG*d()YYYNYY令：GOGynqHK aOGOGhHN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 （4.5.6）第五节 吸收设备的主要工艺计算 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
22、了填料层传质动力学性能的优劣。 第五节 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 YXABY=Y-Y*Y1Y2*YYY与气相组成Y呈直线关系1212ddYYYYYYd() dYY则：为常数第五节 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 11221212112OG*12122mddln()dYYYYYYYYYYYYYNYYYYYYYYY12m12lnYYYYY同理，求得液相总传质单元数： 液相对数平均推动力 1212OL*md()XXXXXNXXX12m12lnXXXXX（4.
23、5.7）第五节 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： *YmXL11G()nnqYXXYq*G22L()nnqYmYYXq代入气相传质单元数的表达式得： 1122OG*G22Ld()()YYYYnndYYNYYqYmYYXq（4.5.8）第五节 吸收设备的主要工艺计算 12OG2211ln (1 1)1 1YmXNSSYmXS整理得：式中：LGnnqSmq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
24、。 1222OGYmXNYmX反映了溶质吸收率高低第五节 吸收设备的主要工艺计算 1222YmXYmXnGnLmqq第五节 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：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物料衡算关系、相平衡关系和填料层高度计算式 第五节 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
25、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，须考虑增强因子第五节 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，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？本节思考题第五节 吸收设备的主要工艺计算 (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？本节思考题第五节 吸收设备的主要工艺计算