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1、环境工程原理吸收演示文稿第一页，共九十五页。第一页，共九十五页。（优选）环境工程原理吸收第二页，共九十五页。第二页，共九十五页。一、吸收的定义吸收是利用混合气体各组分在同种液体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。将气体混合物分离的操作过程。本本质质：是是混混合合气气体体中中某某些些组组分分在在气气液液相相界界面面上上溶溶解解、在在气气相相和和液液相相内内由浓度差推动的传质过程。由浓度差推动的传质过程。气相主体气相主体 液相主体液相主体 相界面相界面气相扩散气相扩散 液相扩散液相扩散 yi xi 吸收质
2、或溶质吸收质或溶质：混合气体中的溶解组分，以：混合气体中的溶解组分，以A表示。表示。惰性气体或载体惰性气体或载体：不溶或难溶组分，以：不溶或难溶组分，以B表示。表示。吸收剂：吸收剂：吸收操作中所用的溶剂，以吸收操作中所用的溶剂，以S表示。表示。吸收液：吸收液：吸收操作后的溶液，主要成分为溶剂和溶质。吸收操作后的溶液，主要成分为溶剂和溶质。吸收尾气吸收尾气：吸收后排出气体，主要成分为惰性气体和：吸收后排出气体，主要成分为惰性气体和 少量溶质。少量溶质。第三页，共九十五页。第三页，共九十五页。二、吸收的用途1、制制取取产产品品：用用吸吸收收剂剂吸吸收收气气体体中中某某些些组组分分而而获获得得产产品
3、品。如如硫硫酸酸吸吸收收SO3制制浓浓硫硫酸酸(HCl, HNO3? ?)；水水吸吸收收甲甲醛醛制制福福尔马林；碳化氨水吸收尔马林；碳化氨水吸收CO2制碳酸氢氨制碳酸氢氨(硫酸铵硫酸铵? ?)等。等。 2、回回收收有有用用物物质质：吸吸收收剂剂选选择择性性吸吸收收气气体体中中某某些些组组分分以以达达到到回回收收利利用用目目的的。如如从从焦焦炉炉气气或或城城市市煤煤气气中中回回收收苯苯；从从乙乙醇醇催催化化裂裂解解气气中中分分离离丁二烯等。丁二烯等。 3、气气体体净净化化：一一类类是是原原料料气气净净化化，即即除除去去混混合合气气体体中中的的杂杂质质，如如合合成成氨氨原原料料气气脱脱H2S、脱脱
4、CO2等等；另另一一类类是是尾尾气气处处理理和和废废气气净净化化以以保保护护环环境境，如如燃燃煤煤烟烟气气，冶冶炼炼废废气气等等脱脱除除SO2，硝硝酸酸尾尾气气脱脱除除NOx等。等。 第四页，共九十五页。第四页，共九十五页。吸收分离操作实例：从吸收分离操作实例：从焦炉气或城市煤气中回收苯焦炉气或城市煤气中回收苯第五页，共九十五页。第五页，共九十五页。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
5、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、吸收操作的类型第六页，共九十五页。第六页，共九十五页。1、处理量大，成份复杂，同时含有多种气态污染物；、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；、吸收组分浓度低；3、吸收效率和吸收速率要求高；、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，、多数情况吸收过程仅是将污染物由气相转入液相， 还需对吸收液还需对吸收液进一步处理，以免造成二次污染。进一步处理，以免造成二次污染。5、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
6、SO2；四、吸收净化气态污染物的特点（与化工相比）第七页，共九十五页。第七页，共九十五页。(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 吸收的基本概念第八页，共九十五页。第八页，共九十五页。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。膜理论；传质速率方程与传质系数。 第九页，共九十五页。第九页，共九十五页。一、物理吸收的热力学基础
7、过程发生的方向过程发生的方向过程发生的极限过程发生的极限过程发生的推动力过程发生的推动力溶质在气液两相溶质在气液两相间间平衡平衡第十页，共九十五页。第十页，共九十五页。1、气液平衡 相际动态平衡平衡分压平衡分压, pA*平衡浓度平衡浓度如温度和总压一定，溶质在液体中的如温度和总压一定，溶质在液体中的溶解度只取决于溶质气相中的组成。溶解度只取决于溶质气相中的组成。液相气相溶质溶溶质溶解速率解速率溶质挥发速率界面界面气-液相平衡关系表达形式：溶解度曲线、亨利定律溶解度曲线、亨利定律 溶解度溶解度摩尔分数摩尔分数, yA摩尔比，摩尔比，YA. 物质的量浓度，物质的量浓度，cA摩尔分数，摩尔分数，xA
8、摩尔比，摩尔比，XA第十一页，共九十五页。第十一页，共九十五页。在在稀溶液稀溶液条件下，条件下，温度一定，总压不大温度一定，总压不大时，气体溶质的平衡分时，气体溶质的平衡分压与压与溶质在液相中的摩尔分数溶质在液相中的摩尔分数成正比。成正比。 pA* 溶质在气相中的平衡分压，溶质在气相中的平衡分压，Pa； xA 溶质在液相中的摩尔分数；溶质在液相中的摩尔分数； E 亨利系数，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：x 10%的稀溶液；p 5105 Pa 。 影响因素：溶质、溶剂、影响因素：溶质、溶剂、T。物系一定，。物系一定，T，E E大，溶解度小，
9、难溶气体。大，溶解度小，难溶气体。 亨利系数来源：实验测定、查手册。亨利系数来源：实验测定、查手册。第十二页，共九十五页。第十二页，共九十五页。第二节 物理吸收 上述气态物质被水溶解的难易程度？典型气体在水中的亨利系数 25 E (kPa)CO 5.88 106 CO2 1.66 105 H2S 0.552 105 SO2 0.413 104 第十三页，共九十五页。第十三页，共九十五页。亨利定律的不同表达形式： pA* 溶质在气相中的平衡分压，Pa ； cA 溶质A在液相中物质的量浓度，kmol/m3 ； H 溶解度系数，kmol/(m3.Pa) 。第二节 物理吸收 xA液相中溶质的摩尔分数；
10、yA*与溶液平衡气相中溶质摩尔分数； m相平衡常数，无量纲。三个常数之间的关系： 第十四页，共九十五页。第十四页，共九十五页。单组分物理吸收过程中，惰性气体和溶剂的量不变，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： 第二节 物理吸收 总结：亨利定律有四种表达形式，都表示气液平衡总结：亨利定律有四种表达形式，都表示气液平衡 时气相与液相组成之间的平衡关系，其关系都时气相与液相组成之间的平衡关系，其关系都 可表示成平面坐标中的曲线。可表示成平面坐标中的曲线。第十五页，共九十五页。第十五页，共九十五页。相相对对气气相相浓浓度度y而而言言，液液相相浓浓度度欠欠饱
11、饱和和(xy*)，溶溶质质A由由气相向液相转移。气相向液相转移。(1) (1) 判断传质方向判断传质方向 气、液相浓度气、液相浓度(y, x)在平衡线上方在平衡线上方(P点点)：yxoy*=f(x)Pyxy*结论：若系统气、液相浓度结论：若系统气、液相浓度( (y,xy,x) )在平衡线上方，体在平衡线上方，体 系将发生从气相到液相传质，即吸收过程。系将发生从气相到液相传质，即吸收过程。x*释放溶质吸收溶质3、相平衡关系在吸收过程中的应用第二节 物理吸收 第十六页，共九十五页。第十六页，共九十五页。相相对对气气相相浓浓度度而而言言液液相相浓浓度度过过饱饱和和(xx*)，液液相相有有释释放放溶溶
12、质质 A 的能力。的能力。相相对对液液相相浓浓度度x而而言言气气相相浓浓度度为为欠欠饱饱和和(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：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第八十二页，共九十五页。第八十二页，共九十五页。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, Y2qnG, Y1qnL
13、, X1qnL, X2YXZY+dYdhX+dX选取填料塔中微元填料层选取填料塔中微元填料层dh为研究对象为研究对象对微元填料层作溶质对微元填料层作溶质A的物料衡算：的物料衡算：微元填料层内的传质速率方程：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 。第八十三页，共九十五页。第八十三页，共九十五页。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：体积传质系数：实际应用中常将传质系数与比表面积实际应用中常将传质系数与比表面积 a
14、的乘积（的乘积（KY a 及及 KX a）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，）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，单位为单位为 kmol/(m3s ) 。物理意义：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。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高浓度气体若在塔内吸收量不大( (如难溶气体吸收如难溶气体吸收) )，吸收过程具有低浓度气，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。体吸收特点，也可按低浓度吸收处理。第八十四页，共九十五
15、页。第八十四页，共九十五页。对气相总传质系数和推动力：对气相总传质系数和推动力：HOG 气相总传质单元高度，气相总传质单元高度，m；NOG 气相总传质单元数，无因次。气相总传质单元数，无因次。 HOL 液相总传质单元高度，液相总传质单元高度，m；NOL 液相总传质单元数，无因次。液相总传质单元数，无因次。 若令若令 对液相总传质系数和推动力：对液相总传质系数和推动力：若令若令 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 第八十五页，共九十五页。第八十五页，共九十五页。传质单元数：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，只决分子为气相（液相）组成的变化，分母
16、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，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。（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） 在在设设备备选选型型前前可可先先计计算算出出过过程程所所需需的的传传质质单单元元数数，值值大大，分分离离任任务务艰艰巨巨，为为避避免免塔塔过过高高应应选选用用传传质质性性能能优优良良的的填填料料。若若值值过过大大，应应重重新新考考虑虑所所选选溶溶剂剂或或液液气气比比是是否合理。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 第八十六页，共九十五页。第八十六页，共九十五页。第四节 吸收设备的主要工艺计算 总总传传质质单单元元高高度度：完完成成一一个个传传质质单单元元分分离离任任务务所所需需填填料料层层高高度度，与与填填料料性性能能和和塔塔中中气气、液
