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1、第四章 气态污染物处理技术基础（1）Part 1 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主要内容第一节 吸收的基本概念一、吸收的定义与应用一、吸收的定义与应用二、吸收的类型二、吸收的类型主要内容主要内容一、吸收的定义吸收是利用混合气体各组分在同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性）的差异而将气体混合物分离的操作过程。的操作过程。本本本本质质质质：是是是是混混混混合合合合气气气气体体体体中中中中某某某某些些些些组组组组分分分分在在在在气气气气液液液液相相相相界界
2、界界面面面面上上上上溶溶溶溶解解解解、在在在在气气气气相相相相和和和和液液液液相内由浓度差推动的传质过程。相内由浓度差推动的传质过程。相内由浓度差推动的传质过程。相内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
3、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。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尔马马林林；碳碳化化氨氨水水吸吸收收CO2制制碳碳酸酸氢氢氨氨(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
4、或或城城市市煤煤气气中中回回收苯；从乙醇催化裂解气中分离丁二烯等。收苯；从乙醇催化裂解气中分离丁二烯等。 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，冶炼废气等脱除冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除，硝酸尾气脱除NOx等。等。 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
5、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；、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， 还需对吸收液进一步处理，以免造成二次污染
6、。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、多采用化学吸收如碱液吸收燃烧烟气中低浓度如碱液吸收燃烧烟气中低浓度的的SO2；四、吸收净化气态污染物的特点（与化工相比）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。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溶质在气液两相间两相间平衡平衡1、气液平衡 相际动态平衡平衡分压平
7、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中的溶解度只取决于溶质气相中的组成。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摩尔比，摩尔比，XA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，气体溶时，气体溶质的平衡分压与质的平衡分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*
8、 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，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 H
9、2S 0.552 105 SO2 0.413 104 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；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： 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
10、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。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饱和和(xy*)，溶质溶质A由气相向液相转移。由气相向液相转移。(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
11、在吸收过程中的应用第二节 物理吸收 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*)，液液相相有有释放溶质释放溶质 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
12、基本计算1、基本计算式 （一）填料层高度的计算式 qnG, Y2qnG, Y1qnL, 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 。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
13、际应用中常将传质系数与比表面积 a 的的乘积（乘积（KY a 及及 KX a）作为一个完整的物理量看待，称为体）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，单位为积传质系数或体积吸收系数，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。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，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。过程具有低浓度气体吸收特点，也可按
14、低浓度吸收处理。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 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，与推动力，只决定
15、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，设备的情况无关。其值大小反映了吸收过程的难易程度，任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。（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。若值过大，应重新考虑所选溶剂或液气比是否合理。若值过大，应重新考虑所选
16、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、液液两两相相的的流流动动状状况况有有关关，其其值值大大小小反反映映了了填填料料层层传传质质动动力力学学性性能能的的优优劣劣。HOG或或 HOL值值小小，表表示示设设备备性性能能高高，完完成成相相同传质单元数的吸收任务所需塔的高度小。同传质单元数的吸收任务所需塔的高度小。 HOG或或HOL因因分分子子分分母母
17、同同向向变变化化的的缘缘故故，其其变变化化幅幅度度较较小小，一一般般吸吸收收设设备备的的传传质质单单元元高高度度在在 0.151.5 m 范围内。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。关系确定。以下对平衡关系为直线情况进行讨论。平衡线方程平衡线方程 逆流吸收操逆流吸收操作线方程为作线方程为 上两式相减上两式相减 取微分取微分 相除相除以气相为基准全塔对以气相为基准全塔对数平均传质推动力数平均传质推动力NOG含含意
18、意：对对低低浓浓度度气气体体吸吸收收以以全全塔塔对对数数平平均均推推动动力力 Ym 作作为为度度量量单单位位，量量衡衡完完成成分分离离任任务务（Y1-Y2）所所需需传传质质单单元元高高度度的的数数目目。若若分分离离程程度度（Y1-Y2）大大或或平平均均推动力推动力 Ym 小，小，NOG值就大，所需填料层就高。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，可求液相同理，可求液相总传质单元数：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。组成与塔底和塔顶的传质推动力对数平均值之比。第四节
19、 吸收设备的主要工艺计算 液相对数平液相对数平均推动力均推动力 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：令令S=qnL/(mqnG)即吸收因子即吸收因子代代 入入 NOG定定义式并积分义式并积分(当当S1 时时)1/S解吸因子解吸因子第四节 吸收设备的主要工艺计算 将将NOG表表示示为为两两个无因次数群个无因次数群为了计算方便，将此式绘制成以为了计算方便，将此式绘制成以 1/S 为参数的曲线图为参数的曲线图1/S反映吸收率的高低对反映吸收率的高低对传质单元数的影响。传质单元数的影响。当当Y1, X2一定一定, , Y2=Y1(1-), 对于同一对于同一S, No
20、G S反映吸收推动力的大小。反映吸收推动力的大小。S,即即1/S, Y-Y*, NoG, 反之反之S, NoG。S小对吸收不利，小对吸收不利，S大大吸收剂用量吸收剂用量大大，一般，一般 S=0.70.8之间。之间。第四节 吸收设备的主要工艺计算 当当用用（X*-X）作作传传质质推推动动力力时时，对对平平衡衡线线为为直直线线的的情情况况，用用完完全全类类似似的的方方法法可可导导出出与与 NOG 计计算算式式并并列列的的 NOL 计算式计算式 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设计型计算举例 【例题例题】用清水吸收混合气体中的可溶组分用清水吸收混合气体中的可溶组分A。
21、吸收塔。吸收塔内的操作压强为内的操作压强为105.7kPa，温度为，温度为27，混合气体的处，混合气体的处理量为理量为1280m3/h。其中。其中A的摩尔分数为的摩尔分数为0.03，要求，要求A的回的回收率为收率为95。操作条件下的平衡关系为：。操作条件下的平衡关系为：Y=0.65X，若，若取溶剂用量为最小用量的取溶剂用量为最小用量的1.4倍，求每小时送入吸收塔顶倍，求每小时送入吸收塔顶的清水量的清水量qnL及吸收液浓度及吸收液浓度X1。qnG, Y2qnG, Y1qnL, X1qnL, X2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
22、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：书面作业：p2596、7
