第4章有害氣體的凈化吸收

1、第四章 有害氣體的吸收凈化第一節(jié) 概述第二節(jié) 吸收的基本理論 第三節(jié) 吸收速率方程式第四節(jié) 吸收流程與操作第五節(jié) 化學(xué)吸收和非等溫吸收第六節(jié) 吸收設(shè)備主要尺寸計算本章主要內(nèi)容第一節(jié) 概述一、吸收的定義與應(yīng)用二、吸收的類型本節(jié)的主要內(nèi)容 混合氣體分離最常用的操作方法之一。 依據(jù)混合氣體各組分在同一種液體溶劑中物理溶解度（或化學(xué)反應(yīng)活性）的不同，而將氣體混合物分離的操作過程。 本質(zhì)上是混合氣體組分從氣相到液相的相間傳質(zhì)過程。第一節(jié) 概述一、吸收的定義與應(yīng)用 液體溶劑液體溶劑吸收劑吸收劑 混合氣體中能顯著溶于液體的組分混合氣體中能顯著溶于液體的組分溶質(zhì)溶質(zhì) 幾乎不溶解的組分幾乎不溶解的組分惰性組分惰

2、性組分 吸收后得到的溶液吸收后得到的溶液吸收液吸收液 吸收后的氣體吸收后的氣體凈化氣凈化氣 吸收的基本概念 凈化原料氣及精制氣體產(chǎn)品：凈化原料氣及精制氣體產(chǎn)品：比如用水（或碳酸鉀水溶比如用水（或碳酸鉀水溶液）脫除合成氨原料氣中的液）脫除合成氨原料氣中的CO2等。等。 制取液體產(chǎn)品或半成品：制取液體產(chǎn)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制取鹽酸等。制取鹽酸等。 分離獲得混合氣體中的有用組分：分離獲得混合氣體中的有用組分：比如用洗油從焦?fàn)t煤比如用洗油從焦?fàn)t煤氣中回收粗苯等。氣中回收粗苯等。 吸收在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用 凈化有害氣體：凈化有害氣體： 濕式煙氣脫硫：

3、如用水或堿液吸收煙氣中濕式煙氣脫硫：如用水或堿液吸收煙氣中SO2，石灰，石灰/石灰石洗滌煙氣脫硫。石灰石洗滌煙氣脫硫。 干法脫硫：噴霧干燥煙氣脫硫：干法脫硫：噴霧干燥煙氣脫硫：SO2被霧化的被霧化的Ca(OH)2漿液或漿液或Na2CO3溶液吸收。溶液吸收。 水、酸吸收凈化含水、酸吸收凈化含NOx廢氣。廢氣。 回收有用物質(zhì)：回收有用物質(zhì)：如用吸收法凈化石油煉制尾氣中的硫化氫的如用吸收法凈化石油煉制尾氣中的硫化氫的同時，還可以回收有用的元素硫。同時，還可以回收有用的元素硫。 能夠用吸收法凈化的氣態(tài)污染物主要有：能夠用吸收法凈化的氣態(tài)污染物主要有：SO2，H2S, HF和和NOx等。等。吸收在職業(yè)衛(wèi)

4、生環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用 吸收操作中吸收劑的性能至關(guān)重要，選擇吸收劑應(yīng)當(dāng)從以下幾方面考慮： 對吸收質(zhì)有較大的溶解度，以加速吸收、減少吸收劑用量； 對所處理氣體必須有較高的選擇性，即吸收質(zhì)在吸收劑中的溶解度大，而其它組分幾乎不溶解； 吸收質(zhì)在吸收劑中的溶解度，應(yīng)隨溫度的變化有較大的差異，以便使吸收劑再生； 蒸氣壓力要低，以減少吸收和再生過程中的揮發(fā)損失； 化學(xué)穩(wěn)定性好，粘度小，價廉、易得、無毒、不易燃燒。 實際上，能滿足這些條件的吸收劑很難找到。因此，對可供選用的吸收劑應(yīng)作技術(shù)經(jīng)濟評價后合理選擇。 大氣污染物：大氣污染物： 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堿液吸收？什么污染物需要用酸或堿液吸收？-為什么？為什么？提 問 處理氣體量大，成份復(fù)雜，同時含有多種氣態(tài)污染物；處理氣體量大，成份復(fù)雜，同時含有多種氣態(tài)污染物； 吸收組分濃度低；吸收組分濃度低； 吸收效率和吸收速率要求高；吸收效率和吸收速率要求高； 多采用化學(xué)吸收多采用化學(xué)吸收如堿液吸收燃燒煙氣中低濃度的如堿液吸收燃燒煙氣中低濃度的SOSO2 2； 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，還需對吸收液進一步處理，以免造成二次污染。吸收液進一步處理，以免造成二次污染。吸收法凈化氣態(tài)污染物的特點（與化工相比）

6、(1)(1)按溶質(zhì)和吸收劑之間發(fā)生的反應(yīng)：按溶質(zhì)和吸收劑之間發(fā)生的反應(yīng)：物理吸收：水凈化含物理吸收：水凈化含SO2鍋爐尾氣鍋爐尾氣化學(xué)吸收：堿液凈化含化學(xué)吸收：堿液凈化含SO2鍋爐尾氣鍋爐尾氣(2)(2)按混合氣體中被吸收組分?jǐn)?shù)目：按混合氣體中被吸收組分?jǐn)?shù)目：單組分吸收：如用水吸收單組分吸收：如用水吸收HCl氣體制取鹽酸氣體制取鹽酸多組分吸收：堿液吸收煙氣（含多組分吸收：堿液吸收煙氣（含SO2, NOx, CO2, CO等）等）(3)(3)按體系溫度是否變化：按體系溫度是否變化：如果液相溫度明顯升高如果液相溫度明顯升高非等溫吸收非等溫吸收如果液相溫度基本保持不變?nèi)绻合鄿囟然颈３植蛔兊葴匚?/p>

7、等溫吸收 單組分等溫物理吸收是最簡單和最基礎(chǔ)的。單組分等溫物理吸收是最簡單和最基礎(chǔ)的。第一節(jié) 概述二、吸收的類型吸收靜力學(xué) 液相與氣相間的平衡，由吸收質(zhì)和吸收劑的熱力學(xué)性質(zhì)決定，與其中一相的組成、溫度及壓力有關(guān)。第一節(jié) 概述吸收動力學(xué)兩相間的接觸方式（并流、逆流、錯流、折流）第一節(jié) 概述 即質(zhì)量傳遞過程的速度，取決于過程的推動力；吸收劑、溶質(zhì)和惰性組分的性質(zhì)；兩相間的接觸方式。(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)職業(yè)衛(wèi)生領(lǐng)域有哪些吸收過程？(4)利用吸收法凈化氣態(tài)污染物的特點有哪些？本節(jié)思考題第一節(jié) 概述一、氣液相組成的表示方法二、吸收過程的相平衡關(guān)系三、傳質(zhì)過程

8、的機理四、吸收過程的機理-雙膜理論本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié) 吸收 的基本理論1質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度mg/Lmol/L溶質(zhì)質(zhì)量或物質(zhì)的量/溶液體積2. 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)%kg/kgkmol/kmol溶質(zhì)的質(zhì)量/溶液的質(zhì)量溶質(zhì)的物質(zhì)的量/溶液的物質(zhì)的量3質(zhì)量比與摩爾比kmol/kmolkg/kg溶質(zhì)的質(zhì)量/溶劑的質(zhì)量溶質(zhì)的物質(zhì)的量/溶劑的物質(zhì)的量一、氣液相組成的表示方法1質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度（1）質(zhì)量濃度A ，（2）物質(zhì)的量濃度cA ， c組分A的摩爾質(zhì)量AAmVAAncVAAAcM2.質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)（1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)AmAmxm組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

9、混合物的總質(zhì)量組分A的質(zhì)量 一、氣液相組成的表示方法在水處理中，污水中的污染物濃度一般較低，1L污水的質(zhì)量可以近似認(rèn)為等于1000g，所以實際應(yīng)用中，常常將質(zhì)量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)加以換算，即1mg/L 相當(dāng)于1mg/1000g 110-6（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）= 1ppm1g/L 相當(dāng)于1g/1000g 110-9（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）=1ppbppmppb g/g， 10-6 g/kg， 10-9 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）一、氣液相組成的表示方法在大氣污染控制工程中，常用體積分?jǐn)?shù)表示污染物質(zhì)的濃度。例如mL/m3，則此氣態(tài)污染物質(zhì)濃度為10-6。1mol任何理想氣體在相同的壓強和溫度下有著同樣的體積，因此可以用體積分?jǐn)?shù)表示污染

10、物質(zhì)的濃度，在實際應(yīng)用中非常方便；同時，該單位的最大優(yōu)點是與溫度、壓力無關(guān)。例如，10-6（體積分?jǐn)?shù)）表示每106體積空氣中有1體積的污染物，這等價于每106mol空氣中有1mol污染物質(zhì)。又因為任何單位物質(zhì)的量的物質(zhì)有著相同數(shù)量的分子，10-6（體積分?jǐn)?shù)）也就相當(dāng)于每106個空氣分子中有1個污染物分子。一、氣液相組成的表示方法對于氣體，體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度之間的關(guān)系和壓力、溫度以及污染物質(zhì)的相對分子質(zhì)量有關(guān)。對于理想氣體，可以用理想氣體狀態(tài)方程表示，即： 式中：p絕對壓力，Pa；VA體積，m3；nA物質(zhì)的量，mol；R摩爾氣體常數(shù)，8.314 Pam3K-1mol-1；T熱力學(xué)溫度，K。AAp

11、Vn RT0.082 atmL/(mol K) 一、氣液相組成的表示方法根據(jù)質(zhì)量濃度的定義AAn RTVp3AAAA10mn MVV3AAA10VRTVpM根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程3AAA10n MV體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度之間的關(guān)系A(chǔ)AVV？一、氣液相組成的表示方法【例題4.1】在101.325KPa、25條件下，某室內(nèi)空氣一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為9.010-6。用質(zhì)量濃度表示一氧化碳的濃度。解：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，1mol空氣在101325Pa和25下的體積為1 0.082 29824.44L1V一氧化碳（CO）的摩爾質(zhì)量為28 g/mol，所以CO的質(zhì)量濃度為3 .101000/44.2410002

12、81096mg/m3一、氣液相組成的表示方法（2）摩爾分?jǐn)?shù)AAnxn組分A的摩爾分?jǐn)?shù)混合物的總物質(zhì)的量組分A的物質(zhì)的量 當(dāng)混合物為氣液兩相體系時，常以x表示液相中的摩爾分?jǐn)?shù)，y表示氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)，AAAii1/mNmixMxxMAAAii1mNix Mxx M組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系 一、氣液相組成的表示方法3質(zhì)量比與摩爾比質(zhì)量比與摩爾比AAAmmXmm組分A的質(zhì)量比混合物中惰性物質(zhì)的質(zhì)量 組分A的質(zhì)量 （當(dāng)混合物中除組分A外，其余為惰性組分時）組分A與惰性組分的關(guān)系質(zhì)量比與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系 AAA1mmmxXx一、氣液相組成的表示方法組分A與惰性組分的關(guān)系3質(zhì)量比與摩爾比（當(dāng)混合物中

13、除組分A外，其余為惰性組分時）AAAnXnn組分A的摩爾比混合物中惰性物質(zhì)的物質(zhì)的量 組分A的物質(zhì)的量 摩爾比與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系 AAA1xXxAAApYpp一、氣液相組成的表示方法吸收的相平衡關(guān)系： 是指氣液兩相達(dá)到平衡時被吸收組分在兩相中的濃度關(guān)系，即溶質(zhì)在吸收劑中的平衡濃度。 二、 吸收過程的相平衡關(guān)系1.氣液平衡 液體液體氣體氣體溶質(zhì)溶質(zhì)A溶溶解速度解速度溶質(zhì)揮溶質(zhì)揮發(fā)速度發(fā)速度相際動態(tài)平衡相際動態(tài)平衡平衡分壓, pA*摩爾分?jǐn)?shù), yA摩爾比，YA.飽和濃度飽和濃度質(zhì)量濃度，A物質(zhì)的量濃度，cA摩爾分?jǐn)?shù)，xA摩爾比，XA如果溫度和總壓一定，溶質(zhì)在液體中的溶解度只取決于溶質(zhì)在氣相中的組成。

14、氣-液相平衡關(guān)系又稱溶解度曲線溶解度曲線二、 吸收過程的相平衡關(guān)系在稀溶液條件下，溫度一定，總壓不大時，氣體溶質(zhì)的平衡分壓和溶解度成正比： *AApExp*A 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。 亨利系數(shù)取決于物系的特性和體系的溫度。亨利系數(shù)取決于物系的特性和體系的溫度。 亨利系數(shù)越大，說明氣體越難以溶解于溶劑。亨利系數(shù)越大，說明氣體越難以溶解于溶劑。 氣體在溶劑中的溶解度隨著溫度的升高是降低的，因此，氣體在溶劑中的溶解度隨著溫度的升高是降低的，因此，亨利系數(shù)是增大的。亨利系數(shù)是增大的。 氣體在各種條件下的亨利系數(shù)通?？梢栽谑謨灾胁榈健怏w在各種

15、條件下的亨利系數(shù)通?？梢栽谑謨灾胁榈?。 二、 吸收過程的相平衡關(guān)系2.亨利（Henry）定律典型氣體在水中的亨利系數(shù) 25時 E (kPa)CO 5.88 106 CO2 1.66 105 H2S 0.552 105 SO2 0.413 104 上述氣態(tài)物質(zhì)被水溶解的難易程度？上述氣態(tài)物質(zhì)被水溶解的難易程度？二、 吸收過程的相平衡關(guān)系如果溶質(zhì)的溶解度用物質(zhì)的量濃度表示，則亨利定律可寫為： *AAcpHp*A 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，Pa ；cA 溶質(zhì)A在液相中的物質(zhì)的量濃度，kmol/m3 ；H 溶解度系數(shù)，kmol/(m3.Pa) 。注意：亨利定律的不同表示方式和系數(shù)的單位、換算方法。如果溶

16、質(zhì)在氣液兩相中的組成均以摩爾分?jǐn)?shù)表示： *AAymx m 相平衡常數(shù)二、 吸收過程的相平衡關(guān)系在單組分物理吸收過程中，惰性氣體和溶劑物質(zhì)的量是不變的，因此以它們?yōu)榛鶞?zhǔn)，用摩爾比表示平衡關(guān)系： *AAA1 (1)YmXm X當(dāng)溶液濃度很低時，XA很小，上式可近似寫為： *AAYmX二、 吸收過程的相平衡關(guān)系相平衡是氣液兩相接觸傳質(zhì)的極限狀態(tài)。1.判斷傳質(zhì)的方向根據(jù)相平衡，計算平衡時溶質(zhì)在氣相或液相中的組成。與實際的組成比較，可以判斷傳質(zhì)方向。 實際液相組成qnLmin min(1.12.0)nLnLqq吸收劑用量吸收塔高度（4.5.3）（4.5.4）（4.5.5）第五節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算

17、影響溶質(zhì)吸收率的因素：影響溶質(zhì)吸收率的因素：物系本身的性質(zhì)、設(shè)備的情況（結(jié)物系本身的性質(zhì)、設(shè)備的情況（結(jié)構(gòu)、傳質(zhì)面積等）、操作條件（溫度、壓強、液相流量、吸構(gòu)、傳質(zhì)面積等）、操作條件（溫度、壓強、液相流量、吸收劑入口條件等）收劑入口條件等）吸收塔的操作與調(diào)節(jié) 當(dāng)一定的物系在已確定的吸收塔中進行吸收操作，只能通過調(diào)節(jié)當(dāng)一定的物系在已確定的吸收塔中進行吸收操作，只能通過調(diào)節(jié)溶劑入口條件來強化吸收溶劑入口條件來強化吸收：1、增大溶劑用量，操作線斜率增大，出口氣體含量下降，平均、增大溶劑用量，操作線斜率增大，出口氣體含量下降，平均推動力增大推動力增大；2、降低溶劑溫度，氣體溶解度增大，平衡常數(shù)減小，平

18、衡線下、降低溶劑溫度，氣體溶解度增大，平衡常數(shù)減小，平衡線下移，平均推動力增大；移，平均推動力增大；3、降低溶劑入口含量，液相入口處推動力增大，全塔平均推動、降低溶劑入口含量，液相入口處推動力增大，全塔平均推動力也隨之增大。力也隨之增大。一、氣提解吸一、氣提解吸（又稱載氣解吸法）根據(jù)載氣不同，可分為： 解 吸 為了回收溶質(zhì)或回收溶劑循環(huán)使用，需要對吸收劑進行解吸處理（溶劑再生）。使溶解于液相中的氣體釋放出來的操作稱為解吸或脫吸。 解吸的方法： 以空氣、氮氣、CO2作載氣，又稱惰性氣體氣提惰性氣體氣提 以水蒸氣作載氣，同時兼作加熱熱源的解吸常稱作汽提汽提 提餾：提餾：以溶劑蒸氣作為載氣二、減壓解

19、吸二、減壓解吸 對于在加壓情況下獲得的吸收液，可采用一次或多次減對于在加壓情況下獲得的吸收液，可采用一次或多次減壓的方法。溶質(zhì)解吸的程度取決于解吸操作的最終壓力壓的方法。溶質(zhì)解吸的程度取決于解吸操作的最終壓力和溫度。和溫度。三、加熱解吸三、加熱解吸四、加熱四、加熱-減壓解吸減壓解吸 解吸的方法： 工程中，很少采用單一的解吸方法，往往先升溫工程中，很少采用單一的解吸方法，往往先升溫再減至常壓，最后再采用氣提法解吸。再減至常壓，最后再采用氣提法解吸。四、填料層高度的基本計算涉及吸收過程的物料衡算、傳質(zhì)速率方程和相平衡關(guān)系。（一）填料層高度的計算式 1.基本計算式 YXdh對微元填料層作溶質(zhì)A的物料

20、衡算 ：GLdddnnnqqYqX微元填料層內(nèi)的傳質(zhì)速率方程： *AddA()dnYqNK YYah*AddA()dnXqNKXX ahDqn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 。第五節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算 將微元填料層物料衡算方程和傳質(zhì)速率方程聯(lián)立：穩(wěn)態(tài)低濃度吸收： 1122GG*dd()()YYnnYYyyqYqYhK aYYK aYY1122LL*dd()()XXnnXXxxqXqXhK aXXK aXX體積傳質(zhì)系數(shù)：單位傳質(zhì)推動力下，單位時間單位體積填料層內(nèi)傳遞的溶質(zhì)的量，可實驗測定。 G*ddnYqYhK

21、 aYYL*ddnXqXhK aXX第五節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算 12OG*d()YYYNYY令：GOGynqHK aOGOGhHN氣相總傳質(zhì)單元數(shù) 總傳質(zhì)單元高度，m 2.傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù) （4.5.6）第五節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算 傳質(zhì)單元：是指通過一定高度的填料層傳質(zhì)，使一相的組成的變化恰好等于其中的平均推動力。傳質(zhì)單元數(shù)：分子為氣相（液相）組成的變化，分母為傳質(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。傳質(zhì)單元高度：是完成一個傳質(zhì)單元分離任務(wù)所需要的填料層高度，主要決定于設(shè)備情況、物系特性及操作條件等，其值大小反映

22、了填料層傳質(zhì)動力學(xué)性能的優(yōu)劣。 第五節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算 （二）傳質(zhì)單元數(shù)的計算涉及氣相或液相的平衡組成，需要用相平衡關(guān)系確定。假設(shè)相平衡關(guān)系為直線。1.對數(shù)平均推動力法 YXABY=Y-Y*Y1Y2*YYY與氣相組成Y呈直線關(guān)系1212ddYYYYYYd() dYY則：為常數(shù)第五節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)： 氣相對數(shù)平均推動力 11221212112OG*12122mddln()dYYYYYYYYYYYYYNYYYYYYYYY12m12lnYYYYY同理，求得液相總傳質(zhì)單元數(shù)： 液相對數(shù)平均推動力 1212OL*md()XXXXXNXXX12m12lnXXXXX（4.5.7）第五節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算 2.吸收因子法當(dāng)平衡關(guān)系符合亨利定律時：操作線方程：兩式聯(lián)立，可以求得： *YmXL11G()nnqYXXYq*G22L()nnqYmYYXq代入氣相傳質(zhì)單元數(shù)的表達(dá)式得： 1122OG*G22Ld()()YYYYnndYYNYYqYmYYXq（4.5.8）第五節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算 1