第八章吸收環(huán)境工程基本原理電子教案

1、第八章吸收環(huán)境工程基本原理電子教案第一節(jié) 吸收的基本概念第二節(jié) 物理吸收第三節(jié) 化學吸收第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算本章主要內(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。一、吸收的定義與應(yīng)用第一節(jié) 吸收的基本概念 液體溶劑吸收劑 混合氣體中能顯著溶于液體的組分溶質(zhì) 幾乎不溶解的組分惰性組分 吸收后得到的溶液吸收液 吸收后的氣體凈化氣 第一節(jié) 吸收的基本概念 凈化原料氣及精制氣體產(chǎn)品：比如用水（或碳酸鉀水溶液）脫除合成氨原料氣中的CO2等。 制取液

2、體產(chǎn)品或半成品：比如水吸收NO2制取硝酸；水吸收HCl制取鹽酸等。 分離獲得混合氣體中的有用組分：比如用洗油從焦爐煤氣中回收粗苯等。 吸收在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用第一節(jié) 吸收的基本概念 凈化有害氣體： 濕式煙氣脫硫：如用水或堿液吸收煙氣中SO2，石灰/石灰石洗滌煙氣脫硫。 干法脫硫：噴霧干燥煙氣脫硫：SO2被霧化的Ca(OH)2漿液或Na2CO3溶液吸收。 水、酸吸收凈化含NOx廢氣。 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：SO2，H2S, HF和NOx等。 其他應(yīng)用：曝氣充氧吸收在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用第一節(jié) 吸收的基本概

3、念實例實例1. 煤氣生產(chǎn)中從焦爐煤氣中回收苯的生產(chǎn)過程煤氣生產(chǎn)中從焦爐煤氣中回收苯的生產(chǎn)過程 焦爐煤氣在吸收塔內(nèi)與洗焦爐煤氣在吸收塔內(nèi)與洗油（貧油）逆流接觸煤氣油（貧油）逆流接觸煤氣中粗笨蒸汽被貧油吸收，中粗笨蒸汽被貧油吸收，吸收后的洗油稱為富油，吸收后的洗油稱為富油，從塔底流出；富油經(jīng)換熱從塔底流出；富油經(jīng)換熱器升溫后從塔頂進入解吸器升溫后從塔頂進入解吸塔，過熱蒸汽（惰性氣體塔，過熱蒸汽（惰性氣體）從解吸塔底進塔，經(jīng)解）從解吸塔底進塔，經(jīng)解吸后的洗油稱為貧油，貧吸后的洗油稱為貧油，貧油經(jīng)換熱器降溫后再進入油經(jīng)換熱器降溫后再進入吸收塔循環(huán)使用。于解吸吸收塔循環(huán)使用。于解吸塔頂引出的氣體為過熱塔

4、頂引出的氣體為過熱水蒸氣與粗苯蒸汽的混合物，冷卻后，因兩凝液不互溶，水蒸氣與粗苯蒸汽的混合物，冷卻后，因兩凝液不互溶，液相分層，粗苯在上，水在下，從而取得粗苯產(chǎn)品液相分層，粗苯在上，水在下，從而取得粗苯產(chǎn)品 實例實例2. 工業(yè)制硫酸的理論分析：工業(yè)制硫酸的理論分析：接觸法制硫酸的反應(yīng)原理是接觸法制硫酸的反應(yīng)原理是:用硫磺或黃鐵礦、石膏、用硫磺或黃鐵礦、石膏、有色金屬冶煉廠的含二氧化硫煙氣等作原料制取二氧化有色金屬冶煉廠的含二氧化硫煙氣等作原料制取二氧化硫，使二氧化硫在適當?shù)臏囟群痛呋瘎┑淖饔孟卵趸闪?，使二氧化硫在適當?shù)臏囟群痛呋瘎┑淖饔孟卵趸扇趸?，再使三氧化硫跟水化合生成硫酸三氧化硫?/p>

5、再使三氧化硫跟水化合生成硫酸。 說明：說明：1.選擇制取硫酸的原料要從實際出發(fā)選擇制取硫酸的原料要從實際出發(fā),世界上主要世界上主要用硫磺作原料用硫磺作原料,而我國主要用黃鐵礦作原料而我國主要用黃鐵礦作原料2跟氧氣是在跟氧氣是在催化劑的表面接觸時起反應(yīng)的催化劑的表面接觸時起反應(yīng)的,接觸法的名稱即由此而得接觸法的名稱即由此而得.FeSFeS2 2HH2 2SOSO4 4SOSO3 3SOSO2 2 1、造氣、造氣 2、接觸氧化、接觸氧化 3、三氧化硫的吸收、三氧化硫的吸收H2SO4SO3SO2SFeS2H2OO2O2O2V2O5概括為：三個階段，三個方程，三個設(shè)備概括為：三個階段，三個方程，三個設(shè)

6、備硫酸工業(yè)硫酸工業(yè)三三方方程程3、SO3（g）+H2O（l） = H2SO4（l）； H=2、SO2（g）+ O2（g） SO3（g） ； H=98.3kJ/molV2O5400500121、S（S）+O2（g） SO2 （g） ; H=297kJ/molFeS2（S）+ O2（g） Fe2O3（S）+2SO2（g）； H=853kJ/mol點燃點燃高溫高溫11412三個反應(yīng)方程式三個反應(yīng)方程式氣體吸收和液體精餾的區(qū)別：氣體吸收和液體精餾的區(qū)別： 吸收：為對氣相混合物中的組分吸收：為對氣相混合物中的組分A A、B B的分離，以溶劑與的分離，以溶劑與氣相接觸，溶質(zhì)氣相接觸，溶質(zhì)A A便從氣相轉(zhuǎn)入

7、液相，而便從氣相轉(zhuǎn)入液相，而B B則基本不溶于溶劑。則基本不溶于溶劑。即吸收操作利用的是各氣體組分在一定溶劑中溶解度的差異；即吸收操作利用的是各氣體組分在一定溶劑中溶解度的差異；溶質(zhì)溶質(zhì)A A在氣、液相間的平衡為在氣、液相間的平衡為“氣氣- -液液”平衡，當平衡，當A A在溶液中濃在溶液中濃度低時，平衡關(guān)系服從亨利定律（在等溫等壓下，某種氣體在度低時，平衡關(guān)系服從亨利定律（在等溫等壓下，某種氣體在溶液中的溶解度與液面上該氣體的平衡壓力成正比）；溶質(zhì)溶溶液中的溶解度與液面上該氣體的平衡壓力成正比）；溶質(zhì)溶于液相，不存在氣體液化問題。于液相，不存在氣體液化問題。 精餾：為對液相組分精餾：為對液相組

8、分A A、B B的分離，利用液相組分揮發(fā)度的分離，利用液相組分揮發(fā)度的差異，加熱溶液使之沸騰，從而產(chǎn)生氣、液兩相共存的情況的差異，加熱溶液使之沸騰，從而產(chǎn)生氣、液兩相共存的情況易揮發(fā)組分較多地進入汽相；汽液平衡時，對于稀溶液其含量易揮發(fā)組分較多地進入汽相；汽液平衡時，對于稀溶液其含量高的組分在一定濃度范圍內(nèi)服從拉烏爾定律（在某一溫度下，高的組分在一定濃度范圍內(nèi)服從拉烏爾定律（在某一溫度下，稀溶液的稀溶液的蒸氣壓蒸氣壓等于純?nèi)軇┑恼魵鈮撼艘匀軇┑哪柗謹?shù)等于純?nèi)軇┑恼魵鈮撼艘匀軇┑哪柗謹?shù) ），若為理想體系，則任何濃度時，若為理想體系，則任何濃度時，A A與與B B均服從拉烏爾定律。均服從拉烏爾

9、定律。 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； 吸收效率和吸收速率要求高； 多采用化學吸收如堿液吸收燃燒煙氣中低濃度的SO2； 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。吸收法凈化氣態(tài)污染物的特點（與化工相比）第一節(jié) 吸收的基本概念(1)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SO2鍋爐尾氣化學吸收：堿液凈化含SO2鍋爐尾氣(2)按混合氣體中被吸收組分數(shù)目：單組分吸收：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

10、收如果液相溫度基本保持不變等溫吸收 單組分等溫物理吸收是最簡單和最基礎(chǔ)的。二、吸收的類型第一節(jié) 吸收的基本概念(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)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) 吸收的基本概念一、物理吸收的熱力學基礎(chǔ)二、物理吸收的動力學基礎(chǔ)本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié) 物理吸收 熱力學討論的是： 過程發(fā)生的方向、所能達到的極限及推動力。物理吸收僅僅涉及某一組分的簡單傳質(zhì)過程。溶質(zhì)在氣液兩相間的平衡關(guān)系是研究吸收熱力學的基礎(chǔ)。 一、物理吸收的熱力學基礎(chǔ)第二節(jié) 物理吸收 （一）氣液平衡和亨利定律1.氣液平衡 液體氣體溶

11、質(zhì)A溶解速度溶質(zhì)揮發(fā)速度相際動態(tài)平衡相際動態(tài)平衡平衡分壓, pA*摩爾分數(shù), yA摩爾比，YA.飽和濃度質(zhì)量濃度，A物質(zhì)的量濃度，cA摩爾分數(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。氣-液相平衡關(guān)系又稱溶解度曲線第二節(jié) 物理吸收 2.亨利（Henry）定律在稀溶液條件下，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)在液相中的摩爾分數(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)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

12、低的，因此，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?。 第二節(jié) 物理吸收 （）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？第二節(jié) 物理吸收 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。如果溶質(zhì)在氣液兩相中的組成均以摩爾

13、分數(shù)表示： *AAymx m 相平衡常數(shù)第二節(jié) 物理吸收 （）（）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)榛鶞剩媚柋缺硎酒胶怅P(guān)系： *AAA1 (1)YmXm X當溶液濃度很低時，XA很小，上式可近似寫為： *AAYmX不滿足亨利定律的相平衡如何表征？第二節(jié) 物理吸收 （）（）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第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算 （）（）（）四、填料層高度的基本計算涉

14、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 。第四節(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

15、 aXXK aXX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 aYYL*ddnXqXhK aXX第四節(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) 第四節(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：

16、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，其值大小反映了填料層傳質(zhì)動力學性能的優(yōu)劣。 第四節(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)第四節(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第四節(jié) 吸收設(shè)備的主

17、要工藝計算 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（8.4.18）2.吸收因子法當平衡關(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)的表達式得： 1122OG*G22Ld()()YYYYnndYYNYYqYmYYXq第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算 （）12OG2211ln (1 1)1 1YmXNSSYmXS整理得：式中：LGnnqSmq吸收因子，其幾何意義為操作線斜率qnL/qnG與平衡線斜率m之比。1/S解吸因子當S一定時，可以做 關(guān)系曲線。已知出塔氣體氣相組成Y2, 可求得NOG,反之，已知NOG, 可求得Y2。 1222OGYmXNYmX反映了溶質(zhì)吸收率高低第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算 1222YmXYmX第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算 nGnLmqq五、吸收過程的計算類型設(shè)計型計算：給出分離任務(wù)和要求，計算完成任務(wù)所需要的吸收塔的高度等。操作型計算：給定吸收塔的條件，由已知的操作條件計算最終的吸收效果，或者由要求的吸收效果確定需要的操作條件。 所依據(jù)的都是三個基本方程式：物料衡算關(guān)系、相平衡關(guān)系和填料層高度計算式物料衡算關(guān)系、相平衡關(guān)系和填料層高度計算式 第四節(jié) 吸收設(shè)備的主要工藝計算