環(huán)境工程原理（第二版）張柏欽02691課件

1、第四章吸 收 學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解吸收的分類、典型的工業(yè)吸收過(guò)程、各種不同類型的吸收設(shè)備及吸收在環(huán)境工程中的應(yīng)用。 理解吸收操作的基本概念、吸收傳質(zhì)機(jī)理。 掌握吸收的相關(guān)計(jì)算，能運(yùn)用工程觀念分析解決吸收操作中的實(shí)際問(wèn)題。 第一節(jié) 概 述 利用氣體混合物中各種組分在同一液體（溶劑）中溶解度差異、分離混合物的操作稱為氣體吸收。 一、工業(yè)吸收過(guò)程 吸收流程包括吸收和解吸兩大部分。 吸收操作要點(diǎn)： 選擇合適的溶劑。 提供適當(dāng)?shù)膫髻|(zhì)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)氣液兩相的接觸。 溶劑再生以便循環(huán)使用。吸收與解吸流程 二、吸收的分類 1物理吸收與化學(xué)吸收 2單組分吸收與多組分吸收 3等溫吸收與非等溫吸收 4低組成吸收與高組成吸收

2、工業(yè)生產(chǎn)中的吸收過(guò)程以低組成吸收為主 三、吸收在環(huán)境治理中的應(yīng)用 吸收被廣泛地應(yīng)用于氣態(tài)污染物的凈化 用吸收法凈化的氣態(tài)污染物： 含氮氧化物廢氣 含硫氧化物廢氣 含碳?xì)浠衔飶U氣 含硫氫化合物廢氣 四、吸收設(shè)備的主要類型 氣體吸收設(shè)備主要為板式塔與填料塔兩大類。兩種主要吸收設(shè)備 五、吸收操作的經(jīng)濟(jì)性 吸收的操作費(fèi)用主要包括。 氣、液兩相流經(jīng)吸收設(shè)備的能量消耗； 溶劑的揮發(fā)損失和變質(zhì)損失； 溶劑的再生費(fèi)用，即解吸操作費(fèi)。 這三項(xiàng)以再生費(fèi)用所占比例最大。 常用的解吸方式有升溫、減壓、吹氣。第二節(jié) 吸收凈化的基本原理 一、吸收過(guò)程的氣液相平衡 1.物理吸收的氣液相平衡 在一定的溫度和壓力下，氣、液兩

3、相發(fā)生接觸后，吸收質(zhì)便由氣相向液相轉(zhuǎn)移，隨著液體中吸收質(zhì)濃度的逐漸增高，吸收速率逐漸減小，解吸速率逐漸增大。經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間接觸后，吸收速率與解吸速率相等，氣液兩相達(dá)到平衡。 平衡分壓 ：平衡狀態(tài)下，被吸收氣體在溶液上方的分壓。 溶解度：平衡狀態(tài)下，可溶氣體在溶液中的濃度。 幾種常見(jiàn)氣體在水中的溶解度 討論： 不同性質(zhì)的氣體在同一溫度和分壓條件下，溶解度各不相同； 氣體的溶解度與溫度有關(guān)，一般說(shuō)來(lái)，隨著溫度升高，溶解度下降； 溫度一定時(shí)，溶解度隨溶質(zhì)分壓升高而增大，在吸收系統(tǒng)中，增大氣相總壓，組分的分壓會(huì)升高，溶解度也隨之加大。 結(jié)論： 溶解度與氣體和液體的性質(zhì)有關(guān)，而且與吸收體系的溫度、總壓

4、和氣相組成有關(guān)。 以p 及x 表示的平衡關(guān)系 以y 及x 表示的平衡關(guān)系 以p e 及c 表示平衡關(guān)系 以Y 及X 表示的平衡關(guān)系 2.化學(xué)吸收的氣液相平衡 化學(xué)平衡關(guān)系可以寫(xiě)成 二、相平衡與吸收過(guò)程的關(guān)系 1判別過(guò)程的方向判別過(guò)程進(jìn)行的方向 2.指明過(guò)程的極限 x1max=x1e=y1 m 吸收過(guò)程極限 3.計(jì)算過(guò)程的推動(dòng)力吸收推動(dòng)力 三、吸收傳質(zhì)機(jī)理 吸收過(guò)程兩相間物質(zhì)傳遞的三個(gè)步驟： 溶質(zhì)由氣相主體傳遞到兩相界面，即氣相內(nèi)物質(zhì)傳遞。 溶質(zhì)在界面上溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即界面上發(fā)生溶解過(guò)程； 溶質(zhì)自界面被傳遞到液相主體，即液相內(nèi)物質(zhì)傳遞。 總過(guò)程速率分別由氣相和液相內(nèi)的傳質(zhì)速率所決定。 1

5、. 分子擴(kuò)散與對(duì)流擴(kuò)散 分子擴(kuò)散 由分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而引起的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。分子擴(kuò)散速率主要取決于擴(kuò)散物質(zhì)和流體的某些物理性質(zhì)。 分子擴(kuò)散速率與流體在什么介質(zhì)中擴(kuò)散有關(guān)，在不同介質(zhì)中擴(kuò)散系數(shù)不同；與擴(kuò)散的濃度梯度、擴(kuò)散系數(shù)成正比。擴(kuò)散物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)D cm2/s擴(kuò)散物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)D cm2/sH20.611H2O0.220N20.132C6H60.077O20.178C7H80.076CO20.138CH3OH0.132HCL0.130C2H5OH0.102SO20.103CS20.089SO30.095C2H5OC2H50.078NH30.17一些物質(zhì)在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)（、.k Pa）

6、一些物質(zhì)在水中的擴(kuò)散系數(shù)（稀)擴(kuò)散物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)D*109 m2/s擴(kuò)散物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)D*109 m2/sO21.80C2H21.56CO21.50CH2COOH0.88NO21.51C2H5OH1.28NH31.76C3H7OH1.00Cl21.22C4H9OH0.87Br21.2C6H5OH0.77H25.13甘油0.84N21.64尿素0.73HCl2.64葡萄糖1.06H2S1.41蔗糖0.60H2SO41.73HNO32.6NaCl1.35NaOH1.51 對(duì)流擴(kuò)散 渦流擴(kuò)散 - 在湍流主體中，憑借流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)與旋渦而引起的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。 對(duì)流擴(kuò)散 - 湍流主體與相界面的分子擴(kuò)散與渦流

7、擴(kuò)散兩種傳質(zhì)作用的總和。 對(duì)流擴(kuò)散特點(diǎn): 擴(kuò)散物質(zhì)主要借助主流流體的攜帶作用而轉(zhuǎn)移。 對(duì)流擴(kuò)散速率比分子擴(kuò)散速率大的多，對(duì)流擴(kuò)散速率主要取決于流體的湍流程度。 2.吸收傳質(zhì)理論雙膜理論示意圖 雙膜理論的基本論點(diǎn)： 氣液兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一有效滯流膜層，分別稱為氣膜、液膜，吸收質(zhì)以分子擴(kuò)散的方式通過(guò)此二膜層。 在相界面處，氣，液兩相達(dá)到平衡。 在膜層以外的氣，液兩相中心區(qū)，流體充分湍流，吸收質(zhì)濃度是均勻，全部濃度變化集中在兩相有效膜內(nèi)。 相際傳質(zhì)過(guò)程為經(jīng)由氣、液兩膜的分子擴(kuò)散過(guò)程。 溶質(zhì)滲透理論： 液體在下流過(guò)程中每隔一定時(shí)間to發(fā)生一次完全的混合，使液體的濃度均勻化。溶質(zhì)

8、在液相中的濃度分布第三節(jié) 吸收傳質(zhì)速率方程 吸收速率 一、氣膜和液膜吸收速率方程 1.氣膜吸收速率方程式 2.液膜吸收速率方程 二、總吸收速率方程及對(duì)應(yīng)的總吸收系數(shù) 1.以 表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 2以e表示總推動(dòng)力的吸收速率方程 3以 表示總推動(dòng)力的吸收速率方程 4以 表示總推動(dòng)力的總吸收速率方程吸收控制因素實(shí)例氣膜控制液膜控制雙膜控制水吸收氨NH 水或弱堿吸收CO2水吸收 SO2水吸收HCL SO2水吸收 CL2水吸收丙酮液堿或氨水吸收 SO2水吸收 O2濃硫酸吸收NO2濃硫酸吸收 SO2水吸收 H2弱堿吸收 H2S吸收速率方程式一覽表吸收系數(shù)的表達(dá)式及吸收系數(shù)的換算提高吸收效果的方

9、法： 提高氣、液兩相相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，降低氣膜、液膜的厚度以減小阻力。選用對(duì)吸收劑溶解度大的溶液作吸收劑。 適當(dāng)提高供液量，降低液相主體中溶質(zhì)濃度以增大吸收推動(dòng)力。增大氣液相接觸面積。 5化學(xué)吸收速率方程 化學(xué)吸收步驟： 氣相反應(yīng)物由氣相主體通過(guò)氣膜向相界面擴(kuò)散； 反應(yīng)物由相界面向液相擴(kuò)散； 反應(yīng)物在液膜內(nèi)或液相主體與反應(yīng)物反應(yīng)，形成反應(yīng)區(qū)； 反應(yīng)產(chǎn)物若為液相產(chǎn)物，向液相主體擴(kuò)散，若為氣體產(chǎn)物則向界面擴(kuò)散； 氣態(tài)產(chǎn)物由界面向氣相主體擴(kuò)散。 化學(xué)吸收速率方程：第四節(jié) 吸收計(jì)算 填料塔的工藝計(jì)算： 確定吸收劑（溶劑）的用量； 計(jì)算塔的主要工藝尺寸，包括塔徑和塔的有效高度。 計(jì)算的基本依據(jù)： 物料衡算，

10、氣、液平衡關(guān)系及速率關(guān)系。 假設(shè)條件： 吸收為低濃度等溫物理吸收，總吸收系數(shù)為常數(shù)。 惰性氣體和吸收劑在整個(gè)吸收塔中均為常量。 吸收塔中氣、液兩相逆流流動(dòng)。逆流吸收塔物料衡算逆流操作吸收塔中操作線 一、 吸收塔的物料衡算與操作線方程 1全塔物料衡算 Y2Y1(1一 A) 2吸收塔的操作線方程式與操作線 VY+LX1=VY1+LX Y= X+(Y1- X1)或 二、溶劑用量的決定吸收塔最小氣液比 最小液氣比： 一般情況下取溶劑用量為最小用量的1.12.0倍 L min=V =(1.12.0)()min L=(1.12.0)L min 三、塔徑的計(jì)算 吸收塔直徑： 泛點(diǎn)氣速法 對(duì)于散裝填料：uu

11、F = 05085 對(duì)于規(guī)整填料：uu F = 06095 氣相動(dòng)能因子(F 因子)法 氣相負(fù)荷因子(Cs因子法) D= F=u u CS=0.8CS,max 四、吸收塔高的計(jì)算 1.填料層高度的基本計(jì)算式 對(duì)微元層內(nèi)組分（溶質(zhì)）物料衡算可得： 對(duì)于穩(wěn)定操作的吸收塔，低組成氣體吸收填料層高度的基本式為： 微元填料層的物料衡算 2.傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度令: 則: 傳質(zhì)單元數(shù)N-反映吸收過(guò)程進(jìn)行的難易。 傳質(zhì)單元高度H-反映吸收設(shè)備效能的高低。 傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù) 3.傳質(zhì)單元數(shù)的求法 脫吸因子法 關(guān)聯(lián)圖 對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法 Y m和X m分別表示塔頂和塔底的氣相推動(dòng)力的對(duì)數(shù)平均值和液相推

12、動(dòng)力的的對(duì)數(shù)平均值。m= X m= 五、吸收塔的操作與調(diào)節(jié) 吸收塔可調(diào)節(jié)的因素: 流量L、溫度T、含量X2 增大溶劑用量,平均推動(dòng)力加大; 降低溶劑溫度,平均推動(dòng)力增大; 降低溶劑入口含量,全塔平均推動(dòng)力隨之增大。吸收塔的操作調(diào)節(jié)第五節(jié) 解 吸 使溶解于液相中的氣體釋放出來(lái)的操作稱為解吸。 一、解吸方法 （1）氣提解吸 惰性氣體氣提 - 以空氣、氮?dú)狻⒍趸甲鬏d氣; 汽提 - 以水蒸氣作載氣，同時(shí)兼作加熱熱源; 提餾 - 以溶劑蒸氣作為載氣。 （2）減壓解吸 （3）加熱解吸 （4）加熱-減壓解吸 二、氣提解吸的計(jì)算 最小氣液比和載氣流量的確定 (X-X)+ (X-X)+Y解吸操作線及最小 液氣比的確定最小氣液比、載氣流量為 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 稱為吸收因數(shù)，它是操作線斜率與平衡線斜率的比值，無(wú)量綱。 式中，第六節(jié) 吸收設(shè)備 吸收設(shè)備應(yīng)滿足以下要求： 氣、液之間應(yīng)有較大的接觸面積和一定的接觸時(shí)間； 氣液之間擾動(dòng)強(qiáng)烈、吸收阻力低、吸收效率高； 氣流通過(guò)時(shí)壓力損失小，操作穩(wěn)定； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作維修方便，造價(jià)低廉；應(yīng)具有相應(yīng)的抗腐蝕和防堵塞能力。 一、填料吸收塔填料吸收器幾種常見(jiàn)的填料 二、板式塔篩板塔