华北理工环境工程原理课件08吸收

•机械分离：非均相混合体系（两相以上所组成的混合物）•传质分离：均相混合体系•平衡分离过程（借助分离媒介，如溶剂或吸附剂等，使均相混合体系变成两相系统）•速率分离过程（在某种推动力下，利用各组分扩散速率的差异实现组分分离）分离过程的分类？第II篇分离过程原理第八章吸收第八章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本章主要内容第一节吸收的基本概念一、吸收的定义与应用二、吸收的类型本节的主要内容•混合气体分离最常用的操作方法之一。•依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中物理溶解度（或化学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操作过程。•本质上是混合气体组分从气相到液相的相间传质过程。一、吸收的定义与应用第一节吸收的基本概念•液体溶剂——吸收剂•混合气体中能显著溶于液体的组分——溶质•几乎不溶解的组分——惰性组分•吸收后得到的溶液——吸收液•吸收后的气体——净化气第一节吸收的基本概念•净化原料气及精制气体产品：比如用水（或碳酸钾水溶液）脱除合成氨原料气中的CO2等。•制取液体产品或半成品：比如水吸收NO2制取硝酸；水吸收HCl制取盐酸等。•分离获得混合气体中的有用组分：比如用洗油从焦炉煤气中回收粗苯等。吸收在化工领域中的应用第一节吸收的基本概念•净化有害气体：湿式烟气脱硫：如用水或碱液吸收烟气中SO2，石灰/石灰石洗涤烟气脱硫。干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：SO2被雾化的Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收。水、酸吸收净化含NOx废气。•回收有用物质：如用吸收法净化石油炼制尾气中的硫化氢的同时，还可以回收有用的元素硫。•能够用吸收法净化的气态污染物主要有：SO2，H2S,HF和NOx等。•其他应用：曝气充氧吸收在环境领域中的应用第一节吸收的基本概念•处理气体量大，成份复杂，同时含有多种气态污染物；•吸收组分浓度低；•吸收效率和吸收速率要求高；•多采用化学吸收——如碱液吸收燃烧烟气中低浓度的SO2；•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。吸收法净化气态污染物的特点（与化工相比）第一节吸收的基本概念(1)按溶质和吸收剂之间发生的反应：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)按体系温度是否变化：如果液相温度明显升高——称为非等温吸收如果液相温度基本保持不变——称为等温吸收单组分等温物理吸收是最简单和最基础的。二、吸收的类型第一节吸收的基本概念一、物理吸收的热力学基础二、物理吸收的动力学基础本节的主要内容第二节物理吸收热力学讨论的是：过程发生的方向、所能达到的极限及推动力。物理吸收仅仅涉及某一组分的简单传质过程。溶质在气液两相间的平衡关系是研究吸收热力学的基础。一、物理吸收的热力学基础第二节物理吸收（一）气液平衡和亨利定律1.气液平衡液体气体溶质A溶解速度溶质挥发速度相际动态平衡平衡分压,pA*摩尔分数,yA摩尔比，YA…….饱和浓度质量浓度，A物质的量浓度，cA摩尔分数，xA摩尔比，XA如果温度和总压一定，溶质在液体中的溶解度只取决于溶质在气相的组成。气-液相平衡关系又称溶解度曲线第二节物理吸收2.亨利（Henry）定律在稀溶液条件下，温度一定，总压不大时，气体溶质的平衡分压和溶解度成正比：*AApExp*A——溶质在气相中的平衡分压，PaxA——溶质在液相中的摩尔分数E——亨利系数，Pa。•亨利系数取决于物系的特性和体系的温度。•亨利系数越大，说明气体越难以溶解于溶剂。•气体在溶剂中的溶解度随着温度的升高是降低的，因此，亨利系数是增大的。•气体在各种条件下的亨利系数通常可以在手册中查到。第二节物理吸收（8.2.1）典型气体在水中的亨利系数25度时E(kPa)CO5.88106CO21.66105H2S0.552105SO20.413104上述气态物质被水溶解的难易程度？第二节物理吸收如果溶质的溶解度用物质的量浓度表示，则亨利定律可写为：*AAcpHp*A——溶质在气相中的平衡分压，PacA——溶质A在液相中的物质的量浓度，kmol/m3H——溶解度系数，kmol/(m3Pa)注意：亨利定律的不同表示方式和系数的单位、换算方法。如果溶质在气液两相中的组成均以摩尔分数表示：*AAymxm——相平衡常数第二节物理吸收（8.2.2）（8.2.3）相平衡是气液两相接触传质的极限状态。1.判断传质的方向根据相平衡，计算平衡时溶质在气相或液相中的组成。与实际的组成比较，可以判断传质方向。实际液相组成平衡组成，溶质从气相液相用气、液两相平衡图来判断更加直观。根据初始状态点在平衡图中所处的位置来判断。yAxA吸收解吸（二）相平衡关系在吸收过程中的应用第二节物理吸收2.计算传质的推动力实际组成与平衡组成之间的差距——推动力有不同的表示方法：*AAyyy*AAppp……气相*AAxxx*AAccc……液相（摩尔分数）（气体分压、物质的浓度）第二节物理吸收（8.2.10）（8.2.11）（8.2.12）（8.2.13）3.确定传质过程的极限•溶质在气液两相间的传质过程不是无限制地进行的，传质过程的极限状态就是平衡状态。•在治理气态污染物时，希望通过吸收操作使出塔气体中的污染物浓度尽可能地低。•可以通过增加塔高，减少处理气体的量，增加吸收剂的量来实现。第二节物理吸收*222yymx但是出塔气体的最低浓度（y2）只能达到与入塔吸收剂浓度（x2）相平衡的浓度：尾气y2吸收剂x2混合气y1吸收液x1第二节物理吸收（8.2.12）（一）吸收过程机理①溶质由气相主体传递至两相界面，即气相内的传递；②溶质在两相界面由气相溶解于液相，即相际传递；③溶质由界面传递至液相主体，即液相内的传递。双膜理论——描述气液两相间的传质过程二、物理吸收的动力学基础第二节物理吸收吸收过程是一种典型的由气相向液相的传质过程，一般可分解为三个基本步骤：①相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的气膜和液膜。②在相界面处，气液两相在瞬间即可达到平衡，界面上没有传质阻力。③在膜层以外，气液两相流体都充分湍动，不存在浓度梯度，组成均一，没有传质阻力。（二）双膜理论第二节物理吸收相界面GL溶质ApApAicAicA气相主体液相主体cAi=HpAi亨利定律双膜理论模型示意图第二节物理吸收气相对流传质的速率方程：液相对流传质的速率方程：()()1AAiAGGAAiGppNkppk()()1AiAALLAiALccNkcckkG——以气相分压差为推动力气膜传质系数，kmol/(m2·s·Pa)kL——以液相浓度差为推动力的液膜传质系数，m/s双膜模型假设溶质以稳态分子扩散方式通过气膜和液膜，因此，气相和液相的对流传质速率相等。以上两式中均用到了相界面处溶质的浓度，很难直接准确测定，因此一般希望能够直接用气液两相主体浓度来计算传质速率。第二节物理吸收（8.2.16）（8.2.17）在气液界面上，应用亨利定律：（三）总传质速率方程AiAicHp*AAcHp液膜传质速率方程改写成：*()()1AiAALLAiALppNkccHk将(NA)L变化成气体分压的函数。第二节物理吸收（8.2.19）以气体分压为推动力的总传质速率方程：pA*——与液相主体浓度cA平衡的气体分压，PaKG——气相总传质系数,kmol/(m2sPa)稳态时经变换：111GGLKkHk*()AGAANKpp()()AGALANNN第二节物理吸收（8.2.20）（8.2.21）同理，以液相浓度差为推动力的总传质速率方程：*()ALAANKccc*A——与气相主体分压平衡的液体浓度，kmol/m3KL——液体总传质系数,m/s11LGLHKkk气相总传质系数KG与液相总传质系数KL之间的关系：GLKHK第二节物理吸收（8.2.23）（8.2.22）总传质速率方程的其他表示形式：*()AyAANKyy*()AxAANKxxxA，yA——溶质在液相和气相主体中的摩尔分数xA*，yA*——与气相主体摩尔分数平衡的液相摩尔分数，和与液相主体摩尔分数平衡的气相摩尔分数*()AYAANKYY*()AXAANKXX当溶质在气、液相中的浓度以摩尔比来表示时，则总传质速率方程为：第二节物理吸收（8.2.25）（8.2.24）（8.2.28）（8.2.27）•传质速率与传质推动力成正比，与传质阻力成反比。•增加溶质的气相分压或者减少液相浓度，都可以增加传质推动力，从而增加传质速率。总传质速率方程表示了什么？第二节物理吸收包括气膜阻力和液膜阻力两部分：111GGLKkHk在通常的吸收操作条件下，kG和kL的数值大致相当，而不同溶质的亨利系数值却相差很大。（以气相分压差为推动力时）（四）传质阻力分析第二节物理吸收（8.2.29）用水吸收NH3、HCl等属于气膜阻力控制的传质过程。LGHkk11GGkK……称为气膜控制对于易溶气体：H值很大，液膜阻力相对很小第二节物理吸收对于难溶气体：H值很小,液膜阻力相对很大LGkkH1LLkK……称为液膜控制如果气膜、液膜传质阻力相当：两者都不可忽略，总传质速率由双膜阻力联合控制，比如，用水吸收SO2就属于这种情况。比如，用水吸收CO2,O2就属于液膜阻力控制的传质过程。第二节物理吸收第三节化学吸收一、化学吸收的特点二、化学吸收的平衡关系三、化学吸收的传质速率本节的主要内容采用吸收法处理气态污染物时，通常采用化学吸收。•湿式脱硫：石灰/石灰石洗涤烟气脱硫•干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：SO2被雾化的Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收•水、酸、碱吸收净化含NOx废气（硝酸生产过程）•水、碱液吸收净化含氟废气（磷酸生产中）第三节化学吸收溶质A被吸收剂吸收后，继续与吸收剂或者其中的活性组分B发生化学反应。气液相际传质和液相内的化学反应同时进行。一、化学吸收的特点第三节化学吸收相界面溶质ApApAi气相主体液相主体A+BM反应区位置影响因素：反应速率扩散速率溶质从气相主体相界面的过程与物理吸收完全相同活性组分B产物McAi第三节化学吸收•如果反应速率很快，活性组分B的扩散速率也比较快：溶质A达到相界面后，立即被反应消耗，相界面上液相中的溶质A的浓度就很低。•如果反应速率比较慢，或者活性组分B的扩散速率慢：溶质A可能扩散到液相主体之后仍有大部分未能反应。第三节化学吸收溶质A的化学吸收速率的影响因素：•溶质的扩散速率•活性组分的扩散速率、化学反应速率•反应产物扩散速率化学吸收过程可以加快溶质的传质速率，增加吸收剂的吸收容量。已经反应的溶质不再影响气液平衡关系。溶质在液相扩散中途即发生反应而消耗，增加了传质推动力。第三节化学吸收化学吸收涉及的过程：•溶质在气液两相之间的相平衡•溶质在液相中的化学反应平衡亨利定律稀溶液下液相中物理溶解态的溶质浓度溶质气相分压化学反应的平衡条件二、化学吸收的平衡关系第三节化学吸收假设溶质A仅与一种活性组分反应（单一组分），反应关系式为：aAbBmM化学反应平衡常数：mabMKAB[A]——液相中未反应的，以物理溶解态存在的溶质浓度——与气相中溶质分压相对应的溶质浓度此浓度可表示为：1mabMAKB第三节化学吸收（8.3.1）（8.3.2）再根据亨利定律，就可以得到化学吸收溶质气液两相的平衡关系：1*1maAbAMpHHKB可知[A]低于液相中溶质A的总浓度。H一定时，pA*低于仅有物理吸收时溶质在气相中的平衡分压。因此溶剂的吸收率是大于物理吸收的。第三节化学吸收（8.3.3）1mabMAKB化学吸收过程特点溶质气液相平衡化学反应平衡溶液中未反应的溶质浓度第三节化学吸收例8.3.1在20