环工原理吸收详解

环工原理吸收详解演示文稿当前1页，总共92页。优选环工原理吸收当前2页，总共92页。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当前3页，总共92页。混合气体分离最常用的操作方法之一。1、定义：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。其本质：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当前4页，总共92页。液体溶剂——吸收剂混合气体中能显著溶于液体的组分——溶质气体中几乎不溶解的组分——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2、吸收操作中涉及的几个概念当前5页，总共92页。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：比如用油从焦炉煤气中回收粗苯等。3、吸收在化工领域中的应用第一节吸收的基本概念当前6页，总共92页。（1）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。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。（2）回收有用物质：如用吸收法净化石油炼制尾气中的H2S的同时，还可以回收有用的元素硫。4、吸收在环境领域中的应用第一节吸收的基本概念能够用吸收法净化的气态污染物主要有：SO2，H2S,HF和NOx等。当前7页，总共92页。湿式烟气脱硫：当前8页，总共92页。提问？大气污染物：SO2，H2S,HF和NOx：什么污染物可以直接用水吸收？什么污染物需要用酸或碱液吸收？为什么？第一节吸收的基本概念当前9页，总共92页。（1）处理气体量大，成份复杂，同时含有多种气态污染物；（2）吸收组分浓度低；（3）吸收效率和吸收速率要求高；（4）多采用化学吸收——如碱液吸收燃烧烟气中低浓度的SO2；（5）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。5、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当前10页，总共92页。(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当前11页，总共92页。(1)简述吸收的基本原理。(2)利用吸收法净化气态污染物的特点有哪些。(3)环境工程领域有哪些吸收过程。(4)吸收的主要类型有哪些。本节思考题第一节吸收的基本概念当前12页，总共92页。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

当前13页，总共92页。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

当前14页，总共92页。（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平衡条件下，溶质在气液两相中的组成存在某种特定的关系，称为相平衡关系（又称溶解度曲线）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。第二节物理吸收

当前15页，总共92页。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：

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。气体在溶剂中的溶解度随着温度升高而降低。亨利系数越大，气体越难以溶解于溶剂。因此，温度升高，亨利系数增大。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）当前16页，总共92页。典型气体在水中的亨利系数

25℃时E(kPa)CO5.88106

CO21.66105

H2S0.552105

SO20.413104

上述气态物质被水溶解的难易程度？第二节物理吸收

当前17页，总共92页。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：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：

m——相平衡常数第二节物理吸收

（8.2.2）（8.2.3）当前18页，总共92页。在单组分物理吸收过程中，惰性气体和溶剂物质的量是不变的，因此以它们为基准，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：不满足亨利定律的相平衡如何表征？第二节物理吸收

（8.2.8）（8.2.9）当前19页，总共92页。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（1）根据相平衡，计算平衡时溶质在气相或液相中的组成。（2）与实际的组成比较，可以判断传质方向。（3）实际液相组成<平衡组成，溶质从气相液相实际气相相组成>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。（二）相平衡关系在吸收过程中的应用第二节物理吸收

当前20页，总共92页。吸收解吸AxAxA*xAyAyAyA*第二节物理吸收

BC当前21页，总共92页。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：……气相……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）当前22页，总共92页。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

当前23页，总共92页。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）当前24页，总共92页。例题：在常压101.3kPa、温度25℃时，CO2在水中的溶解亨利系数为1.66×105kPa，现将含CO2摩尔分数为0.05的空气与CO2浓度为1.0×10－3kmol/m3的水溶液接触，试（1）判断传质方向（2）以分压差和浓度差表示传质推动力（3）计算逆流接触时空气中CO2的最低含量已知亨利系数：采用亨利定律分析：判断传质方向；求推动力：求实际组成和平衡组成当前25页，总共92页。CO2在水中的摩尔分数为：根据亨利定律：求CO2的平衡分压：CO2在空气中的实际分压：所以：发生CO2吸收过程，CO2由气相向液相传递结论：解：水溶液中CO2浓度很低，认为其密度和平均相对分子质量皆与水相同，则溶液的总浓度为：（1）当前26页，总共92页。和空气中CO2分压平衡的水溶液中CO2摩尔分数为：CO2在水中的摩尔分数为1.8×10－5所以：发生CO2吸收过程，CO2由气相向液相传递结论：无论从气相还是从液相判断，结果都是一样。当前27页，总共92页。（2）（2）以分压差表示传质推动力：以浓度差表示传质推动力：（3）（3）逆流接触时出口气体可以达到的极限浓度是与进口水溶液相平衡的气相浓度出口处与水溶液平衡的气相CO2分压为2.99kPa当前28页，总共92页。气体的吸收过程是，混合气体中的组分A穿越相界面而进入液体。体中。可以想象组分A在通过稳定的相界面时，必须通过两层膜层。第二节物理吸收

A当前29页，总共92页。（一）吸收过程机理

溶质由气相主体传递至两相界面，即气相内的传递；溶质在两相界面由气相溶解于液相，即相际传递；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：当前30页，总共92页。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。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。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

当前31页，总共92页。相界面GL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

气膜液膜当前32页，总共92页。气相对流传质的速率方程：

液相对流传质的速率方程：

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。（总传质速率）第二节物理吸收

（8.2.16）（8.2.17）当前33页，总共92页。在气液界面上，应用亨利定律：（三）总传质速率方程液膜传质速率方程改写成：将(NA)L变化成气体分压的函数。第二节物理吸收

（8.2.19）（8.2.16）当前34页，总共92页。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——以气相分压差为推动力的总传质系数,kmol/(m2sPa)稳态时经变换：第二节物理吸收

（8.2.20）（8.2.21）总阻力＝气膜阻力＋液体膜阻力当前35页，总共92页。同理，以液相浓度差为推动力的总传质速率方程：c*A——与气相主体分压平衡的液体浓度，kmol/m3KL——以液相浓度差为推动力总传质系数,m/s气相总传质系数KG与液相总传质系数KL之间的关系：第二节物理吸收

（8.2.23）（8.2.22）当前36页，总共92页。总传质速率方程的其他表示形式：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Ky，Kx——以摩尔分数差为推动力的气相和液相总传质系数，kmol/m2s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）当前37页，总共92页。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。当传质推动力一定时，则需要减小传质阻力来提高传质速率。总传质速率方程表示了什么？第二节物理吸收

当前38页，总共92页。

包括气膜阻力和液膜阻力两部分：

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）当前39页，总共92页。用水吸收NH3、HCl等属于气膜阻力控制的传质过程。……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

当前40页，总共92页。对于难溶气体：H值很小,液膜阻力相对很大……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

当前41页，总共92页。课后练习P278例题8.2.2第二节物理吸收

（总）传质系数分压差浓度差摩尔分数差摩尔分数差摩尔比差摩尔比差推动力气相液相以××差为推动力的（总）传质速率方程当前42页，总共92页。(1)亨利定律有哪些表达形式，意义如何，常数之间的关系如何。(2)如何通过相平衡曲线判断传质方向，其物理意义何在。(3)吸收过程是典型的传质过程，它有哪几个基本步骤。本节思考题第二节物理吸收

(4)双膜理论的基本论点是什么。(5)吸收速率与传质推动力和传质阻力的关系，有哪些表达形式。(6)吸收的传质阻力由哪几个部分组成，如何表示，关系如何。(7)简要说明气体性质对传质阻力的影响，并举例说明。当前43页，总共92页。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半干法脱硫：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）第三节化学吸收当前44页，总共92页。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当前45页，总共92页。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当前46页，总共92页。相界面溶质ApApAi气相主体液相主体A+BM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第三节化学吸收当前47页，总共92页。

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。第三节化学吸收当前48页，总共92页。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，原因：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。第三节化学吸收当前49页，总共92页。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当前50页，总共92页。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：化学反应平衡常数：

[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：

第三节化学吸收（8.3.1）（8.3.2）当前51页，总共92页。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：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）当前52页，总共92页。1.溶质与吸收剂反应：如用水吸收氨。假设溶质在溶剂中的总浓度为cA，化学反应平衡关系可表示为：进而可得第三节化学吸收（8.3.4）（8.3.5）（8.3.6）当前53页，总共92页。将此浓度代入亨利定律，可得溶质的气液相平衡关系：在稀溶液条件下：溶剂量大，[B]=常数；反应条件一定时，K=常数上述气液相平衡在形式上仍然符合亨利定律。溶解度系数增加了(1+K[B])倍。

第三节化学吸收（8.3.7）当前54页，总共92页。如果吸收过程还涉及到其他的反应，那么整个吸收过程的溶质平衡关系就会更为复杂。比如，反应产物发生离解反应：

则相应的离解反应平衡关系为：

第三节化学吸收（8.3.8）（8.3.9）当前55页，总共92页。则溶质A在液相中的总浓度为而再根据化学反应平衡关系

第三节化学吸收（8.3.10）当前56页，总共92页。可解得：

相平衡关系式：此时，pA*与cA不再是亨利定律的正比关系。第三节化学吸收（8.3.13）当前57页，总共92页。2.溶质与溶剂中的活性组分B反应：B代表溶剂中与溶质反应的活性组分。

设活性组分B的初始浓度为，反应平衡时的转化率为R

化学平衡关系可写为:

第三节化学吸收（8.3.14）当前58页，总共92页。溶剂中未反应溶质A的浓度为由亨利定律，可以得到溶质的气液相平衡关系：由上式可以求得：

所以参加反应的溶质浓度为：

表示了溶剂的吸收能力最大趋近活性组分的起始浓度第三节化学吸收（8.3.15）（8.3.17）（8.3.16）当前59页，总共92页。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当前60页，总共92页。第三节化学吸收当前61页，总共92页。第三节化学吸收当前62页，总共92页。三、化学吸收的传质速率传质模型基础：双膜模型气相侧：溶质传质速率方程与物理吸收过程相同

气液两相界面处：溶质在气液两相中的组成仍然符合平衡关系，可用亨利定律表示。第三节化学吸收（8.3.18）当前63页，总共92页。液相侧：扩散传质过程和化学反应过程的共同作用化学反应界面处液相溶质物理态溶解浓度减小相界面处的传质推动力增加液相侧停滞膜当量厚度降低传质阻力减少

传质系数增加

也可以说液相的传质速率增大，从而增大了总传质过程的速率。

化学反应对液相传质速率的影响可以用增大传质推动力或增大传质系数两种方法来表示。第三节化学吸收当前64页，总共92页。不存在化学反应时，物理吸收的液相传质速率为：

如果认为传质系数不变，传质推动力增加，则：相应地，总传质系数也不变，但液相传质推动力增加，以液相浓度差为推动力的总传质速率方程可表示为：——增加的传质推动力部分，其实质是由于化学反应减少的液相溶质浓度。

第三节化学吸收（8.3.20）（8.3.19）（8.3.21）当前65页，总共92页。如果传质推动力不变，传质系数增加，则液相传质速率方程可表示为:同样，总传质系数也会相应增加：

—增强因子

所以总传质速率方程为：

第三节化学吸收（8.3.23）（8.3.22）（8.3.24）当前66页，总共92页。如何求增强因子？扩散方程化学反应速率方程

建立反应-扩散微分方程式然后根据具体的反应过程进行积分求解。针对溶质A、活性组分B

化学反应分：瞬时、快速、慢速、一级、二级、n级可逆、不可逆第三节化学吸收当前67页，总共92页。相界面pApAi=0cMicM气相主体液相主体cBicB如果液相中活性组分B：浓度足够大，扩散速率足够快溶质A：在相界面处与B完全反应在液膜内没有扩散化学吸收就完全等同于气膜阻力控制的物理吸收极端情况：反应面发生在界面上：第三节化学吸收当前68页，总共92页。活性组分B的浓度较大，扩散速率也较快，化学反应发生在液膜中，此时的传质过程和反应过程就会相对复杂。

相界面pApAicM气相主体液相主体cAicBGL1L2反应面：取决于A、B传质速率的相对大小反应面发生在液膜：第三节化学吸收当前69页，总共92页。第三节化学吸收当前70页，总共92页。对于液膜控制的吸收过程，采用化学吸收过程可以消除液相传质阻力，大大提高传质速率。但对于气膜控制的吸收过程，化学吸收是否有作用？第三节化学吸收当前71页，总共92页。化学吸收与物理吸收的主要区别是什么。化学反应对吸收过程有哪些影响。如何联系化学吸收的气液平衡和化学反应平衡。如何解释化学吸收中传质速率的增加。化学吸收的适用范围是什么。本节思考题第三节化学吸收当前72页，总共92页。一、吸收设备工艺简述二、填料塔吸收过程的物料衡算与操作线方程三、吸收剂用量的计算四、填料层高度的基本计算本节的主要内容第四节吸收设备的主要工艺计算

当前73页，总共92页。低浓度气体吸收为对象。板式塔：气液两相在塔内逐级接触填料塔：气液两相在塔内连续接触

一、吸收设备工艺简述第四节吸收设备的主要工艺计算

当前74页，总共92页。第四节吸收设备的主要工艺计算

当前75页，总共92页。填料塔:规整填料塑料丝网波纹填料

散装填料塑料鲍尔环填料逆流吸收当前76页，总共92页。二、填料塔吸收过程的物料衡算与操作线方程假定：气液两相摩尔流量恒定等温吸收（一）全塔物料衡算

qnGL（溶剂）Y2X2G气体LY1X1YXY+dYX+dXdhqnLmn第四节吸收设备的主要工艺计算

塔底塔顶当前77页，总共92页。对全塔作溶质A的物料衡算：qnG—通过吸收塔的惰性气体摩尔流量，kmol/sqnL—通过吸收塔的溶剂摩尔流量，kmol/s由上式可以计算出口处尾气中的溶质组成Y2。低浓度气体吸收，流经全塔的混合气体流率和液体流率变化不大，因此可以混合气体/液体流率代替惰性气体/液体溶剂流率,并用摩尔分数y、x代替摩尔比Y、X。

第四节吸收设备的主要工艺计算

（8.4.1）当前78页，总共92页。在吸收塔的任一个横截面，气液两相逆向接触流动，都可以跟塔底截面或塔顶截面作溶质的物料衡算：或（二）操作线方程式与操作线X2X*X1XY1Y*Y2操作线(qnL/qnG)平衡线AB第四节吸收设备的主要工艺计算

（8.4.3）（8.4.4）塔顶塔底塔内任一截面上的气液组成与操作点一一对应操作点到平衡线的距离代表推动力；操作线与平衡线相距越远推动力越大。当前79页，总共92页。三、吸收剂用量的计算吸收剂用量的变化会引起操作线相应的变化

X2X*X1XY1Y*Y2操作线(qnL/qnG)平衡线(qnL/qnG)min(qnL/qnG)maxABCB1D吸收剂用量增加吸收剂用量无穷大最小吸收剂用量。吸收液中溶质浓度达最大。传质面积无穷大第四节吸收设备的主要工艺计算

塔顶塔底当前80页，总共92页。根据全塔的物料衡算，吸收剂用量为：最小吸收剂用量条件下，塔底截面气液两相平衡,由亨利定律，得：

最小吸收剂用量为：

实际吸收剂用量>qnLmin

吸收剂用量吸收塔高度第四节吸收设备的主要工艺计算

（8.4.5）（8.4.6）（8.4.7）当前81页，总共92页。四、填料层高度的基本计算涉及到吸收过程的物料衡算、传质速率方程和相平衡关系。（一）填料层高度的计算式

1.基本计算式

YXdh对微元填料层作溶质A的物料衡算：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

第四节吸收设备的主要工艺计算

当前82页，总共92页。将微元填料层物料衡算方程和传质速率方程联立：稳态低浓度吸收：

单位传质推动力下，单位时间单位体积填料层内传递的溶质的量，可实验测定。

第四节吸收设备的主要工艺计算

体积传质系数当前83页，总共92页。令：……气相总传质单元数

……总传质单元高度，m2.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

（8.4.1