安全工程专业工业防毒技术经典课件有害气体的吸收净化2

（优选）安全工程专业工业防毒技术经典课件有害气体的吸收净化当前第1页\共有77页\编于星期三\3点吸收是选用适当的液体和混合气体接触，利用不同的气体在液体中不同的溶解能力，除去其中一种或几种组成成分的气体处理过程。能够用吸收法净化的有害气体主要有SO2、HF、H2S、NOX、SiF4、HCL、CL2、NH3、汞蒸气、酸雾、沥青烟和多种组分有机物蒸气。分类：物理吸收和化学吸收两类。物理吸收没有明显的化学反应，可以认为是一种单纯的物理溶解过程，例如用水吸收氨。物理吸收是可逆的，在解吸时不改变被吸收气体的性质。对于高浓度气体，可考虑物理吸收，进而便于物质回收--2--当前第2页\共有77页\编于星期三\3点吸收质对于吸收操作过程，被吸收的气体惰气气相中其余不被吸收的气体吸收剂吸收用的液体富液吸收后的吸收液。富液需要进一步处理，以免造成二次污染由于情气量和吸收剂量在吸收过程中可以认为是定值，以它们作为基准来表示浓度，对于计算相当方便--3--当前第3页\共有77页\编于星期三\3点(一)对吸收剂的主要要求(1)对吸收质的溶解度要高，具有良好的选择性，(2)蒸气压低，以减少吸收剂损失或造成新的污染；(3)无毒性和腐蚀性，化学性稳定，难于燃烧(4)沸点要高，融点要低；(5)价格低廉，来源广；(6)解吸再生较方便，或能综合利用。--4--当前第4页\共有77页\编于星期三\3点常见的吸收剂1.水水是一种很好的工作介质，符合上面提到的大多数要求，是许多吸收过程(特别是物理吸收)首先考虑采用的一种吸收剂。水既可以直接作吸收剂，也可以用水溶液作吸收剂。对于HCl，NH3等水溶性气体，用水作吸收剂是最经济的。水对有些物质的溶解度较低，为了提高吸收效果，可加入增溶剂。--5--当前第5页\共有77页\编于星期三\3点--6--当前第6页\共有77页\编于星期三\3点第二节吸收的基本理论一、气液相组成的表示方法（一）质量分数和摩尔分数用G表示总质量，用GA、GB、GC、……分别表示该相所含组分A、B、C…的质量，则各组分的质量分数为--7--当前第7页\共有77页\编于星期三\3点习惯上，液相的摩尔分数用x表示，气相摩尔分数用y表示。对理想气体而言，气相中组分的摩尔分数的数值就等于它的体积分数值。气体组分的浓度有时又可用组分的分压表示。根据道尔顿分压定律：--8--当前第8页\共有77页\编于星期三\3点（二）质量浓度和摩尔浓度某单位体积所含组分的质量或摩尔数，即为质量浓度和摩尔浓度。用--9--当前第9页\共有77页\编于星期三\3点（三）比质量分数和比摩尔分数某组分的质量或摩尔数与此相中除此组分之外的质量或摩尔数之比。--10--当前第10页\共有77页\编于星期三\3点已知氨水中氨的质量分数为25%，求氨的摩尔分数和比摩尔分数？

--11--当前第11页\共有77页\编于星期三\3点二、吸收过程的相平衡关系（一）气体在液体中的溶解度1）吸收过程的气液相平衡

吸收过程当混合气体与吸收剂接触时，气相中的可吸收组分（吸收质）就会向液相进行质量传递，称为吸收过程。

解吸过程伴随吸收过程的同时，还会发生液相中吸收组分反过来向气相逸出的质量传递过程，称为解吸过程。在一定的温度和压力下，吸收过程的速率和解吸过程的速率最终将会相等，气液两相间的质量传递达到动态平衡，简称为相平衡。这时气相中吸收质分压称为平衡分压，液相中所溶解吸收质的浓度称为平衡溶解度．简称溶解度．它是吸收的极限．又称最大溶解度，常定义为每100千克溶剂中溶解气体的千克数。--12--当前第12页\共有77页\编于星期三\3点由于某组分的溶解度与该组分在气相中的分压成正比，故溶解度也可用组分在气相中的分压表示。它与气体和溶剂的性质有关，并受温度和压力等的影响。一般来说，①在同温同压的情况下，不同性质的气体在相同溶剂中的溶解度不同；②当温度一定时，溶解度随吸收质分压的升高而增大；③气体的溶解度与温度有关，一般来说，随着温度的升高，溶解度下降。--13--当前第13页\共有77页\编于星期三\3点（二）亨利定律亨利定律是物理吸收过程的气液相平衡规律。在一定温度下，对总压不高(一般约小于5×l05Pa)的物理吸收，气态吸收质在吸收剂溶液中的溶解度与气相中吸收质的平衡分压成正比，即：亨利定律适用①用于液相浓度非常低的情况②物理吸收不适用于①吸收液浓度高的情况②化学吸收过程--14--当前第14页\共有77页\编于星期三\3点1.液相浓度以单位体积含溶质的摩尔数表示--15--当前第15页\共有77页\编于星期三\3点2.液相浓度用溶质气体的摩尔分数表示3.气相浓度用摩尔分数表示--16--当前第16页\共有77页\编于星期三\3点4.用比摩尔分数表示在吸收过程中，由于惰性气体和吸收剂均为溶质在气、液相中的载体，他们在吸收过程中视为不消耗，因此在计算中常用比摩尔分数表示相的组成。则亨利定律可以表示为式中Y*—溶质气体在溶液表面上的平衡浓度，用比摩尔分数表示；X—溶质气体在液相中的比摩尔分数浓度；由于稀溶液中的吸收质浓度很低，上述公式可简化为--17--当前第17页\共有77页\编于星期三\3点（三）亨利定律中几个系数之间的关系--18--当前第18页\共有77页\编于星期三\3点--19--当前第19页\共有77页\编于星期三\3点三、吸收过程的机理——双膜理论吸收是气态污染物从气相向液相转移的过程，涉及气液两相间的传质，这种过程十分复杂，直接进行研究比较困难。现已提出了一些简化模型及理论来加以描述，比较有影响的有双膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论等。在这些理论中，目前以刘易斯（）和怀特曼（）提出的双膜理论应用较为普遍。--20--当前第20页\共有77页\编于星期三\3点双膜理论的基本思想（1）相互接触的气—液两相间存在一稳定的相界面，在相界面两侧的气相和液相中分别存在两层滞留膜，即气膜和液膜，在气膜以外的气相称为气相主体，在液膜以外的液相称为液相主体。（2）气体的吸收过程包括：①被吸收组分从气相主体通过气膜边界向气膜移动；②被吸收组分从气膜向相界面移动；③被吸收组分在相界面处溶入液相；④溶入液相的被吸收组分从气液相界面向液膜移动；⑤溶入液相的被吸收组分从液膜向液流主体移动。--21--当前第21页\共有77页\编于星期三\3点（3）在相界面处，被吸收组分总是处于气液相平衡状态，没有传质阻力存在；在气膜和液膜两滞留层中，被吸收组分靠分子扩散作用进行传质，存在气膜阻力和液膜阻力；在气相主体和液相主体中，各组分物质充分混合，浓度均一，不存在浓度梯度，无扩散阻力存在。因此整个过程的传质阻力看成是气膜阻力和液膜阻力之和，传质速率取决于气膜和液膜的分子扩散速率。--22--当前第22页\共有77页\编于星期三\3点--23--当前第23页\共有77页\编于星期三\3点四、传质过程的机理——物质扩散吸收质从气相转移到液相的传质过程是借助扩散作用实现的。所以说传质过程的基础是物质的扩散，故传质过程又称为扩散过程。（一）吸收质A通过气膜的稳定扩散假定吸收质A组分通过惰性气体B的扩散式不随时间变化的稳定扩散，其扩散速率即单位时间经过单位传质面积的物质量，与组分A在扩散方向上的浓度梯度成正比，其数学表达式为--24--当前第24页\共有77页\编于星期三\3点负号表示压力的降低组分A向浓度降低的方向扩散。扩散系数D表示物质在介质中的扩散能力。它随温度升高和压力的降低而增大整理可得组分A在相对静止的惰性气体中扩散速率方程式--25--当前第25页\共有77页\编于星期三\3点当浓度很低时，则上式简化为--26--当前第26页\共有77页\编于星期三\3点（二）吸收质A通过液膜的稳定扩散液体中分子扩散的速率，是按吸收质A通过相对静止溶剂的扩散速率计算的，--27--当前第27页\共有77页\编于星期三\3点（三）气体扩散系数的求取

P125页给出的表4-7是在标态下测得，如果已知在标态下的扩散系数DO，则可按下式计算出温度为T、压强为p时的扩散系数D的值--28--当前第28页\共有77页\编于星期三\3点第三节吸收速率方程式一、吸收速率方程式上面分析的气液平衡关系，是在气液两相接触相当长时间之后，吸收剂所能吸收的最大气体量．实际操作时，气液接触的时间是有限的。所以，必须确定单位时间内吸收剂所吸收的气体量，这个量叫做吸收速率。吸收速率方程式是计算吸收设备的基本方程式。它反映了吸收过程快慢的程度。（一）组分A通过气膜的吸收速率方程式根据双膜理论，吸收过程即为吸收质通过两层膜的分子扩散过程，所以组分A通过气膜的分子扩散速率即为其吸收速率。--29--当前第29页\共有77页\编于星期三\3点（二）组分A通过液膜的吸收速率方程式组分A通过液膜的分子扩散速率即为其吸收速率。二、吸收总系数和分系数的关系从整个吸收过程看，只要过程是稳定的，在两相界面上无积累或消耗，则单位时间、单位相界面上通过气膜所传递的物质量，必与通过液膜传递的物质量相等，即吸收速率相等。则--30--当前第30页\共有77页\编于星期三\3点--31--当前第31页\共有77页\编于星期三\3点--32--当前第32页\共有77页\编于星期三\3点若气液两相的组分分别用比摩尔分数Y、X表示，则吸收速率方程式可写成--33--当前第33页\共有77页\编于星期三\3点--34--当前第34页\共有77页\编于星期三\3点三、影响吸收的因素有害组分的吸收量，即单位时间的传质量G，可用数学式表示（一）浓度差的影响（二）传质面积F的影响（三）吸收总系数K的影响--35--当前第35页\共有77页\编于星期三\3点

在总传质阻力中，若气膜的阻力远远大于液膜阻力，则称为气膜控制；若液膜阻力远远大于气膜阻力则称为液膜控制。根据上面各式分析可知，要提高过程的吸收速率可采取以下措施：

1．提高气液相对运动速度，以减小气膜和液膜的厚度。

2．增大供液量，降低液相吸收浓度，以增大吸收推动力。

3．增加气液接触面积。

4．选用对吸收质溶解度大的吸收剂。--36--当前第36页\共有77页\编于星期三\3点第四节吸收流程与操作一、吸收与解吸解吸：将已溶解的气体自溶液中释放出来的操作。解吸方法：液体减压是最简单的方法；加热解吸是最普通的方法；在惰性气流中解吸。二、吸收操作与操作线方程稳态逆流操作吸收塔的气液组成和流速如图所示，各符号含义如下(下标1表示塔底，2表示塔顶)：

V——单位时间通过塔的惰性气体的流量，kmol／h；

L——单位时间通过塔的吸收剂的流量，kmol／h；

Y——吸收质在气相中的浓度，以摩尔比表示；X——吸收质在液相中的浓度，以摩尔比表示。自塔底通入的混合气体在塔内上升时，与从塔顶流下的吸收剂相接触，两相的浓度不断地变化。但通过塔的惰性气体量和吸收剂量是不变的。在塔内取任一截面m-n，按图所示在虚线范围内计算吸收质的物料衡算，得：--37--当前第37页\共有77页\编于星期三\3点--38--当前第38页\共有77页\编于星期三\3点三、吸收剂的用量在吸收塔的设计计算中，气体的处理量、溶质进塔气体的浓度、吸收剂入塔的浓度以及分离要求都是规定了的，吸收剂的用量则有待确定。吸收剂的用量是影响吸收操作的重要因素之一，直接影响设备的尺寸和操作费用。当气体处理量一定时，操作线的斜率L/V取决于吸收剂的用量。参阅图，图中比OC曲线是由气液相的平衡关系Y＝f(X)得到的气液相平衡线。直线AB为吸收塔的操作线。A(Y2、X2)代表塔顶的气液相组成，B(Y1、X1)代表塔底的气液相组成。在操作线AB上任取一点D，代表塔内任一截面的气液相组成(Y、X)。过D点做垂线，与平衡线相交于F点，线段DF的长度表示在此截面处的操作条件下，实际的气相浓度Y与平衡浓度Y*之差，即--39--当前第39页\共有77页\编于星期三\3点--40--当前第40页\共有77页\编于星期三\3点

同样，过D做平行于X轴的直线，与平衡线OC相交于E点，则线段DE的长度表示在此截面处的操作条件下，实际的液相组成与平衡浓度之差，即

图中与Y1相平衡的液相浓度是；表示此时吸收溶液的浓度已达到与Y1平衡的浓度，因此吸收推动力为0，传质过程终止。改变吸收剂的用量，操作线斜率L／V发生变化，因此图中B点的位置也会发生变化--41--当前第41页\共有77页\编于星期三\3点三、吸收剂的用量吸收剂在单位时间内的消耗量对吸收操作是很重要的工艺数据。当处理气体量一定时，往往要根据净化任务的要求确定合理的吸收剂用量。吸收剂的比用量（吸收剂的单位消耗量或液气比）：指处理每1kmol惰性气体所需的吸收剂的kmol数。在吸收塔的计算中，需要处理的惰性气体量V，气相的初始和终止的浓度Y1和Y2以及吸收剂进塔的组成X2，都为过程本身和生产分离要求所决定。根据操作线方程式可得单位惰性气体所需吸收剂的量：平衡线靠近，则推动力变小。当操作线与平衡线相交时，吸收的推动力为零，液相浓度已与气相的浓度平衡，吸收过程停止，此时吸收剂的用量最小而吸收液的浓度最高。--42--当前第42页\共有77页\编于星期三\3点若斜率过大，则吸收剂的比用量就大，吸收液的浓度很低，则用来输送吸收剂的费用或用于解吸的费用都要增加。若斜率过小，则所需的吸收塔就过高，用于建造吸收塔的投资将增加。--43--当前第43页\共有77页\编于星期三\3点第五节化学吸收和非等温吸收一、化学吸收（一）概述

伴有显著化学反应的吸收过程为化学吸收。化学吸收可以是被溶解的气体与吸收剂或溶于吸收剂中的其他物质进行化学反应，也可以是两种同时溶进去的气体发生化学反应。如用各种酸溶液吸收NH3，用碱溶液吸收SO2、CO2、H2S等过程。与物理吸收相比，化学吸收过程由于化学反应的发生，使溶液中吸收质的平衡浓度降低，因而吸收推动力增加，吸收速率和吸收率均增加。净化工程中应用的吸收操作，一般多为化学吸收。若进行的化学反应是可逆的，吸收剂用后仍可解吸回收。--44--当前第44页\共有77页\编于星期三\3点(二）、化学吸收机理化学吸收机理比物理吸收的机理复杂。如前所述，物理吸收速率为吸收组分从气相主体通过气膜到界面和从界面通过液膜到液相主体的扩散速率。扩散阻力主要在气膜或液膜。对于化学吸收，除考虑扩散速率外，还要考虑化学反应的速率。吸收操作中的化学反应种类很多。对于简单的双分子反应A+B一C，如果反应产物仍然保留在液相中，则吸收过程要经历以下五个步骤：(1)组分A从气相主体通过气膜向气液相界面扩散(2)组分A在液膜向反应带扩散；(3)溶剂中的反应组分B从液相主体向反应带扩散(4)组分A和组分B在反应带中进行化学反应；(5)反应产物C从反应带向液相主体扩散。--45--当前第45页\共有77页\编于星期三\3点被吸收的气体组分A和吸收剂(或它的活性组分)在液相进行反应，组分A的一部分被消耗，导致液相中组分A的浓度降低。因此，浓度梯度增大，传质的推动力增加，液相吸收速率大于物理吸收时的速率。化学反应速度越快，组分A消耗的速度也越快，液相中的吸收速率也就越大。当反应速度很大时，组分A到达气液相界面就参与反应，这时液膜阻力为0。反之，当反应速度很慢时，化学吸收速率比物理吸收速率快得不多，甚至可以忽略不计。--46--当前第46页\共有77页\编于星期三\3点（三）、化学反应对吸收的影响化学吸收与物理吸收的比较见图，各符号含义如下：

PA——吸收组分A在气相主体的分压，Pa；

PAi——吸收组分A在相界面处的气相分压Pa；

AL一吸收组分A在液相主体的浓度；

Ai——吸收组分A在相界面处的液相浓度；BL——反应组分B在液相主体的浓度；Bi——反应组分B在相界面处的液相浓度；ZG——气膜厚度，mm；ZL——液膜厚度，mm。--47--当前第47页\共有77页\编于星期三\3点--48--当前第48页\共有77页\编于星期三\3点

由图可见，吸收组分A从气相主体扩散到气液相界面，其扩散机理与物理吸收没有区别。组分A到达相界面后与溶剂中的反应组分B进行化学反应，面B必须从液相主体扩散到界面或界面附近才能与A相遇。A与B在什么位置上进行反应取决于反应速率与扩散速率的相对大小。反应进行得越快，A消耗得越快，则A抵达气液界面后不用再扩散很远就会消耗干净；反之，A也可能扩散到液相主体中仍有大部分未能参加反应。因此．化学吸收的液相吸收系数不仅取决于液相的物理性质与流动状态，面且取决于化学反应速度。--49--当前第49页\共有77页\编于星期三\3点化学反应速度不同，对液相吸收系数的影响，即对吸收速率影响不同。

(1)当反应速度很慢，如弱碱K2C03或Na2C03吸收CO2时，吸收组分A进入液相后与溶剂中的反应组分B进行缓慢反应(如图6—5所示)。由于被吸收组分是慢慢被消耗掉的，所以液膜内A浓度的变化为一稍向下凹的曲线。B也由于反应消耗了一些，它的浓度在靠近界面处稍有下降。A继续向低浓度扩散，一直到液相主体并在其中继续进行反应。由于反应慢，总吸收速率增加得不显著。--50--当前第50页\共有77页\编于星期三\3点(2)若反应为中等速度，则气相组分A进入液膜后，随反应的进行，浓度逐渐降低直到最后反应完毕。同样，B的浓度也逐渐降低(如图6—6所示)。发生化学反应的结果使得液膜厚度由ZL，变成Z1，即液膜厚度减小，吸收速率增加。--51--当前第51页\共有77页\编于星期三\3点(3)若反应速度非常快，例如强碱NaoH溶液吸收CO2时，被吸收组分A进入液相后立即与反应组分B发生反应，并在液膜内很快反应完毕．又称为飞速反应，如图7所示。--52--当前第52页\共有77页\编于星期三\3点组分B的浓度较低时(图6—7a)，反应在液膜内某处进行，若反应在瞬时完成，即发生瞬时反应。这时反应位置上A和B的浓度同时降为0。反应的位置称为反应面，即反应带的厚度为0。组分B的浓度增大时(6—7b)，则反应面向气液相界面移动，到达某一临界浓度时反应面与相界面重合，即界面处pAi和Bi均为0。表示A刚从气相主体扩散到界面处便立即反应而消耗干净。A与B在反应面相遇前，各自在两膜中扩散时均无消耗，故其浓度变化为直线。组分B的浓度大于临界浓度时(图6—7c)，相界面处Ai=0，Bi大于0。反应面仍与相界面重合，液膜阻力为0，吸收速率只决定于组分A从气相主体扩散到相界面的阻力，成为气膜控制。--53--当前第53页\共有77页\编于星期三\3点二、非等温吸收吸收过程多为放热过程，因此一般的吸收均为非等温吸收过程。吸收过程的热效应主要来源有⑴溶解热。被吸收组分溶入吸收剂后产生的溶解热效应，又称混合热。⑵反应热。吸收组分与吸收中活泼组分发生化学反应产生的反应热。⑶潜热效应。气相的被吸收组分溶于吸收剂中放出的气化潜热效应。--54--当前第54页\共有77页\编于星期三\3点第六节吸收设备主要尺寸的计算一、塔型选择吸收设备类型繁多，就其结构形式和操作方法，可分为两大类：填料塔和板式塔。选择塔型时，应从实现吸收过程所要求的基本条件以及经济上的合理性出发。为使传质设备有较高的净化效率，应选用生产能力大，阻力小，操作弹性大，以及结构简单、维修方便的设备。选择塔型的一般原则为：(1)根据物料性质特点选型。对于易起泡沫、腐蚀严重、粘度大、热敏性物料宜选用填料塔，对有悬浮团体颗粒或有淤渣的物料宜用板式塔。

(2)根据吸收过程特点选型。对吸收过程中产生大量热需移出的过程或有其他物料需要加入或引出的过程宜用板式塔，对于快速不可逆化学反应的吸收过程，则可用空塔或喷射式吸收塔。(3)根据经济上的合理性选型。为节省动力消耗，减少金属材料，简化塔内部结构，易于制造安装，以及操作时要求压降小，操作规模不大时，则应采用空塔或填料塔；为了强化吸收，提高效率和处理量，以及便于日常维修、清洗等，宜采用板式塔。--55--当前第55页\共有77页\编于星期三\3点--56--当前第56页\共有77页\编于星期三\3点--57--当前第57页\共有77页\编于星期三\3点喷淋塔--58--当前第58页\共有77页\编于星期三\3点--59--当前第59页\共有77页\编于星期三\3点喷淋塔--60--当前第60页\共有77页\编于星期三\3点--61--当前第61页\共有77页\编于星期三\3点--62--当前第62页\共有77页\编于星期三\3点--63--当前第63页\共有77页\编于星期三\3点--64--当前第64页\共有77页\编于星期三\3点二、填料填料是填料塔的重要构件，它的作用是为气液两相提供充分的接触面，并为提高其湍流程度创造条件。工业填料塔所用的填料，大致可分为实体填料和网体填料两大类。工业填料也可以按填料的堆砌方法分为乱堆填料和整砌填料。填料的基本特性数据有以下几项：(1)比表面积a(m2／m3)：单位体积填料的表面积。比表面积大则能提供的相接触面积大。(2)孔隙率c(m3／m3)；单位体积填料所具有的自由空间，也称为自由体积。孔隙率大则气体通过时的阻力小。(3)填料个数n〔个／m3)：每立方米体积中填料的个数。对于乱堆填料来说，n是一个统计数字，它与塔径、装填方法、使用时间等因素有关。因此各种资料上的填料特性参数往往有出入，一般在l0％一15％左右。--65--当前第65页\共有77页\编于星期三\3点

网体填料

实体填料--66--当前第66页\共有77页\编于星期三\3点

整砌填料

乱堆填料--67--当前第67页\共有77页\编于星期三\3点填料拉西环--68--当前第68页\共有77页\编于星期三\3点(4)干填料因子和填料因子。比表面积和空隙率两个填料特性所组成的复合量称为干填料因子。在有液体喷淋的填料上，部分孔隙被液体所占据，孔隙率减小，比表面积也发生变化，因而提出一个相应的湿填料因子，简称填料因子。填料的材质多为陶瓷、金属或塑料。在选择填料时应考虑境料具有较大的比表面积和较大的孔隙率，对气流具有较小的阻力，并能很好地分布液体，面且对操作介质应具有耐腐蚀性。另外，填料还应具有密度小、造价低、机械强度大等特性。--69--当前第69页\共有77页\编于星期三\3点三、填料塔的液泛速度和直径1．填料塔的液泛速度在气液两相逆流