第13章吸收(环境工程原理中北)

• 水、碱液吸收净化含氟废气（磷酸生产中）
第三节 化学吸收
一、化学吸收的特点 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。
第三节 化学吸收
相界面
溶质A
pA 气相主体 溶质从气相主体 相界面的过程与物 理吸收完全相同
pAi
cAi
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。
吸 收
解吸
yA
xA
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：
y yA y
* （8.2.10）p A
pA p
cA HpA 1.56 102 5.05 0.0788 kmol/m3
2
第三节 化学吸收
由吸收液中 SO2 的浓度，根据解离平衡，求得 HSO3-浓度
H + HSO3- K1 SO2
HSO3- K1 SO2 1.7 102 0.0788 0.0366 kmol/m3
M D A


（8.3.8）
则相应的解离反应平衡关系为：
D A K1 M
（8.3.9）
第三节 化学吸收
则溶质A在液相中的总浓度为 cA A M A 而 A D
cA A M K1 M （8.3.10）
（8.3.13）
此时，pA*与cA不再是亨利定律的正比关系。
第三节 化学吸收
2.溶质与溶剂中的活性组分B反应：
AB M
B代表溶剂中与溶质反应的活性组分。
0 设活性组分B的初始浓度为 cB ，反应平衡时的转化率为R
B c
0 B
(1 R)
0 M cB R
化学平衡关系可写为:
0 M cB R R K 0 AB A cB (1 R) A (1 R)
第一节 吸收的基本概念 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
二、吸收的类型
(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
p
* A
A
H
cA 1 H 1 K B
（8.3.7）
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
如果吸收过程还涉及其他反应，那么整个吸收过程的溶质 平衡关系就会更为复杂。 比如，反应产物发生解离反应：
再根据化学反应平衡关系
M K A B
第三节 化学吸收
可解得：
A
(2cA K a ) K a (4cA K a ) 2(1 K B)
Ka
1 K B
K1 K B
相平衡关系式：
p
* A
A
H
1 (2cA K a ) K a (4cA K a ) H 2(1 K B)
所以溶液中溶解的 SO2 总的浓度为
SO2 + HSO3- 0.0788 0.0366 0.1154 kmol/m3=7.4kg/m3
M m A 1 * pA b H H K B
可知[A]低于液相中溶质A的总浓度。
1 a
（8.3.3）
* pA 低于仅有物理吸收时溶质在气相中的 H一定时， 平衡分压。
因此溶剂的吸收率是大于物理吸收的。Fra bibliotek 第三节 化学吸收
1.溶质与吸收剂反应： 如用水吸收氨。
0.552 105
SO2
0.413 104
上述气态物质被水溶解的难易程度？
第二节 物理吸收
如果溶质在气液两相中的组成均以摩尔分数表示：
y mxA
* A
m —— 相平衡常数 注意：亨利定律的不同表示方式和系数的单位、换算 方法。
第二节 物理吸收
（二）相平衡关系在吸收过程中的应用
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。
* KHpA cB0 * 1 KHpA
cA, RcB0
表示了溶剂 的吸收能力
（8.3.17）
最大趋近活性组分的起始浓度
第三节 化学吸收
化学吸收过程特点
溶质 气液相平衡
溶液中未反应 的溶质浓度
化学反应平衡
第三节 化学吸收
【例题 8.3.1】在 20℃下，用水吸收空气中的 SO2，达到吸收 平衡时，SO2 的平衡分压为 5.05kPa，如果只考虑 SO2 在水中 的一级解离，求此时水中 SO2 的溶解度。已知该条件下 SO2 溶解度系数为 H 1.56 10 kmol/（kPa·m3） ，一级解离常 数为 K1 1.7 102 kmol/m3。 解：考虑解离情况下 SO2 的吸收情况可以表示为以下两个过 程： 扩散传质过程 SO2 g SO2 l 解离过程 SO2 +H2O H+ +HSO3由传质平衡可以求得吸收液中 SO2 的浓度
M K a b A B
m
[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：
M m A b K B
1 a
（8.3.2）
第三节 化学吸收
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：
反应区位置 影响因素： 反应速率 扩散速率
活性组分B 产物M
液相主体
A+BM
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。
本节思考题
(1)简述吸收的基本原理和过程。
(2)吸收的主要类型有哪些？ (3)环境工程领域有哪些吸收过程？ (4)利用吸收法净化气态污染物的特点有哪些？
第二节 物理吸收
物理吸收的热力学基础
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。
* （8.2.12） 气相 A
（摩尔分数）
（气体分压、物质的浓度）
*
x x xA
* A
（8.2.11） c cA
cA（8.2.13） 液相
第二节 物理吸收
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，
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。
二、化学吸收的平衡关系
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
稀溶液下
亨利定律
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
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：
a A b B mM
（8.3.1）
化学反应平衡常数：
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
(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——非等温吸收 如果液相温度基本保持不变——等温吸收 单组分等温物理吸收是最简单和最基础的。
第一节 吸收的基本概念
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：
p*A —— 溶质在气相中的平衡分压，Pa； ExA （8.2.1）xA —— 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。
p
（8.3.14）
第三节 化学吸收
R A K (1 R) （8.3.15） 由亨利定律，可以得到溶质的气液相平衡关系：
溶剂中未反应溶质A的浓度为
p
由上式可以求得：
* A
A
H
R HK (1 R) （8.3.16）
* A
所以参加反应的溶质浓度为：
KHp R * 1 KHpA
假设溶质在溶剂中的总浓度为cA， cA A M 化学反应平衡关系可表示为：
A B M （8.3.4）
M cA A K A B A B
进而可得
（8.3.5）
cA A 1 K B