第四章气体 吸收

第四章 净化气态污染物的方法我们都知道，大气污染物分类为气态污染物和颗粒状污染物，本章是针对于气态污染物的处理方法进行学习。

工程上净化气态污染物的方法主要有以下几种：利用溶液的溶解作用所组成的气体吸收净化；利用固体表面吸附作用的吸附净化；利用某些催化剂的催化转化；有机物的高温焚烧等方法。

§1 吸收法净化气态污染物吸收法净化气态污染物是利用气体混合物中各种成分在吸收剂中的溶解度不同，或者与吸收剂中的组分发生选择性化学反应，从而将有害组分从气流中分离出来的操作过程。

吸收分为物理吸收和化学吸收两大类。

吸收过程无明显的化学反应时为物理吸收，如用水吸收氯化氢。

用水吸收二氧化碳的感。

吸收过程中伴有明显化学反应时为化学吸收，如用碱液吸收难以达到排放标准，因此大多数采用化学吸收。

吸收法不但能消除气态污染物对大气的污染，而且开可以使其还可以使其转化为有用的产品。

并且还有捕集效率高、设备简单、一次性投资低等优点，因此，广泛用于气态污染物的处理。

如处理含有SO 2、H 2S 、HF 和NO x 等废气的污染物。

一、吸收平衡理论物理吸收时，常用亨利定律来描述气液两相间的平衡，即i i i x E p =* 式中*i p ——i 组分在气相中的平衡分压，Pa ；i x ——i 组分在液相中的浓度，mol%；i E ——i 组分的亨利系数，Pa 。

若溶液中的吸收质（被吸收组分）的含量i c 以千摩尔/米3表示，亨利定律可表示为： i i i H c p =*或i i i p H c =i H ——i 气体在溶液中的溶解度，kmol/m 3·Pa 。

亨利定律适用于常压或低压下的溶液中，且溶质在气相及液相中的分子状态相同。

如被溶解的气体在溶液中发生某种变化（化学反应、离解、聚合等），此定律只适用于溶液中未发生化学变化的那部分溶质的分子浓度，而该项浓度决定于液相化学反应条件。

二、双膜理论吸收是气相组分向液向转移的过程，由于涉及气液两相间的传质，因此这种转移过程十分复杂，现已提出了一些简化模型及理论描述，其中最常用的是双膜理论，它不仅用于物理吸收，也适用于气液相反应。

第四章 吸 收1、什么是分子扩散和涡流扩散？答：分子扩散是凭籍流体分子无规则热运动而传递物质的。

发生在静止或滞流流体里的扩散就是分子扩散。

在流动的流体中不仅有分子扩散，而且流体宏观流动也将导致物质的传递。

涡流扩散是凭籍流体质点的湍动和漩涡传递物质的。

2、简述菲克定律的物理意义和适用条件。

菲克定律是对物质分子扩散现象基本规律的描述，表示物质A 在介质B 中发生分子扩散时，任一点处物质A 的分子扩散速率J A 与该位置上组分A 的浓度梯度成正比。

3、简述温度、压力对气体和液体分子扩散速率的影响。

答：由于分子扩散速率与分子扩散系数相关，而分子扩散系数是物质的物性常数之一。

通常气体中的扩散系数与扩散系统温度T 的1.5次方成正比，与其分压p 成反比。

吸收质在液体中的扩散系数与物质的种类、温度有关，同时与溶液的浓度密切相关。

通常，液体中的扩散系数与温度T 成正比，与液体的粘度成反比。

4、对于双组分气体物系，当总压和温度提高1倍时，分子扩散速率将如何变化？ 答：对于气体扩散系数，但温度和压强改变时，可用下式估算：5.1000))((T T P P D D = 故，当温度和压强均增大一倍的时候，扩散速率应增大21.5/2=20.5。

5、分析湍流流动中组分的传质机理。

答：对于湍流流动来说，在流动的流体中不仅有分子扩散，而且流体宏观流动也将导致物质的传递。

dzdc D J A AB A -=6、什么是总体流动？分析总体流动和分子扩散的关系。

答：在吸收过程中，当气液界面上组分A 被溶剂S 溶解后，在界面上将留下空位，因溶剂S 不能逆向通过，只能由气相主体的混合气体来填补空位，因而产生趋向于相界面的“总体流动”。

总体流动是由于分子扩散本身所引起的，而不是由于外力（例如压强差）作用的结果。

7、在A 、B 双组分混合气体的单向分子扩散中，组分A 的宏观运动速度和扩散速度的关系？ 答：N A :传质速率，J A ，J B :扩散速率8、简述对流传质的机理和传质阻力的分布。

第21讲 常见气体的制备、净化和收集[复习目标] 1.掌握常见气体的制备、净化、收集及尾气处理的方法。

2.能对整套气体制备及性质实验装置进行分析，并能处理相关问题。

考点一 常见气体的制备、净化、收集及尾气处理必备知识夯实1．常见气体的发生装置 (1)固体＋固体――→△气体发生装置如图：制备气体：□1O 2、□2NH 3等 (2)固体(液体)＋液体――→△气体发生装置如图：制备气体：□3Cl 2、CH 2===CH 2(需加温度计)等 (3)固体＋液体(不加热)→气体发生装置如图：制备气体：选择合适的试剂和装置能制取中学化学中常见的气体，如NH 3(□4生石灰、□5浓氨水)、O 2(MnO 2、□6H 2O 2溶液)、Cl 2(KMnO 4、□7浓盐酸)、SO 2(□8Na 2SO 3、较浓硫酸)等2．常见气体的除杂装置4.(1)实验室制取Cl2时，尾气的处理可采用□1b装置。

(2)制取CO时，尾气的处理可采用□2a、c装置。

(3)实验室制取NH3时，尾气的处理可采用□3d装置。

名师课堂点拨实验室中制取气体时实验装置的设计关键能力提升一、常见气体的制备和收集1．(2023·北京石景山区模拟)实验室制备下列气体所选试剂、制备装置及收集方法均正确的是()【解析】制取NO2可选用Cu和浓硝酸反应，不能选用稀硝酸，A错误；NH4Cl受热分解生成NH3和HCl，遇冷时NH3和HCl重新化合生成NH4Cl，不能用于制取NH3，B错误；H2O2在MnO2催化下分解生成H2O和O2，可用排水法收集O2，C正确；KMnO4和浓盐酸在常温下反应生成Cl2，Cl2的密度大于空气的密度，采用向上排空气法收集，选择装置c，D错误。

【答案】C2．实验室制取下列气体，所选反应试剂、制备装置与收集方法均合理的是()【解析】铜与稀硝酸生成NO且反应不需加热，NO与空气中的氧气反应生成NO2，不能用排空气法收集NO，A错误；乙醇在浓硫酸作用下迅速升高温度到170 ℃，乙醇生成乙烯气体，乙烯难溶于水，可以用排水法收集，B正确；氨的密度小于空气，应该使用向下排空气法收集，C错误；Na2SO3和硫酸反应不需要加热，且SO2能与水反应，不能用排水法收集，D错误。

第四章气体吸收4.3 多组分吸收和解吸的简捷算法要点（1）概念吸收因子；有效吸收因子；解吸因子；有效解吸因子。

（2）简捷算法Horton—Franklin方程普适性；平均吸收因子法；平均有效吸收因子法；平均解吸因子法；平均有效解吸因子法；4.3 多组分吸收和解吸的简捷算法简捷算法常用于过程设计的初始阶段，对吸收操作作粗略分析，其结果亦可作为严格算法的初值。

4.3.1 吸收因子法模型塔介绍：ijij v V V ∑==Ln-1VnLnVn+1nn 板上的总气相摩尔流率Kmol/hn 板上的总液相摩尔流率Kmol/hijij l L L ∑==4.3.1 吸收因子法对n 板i 组分作物料衡算：Ln-1VnLnVn+1n11n n n nl l v v −+−=−（4-15）n 板上组分i的气相摩尔流率n 板上组分i的液相摩尔流率平衡关系为：ni n i x k y ,,)(⋅=即:v l K V L=(/)l L KV v A v=⋅=⋅（4-16）ijij v V V ∑==ijij l L L ∑==移项:定义吸收因子：VK LA ⋅=A 为综合考虑了塔内气液两相流率和平衡关系的一个无因次数。

L/V 大，K 小，A 大，有利于吸收。

4.3.1 吸收因子法注意: A ij 为组分i 在j 板上的吸收因子，简记为A j 。

11n n n nl l v v −+−=−（4-15）可改写为：111n n n n n n A v v A v v −−++=+移项:（4-17）n=1时，（4-18）即：（4-19）n=2时，（4-20）（4-15）把气相流率与吸收因子关联1111n n n n n v A v v A +−−+=+逐板向下直到N 板，得：（4-21）为了消去v N ，做全塔物料衡算：011n n l l v v +−=−011N n n A v l v v +−=−（4-22）（4-23）由于式(4-21)等于式(4-22)，联立得:(4-23)式关联了吸收率，吸收因子和理论板数，称为Horton-Franklin 方程，即：()ij f A N φ=⋅式（4-23）在推导中未作任何假设，是普遍适用的。

目录第一章绪论 (1)第二章单级平衡过程 (6)第三章多组分精馏和特殊精馏 (19)第四章气体吸收 (24)第五章液液萃取 (27)第六章多组分多级分离的严格计算 (28)第七章吸附 (34)第八章结晶 (35)第九章膜分离 (36)第十章分离过程与设备的选择与放大 (37)第一章绪论1.列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。

答：属于ESA分离操作的有精馏、萃取精馏、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。

属于MSA分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取（双溶剂）、吸收、吸附。

2.比较使用ESA与MSA分离方法的优缺点。

答：当被分离组分间相对挥发度很小，必须采用具有大量塔板数的精馏塔才能分离时，就要考虑采用萃取精馏（MSA），但萃取精馏需要加入大量萃取剂，萃取剂的分离比较困难，需要消耗较多能量，因此，分离混合物优先选择能量媒介(ESA)方法。

3.气体分离与渗透蒸发这两种膜分离过程有何区别？答：气体分离与渗透蒸发式两种正在开发应用中的膜技术。

气体分离更成熟些，渗透蒸发是有相变的膜分离过程，利用混合液体中不同组分在膜中溶解与扩散性能的差别而实现分离。

4. 海水的渗透压由下式近似计算：π=RTC/M ，式中C 为溶解盐的浓度，g/cm 3；M 为离子状态的各种溶剂的平均分子量。

若从含盐0.035 g/cm 3的海水中制取纯水，M=31.5，操作温度为298K 。

问反渗透膜两侧的最小压差应为多少kPa? 答：渗透压π=RTC/M ＝8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa 。

所以反渗透膜两侧的最小压差应为2.753kPa 。

5. 假定有一绝热平衡闪蒸过程，所有变量表示在所附简图中。

求： （1） 总变更量数Nv;（2） 有关变更量的独立方程数Nc ； （3） 设计变量数Ni;（4） 固定和可调设计变量数Nx ,Na ；（5） 对典型的绝热闪蒸过程，你将推荐规定哪些变量？思路1：3股物流均视为单相物流， 总变量数Nv=3(C+2)=3c+6 独立方程数Nc 物料衡算式 C 个热量衡算式1个 相平衡组成关系式C 个 1个平衡温度等式1个平衡压力等式 共2C+3个 故设计变量Ni=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3固定设计变量Nx ＝C+2,加上节流后的压力，共C+3个 可调设计变量Na ＝0 解：（1） Nv = 3 ( c+2 )（2） Nc 物 c 能 1 相 cF ziT F P FV , yi ,T v , P vL , x i , T L , P L习题5附图内在(P ，T) 2 Nc = 2c+3 （3） Ni = Nv – Nc = c+3 （4） Nxu = ( c+2 )+1 = c+3 （5） Nau = c+3 – ( c+3 ) = 0 思路2：输出的两股物流看成是相平衡物流，所以总变量数Nv=2(C+2) 独立方程数Nc ：物料衡算式 C 个 ，热量衡算式1个 ,共 C+1个 设计变量数 Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1)=C+3固定设计变量Nx:有 C+2个加上节流后的压力共C+3个 可调设计变量Na ：有06. 满足下列要求而设计再沸汽提塔见附图，求： （1） 设计变更量数是多少？ （2） 如果有，请指出哪些附加变量需要规定？解： N x u 进料 c+2压力 9 c+11=7+11=18N a u 串级单元 1 传热 1 合计 2 N V U = N x u +N a u = 20 附加变量：总理论板数。

@@＠＠大学
《化工分离工程》
教案
～学年第学期
课程学时65
学院化学工程
课程名称化工分离工程专业化工工艺
主讲教师
③反应增加了溶质在液相中的溶解度，吸收剂用量少；
④反应降低了溶质在气相中的平衡分压，可较彻底地除去气相中很少量的有害气体.
缺点:解吸困难，解吸能耗。

若反应为不可逆,反应剂不能循环使用，用途大受限制.
化学吸收（Chemical absorption)
溶质与吸收剂之间的化学反应对吸收过程具有显著影响。

主要特点:吸收过程中溶质进入液相后在扩散路径上不断被化学反应所消耗。

双膜理论
由W.K.Lewis 和W。

G。

Whitman 在上世纪二十年代提出，是最早出现的传质理论。

双膜理论基本论点
（1) 相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄(等效厚度分别为 1 和2 ）的流体膜层。

溶质以分子扩散方式通过此两膜层。

(2) 相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。

（3) 在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。

教学方式、手段、媒介：以多媒体为主
黑板设计：左边幻灯，右边板书。