第8章 吸收法净化气态污染物

1、第八章第八章 吸收法净化气态污染物吸收法净化气态污染物 吸收是根据气体混合物中各组分在液 体溶剂中物理溶解度或化学反应活性不 同而将混合物分离的一种方法。 优点优点 效率高，设备简单，一次投资 费用相对较低等。广泛地应用于气态污 染物控制中。 缺点缺点 吸收后的液体还需要进行处理， 设备易受腐蚀。 物理吸收物理吸收 利用气体混合物在所选择的溶 剂中溶解度的差异而使其分离的吸收过程称为 物理吸收。 化学吸收化学吸收 伴有显著化学反应的吸收过程 称为化学吸收。 化学吸收可以是被溶解的气体溶质与吸收剂 或溶于吸收剂的其它物质进行化学反应，也可 以是两种或多种同时溶于吸收剂的气体溶质发 生化学反应。

2、实际环境工程问题常具有废气量大、污染物 浓度低、气体成分复杂和排放标准要求高等特 点，通常的物理吸收难以适应和满足上述特点 和要求，因此大多采用化学吸收法。 8.1 吸收平衡吸收平衡 8.1.1物理吸收平衡 1）气体组分在液相的吸收 吸收过程吸收过程 当混合气体与吸收剂接触时，气相中的可吸 收组分就会向液相进行质量传递，称为吸收过程。 解吸过程解吸过程 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， 平衡时气体溶质在液相中的含量称为该气体的平衡溶解

3、度。 气体的溶解度在同一系统中一般随温度的升高而减小， 随压力的增大而增大。此外，增大气相中该气体的浓度也 能使其溶解度增大。 2）亨利定律亨利定律 当液相为理想溶液、气相为理想气 体，且溶液温度高于气体临界温度 时，气液平衡关系可用亨利定律来 描述： ii i xE P * 式中气相组分i的分压（Pa）；Xi 组分I溶于溶剂 中的浓度，摩尔分率；Ei亨利系数。 实际应用时溶剂中的溶质浓度 常用摩尔浓度表示，亨利定律 可表示为 i i i C H P 1 式中 Ci单位体积吸收剂中溶质的摩尔数，kmol/m3； Hi溶解度系数，kmol/(Nm)。 8.1.2 有化学反应存在的气液相平衡有化学

4、反应存在的气液相平衡 实际气态污染物净化过程通常采用化学吸收法。此时，气 态污染物的总溶解量由液相物理吸收量和化学反应消耗量 两部分组成，即 化学消耗物理平衡AA C A 设气态污染物A与吸收液中所含组分B，C发生如下反应： aA+bB+cC+ mM+nN+ 则气态污染由亨利定律有 PHAA A * 物理平衡 由化学平衡有 CBA NM cba nm K 一种组分与气态污染物A发生反应且化学计量数为1的简 单情况的平衡。 1被吸收组分A与溶剂相互作用 吸收前M=0，被吸收组分A从气相溶入液相后，与溶剂 B进行化学反应生成M，最后达到平衡，此时组分A进入 溶剂的总浓度CA由前式 MA CA 由亨

5、利定律有 PHAA A * 由化学平衡有 BAKM 将以上三式联解得 )1 (1 ( * BKABK PHCAAA 由上式变形有 C H PA A A BK1 ( 1* 2被吸收组分在溶液中离解被吸收组分在溶液中离解 用水吸收H2S时，H2S会进一步离解成为H+和HS-。对于 这种情况，组分A在溶液中的转化过程为 由式有 CA=A+M+ 由化学平衡有 K=M+N-/A 当溶液中没有同离子存在时，则M+=N-， M AK 把式（8-14）代入式（8-12）有 AKAC A 由气液相平衡A=HAPA*则得 到进入溶液中A的总浓度CA * AAAAA PKHPHC 3被吸收组分与溶剂中活性组分作用被

6、吸收组分与溶剂中活性组分作用 废气治理中用含亚硫酸铵、亚硫酸氢铵、碳酸钠和亚 硫酸钠等溶液吸收废气中二氧化硫就属于这种情况。对 于这种情况，组分A在溶液中的转化过程为 A（气） A(液） + B(液） M（液） 这种情况和第一种情况的差别在于活性组分B的浓度在 反应前后不能认为不变。设溶剂中活性组分B的初始浓度 CB0，若平衡转化率为x，则溶液中组分B的平衡浓度为 B=CBO （1-x），而生成物M的平衡浓度为 )1( xA x BA M K 由化学平衡关系式有而生 成物M的平衡浓度为由化学 平衡关系式有 xCACxCM BAB00 , 由亨利定律 * AaP HA 代入上式得 )1 ( *

7、xKH x P A A 若物理溶解量与化学溶解量相比可忽略不计，令 A KHK 1 则由上式可得 * 1 * 1 00 1 A A BBA PK PK CxCC 在式（8-19）中，随着PA*的增加，组分A在液相 内的溶解度CA变大，但无论PA*怎样增大，式中右 端第二个因子 * 1 * 1 1 A A PK PK 总是小于1的，也就是说在此种反应类型情况下，对纯粹的化 学吸收而言，A组分的溶解度CA的最大值不超过吸收活性组 分的初始浓度值。 8.2吸收速率吸收速率 8.2.1物理吸收速率 1）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

8、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（W.K.Lewis） 和怀特曼（W.G.Whitman）提出的双膜理论应 用较为普遍。 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： 被吸收组分从气相主体通过气膜边界向气膜移动； 被吸收组分从气膜向相界面移动； 被吸收组分在相界面处溶入液相； 溶入液相的被吸收组分从气液相界面向

9、液膜移动； 溶入液相的被吸收组分从液膜向液流主体移动。 （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。 （4）在气膜内传质推动力为PAG-PAi，在液膜 内传质推动力为CAi-CAL。 2吸收过程速率 根据双膜理论可推导出传质过程的速率方程，被 吸收组分在气膜和液膜内的传质速率可用描述分子 扩散的费

10、克定律推出： 对于气膜： 式中 NA被吸收组分A的传质速率（kmol/m2s）， DAG组分A在气相中的分子扩散系数（kmol/m2sPa）； ZG气膜厚度（m）；PAG，PAi气相主体与界面处 的分压（Pa）；kAG气相传质系数（kmol/m2sPa）。 PPkPP Z D AiAGAGAiAG G AG AN)( 对于液膜： CCkCC Z D ALAiAlALAi L Al AN)( 式中 DAL组分A在液相液相中的分子扩散系数 （kmol/m2sPa）；ZL液膜厚度（m）；CAL，CAi 液相主体与界面处的浓度（kmol/m3）；kAL液相传质 系数（kmol/m2sPa）。 由于组分

11、A在界面位置处于气液平衡状态，根据亨利定律有 * AiAAi PHC 将式（8-22）代入式（8-20）、（8-21）中，消去 界面参数、可得稳定吸收过程的总传质速率方程式： PPK Hkk PP AAGAG AAlAG AAG AN * * 11 或或 CCK k H k C C ALAAL AG A AL AAL AN * * 1 HkkKAALAGAG 111 其中其中 k H kK AG A ALAL 11 H C P A AL A * PHCAGAA * 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

12、，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。 8.2.2伴有化学反应的吸收速率 1）化学吸收过程 rRbBaA )()(液相气相 化学吸收可看作是由传质与化学反应串联而成的以下多步骤过程： 化学吸收是带有化学反应的吸 收过程，对于典型的气液相反应 气相反应物A从气相主体通过气膜向气液相界面传递； 气相反应物A从气液相界面向液相传递； 组分A在液膜或液相主体内与反应物相遇发生反应； 反应生成的液相产物向液相主体扩散，留存于液相，若生成 气相

13、产物则向相界面扩散； 气相产物自相界面向气相主体扩散。 在吸收过程中，当传递速率远大于化学反应速率时，实 际的过程速率取决于化学反应速率，称为动力学控制； 反之，如果化学反应速率很快，而传质速率很慢，过程 速率主要取决于传质速率的大小，称为扩散控制。 对于化学吸收过程，气膜的传质速率仍可按与物理吸收 相同的公式表示。在气液界面处，组分A仍处于平衡状态， 可用亨利定律描述。 在液膜中的情况，化学吸收和物理吸收却很不相同。对 于化学吸收，组分A按分子扩散从气膜扩散至界面溶解后， 在液膜内一面进行扩散，一面进行化学反应，若在液膜内 未反应完还要转移至液相主体中进行。 从图中可以看出，由于液相中有化学

14、反应的存在，组分 A的浓度CA降低加快，从而使过程吸收速率提高。 在过程稳定的情况下，仍可采用 费克定律来描述液膜中的吸收情况： 0 d d Z A ALA Z C DN 若已知组分A在界面处的液相浓度梯度，就可利用上式求得 液膜内的过程速率。在液膜内对组分A作物料衡算可得到液相 浓度分布规律。 即 dZdZ dZ d dZ d r C CD Zd Cd DA A AAL A AL )( 整理得 )( 2 2 r Zd Cd DA A AL 同理对B作物料衡算有： )( 2 2 r Zd Cd DA B BL a b 而反应动力学方程： ),( TCCrBAA f 若式（8-31）边界条件给定

15、，反应动 力学方程简单，就可求出液膜中组分A的 浓度分布，代入式（8-29）中得到液膜 中的过程速率方程，将其与气膜中的传 质速率方程式（8-20）和气液相平衡关 系式（8-22）联解，就可获得吸收过程 的总速率方程式NA。 由于反应动力学方程一般较复杂等原 因，大多数情况下求解困难。 8.3 吸收设备与设计吸收设备与设计 8.3.1吸收设备吸收设备 1. 基本要求 1）气液有效接触面积大，气液湍动程度高； 2）设备的压力降损失小，结构简单，易于操作和维修; 3）投资及操作费用省。 2. 设备分类 1）气泡鼓泡反应器、搅拌鼓泡反应器和板式反应器； 2）液滴喷雾、喷射和文氏反应器 ； 3）液膜填

16、料反应器和降膜反应器等。 在工业生产中用于净化气态污染物的吸收设备主要是板 式塔和填料塔。 1填料床反应器填料床反应器 工作原理工作原理 在填料床反应器中，一般逆流操作。废气塔底进入， 由下而上穿过填料层，从塔顶排出；吸收剂由塔顶通 过液体分布器均匀喷淋到填料层中，沿填料表面向下 流动，直至塔底排出塔外。 工作特点工作特点 操作适应性好、结构简单、能耐腐蚀等优点，广泛 地应用于带有化学反应的气体净化过程。 填料种类填料种类 填料对吸收塔的性能影响很大，其主要类型有拉西 环、鲍尔环、鞍形填料等。 2板式塔反应器板式塔反应器 工作原理工作原理 反应器中液体与气体在塔板上分段逆流接触。 吸收液从塔顶

17、进入，借重力流到下一块塔板， 最后从塔底排出。气体向上通过塔板中的孔眼， 然后鼓泡穿过液体，分离泡沫后到上面的另一 塔板，在这一过程中有害气体组分扩散至气液 接触表面进入液相被除去。 塔板分类塔板分类 按不同的开孔形式有筛板和泡罩塔板两种。 1吸收过程的工艺配置 （1）除尘）除尘 预收尘；组合式；文丘里 （2）烟气冷却）烟气冷却 在低温省煤器中间接冷却 直接增湿冷却 用预洗涤塔（或预洗涤段）除尘增湿降温 （3 3）结垢和堵塞）结垢和堵塞 严格除尘，控制进入吸收系统的尘量； 控制溶液pH值； 控制溶液中易于结晶物质不要过饱和； 设备结构及材料的合理选择 （4 4）除雾）除雾 雾不仅是水分，它还是

18、一种溶有气态污染 物的盐溶溶液，当排出的烟气含水率较高时， 在一定的气象条件下，将发生“白烟” 。由于 烟气温度低，使浮力抬升作用减少，扩散能力 降低，特别是在处理大量烟气和某些不利的条 件下，白烟没有充分稀释之前就已回到地面， 容易出现较高浓度的污染。 防止措施防止措施 1）掺热烟 2）尾部加热 2吸收剂的选择 选择原则： （1）吸收剂对污染物具有良好的选择性 和吸收能力； （2）吸收剂在吸收污染物后形成的富液 应成为副产品或无污染液体，或更易处 理和再生利用的物质； （3）热化学稳定性好，粘度低，腐蚀性 小； （4）价廉易得。 3吸收设备的选择 对反应速度很快，其过程属扩散控制的 化学吸收

19、而言，要求所选择的吸收设备 能产生高的气液湍动和大的气液接触面 积，以降低气膜的传质阻力，增大传质 面积，从而提高吸收效率； 这类设备有喷雾塔、填料塔、文丘里吸 收器和板式塔等。其中喷雾塔、填料塔、 文丘里吸收器中气相湍动程度很高，更 适宜于液膜控制的吸收过程。 若化学反应速率很低，即吸收过程属动 力学控制。此时，要求所选择的吸收设 备具有持液量大，气液接触时间长的特 点，以使较慢的化学反应有足够的空间 和时间进行反应。 在这种情况下增大气液接触面积，提高 气液湍动程度对强化吸收过程意义不大， 此时宜选用鼓泡塔、鼓泡搅拌釜等吸收 设备。 4吸收控制步骤与传质系数 1）选定吸收剂种类； 2）根据

20、所选吸收剂与要去除的污染物反 应速率快慢确定控制步骤 ； 3）查表确定系统的传质系数及其他有关 工作参数。 5吸收塔的设计 （1）塔径的计算 0 4 v Q DT 处理气量Q根据实际的工业 过程而定，空塔速率一般 由填料塔的液泛速率确定， 通常取： 0 v f vv)75. 060. 0( 0 液泛气速是填料塔正常操作气速的上限，正确估 算泛点气速对填料塔的操作及设计都是非常重要 的。目前，工程设计中广泛采用埃克特（Eckert） 提出的通用关联图来计算，也可以根据特定条件 查相关手册。 （2）最小吸收剂用量的计算 由物料衡算或查相关手册。 （3）填料层高的计算 填料层高度由过程吸收速率和对吸收率 的要求来确定。 对于按如下化学计量方程式进行的化学吸收过 程： )()()(液液气 rRbBA 每吸收1摩尔组分A要消耗b摩尔的反应组分B， 现对所示填料塔作物料衡算： adhNdXL b dYG ABSAS 1 aHNXXL b YYG ABBSAAS )( 1