湖大大气污染控制工程课件09吸收法净化气态污染物

第九章

吸收法净化气态污染物概念：吸收法是根据气体混合物中各组分在液体溶剂中物理溶解度和化学反应活性不同而将混合物分离的一种方法。优点：效率高、设备简单、一次投资相对较低等；缺点：产生废液、设备易受腐蚀。分类：物理吸收：利用溶解度的差异吸收化学吸收：利用化学反应完成吸收9、1吸收平衡9、1、1物理吸收平衡1、气体组分在液相的吸收混合气体吸收吸收剂（可吸收组分）解吸（液相）

溶解度：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相等时气体溶质在液相中的含量称为该气体的平衡溶解度，在同一系统中随温度的升高而减小，随压力的增大而增大。2、享利定律

Pi*=Ei

xi式中：Pi*——气相组分的分压，Pa；xi——组分i溶于溶剂中的浓度，摩尔分率；Ei——享利系数，其大小随物系的特性和温度而异，单位与压力单位一致，反应了组分在溶剂中的溶解度大小，在温度和压力一定的情况下对一定的物系为一常数；*——为平衡状态。（1）当溶质浓度用摩尔浓度来表示时

Pi*=Ci/Hi

故

Hi=ρL/（MLEi）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/(N.m)；ρL，ML——纯溶剂的密度（kg/m3）和摩尔质量（kg/kmol）。（2）应用条件：在系统压力不太高、温度不太低、溶解气体不与液体起化学反应时，难溶气体、中溶和易溶气体在液相溶解度较低时可认为遵守享利定律。9、1、2有化学反应存在的气液相平衡设气态污染物A与吸收液中所含组分B，C发生反应：aA+bB+cC+…

mM+nN+…

气态污染物A在溶液中的转化过程：

aA（气）

aA（液）

+bB+cC+…

mM+nN+…物理平衡化学平衡气态污染物的总溶解量

CA=[A]物理平衡+[A]化学平衡其中

[A]物理平衡=HAP*A[A]化学消耗：在达到化学平衡时，根据化学平衡常数K和反应前后某种反应物浓度的变化可以求出生成物浓度，再由化学反应方程式即可求出[A]化学消耗。下面讨论几种特殊情况：1、被吸收组分A与溶剂相互作用

A（气）

A（液）+B（溶剂）

M（液）由亨利定律

[A]

物理平衡=HAPA*由化学平衡

[A]化学消耗=[M]

=K[B][A]物理平衡故

CA=（1+K[B]）HAPA*变形后得PA*=CA/（HA（1+K[B]））

（化学吸收）Pi*=CA/HA（物理吸收）比较上式发现：由于化学反应使溶解度系数增大至（1+K[B]）倍，从而提高了吸收速率2、被吸收组分在溶液中离解

A（气）

A（液）M++N－

则

[A]物理平衡

=HAPA*[A]化学消耗=[M+]=（K[A]物理平衡）0.5CA=[A]物理平衡

+[A]化学消耗

=HAPA*+（KHAPA*）0.59、2吸收速率9、2、1物理吸收速率1、双膜理论（由刘易斯和怀特曼提出）（1）组成：气相主体+气膜+相界面+液膜+液相主体（2）气体的吸收过程：被吸收组分气相主

（无扩散阻力）体气膜相界面液膜液相主体

（气膜阻力（无传质阻力）（液膜阻力）（无扩散阻力）（3）传质推动力：气膜内传质推动力：PAG－PAi；液膜内传质推动力：CAi－CAL气相主体气膜液膜界面传质方向液相主体CALPALZ0ZLPAGZAL双膜理论模型2、吸收过程速率NA=DAG/ZG(PAG–PAi)=kAG(PAG–PAi)NA=DAl/ZL(CAi–CAL)=kAl(CAi–CAL)CAi=HAPAiNA=KAG(PAG–PA*)NA=KAL(CA*–CAL)其中：

1/KAG=1/kAG+1/(kALHA),PA*=CAL/HA1/KAL=1/kAL+HA/kAG,CA*=HAPAG注：有关参数的含义和单位见教材。吸收过程速率方程

气膜控制：气膜阻力＞液膜阻力物理吸收类型

液膜控制：气膜阻力＜液膜阻力提高过程吸收速率的措施：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、增大气液接触面积；4、选用对吸收质溶解度大的吸收剂。9、2、2伴有化学反应的吸收速率1、化学吸收过程（1）化学吸收过程：①气相反应物从气相主体通过气膜向气液相界面传递；②气相反应物从气液相界面向液相传递；③反应组分在液膜或液相主体内与反应物相遇发生化学反应；④反应生成的液相产物向液相主体扩散，留存于液相，若生成气相产物则向相界面扩散；⑤气相产物自相界面向气相主体扩散。(与物理吸收过程有何区别？)

动力学控制：传质速率＞＞化学反应速率（2）控制步骤扩散控制：传质速率＜＜化学反应速率动力学与扩散同时控制（3）传质速率气膜：教材中公式（8-23）

的表示相界面：亨利定律液膜（过程稳定时）：费克定律，教材公式（8-29）2、极快速不可逆化学反应的吸收过程（扩散控制）对于典型的气液相反应

aA（气相）+bB（液相）

rR

如果化学反应进行得极快，根据A组分与反应物B的扩散速率不同，会使液相浓度分布出现3种情况：（1）CBL<CKP时，吸收速率方程如下其中

式中：a，b——化学反应方程式中的反应系数；DAL，DBL——A、B两种物质在液相中的分子扩散系数（m2/s）；CBL——液膜中B的浓度；kAL——液相传质系数，m/hkAG——气相传质系数，kmol/(m3.h.Pa)HA——A组分的溶解度系数，kmol/(m3.Pa)CKP——B的临界浓度，即与相界面中A组分刚好完全反应时所对应的B组分浓度，按下式计算：（2）CBL=CKP时，吸收速率方程如下

NA=kAGPAG=akBLCBL/b（3）CBL＞CKP时，吸收速率方程如下

NA=kAGPAG例题：见教材例题8-2。解题思路如下：计算CKP

比较CBL和

CKP的大小判断反应过程选取相应公式计算NA1和NA2。注意：塔底和塔项的情况不一样，要分别进行讨论。例题图示如下：已知：PAG1=1013.25PaCBL1=0.6kmol/m3,PAG2=5056Pa,CBL2=0.5kmol/m3,G=45kmol/h,kAG=0.35kmol/(m3Pa.h),kAL=0.005m/h,H=75kmol/（m3.大气压），P=1Pa（绝对压力）,DAL=DBLb/a=0.5求：NA2、NA1PAG1CBL1PAG2CBL2H2SO4NH3NH3H2SO43、拟一级不可逆反应的吸收过程（1）拟一级不可逆反应的概念对于不可逆反应

aA+bB→rR

如果反应组分B的量相对于被吸收组分A大量过剩，即CBL＞＞CAL，该反应可当作拟一级不可逆反应。(2)化学吸收速率公式

NA=KAG(PAG–PA*/coshγ)式中

KAG=1/kAG+1/(βHAkAL),γ2=(αZL)2=krDAL/k2AL（膜内转化系数）

DAL——A组分的液相扩散系数；

kAL——A组分在液相中的传质系数；

kr——化学反应常数

β=γ/tanhγ（增大因子）

coshγ=0.5(eγ+e－γ),sinhγ=0.5(eγ－e－γ)

tanhγ=(eγ－e－γ)/(eγ+e

－γ)

注：coshx,sinhx,tanhx——分别是双曲余弦函数，双曲正弦函数，双曲正切函数sinh=(ex－e-x)/2coshx=(ex＋e-x)/2tanhx=(ex－e-x)/(ex＋e-x)（3）对化学吸收速率公式的讨论根据β，γ的关系（见图8-6），①当γ≤0.2时，γ/tanhγ→1，β→1，

NA=(PA–PAG*)/(1/kAG+1/HAkAL)

（与物理吸收公式相同，以物理吸收为主）②当γ≥2时，NA=KAG(PAG–PA*/coshγ)（扩散控制）式中

KAG=1/kAG+1/[HA(krDAL)0.5]（说明传质过程阻力与液膜厚度无关）③当0.2<γ<2时，

NA=KAG(PAG–PA*/coshγ)式中

KAG=1/kAG+1/(βHAkAL)（说明传质过程阻力与液膜厚度有关）④当γ→∞，β→∞时

NA=kAG

PAG（与快速瞬间反应的吸收过程相同，扩散控制）此时，对于难溶气体，KAG=βHAkAL，属于液膜控制；对于易溶气体，KAG=kAG，属于气膜控制。对于该部分：可查阅：《化学反应工程》相关内容（扩散控制和动力学控制）9、3吸收设备与设计9、3、1吸收设备1、对吸收设备的要求（1）气液有效接触面积大（2）气液湍动程度高（3）设备的压力降小（4）结构简单，易于操作和维修（5）投资和操作费用低2、分类填料反应器板式反应器9、3吸收设备与设计9、3、1吸收工艺装置与吸收设备选择设计1、吸收的工艺除尘烟气的冷却吸收（防止结垢与堵塞）除雾气体再加热排放2、吸收剂的选择（1）对污染物具有良好的选择性和吸收能力（2）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）蒸汽压要低，不易起泡，热化学稳定性好，粘度低，腐蚀性要小（4）价廉易得3、吸收设备的选择(具体可参考教材表8-1）（1）扩散过程控制(γ、β较大)：要求设备具有高的气液湍动和大的气液接触面积，此时可选择喷雾塔、填料塔等；（2）动力学控制(γ、β较小)

：要求设备具有持液量大、气液接触时间长等特点，此时可选择鼓泡塔、鼓泡搅拌釜等。4、吸收控制步骤与传质系数的确定（可参考教材表8-2、8-3、8-4）5、液泛速度的确定（1）填料塔内的流体力学特性：在对数坐标上标出填料塔内压强降ΔP对气体空塔速度U的关系，并以不同的液体喷淋量L作为第三参数，可以得到下图所示的各种曲线：图填料塔的流体力学特性

从上图可知：当喷淋量L=0，即所谓干塔情况，所得关系为一条直线，其斜率为1.8~2.0，即ΔP=U1.8~2.0，此时阻力与气速的关系如同气体以高度湍流状态通过空管道时的情况。当有液体喷淋时，所得的关系不再是一条曲线，而是由三条线段组成的一条曲线。当气速达到A点时，液体向下游动受逆向气体的牵制开始明显起来，表现在填料上的滞留液量剧增，气体通过截面不断减小，因此从A点以后，压强降随空塔气速有较大的增加，曲线斜率不断加大，A点称为“载点”。当气速增大到B点时，压强降几乎直线上升，表示塔内发生了气泛，称为“泛点”，此时气体托住液滴，逐渐使液滴形成连续相，气体反变成分散相，吸收操作无法正常进行。填料塔只能在泛点下操作。有的学者认为，开始拦液之点（载点）为吸收填料塔的最大可允许操作情况。而实际最经济的操作速度，最好相当于载点速度的50%~70%。（2）液泛速度（υf）从上面分析可知，在决定吸收塔的操作情况和塔径的设计上，都必须首先确定可允许的最大气流速度，即在泛点时的空塔气速。从实验可知，泛点时的空塔气速与流体物性、液气流量比、填料充填方式和填料特性等因素有关。实验结果一般用关联图的形式把有关的因素关联起来。当前工程设计中最常用的通用关联图如下：图中各符号的含义如下：L′、G′——分别为液体和气体的质量速度，kg/（m3.s）；

ρG、ρL——分别为气体和液体的密度，kg/m3υf——气体的空塔泛点速度，m/s;φ——水的密度和液体的密度之比；ψ——填料特性值，m2/m3μL——液体的粘度，mPa.sg——重力加速度,m/s2泛点气速的计算步骤如下：①根据操作条件计算出②再由相应的泛点线查出对应的纵坐标值，即③再将已知的φ、ψ、ρG、ρL及μL等值代入上式求出泛点速度υf

。6、吸收塔的设计（以填料塔为例）（1）塔径的计算

DT=（4Q/πυ）0.5式中：υ

——空塔气速，υ=(0.60~0.75)υf；

υf

——液泛速率，按照前面介绍的方法进行计算。

（2）最小吸收剂用量的计算按物料衡算，即按溶解平衡和化学反应平衡进行计算，或查有关的手册。（3）填料层高的计算其中LS——除吸收组分以外的液相惰性组分流量，mol/(m2.s);CT——液相总浓度,mol/m3(4)填料吸收塔的压力降（特里包尔式，适用于乱堆填料的吸收塔）

式中

ρL

，ρg——气体和液体的密度，kg/m3；WL,WG——吸收塔内液体和气体的质量流速，kg/（m3.s）；m,n——经验常数（见教材表8-5）

或者用关联图法计算压力降①计算出纵坐标②计算横坐标值由纵坐标和横坐标的值在关联图中找出对应的压力降△P′，则填料塔压降（用内插法）。△P=△P′×H(5)填料塔附件选择塔的辅助构件包括气体分布器、填料支撑板、填料压板、液体分布器、再分布器、除雾装置及排液装置等。填料塔操作性能的好坏，与塔内辅助构件的选型与设计紧密相关。合理的选型与设计可保证塔的分离效率、生产能力及压降要求。例题1：见教材例