第七章第一、二节 气体吸收.ppt

1、第七章 气态污染物控制技术基础,第一节 气体扩散 第二节 气体吸收 第三节 气体吸附 第四节 气体催化净化,第一节 气体扩散,气体扩散过程 气体扩散过程包括分子扩散和湍流扩散。 分子扩散分子运动引起 湍流扩散流体质点运动引起 对于吸收来说，混合气体中的气态污染物首先要从气相主体扩散到气液界面，然后才能由界面扩散到液相主体中。,第一节 气体扩散,一、气体在气相中的扩散（Gilliland 方程）,T 绝对温度，K DAB 扩散系数，cm2/s M 气体的摩尔质量 气体在沸点下呈液态时的摩尔体积,cm3/mol A 气体密度，g/cm3,第一节 气体扩散,扩散系数 扩散系数是物质的特性常数之一，同

2、一物质的扩散系数随介质的种类、温度、压强和浓度的不同而变化。,一、气体在气相中的扩散（Gilliland 方程）,部分气体在空气中的扩散系数（0oC，101.33kPa）,扩散系数的测量,Stephan过程,二、气体在液相中的扩散,气体在液相中的扩散系数,B液体的粘度，cp 溶剂的缔结因数，水2.6，甲醇1.9，乙醇1.5，非缔结如苯、乙醚为1.0,扩散系数随溶液浓度变化很大 上式只适用于稀溶液,第一节 气体扩散,二、气体在液相中的扩散,一些气体物质在水中的扩散系数（20oC，稀溶液）,第二节 气体吸收,气体吸收是溶质A从气相传递到液相的相间传质过程，其吸收机理以双膜理论模型应用最广。,吸收质

3、在单位时间内通过单位面积界面而被吸收剂吸收的量称之为吸收速率。在稳态吸收操作中，从气相主体传递到界面吸收质的通量等于从界面传递到液相主体吸收质的通量，在界面上无吸收质的积累和亏损。吸收传质速率方程一般表达为： 吸收速率吸收推动力吸收系数 吸收阻力与吸收系数互为倒数关系。,一、吸收机理,第二节 气体吸收,在双膜理论模型中，pA表示组分气相主体的分压，pAi表示在界面上的分压；CA及CAi分别表示组分在液相主体及界面上的浓度。将吸收过程简化为通过气液两层层流膜的分子扩散，其分子扩散阻力就是吸收过程的总阻力。,第二节 气体吸收,1. 气相分传质速率,PA、PAi 分别表示被吸收组分在气相主体和相界面

4、上的分压，Pa； yA、yAi 分别表示被吸收组分在气相主体和相界面上的摩尔分率； kA以 y-yi 为推动力的气相分吸收系数，kmol/(m2s); kg以 p-pi为推动力的气相分吸收系数，kmol/(m2sPa);,第二节 气体吸收,2. 液相分传质速率,xA、xAi 分别表示被吸收组分 在液相主体和相界面上的分压，Pa； cA、cAi 分别表示被吸收组分在液相主体和相界面上的摩尔浓度，kmol/m3; kx以 x-xi 为推动力的液相分吸收系数，mol/(m2s); kl以 c-ci为推动力的液相分吸收系数，m / s;,第二节 气体吸收,3. 总传质速率方程 以一个相的虚拟浓度与另一

5、相中该组分平衡浓度的浓度差为总传质过程的推动力，稳定吸收过程的气相和液相总传质速率方程：,液相总传质速率方程式：,气相总传质速率方程式：,第二节 气体吸收,二、气液平衡,在一定的温度和压力下，混合气体中可吸收组分（吸收质）与液相（吸收剂）接触时，部分吸收质向液相传递，称为吸收过程；液相中的吸收质向气相传递，称为解吸过程。当吸收过程的传质速率等于解吸过程的传质速率时，气液两相就达到了动态平衡，简称相平衡或平衡。 溶解度：100kg水中溶解气体的kg数,第二节 气体吸收,二、气液平衡,常见气体的平衡溶解度,第二节 气体吸收,亨利定律 一定温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比。,

6、吸收系数 由于吸收推动力表示方法不同，吸收速率方程式呈现了多种不同的形式，对应出现了多种形式的吸收系数。,第二节 气体吸收,吸收系数,吸收系数的不同形式,传质阻力,传质阻力吸收系数的倒数 传质总阻力=气相传质阻力+液相传质阻力,m相平衡常数,气膜控制（m值很小，Ky ky) 难溶气体（稀碱溶液吸收CO2，水吸收O2等） 液膜控制（m值很大，Kx kx) 易溶气体（碱或氨液吸收SO2等） 对于中等溶解度的气体，组分在气、液两相中所表现出的传质阻力都不可忽略。,第二节 气体吸收,传质过程,吸收系数的影响因素 吸收质与吸收剂 设备、填料类型 流动状况、操作条件 吸收系数的获取 实验测定；经验公式计算

7、；准数关联计算,第二节 气体吸收,常用吸收系数经验式,水吸收氨 属于易溶气体的吸收，吸收的主要阻力在气膜中，计算气膜体积吸收系数的经验公式： kga = 6.0710-4G0.9L0.39 kga 气膜体积吸收系数（kmol/m3hkpa） G、L 气、液相空塔流量（kg/m2h),第二节 气体吸收,常用吸收系数经验式,常压下用水吸收CO2 属于易难溶气体的吸收，吸收的主要阻力在液膜中，计算液膜体积吸收系数的经验公式： kla = 2.57U0.96 kla 液膜体积吸收系数（l / h） U 喷淋密度（m / h),第二节 气体吸收,常用吸收系数经验式,用水吸收SO2 属于中等溶解度的气体吸

8、收，需许考虑液膜阻力和气膜阻力。计算体积吸收系数的经验公式： kga = 9.8110-4G0.7L0.25 kla = aL0.82,气液界面上的气相浓度和液相浓度难以用取样分析法测定，常用作图法和解析法计算。,第二节 气体吸收,三、物理吸收,操作线方程 通过对逆流操作吸收塔进行物料衡算，可得出吸收操作线,Ls单位时间通过塔内任一截面单位面积的吸收剂流量，kmol/(m2s); GB单位时间通过塔内任一截面单位面积的惰性气体流量，kmol/(m2s)。 y任一截面上混合气体中吸收质的mol分数； x任一截面上吸收液中吸收质的mol分数。,第二节 气体吸收,最小液气比,（平衡线上凸）,X1*是

9、理论上吸收液所能达到的最高浓度；,第二节 气体吸收,填料塔高度计算,依据过程条件进行绘图积分或数值积分，即可求得z值。,第二节 气体吸收,四、化学吸收,1. 化学反应对吸收的影响 化学吸收的优点 溶质进入溶剂后因化学反应消耗掉，溶剂容纳的溶质量增多 液膜扩散阻力降低 填料表面的停滞层仍为有效湿表面 若吸收过程所进行的化学反应是可逆的，吸收剂也可循环使用。,第二节 气体吸收,纵坐标表示液相内A与B的浓度，过O点的垂直线代表气液界面，横坐标代表液相内各点距相界面的举例，z1为液膜的厚度。,四、化学吸收,第二节 气体吸收,2. 化学吸收的气液平衡 气体溶于液体，若发生化学反应，被吸收组分的气液平衡关

10、系既应服从相平衡关系，也应服从化学平衡关系。,平衡浓度计算 （1） 吸收质与溶剂作用（如水吸收氨） 化学反应式： Ag A1B M1,K,第二节 气体吸收,2. 化学吸收的气液平衡,平衡浓度计算 （2） 吸收后发生解离（如水吸收SO2和CO2） 化学反应式： Ag A1B M K+A-,第二节 气体吸收,2. 化学吸收的气液平衡,平衡浓度计算 （3） 吸收质与溶剂中活性组分反应（如Ca(OH)2溶液吸收SO2）,第二节 气体吸收,3. 伴有化学反应的吸收速率,吸收速率 在化学反应吸收过程中，被吸收组分与吸收剂或吸收剂中的活性组分发生化学反应，增大了传质推动力和吸收系数，加快了吸收过程的速率。单

11、位接触面积的气液间化学反应吸收速率可表述为：,K1未发生化学反应时的液相传质分系数 由于化学反应使吸收速率增强的系数,相当于选取相同的推动力C, 选用不同的传质系数引入增强系数,第二节 气体吸收,第三节 气体吸附,吸附 用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面 吸附质 被吸附物质 吸附剂 附着吸附质的物质 优点：效率高、可回收、设备简单 缺点：吸附容量小、设备体积大,第三节 气体吸附,物理吸附和化学吸附,物理吸附,1. 吸附力范德华力； 2. 不发生化学反应； 3. 过程快，瞬间达到平衡； 4. 放热反应； 5. 吸附可逆；,第三节 气体吸附,物理吸附和化学吸附,化学吸附,

12、1. 吸附力化学键力； 2. 发生化学反应； 3. 过程慢； 4. 升高温度有助于提高速率； 5. 吸附不可逆；,第三节 气体吸附,物理吸附和化学吸附,同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附。若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附,第三节 气体吸附,一、吸附剂,吸附剂需具备的特性 内表面积大 具有选择性吸附作用 高机械强度、化学和热稳定性 吸附容量大 来源广泛，造价低廉 良好的再生性能 常用的工业吸附剂：活性炭、活性氧化铝、硅胶、白土、沸石分子筛,第三节 气体吸附,常用吸附剂特性,第三节 气体吸附,几种常用的分子筛,分子筛特性,第三节 气体吸附,3. 影响气体吸附的因素,（1）

13、操作条件 低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附 增大气相压力利于吸附,（2） 吸附剂性质 孔隙率、孔径、粒度等会影响比表面积，从而影响吸附剂的吸附效果。,第三节 气体吸附,（3）吸附质性质、浓度 临界直径吸附质不易渗入的最大直径 吸附质的分子量、沸点、饱和性 （4）吸附剂活性 单位吸附剂吸附的吸附质的量 静活性吸附达到饱和时的吸附量 动活性未达到平衡时的吸附量,3. 影响气体吸附的因素,第三节 气体吸附,4. 吸附剂再生,加热再生 通过升高吸附剂温度，使吸附物脱附 降压或真空解吸 压力降低时，脱附占优势 置换再生 选择合适的气体，将吸附质置换与吹脱出来 溶剂萃取 选择合适的溶剂，将吸附物溶解下

14、来,第三节 气体吸附,吸附过程的净化效果取决于吸附平衡与吸附速率。这两类因素是设计吸附装置或强化吸附过程的关键。,二、吸附机理,第三节 气体吸附,1. 吸附平衡,当吸附速度脱附速度时，吸附达到平衡。极限吸附量受气体压力和温度的影响 吸附达到平衡时，吸附质在气、固两相中的浓度关系，一般用吸附等温线或等温吸附方程式表示。,NH3在活性炭上的吸附等温线,XT被吸附组分的质量与吸附剂质量之比值 P吸附质在气相中的平衡分压 K,n经验常数, 实验确定,吸附方程式,弗罗德里希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分） lgXT对lgP作图为直线。由斜率1/n和截距lgk可求出n和k值。如斜率在0.

15、10.5之间，表示吸附容易进行，若大于2，吸附难以进行。,第三节 气体吸附,吸附方程式,朗格缪尔（Langmuir）方程（I型等温线）,V被吸附气体在标态下的体积 P吸附质在气相中的平衡分压 Vm吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积 B吸附与解析速率常数之比,以P/V对P作图为一直线，由直线的斜率1/Vm和截距1/（BVm）可计算出B与Vm。,第三节 气体吸附,吸附方程式,BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）,V被吸附气体在标态下的体积 P吸附质在气相中的平衡分压 P0吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压 Vm吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积 C与吸附热有关的常数,第三

16、节 气体吸附,2. 吸附速率,吸附过程,吸附,第三节 气体吸附,2. 吸附速率,外扩散速率（吸附质从气流主体穿过颗粒周围气膜扩散至外表面的速率） 内扩散速率（吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂微孔表面的速率） 总吸附速率方程（到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附的速率）,第三节 气体吸附,三、吸附工艺与设备计算,1. 吸附工艺及设备 吸附工艺按吸附剂在吸附器中的工作状态可分为固定床、流动床、沸腾（流化）床吸收过程。按操作过程的连续性可分为间歇吸附与连续吸附过程。,第三节 气体吸附,1. 吸附工艺与设备计算,(1) 固定床 在气体净化中最常用的是将两个以上的固定床组成一个半连续式吸附流程。 污染气体连

17、续通过床层，当达到饱和时，可切换到另一个吸附器进行吸附。,第三节 气体吸附,(2) 移动床 控制吸附剂在床层中的移动速度，使净化后的气体达标排放。吸附了污染物的吸附剂送入脱附器中进行脱附，再送入吸附器旋使用。,1. 吸附工艺与设备计算,第三节 气体吸附,(3) 流化床 吸附剂在多层流化床吸附器中借助于被净化气体较大的气流速度使其悬浮呈流态化状态。流化床生产能力大，适合治理连续性、大气量的污染源。,1. 吸附工艺与设备计算,第三节 气体吸附,2. 固定床吸附计算,(1) 固定床吸附器内的浓度分布 含有一定浓度的污染物气流，连续通过固定床吸附器，在不同的时间内，吸附床不同介面处气流中污染物的浓度分

18、布如图所示。,第三节 气体吸附,2. 固定床吸附计算,(2) 保护作用时间,a静活度， S吸附层截面积,m2 L吸附层厚度,m 吸附剂堆积密度，kg/m3 v气体流速，m/s 污染物浓度，kg/m3 保护作用时间损失；h死区长度,希洛夫方程:,（假定吸附层完全饱和）,第三节 气体吸附,(3) 吸附床长度 假定条件 等温吸附 低浓度污染物的吸附 吸附等温线为第三种类型 吸附区长度为常数 吸附床的长度大于吸附区长度,2. 固定床吸附计算,第三节 气体吸附,吸附床长度,L0吸附区长度 WA穿透至耗竭的惰性气体通过量 WE耗竭时的通过量 (1-f )吸附区内的饱和度,2. 固定床吸附计算,第三节 气体吸附,(4) 吸附器的压力损失,气流通过吸附器的压力损失取决于吸附剂的形状、大小、床层厚度以及气体流速。,2. 固定床吸附计算,第三节 气体吸附,移动床吸附器是在固体吸附剂和含污染物气体的连续逆流中完成吸附过程的。移动床吸附器的计算主要是确定吸附区的高度和吸附剂的用量。,3. 移动床吸附计算,第三节 气体吸附,第四节 气体催化净化,含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理的物质 应用 工业尾气和烟气去除SO2和NOx 有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化 汽车尾气的催化净化,第四节 气