湖大大氣污染控制工程課件09吸收法凈化氣態(tài)污染物

第九章

吸收法凈化氣態(tài)污染物概念：吸收法是根據(jù)氣體混合物中各組分在液體溶劑中物理溶解度和化學(xué)反應(yīng)活性不同而將混合物分離的一種方法。優(yōu)點(diǎn)：效率高、設(shè)備簡單、一次投資相對較低等；缺點(diǎn)：產(chǎn)生廢液、設(shè)備易受腐蝕。分類：物理吸收：利用溶解度的差異吸收化學(xué)吸收：利用化學(xué)反應(yīng)完成吸收9、1吸收平衡9、1、1物理吸收平衡1、氣體組分在液相的吸收混合氣體吸收吸收劑（可吸收組分）解吸（液相）

溶解度：在一定的溫度和壓力下，吸收過程的速率和解吸過程的速率相等時(shí)氣體溶質(zhì)在液相中的含量稱為該氣體的平衡溶解度，在同一系統(tǒng)中隨溫度的升高而減小，隨壓力的增大而增大。2、享利定律

Pi*=Ei

xi式中：Pi*——?dú)庀嘟M分的分壓，Pa；xi——組分i溶于溶劑中的濃度，摩爾分率；Ei——享利系數(shù)，其大小隨物系的特性和溫度而異，單位與壓力單位一致，反應(yīng)了組分在溶劑中的溶解度大小，在溫度和壓力一定的情況下對一定的物系為一常數(shù)；*——為平衡狀態(tài)。（1）當(dāng)溶質(zhì)濃度用摩爾濃度來表示時(shí)

Pi*=Ci/Hi

故

Hi=ρL/（MLEi）式中：Ci——單位體積吸收劑中溶質(zhì)的摩爾數(shù)，kmol/m3；Hi——溶解度系數(shù)，kmol/(N.m)；ρL，ML——純?nèi)軇┑拿芏龋╧g/m3）和摩爾質(zhì)量（kg/kmol）。（2）應(yīng)用條件：在系統(tǒng)壓力不太高、溫度不太低、溶解氣體不與液體起化學(xué)反應(yīng)時(shí)，難溶氣體、中溶和易溶氣體在液相溶解度較低時(shí)可認(rèn)為遵守享利定律。9、1、2有化學(xué)反應(yīng)存在的氣液相平衡設(shè)氣態(tài)污染物A與吸收液中所含組分B，C發(fā)生反應(yīng)：aA+bB+cC+…

mM+nN+…

氣態(tài)污染物A在溶液中的轉(zhuǎn)化過程：

aA（氣）

aA（液）

+bB+cC+…

mM+nN+…物理平衡化學(xué)平衡氣態(tài)污染物的總?cè)芙饬?/p>

CA=[A]物理平衡+[A]化學(xué)平衡其中

[A]物理平衡=HAP*A[A]化學(xué)消耗：在達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)K和反應(yīng)前后某種反應(yīng)物濃度的變化可以求出生成物濃度，再由化學(xué)反應(yīng)方程式即可求出[A]化學(xué)消耗。下面討論幾種特殊情況：1、被吸收組分A與溶劑相互作用

A（氣）

A（液）+B（溶劑）

M（液）由亨利定律

[A]

物理平衡=HAPA*由化學(xué)平衡

[A]化學(xué)消耗=[M]

=K[B][A]物理平衡故

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

（化學(xué)吸收）Pi*=CA/HA（物理吸收）比較上式發(fā)現(xiàn)：由于化學(xué)反應(yīng)使溶解度系數(shù)增大至（1+K[B]）倍，從而提高了吸收速率2、被吸收組分在溶液中離解

A（氣）

A（液）M++N－

則

[A]物理平衡

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

+[A]化學(xué)消耗

=HAPA*+（KHAPA*）0.59、2吸收速率9、2、1物理吸收速率1、雙膜理論（由劉易斯和懷特曼提出）（1）組成：氣相主體+氣膜+相界面+液膜+液相主體（2）氣體的吸收過程：被吸收組分氣相主

（無擴(kuò)散阻力）體氣膜相界面液膜液相主體

（氣膜阻力（無傳質(zhì)阻力）（液膜阻力）（無擴(kuò)散阻力）（3）傳質(zhì)推動力：氣膜內(nèi)傳質(zhì)推動力：PAG－PAi；液膜內(nèi)傳質(zhì)推動力：CAi－CAL氣相主體氣膜液膜界面?zhèn)髻|(zhì)方向液相主體CALPALZ0ZLPAGZAL雙膜理論模型2、吸收過程速率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：有關(guān)參數(shù)的含義和單位見教材。吸收過程速率方程

氣膜控制：氣膜阻力＞液膜阻力物理吸收類型

液膜控制：氣膜阻力＜液膜阻力提高過程吸收速率的措施：1、提高氣液相對運(yùn)動速度，以減小氣膜和液膜的厚度；2、增大供液量，降低液相吸收濃度，以增大吸收推動力；3、增大氣液接觸面積；4、選用對吸收質(zhì)溶解度大的吸收劑。9、2、2伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收速率1、化學(xué)吸收過程（1）化學(xué)吸收過程：①氣相反應(yīng)物從氣相主體通過氣膜向氣液相界面?zhèn)鬟f；②氣相反應(yīng)物從氣液相界面向液相傳遞；③反應(yīng)組分在液膜或液相主體內(nèi)與反應(yīng)物相遇發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；④反應(yīng)生成的液相產(chǎn)物向液相主體擴(kuò)散，留存于液相，若生成氣相產(chǎn)物則向相界面擴(kuò)散；⑤氣相產(chǎn)物自相界面向氣相主體擴(kuò)散。(與物理吸收過程有何區(qū)別？)

動力學(xué)控制：傳質(zhì)速率＞＞化學(xué)反應(yīng)速率（2）控制步驟擴(kuò)散控制：傳質(zhì)速率＜＜化學(xué)反應(yīng)速率動力學(xué)與擴(kuò)散同時(shí)控制（3）傳質(zhì)速率氣膜：教材中公式（8-23）

的表示相界面：亨利定律液膜（過程穩(wěn)定時(shí)）：費(fèi)克定律，教材公式（8-29）2、極快速不可逆化學(xué)反應(yīng)的吸收過程（擴(kuò)散控制）對于典型的氣液相反應(yīng)

aA（氣相）+bB（液相）

rR

如果化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得極快，根據(jù)A組分與反應(yīng)物B的擴(kuò)散速率不同，會使液相濃度分布出現(xiàn)3種情況：（1）CBL<CKP時(shí)，吸收速率方程如下其中

式中：a，b——化學(xué)反應(yīng)方程式中的反應(yīng)系數(shù)；DAL，DBL——A、B兩種物質(zhì)在液相中的分子擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；CBL——液膜中B的濃度；kAL——液相傳質(zhì)系數(shù)，m/hkAG——?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù)，kmol/(m3.h.Pa)HA——A組分的溶解度系數(shù)，kmol/(m3.Pa)CKP——B的臨界濃度，即與相界面中A組分剛好完全反應(yīng)時(shí)所對應(yīng)的B組分濃度，按下式計(jì)算：（2）CBL=CKP時(shí)，吸收速率方程如下

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

NA=kAGPAG例題：見教材例題8-2。解題思路如下：計(jì)算CKP

比較CBL和

CKP的大小判斷反應(yīng)過程選取相應(yīng)公式計(jì)算NA1和NA2。注意：塔底和塔項(xiàng)的情況不一樣，要分別進(jìn)行討論。例題圖示如下：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.大氣壓），P=1Pa（絕對壓力）,DAL=DBLb/a=0.5求：NA2、NA1PAG1CBL1PAG2CBL2H2SO4NH3NH3H2SO43、擬一級不可逆反應(yīng)的吸收過程（1）擬一級不可逆反應(yīng)的概念對于不可逆反應(yīng)

aA+bB→rR

如果反應(yīng)組分B的量相對于被吸收組分A大量過剩，即CBL＞＞CAL，該反應(yīng)可當(dāng)作擬一級不可逆反應(yīng)。(2)化學(xué)吸收速率公式

NA=KAG(PAG–PA*/coshγ)式中

KAG=1/kAG+1/(βHAkAL),γ2=(αZL)2=krDAL/k2AL（膜內(nèi)轉(zhuǎn)化系數(shù)）

DAL——A組分的液相擴(kuò)散系數(shù)；

kAL——A組分在液相中的傳質(zhì)系數(shù)；

kr——化學(xué)反應(yīng)常數(shù)

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——分別是雙曲余弦函數(shù)，雙曲正弦函數(shù)，雙曲正切函數(shù)sinh=(ex－e-x)/2coshx=(ex＋e-x)/2tanhx=(ex－e-x)/(ex＋e-x)（3）對化學(xué)吸收速率公式的討論根據(jù)β，γ的關(guān)系（見圖8-6），①當(dāng)γ≤0.2時(shí)，γ/tanhγ→1，β→1，

NA=(PA–PAG*)/(1/kAG+1/HAkAL)

（與物理吸收公式相同，以物理吸收為主）②當(dāng)γ≥2時(shí)，NA=KAG(PAG–PA*/coshγ)（擴(kuò)散控制）式中

KAG=1/kAG+1/[HA(krDAL)0.5]（說明傳質(zhì)過程阻力與液膜厚度無關(guān)）③當(dāng)0.2<γ<2時(shí)，

NA=KAG(PAG–PA*/coshγ)式中

KAG=1/kAG+1/(βHAkAL)（說明傳質(zhì)過程阻力與液膜厚度有關(guān)）④當(dāng)γ→∞，β→∞時(shí)

NA=kAG

PAG（與快速瞬間反應(yīng)的吸收過程相同，擴(kuò)散控制）此時(shí)，對于難溶氣體，KAG=βHAkAL，屬于液膜控制；對于易溶氣體，KAG=kAG，屬于氣膜控制。對于該部分：可查閱：《化學(xué)反應(yīng)工程》相關(guān)內(nèi)容（擴(kuò)散控制和動力學(xué)控制）9、3吸收設(shè)備與設(shè)計(jì)9、3、1吸收設(shè)備1、對吸收設(shè)備的要求（1）氣液有效接觸面積大（2）氣液湍動程度高（3）設(shè)備的壓力降?。?）結(jié)構(gòu)簡單，易于操作和維修（5）投資和操作費(fèi)用低2、分類填料反應(yīng)器板式反應(yīng)器9、3吸收設(shè)備與設(shè)計(jì)9、3、1吸收工藝裝置與吸收設(shè)備選擇設(shè)計(jì)1、吸收的工藝除塵煙氣的冷卻吸收（防止結(jié)垢與堵塞）除霧氣體再加熱排放2、吸收劑的選擇（1）對污染物具有良好的選擇性和吸收能力（2）在吸收污染物后形成的富液應(yīng)成為副產(chǎn)品或無污染液體，或更易處理和再生利用的物質(zhì)（3）蒸汽壓要低，不易起泡，熱化學(xué)穩(wěn)定性好，粘度低，腐蝕性要?。?）價(jià)廉易得3、吸收設(shè)備的選擇(具體可參考教材表8-1）（1）擴(kuò)散過程控制(γ、β較大)：要求設(shè)備具有高的氣液湍動和大的氣液接觸面積，此時(shí)可選擇噴霧塔、填料塔等；（2）動力學(xué)控制(γ、β較小)

：要求設(shè)備具有持液量大、氣液接觸時(shí)間長等特點(diǎn)，此時(shí)可選擇鼓泡塔、鼓泡攪拌釜等。4、吸收控制步驟與傳質(zhì)系數(shù)的確定（可參考教材表8-2、8-3、8-4）5、液泛速度的確定（1）填料塔內(nèi)的流體力學(xué)特性：在對數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)出填料塔內(nèi)壓強(qiáng)降ΔP對氣體空塔速度U的關(guān)系，并以不同的液體噴淋量L作為第三參數(shù)，可以得到下圖所示的各種曲線：圖填料塔的流體力學(xué)特性

從上圖可知：當(dāng)噴淋量L=0，即所謂干塔情況，所得關(guān)系為一條直線，其斜率為1.8~2.0，即ΔP=U1.8~2.0，此時(shí)阻力與氣速的關(guān)系如同氣體以高度湍流狀態(tài)通過空管道時(shí)的情況。當(dāng)有液體噴淋時(shí)，所得的關(guān)系不再是一條曲線，而是由三條線段組成的一條曲線。當(dāng)氣速達(dá)到A點(diǎn)時(shí)，液體向下游動受逆向氣體的牽制開始明顯起來，表現(xiàn)在填料上的滯留液量劇增，氣體通過截面不斷減小，因此從A點(diǎn)以后，壓強(qiáng)降隨空塔氣速有較大的增加，曲線斜率不斷加大，A點(diǎn)稱為“載點(diǎn)”。當(dāng)氣速增大到B點(diǎn)時(shí)，壓強(qiáng)降幾乎直線上升，表示塔內(nèi)發(fā)生了氣泛，稱為“泛點(diǎn)”，此時(shí)氣體托住液滴，逐漸使液滴形成連續(xù)相，氣體反變成分散相，吸收操作無法正常進(jìn)行。填料塔只能在泛點(diǎn)下操作。有的學(xué)者認(rèn)為，開始攔液之點(diǎn)（載點(diǎn)）為吸收填料塔的最大可允許操作情況。而實(shí)際最經(jīng)濟(jì)的操作速度，最好相當(dāng)于載點(diǎn)速度的50%~70%。（2）液泛速度（υf）從上面分析可知，在決定吸收塔的操作情況和塔徑的設(shè)計(jì)上，都必須首先確定可允許的最大氣流速度，即在泛點(diǎn)時(shí)的空塔氣速。從實(shí)驗(yàn)可知，泛點(diǎn)時(shí)的空塔氣速與流體物性、液氣流量比、填料充填方式和填料特性等因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般用關(guān)聯(lián)圖的形式把有關(guān)的因素關(guān)聯(lián)起來。當(dāng)前工程設(shè)計(jì)中最常用的通用關(guān)聯(lián)圖如下：圖中各符號的含義如下：L′、G′——分別為液體和氣體的質(zhì)量速度，kg/（m3.s）；

ρG、ρL——分別為氣體和液體的密度，kg/m3υf——?dú)怏w的空塔泛點(diǎn)速度，m/s;φ——水的密度和液體的密度之比；ψ——填料特性值，m2/m3μL——液體的粘度，mPa.sg——重力加速度,m/s2泛點(diǎn)氣速的計(jì)算步驟如下：①根據(jù)操作條件計(jì)算出②再由相應(yīng)的泛點(diǎn)線查出對應(yīng)的縱坐標(biāo)值，即③再將已知的φ、ψ、ρG、ρL及μL等值代入上式求出泛點(diǎn)速度υf

。6、吸收塔的設(shè)計(jì)（以填料塔為例）（1）塔徑的計(jì)算

DT=（4Q/πυ）0.5式中：υ

——空塔氣速，υ=(0.60~0.75)υf；

υf

——液泛速率，按照前面介紹的方法進(jìn)行計(jì)算。

（2）最小吸收劑用量的計(jì)算按物料衡算，即按溶解平衡和化學(xué)反應(yīng)平衡進(jìn)行計(jì)算，或查有關(guān)的手冊。（3）填料層高的計(jì)算其中LS——除吸收組分以外的液相惰性組分流量，mol/(m2.s);CT——液相總濃度,mol/m3(4)填料吸收塔的壓力降（特里包爾式，適用于亂堆填料的吸收塔）

式中

ρL

，ρg——?dú)怏w和液體的密度，kg/m3；WL,WG——吸收塔內(nèi)液體和氣體的質(zhì)量流速，kg/（m3.s）；m,n——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（見教材表8-5）

或者用關(guān)聯(lián)圖法計(jì)算壓力降①計(jì)算出縱坐標(biāo)②計(jì)算橫坐標(biāo)值由縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)的值在關(guān)聯(lián)圖中找出對應(yīng)的壓力降△P′，則填料塔壓降（用內(nèi)插法）。△P=△P′×H(5)填料塔附件選擇塔的輔助構(gòu)件包括氣體分布器、填料支撐板、填料壓板、液體分布器、再分布器、除霧裝置及排液裝置等。填料塔操作性能的好壞，與塔內(nèi)輔助構(gòu)件的選型與設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。合理的選型與設(shè)計(jì)可保證塔的分離效率、生產(chǎn)能力及壓降要求。例題1：見教材例