大气污染控制工程：第07章 气态污染物控制技术之二吸收

《大气污染控制工程：第07章 气态污染物控制技术之二吸收》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大气污染控制工程：第07章 气态污染物控制技术之二吸收（75页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、吸收过程通常分为物理吸收和化学吸收两大类。物理吸收主要是溶解，吸收过程中没有或仅有弱化学反应，吸收质在溶液中呈游离或弱结合状态，过程可逆，热效应不明显。化学吸收过程存在化学反应，一般有较强的热效应。如果发生的化学反应是不可逆的，则不能解吸。化学吸收过程的吸收速率和净化效率都明显高于物理吸收，所以净化气态污染物多采用化学吸收。u当混合气体与吸收剂接触时，当吸收过程和解吸过程的传质速率相等时，气液两相就达到了动态平衡。平衡时气相中的组分分压称为平衡分压，液相吸收剂（溶剂）所溶解组分的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度。u概念：组分摩尔（或质量）分率组分摩尔（或质量）分率 即指相中某组分摩尔（或质量）数

2、与该相中物质总摩尔（或质量）数之比。比摩尔（比质量）：比摩尔（比质量）：用组分的摩尔数（或质量）与该相中载体的摩尔（或质量）数之比。7.4.1 吸收过程的基本原理 当仅发生物理吸收时，常用亨利定律来描述气液相间的相平衡关系。当总压不高时，在一定的温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比，即式中，Pi*溶液表面吸收质i的气相平衡分压（Pa）；xi平衡状态下，吸收质i的液相摩尔分率；Ei亨利系数（Pa）iiixEP*此外，亨利定律还有其他的表达方式，如y=mx等，在使用资料时一定要注意其量纲和表达式的一致。*00iiiHEM HM*,iiiiiiCH P PH C式中：M0吸收剂的

3、摩尔质量（kg/kmol）；吸收剂密度（kg/m3）亨利定律的另外常见的表达形式为式中，Ci液相吸收质的浓度（kmol/m3）Hi*，Hi其它形式的亨利系数kmol/(m3Pa)，Pam3/kmol3)化学平衡 吸收过程中，如果吸收质与吸收剂发生反应，则两者之间必然同时满足相平衡和化学平衡关系：nNmMbBaAaAllg)()()(气相液相化学平衡相平衡从热力学角度看,化学吸收提高了吸收容量2)扩散和菲克定律(提示复习）吸收操作是溶质从气相转移到液相的过程，要研究传质机理，首先就要搞清物质在单一相中的传递规律，即扩散规律。发生在流体中的扩散有分子扩散与湍流扩散两种。分子扩散是由流体分子的热运动

4、引起的物质传递。湍流扩散是凭借流体质点的湍动和旋涡传递物质的。在静止或滞流流体中，分子的运动是无规则运动，其结果是物质从浓度较高的区域扩散到浓度较低的区域，两处的浓度差成了扩散的推动力。用来描述分子扩散速率的定律是著名的菲克定律，或称菲克第一扩散定律。式中JA A的扩散速率或称扩散通量，kmol/(m2.s)；CAA的浓度梯度；DABA在AB混合物中的扩散系数，m2/s “”负号，表明扩散是沿浓度下降的方向进行的上式表明，当物质A在A、B混合物中扩散时，任一点处的扩散通量与该位置上的浓度梯度成正比，它是对物质分子扩散现象基本规律的描述。湍流扩散的物质传递过程很复杂，通常把湍流扩散用分子扩散来比

5、拟。dzdcDJAABA双膜理论回顾气膜传质速率为GAAAiGAAiGBMDPNPPkPPZ RTP液膜传质速率 AAiLAAiLlACCkCCZDNAAiLAiAGACCkPPkN界面上相平衡可用亨利定律表示 AiAiPHC*AAGGAPPKNAALACCKN*ALGGHkkK111LGLkkHK11*AAPHC亦可用摩尔分率作推动力来表示 AALXAAGYAXXKYYKN*AAmXY*AAmXY 总PKKGGY惰惰0MkKLCLX11GYGyLxKmkk111LXGYGyLxKmKmkk对于易溶气体，H很大，m很小，GGkK11总阻力近似等于气膜阻力，该过程称为气膜控制。对于难溶气体，H很

6、小，lLkK11总阻力近似等于液膜阻力，这种情况称为液膜控制。对于中等溶解度，气膜阻力与液膜阻力处于同一数量级的，两者皆不能忽略。吸收传质系数是吸收设备设计计算的重要参数，根据双膜理论主要取决于分子扩散，实际情况更为复杂。存在化学吸收时，吸收速率不仅取决于传质速率，还与化学反应速率有关，吸收速率还与吸收设备的特性和操作条件有关。实际工作中常常采用试验测定结果或经验数据。参照双膜理论，化学吸收过程（见图7.7）可表达为：反应物A由气相主体通过气膜向相界面扩散。相界面溶入液相并向液体内部扩散。A在液膜式液相主体与反应物B反应，形成反应区。反应物R向液相主体扩散，若产生则向气相界面扩散。气体产物通过

7、气膜向气相主体扩散。物理吸收化学吸收AGAlBAGKPAlBlkDnPCkDCBl)(BlAlBABlAGGACDnHDPKNAlAAGGkHkK111NA=kAGPAG 极快速反应的化学吸收与物理吸收进行比较 若假定气膜阻力为零，即kAG=，PAi=PAG则CBlCKP时AlABlAlBlABAiAkHCDDHnPN111(1)BlBlAlAiBAlAiDCkCnDC11BlBlBAlAiDCnDC 则NA=kAl CAi，其中kAl CAi为物理吸收的最大吸收速率，为存在极快速化学反应的化学吸收速度与最大物理吸收率的比值，称为化学反应吸收增强系数。注意：化学吸收作用改变的只是液相传质阻力。

8、单组分逆流吸收操作过程)()(1212AAAAXXLYYG)(22AAAAXXGLYYdfYYkdmAAGA)(*AAGdYdm*AAAGYYdYkGdf连续稳定情况下，假如kG为定值，低浓度吸收，G变化很小，则积分后*12AAAYYGYYdYkGfAAafHfCOGOGAAAYYCGNhYYdYfakGHAA*12hOG为传质单元高度，NOG为传质单元数 同理对液相浓度而言，可得OLOLAAAXXCLNhXXdXfakLHAA*12mAAOGYYYn12mAAOLXXXn12*11221122ln)()(AAAAAAAAmYYYYYYYYY*11221122ln)()(AAAAAAAAmXX

9、XXXXXXX)(22AAAAYYLGXX21*AAYYAAYYdY*1YYYf*1YYYf21*AAYYAAYYdY与气相传质分系数有关的准数有：舍伍德数 雷诺数 施密特数 eIGgdRTPShkDPggtrevdRegggDSc0.750.50.035RegGelD PkScRTd P书上例题7.1）（）（IBIBBAACCCCnLYYG212100对于稀溶液，液相中B的比摩尔数与其摩尔分数近似相等即XB=CB/CI CB/CT）（）（IBIBBAACCCCnLYYG2200对任一微元段作物料衡算)(1)(00BBAAXLdnYGddfNBBAdXnLdYG00 BTBIBBCCCCCXA

10、AIAAPPPPPY aHffcACANafdYGdH0气相 122212000)(AAAAPPAAACYYAACHNaPPdPfPGNadYfGdHHCABBfNandXLdH0液相2121000 BBBBXXABXXCBCABBHNadXfnLfNandXLdHH2120BBCCABTBBCTNaCCdCnfCL）（1212000AABBBTTPPCCLGPPnCC（）（）HPPCCABTBCAACAABBNadCCnfLNadPPfGdHH01221计算的关键是确定传质速率NA的表达式。（1）对于纯水的物理吸收，首先通过物料衡算建立操作线方程 物理吸收示意)0()(2TAAACCLYYG

11、)(2AATAYYCLGC)(2*AATAAAAYYCLGHCHP)(56700100125.02AAYY 2AAYY（atm）*4()2 10AGAAGNaK a PPKa atmmkmolakHakaKLAGG3/78.01.0125.0321111001.00002.04125131021100mdPaKaNdPPGHAGPPA总从传质阻力的角度分析28.11.250.0311akHakaKLAgG表明97%以上的阻力来自液膜，A为难溶气体。（2）高浓度活性组分B吸收同样，通过物料衡算得到操作线方程高浓度活性组分高浓度活性组分B吸收示意图吸收示意图)()(22BBTAACCCbLPPPG

12、)8.0(56700)0002.0(1100BACPABPC8802.0塔底处,液相中CB浓度 3/794.0001.08802.02mkmolCB吸收剂的临界浓度 塔顶3/064.00002.01.0321 2mkmolPkkDDbCALgBAKP塔底3/32.0001.01.03212mkmolCKP 全塔内，活性物质B的浓度均大于临界浓度,即全塔吸收过程由气相传质控制。此情况下吸收传质速率方程式为AgAPakaN12001.00002.003.532100AAPPAAgmPdPPakdPPGh 通过在吸收液中加入大量的B组分后发生的极快速化学反应，液相阻力下降为零，宏观吸收速率仅由气相传

13、质速度决定。（3）对于CB=0.1kmol/m3时，同样通过物料衡算建立起操作线方程)(1)(11BBTBAACCCnPPPG)1.0(561700)0002.0(1100BACPABPC80984.0塔底浓度3/0904.0001.080984.02mkmolCBAAALAGBLALKPPPbkkDDC1.0321311/064.0BKPCmkmolC232/32.0BKPCmkmolC塔内临界浓度的计算式为塔顶临界浓度塔底临界浓度此情况下，全塔需分为两段计算在某一断面V上，CBV=CKPV该断面以上，CBCKP吸收过程，气膜传质控制，PAi=0，NAa=kGaPA而该断面以下，CBCKP，

14、则)()1(BLALBLBAAGBLALBLABAGACDDnHPaKCDDHnPaKaN可通过下列两式联列求解确定断面V的位置)()(32011BVBTBAAVAVKPVCCCnLPPPGPC3/099.000031.0mkmolCatmPKPVAV对于上段气相控制AVAPPAAAGAmPdPPakdPPGh100031.00002.01373.132100对于下段0984.0125.078.0 )80984.0(125.078.0 )(AABLALBLBAAGAPPCDDnHPaKaN227.190.780.125 0.0984AVAPAPGdPhmP所需总填料高度 H=h1+h2=8.5

15、6m解题思路：先建立操作线方程；确定吸收速率；对于物理吸收 NA=KG（PAPA*）对于化学吸收，计算塔顶、底CB、CKP，判断属于哪种过程，从而确定NA的表达式。对于极快速不可逆反应 A+nBB C 其临界浓度ABBLALALAGKPPnDDkkCa如果全塔CBCKP，则相界面及溶液中的PAi=0，过程为气膜传质控制此时吸收速率 NA=kAGPAb如果全塔CBCKP，而塔底处的CBCKP，则在塔中必存在一个CB=CKP的界面，在该界面以上塔段为气膜传质控制，吸收速率NA=kAGPA该界面以下塔段为混合控制)1(BALBLABAGACDDHnPKN该断面可通过与操作线方程联合求出该断面上的PA

16、。ABBLALALAGKPBPnDDkkCC根据前面得到的NA表达式，通过以下的公式计算所需的传质面积或传质层高度。HPPCCABTBCAACAABBNadCCnfLNadPPfGdHH01221(2)吸收剂的选择 物理吸收：要求溶解度大，化学上相似相溶规律 化学吸收：选择与污染物起化学反应（特别是快速反应）的物质，最常用的是中和反应 选择化学吸收剂应注意反应产物的性质，要使产物无害或易于回收利用。水是一种良好的工作介质，是物理吸收的首选对象 添加增溶剂，如稀硝酸吸收，溶解氮氧化物 添加乳化剂（表面活性剂），吸收有机溶剂吸收剂的再生 吸收剂使用到一定程度，需要更换，使用后的吸收剂可直接回收利用

17、，或处理后排。多数情况下，需解析再生。物理吸收剂的再生方法有：降压式负压下解吸通惰性气体或贫气解吸通水蒸气解吸加热解吸 化学吸收液的解吸比较复杂可逆反应用前述物理解吸的方法不可逆反应需针对生成物的特点考虑解吸的方法 一般的废水净化工艺,如：吸附、离子交换、沉淀、电解等2)吸收设备 目的：强化吸收过程，降低投资、运行费用。吸收设备的主要功能就在于建立最大的能迅速更新的相接触表面。(1)对吸收设备的要求 要求：气液间有较大的接触面积和足够的接触时间气液扰动强烈，吸收阻力低操作稳定，弹性好压降小耐磨，耐蚀，运转安全可靠结构简单，便于制造、安装、维修 2）吸收设备的型式（1）气液分散型式 为增加气液接

18、触面积，要求气体和液体分散 分散型式有三种：气相分散，液相连续（如板式塔）液相分散，气相连续（如喷淋、填料塔）气液同时分散（如文丘里吸收器）气液接触方式两种：连续接触（如喷淋塔、填料塔、湍球塔、文丘里吸收器）阶段接触（如板式塔、多层机械喷洒洗涤器）3）大气污染控制常见吸收设备类型（1）喷淋塔 液滴应大小适中，直径过小易被气流带走；直径过大，接触面积小，接触时间段，影响吸收 常见参数：空塔气速 0.51.5m/s P 20200Pa L/G 0.21.5l/m3特点：阻力小，结构简单，吸收效率不高 近年来发展了大流量高速喷淋塔，可提高其吸收效率、处理气量。污染气体污染气体入口入口清洁气体清洁气体

19、出口出口循环泵循环泵搅拌器搅拌器氧化氧化空气空气入口入口去湿器去湿器水洗喷管水洗喷管浆液喷嘴浆液喷嘴多孔板多孔板污染气体污染气体入口入口清洁气体清洁气体出口出口循环泵循环泵搅拌器搅拌器氧化氧化空气空气入口入口去湿器去湿器水洗喷管水洗喷管浆液喷嘴浆液喷嘴多孔板多孔板填料塔操作变量对膜传质能力的定性影响kLa kGa气体流量 载点以下无影响，载点以上增大 极显著的增大液体流量 极显著的增大 很小或无影响填料规格 一般随填料尺寸减少略微增大 随填料尺寸减少而增大填料排列 一般无影响 一般无影响填料床高度 无影响 略微增大液体分布 采用某些填料时易产生影响 比对kLa的影响小温度 极显著的增大 很小或

20、无影响填料：种类：拉西环、鲍尔环、鞍形填料 对填料的基本要求是：比表面积大，压降低，易润湿，足够的机械强度，重量轻填料的重要特性：比表面积a 单位堆体积填料所具有的表面积，越大越好。m2/m3空隙率 流体通过颗粒层的阻力与空隙密切相关。为减少阻力提高填料塔的允许气速（处理能力），应尽可能大 单位堆体积内填料数目n n由填料尺寸决定 尺寸小，n大，a大，P大 尺寸太小，填料造价还会提高，但尺寸太大，靠近塔壁处，填料层空隙很大，气体由此短路填料塔填料塔根据气液两相流体的流动方向，可分为并流式，逆流式和错流式。从传质的角度说，逆流式操作的传质条件最好，出口浓度最低，并流式的最差，错流式的介于两者之间

21、。通常国内使用的填料塔多数是逆流式的。而在国外，错流式的填料塔也有较广泛的应用。液体入口喷头隔板污染气体干净气体隔板池排水沟溢流口进口变径管前喷雾管填料支撑网格填料床出口变径管顶部喷水管水泵进水口湍球塔 湍球塔是填料塔的特殊情况，其塔内的填料处于悬浮状态，以强化吸收过程。湍球塔内设有开孔率较大的筛板，筛板上放置一定数量的轻质小球。气流以较高的速度通过，使小球在塔内湍动并相互碰撞，吸收剂自上而下喷淋加湿小球表面。由于小球表面的液膜能不断的更新，增大了吸收推动力，提高吸收效率，并由于小球不断相互碰撞，所以不容易发生结垢、堵塞。湍球塔的空塔气速一般为26m/s，气体通过每段湍流塔的压降约为40012

22、00Pa。同样空塔气速下，湍球塔内的气体压降比填料塔小。湍球塔的优点是：气速高，处理能力大，体积小，吸收效率高。缺点是：有一定程度的返混，小球磨损大，需经常更换。(4)板式塔板式塔是化工工业中常用的吸收设备，其的构造型式很多，如筛板塔、泡罩塔、浮阀塔、旋流板塔等，最简单的是筛板塔。筛板塔内设几层筛板，气体自上而下经筛板上的液层。气液在筛板上错流流动，为了在筛板上有一定的液层厚度，筛板上有溢流堰，液体由溢流堰经降液管流至下层筛板。塔内气体必须保持适当的流速。气体速度低，液体将从筛孔泄漏，使吸收效率急剧下降，气流过高，气流带液现象严重。筛板塔的空塔气速一般取1.03.5m/s，随气流速度不同，筛板

23、上液层呈现不同的气液混合状态。筛孔直径一般为38mm，开孔率一般1018%，对于含悬浮物的液体，可采用1315mm的大孔，筛孔直径过小，容易堵塞。筛板塔的优点是，构造简单，吸收效率高。缺点是筛孔容易堵塞，操作不稳定，只适用于气液负荷波动不大的情况，处理气量较大时，采用筛板塔较为经济。液体出口气体进口液体进口除雾器气体出口托架塔体泡罩降液管支撑环泡沫气泡出口旁路放液管中间进料旋流板塔是一种较新的吸收装置，如图所示，其关键设备在就是内部的旋流叶片，在旋流叶片的作用下，气体旋转向上，与叶片上流下的液相充分接触，因此它具有传质强度高、通气量大等优点。旋流板塔还可以作除雾装置。气流旋向176513248

24、7265431盲板；2旋流叶片；3罩筒；4集液槽；5溢流口；6异形接管；7圆形溢流管；8塔壁(5)喷射鼓泡塔是把气体用带细缝或小孔的管子吹入吸收液中产生大量的细小气泡，在气泡上升的过程中完成气液传质。喷射鼓泡塔与板式塔类似，气相是分散的，所不同的是气泡产生了涡流运动，并有内循环的液体喷流作用，而且其表观气速比普通鼓泡塔高得多。其他吸收设备还包括:文丘里吸收器 机械喷撒吸收器等在有害气体治理中，处理的是一些气量大、污染物浓度低的废气，一般都是选择极快速反应或快速反应，过程主要受扩散过程控制，因而选用气相为连续相液相为分散的型式较多，如喷淋塔、填料塔、湍球塔、文丘里吸收器等，这些型式相界面大，气相湍动程度高，有利于吸收。因此喷淋塔、填料塔等应用较广，在有些场合也应用板式塔及其他塔型。