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1、大气污染控制工程,吸收法净化气态污染物,吸收法净化气态污染物,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：效率高、设备简单、一次投资费用相 对较低 缺点：需要对吸收后的液体进行处理、设备 易受腐蚀,第五章 吸收法净化气态污染物,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 化学吸收：伴有显著化学反应的吸收过程。该法使 吸收过程推动力增大，阻力减少，吸收 效率提高，可处理低浓度气态污染物 针对实际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，大多采用化学吸收法。,吸收法净化气态污染物,本章
2、学习内容： 吸收平衡 吸收速率 吸收设备与设计 吸收工艺的配置 吸收净化法的应用,第一节 吸收平衡,物理吸收平衡 化学吸收平衡,一、物理吸收平衡,1.气体组分在液体中的溶解度 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向液相进行质量传递的过程。 解吸过程：伴随吸收过程发生的液相中吸收组分反过来向气相逸出的质量传递过程。,一、物理吸收平衡,平衡溶解度：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，液相中吸收组分的量称为该气体的平衡溶解度，简称溶解度。溶解度是吸收的最大限度。,一、物理吸收平衡,几种常见气体污染物水中溶解度曲
3、线,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。 增大气相中该气体的浓度也能使其溶解度增大。,适用条件：在系统压力不太高，温度不太低以及溶解气体组分又不与液体起化学反应的情况下，难溶气体的溶解平衡可近似认为遵循亨利定律，对中溶和易溶气体在液相溶解浓度较低时也可近似认为遵从亨利定律。在实际的废气处理时也经常用亨利定律进行计算。,2.亨利定律,一、物理吸收平衡,二、化学吸收平衡,为了加快净化速率、提高净化效率，实际气态污染物净化过程通常采用化学吸收法。此时，气体溶于液体中，且与液体中某组分发生化学反应，被吸收组分既遵从相平衡关系又遵从化学平衡的关系。,二、化学吸收平衡,则气
4、态污染物A在溶液中的转化过程可表示为：,设气态污染物A与吸收液中所含组分B发生如下反应：,二、化学吸收平衡,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:,其中A物理平衡可采用前面介绍的亨利定律近似计算，而A化学消耗可根据化学平衡进行计算。,由亨利定律有：,由化学平衡有：,二、化学吸收平衡,二、化学吸收平衡,由于吸收组分既遵从相平衡关系又遵从化学平衡的关系，式中A就是A物理平衡，在已知化学平衡常数K 及反应前后反应物B的浓度变化的情况下可求出生成物M、N的浓度，再由化学反应式可求出A化学消耗及A净化。,二、化学吸收平衡,1.被吸收组分A与溶剂互相作用,水对氨的吸收过程就属于这
5、种情况。这种情况下气态污染物A在溶液中的转化过程的通式可表示为：,二、化学吸收平衡,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：,在A的稀溶液中，溶剂B的浓度很大，B可视为常数，且K 也为常量，此时（1+KB）近似为常数，对比亨利定律,溶解度系数是无化学作用时的（1+KB）倍。,二、化学吸收平衡,2.被吸收组分在溶液中离解,二、化学吸收平衡,用水吸收H2S时，H2S会进一步解离成为H+和HS-。对于这种情况组分A在溶液中的转化过程为：,二、化学吸收平衡,当溶液中没有同离子存在时，则M+=N-,二、化学吸收平衡,由气液相平衡得
6、到进入溶液中A的总浓度：,二、化学吸收平衡,3.被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烟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：,二、化学吸收平衡,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的初始浓度为 ，若平衡转化率为 ，则溶液中组分B的平衡浓度为 ，而生成物M的平衡浓度为 。,二、化学吸收平衡,由化学平衡关系式有,将气液平衡关系 代入得：,二、化学吸收平衡,进入溶液中A的总浓度：,，它表征了带化学反应气液平衡的特征。,若物理溶解量与化学溶解量相比可忽略不计，则
7、：,二、化学吸收平衡,随着 的增加，组分A在液相内的溶解度 变大，但无论怎样 增大，式中右端第二个因子 总是小于1的。 在此种反应类型情况下，对纯粹的化学吸收而言，A组分的溶解度的最大值 不超过吸收活性组分的初始浓度值。,第二节 吸收速率,物理吸收速率 化学吸收速率,一、物理吸收速率,吸收是气态污染物从气相向液相转移的过程，对于吸收机理以双膜理论应用较为普遍。 气膜、液膜、 气相主体、 液相主体。,双膜理论模型,一、物理吸收速率,传质过程： 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液膜移动；
8、 溶入液相的被吸收组分从液膜向液相主体移动。,一、物理吸收速率,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的通量，在界面上无吸收质的积累和亏损。,对于气膜：,对于液膜：,一、物理吸收速率,组分A在界面位置处于气液平衡状态： 稳定吸收过程的总传质速率方程式：,或：,一、物理吸收速率,一、物理吸收速率,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。 提高物理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
9、触面积。 （4）选用对吸收质溶解度大的吸收剂。,二、化学吸收速率,吸收速率方程 典型特定情况,二、化学吸收速率,1.吸收速率方程,对于典型的气液相反应:,二、化学吸收速率,液相中A的浓度变化 (a)物理吸收 (b)化学吸收,二、化学吸收速率,化学吸收过程： 气相反应物A从气相本体通过气膜向气-液相界面传递。 气相反应物A自气-液相界面向液相传递。 反应物A在液膜或液相主体中与B发生反应(视反应速率的快慢而定)。 反应生成的液相产物留存在液相中(如有气相产物生成则向相界面扩散)。 气相产物自相界面通过气膜向气相本体扩散。,二、化学吸收速率,化学吸收法净化气态污染物质一般要求吸收剂在吸收条件下的蒸
10、气压很低或趋于零，化学反应只在液相内发生。 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后者，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。,二、化学吸收速率,对化学吸收而言，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，一面与吸收剂组分B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。,二、化学吸收速率,组分B不断地从液相主
11、体扩散到界面附近并与A相遇。A与B在什么位置进行反应取决于反应速率与扩散速率的相对大小。反应进行得愈快，A消耗愈快，则A抵达气液界面后扩散不远便会消耗干净。反之，如果A与B反应较慢，A可能扩散到液相主体仍有大部分未能参加反应。,二、化学吸收速率,化学吸收的速率不但取决于液相的物理性质与流动状态，也取决于化学反应速率。但是由于液相中有化学反应的存在，组分A的浓度cA降低加快，这意味着液膜厚度薄，液膜阻力减小，从而使过程吸收速率提高。,二、化学吸收速率,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： 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
12、A作物料衡算可得到液相浓度分布规律及梯度。,二、化学吸收速率,在液膜内离界面Z 处，取一厚度为dZ的微元，对气体A在微元体内进行物料衡算： A扩散入微元的通量-A扩散出微元的通量=A在微元的反应量,整理得：,二、化学吸收速率,同理对B作物料衡算有：,反应动力学方程： 联解上述公式可以获得总速率方程。 由于化学动力学方程一般比较复杂，大多数情况下只能给出数值解，但对一些特殊情况有解析解。,二、化学吸收速率,2.典型特定情况 用吸收法处理气态污染物时，化学吸收剂一般能与被吸收组分发生极快的化学反应；或其用量大大过量，以致其液相中浓度几乎不变，这时可看成拟一级反应。以下分别针对这两种典型的特定情况进
13、行讨论。,二、化学吸收速率,(1) 极快速不可逆化学反应吸收过程 典型的气液相反应： 对于极快速不可逆化学反应，传质阻力比化学反应阻力大很多，整个过程属扩散控制。由于吸收组分A与反应物B的扩散速率不同，会使液相浓度出现三种不同的情况，下面分别加以讨论：,当由气相扩散至界面的A的量超过由液相扩散至界面的B物质反应所需的量时，相界面上的B物质被耗尽，吸收组分A过剩，界面上 过剩的A物质向液膜扩散，并继续与B物质反应，所以反应面向液相移动。 当反应面移动到 时，过程稳定，其位置不再移动。,二、化学吸收速率,二、化学吸收速率,进行极快反应时气液相的浓度分布,二、化学吸收速率,过程的速率方程：,与物理吸
14、收相比，传质阻力未变，但推动力增加，因此提高了过程的吸收速率。,二、化学吸收速率,由上式和气膜传质方程可求出相界面处的A组份分压：,二、化学吸收速率,令式中 ，此时求出的 ，称为临界浓度，用 表示：,在这种情况下，实际的吸收液浓度小于临界浓度，即,二、化学吸收速率,当由气相扩散至界面的吸收组分A的扩散通量与由液相扩散至界面的B物质的扩散通量恰好符合化学计量关系时，物质A与物质B在界面上刚好反应完全。此时反应面R与相界面P重合，且在此位置。,进行极快反应时气液相的浓度分布,二、化学吸收速率,实际的吸收液浓度等于临界浓度，即。 吸收过程总速率等于物质A从气相扩散到相界面上的速率，也等于物质B从液相
15、扩散到相界面的速率的 倍。即过程总速率方程式为,或,二、化学吸收速率,二、化学吸收速率,当由液相扩散至界面的B物质的量超过由气相扩散至界面的吸收组分A反应所需的量时，相界面上的A物质被耗尽，B物质过剩，此时反应面也与相界面P重合，在相界面上也有，但。,二、化学吸收速率,进行极快反应时气液相的浓度分布,二、化学吸收速率,实际的吸收液浓度大于临界浓度。物质A从气相扩散到相界面上的速率是整个过程的控制速率，即过程总速率方程式为：,例5-1 用硫酸溶液从氨吸收塔回收气体混合物中的氨，试计算塔底和塔顶的吸收速率NA2和NA1。已知：气体混合物中氨的分压进口处为5000Pa，出口处为1000Pa，吸收剂中
16、H2SO4的浓度进口处为0.6kmol/m3，出口处为0.5 kmol/m3，气液两相逆流接触，气体加入量G=45kmol/h，kAG=3.510-6kmol/(m2Pah)，kAL=0.005m/h，亨利系数：H=7.510-4kmol/(m3Pa)，总压p=1105Pa(绝对压力)，DAL=DBL。,二、化学吸收速率,解：硫酸吸收氨的反应为瞬间化学反应,故 b/a=0.5 在塔顶处： 在塔底处： 塔顶：,二、化学吸收速率,故 计算得： 塔底：,二、化学吸收速率,故 计算得：,二、化学吸收速率,二、化学吸收速率,(2)拟一级不可逆反应的吸收过程 对于n级不可逆反应 ,在反映物组分B的量相对于被吸收组分A大量过量时, 的变化相对很小,视为常数,因此反应过程可看作一级反应:,液相中有中等速率的化学反应且cBL为常数时的浓度分布,二、化学吸收速率,二、化学吸收速率,由于反应速度不是很快，吸收组分B与被吸收组分A可同时存在，化学
