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1、第8章 吸收法净化气态污染物,2,概述,吸收原理：利用气态污染物中各组分在吸收剂中溶解度不同，或选择性化学反应，将其中的一个或几个污染物组分溶于吸收剂内，达到净化的目的。 分类：物理吸收 化学吸收 *实际的吸收过程=物理吸收+化学吸收 优点：生产强度大、净化效率高,3,吸收过程涉及物理溶解和化学反应，研究吸收的规律必须明确吸收质的溶解与相平衡规律、化学反应与相平衡间的相互关系，最终明确化学反应在吸收过程中的强化作用。,4,8.1气体的溶解与相平衡,气体和液体接触时，会发生气相中可溶组分向液体中转移的溶解过程和溶液中已溶解的溶质从液相向气相逃逸的解吸过程。 达到平衡的气、液两相间组成关系用亨利定
2、律来描述。,5,8.1.1溶解度曲线,若在一定温度下，将平衡时溶质在气相中的分压p*与其在液相中的摩尔分率x相关联，即得溶解度曲线。,图81 1atm下SO2溶解度曲线,6,8.1.2亨利定律,亨利定律是描述达到平衡的气、液两相间组成关系的重要定律。由于相组成可有多种表示方法，因此亨利定律有多种表达式。 当用可溶组分（溶质）的摩尔分数与其气相的平衡分压p*之间建立关系式时，亨利定律表示为,7,当以其它单位表示可溶组分在两相中的浓度时，亨利定律也可表示为 （8-2） （8-3） 适用条件： 稀溶液；适用于分子态物质。,8,8.1.3伴有化学反应的相平衡,溶质溶于吸收剂后既发生物理溶解又可能发生化
3、学反应伴有化学反应的相平衡 8.1.3.1相平衡与化学平衡的关联 设气相组分A进入液相后，与液相中组分B发生可逆反应，生成了M和N，则气、液相间平衡与化学反应平衡可表示为,9,化学平衡常数为 令 则 因此,10,由于溶质在液相中有化学反应发生，进入液相的溶质A转变成了游离的A与化合态的A两部分。设该气液体系气相为理想气体，液相为稀溶液，则与游离态A的浓度cA平衡的气相分压为 可以看出，游离态A的浓度cA的大小同时受相平衡与化学平衡关系的影响。,11,下面具体介绍几种化学吸收相平衡与化学平衡的关联类型,1、溶质与溶剂相互作用 设溶质A在液相中的总浓度为溶剂化产物M和未溶剂化A的浓度之和，即，由式
4、（811）可得,12,对于常压或者低压下的稀溶液，由亨利定律得 （8-12） 由于稀溶液中溶剂是大量的，cB可视为常数， K也不随浓度而变，式（8-12）中分母可视为常数，表观上亨利定律仍然适用，但表观上的亨利系数值却缩小了。,13,2、溶质在溶液中离解,离解平衡常数为 当溶液中没有同离子存在时， 由式（8-13）得,14,进入液相中的A的总浓度为 （8-14） 由亨利定律 得 式（8-14）表示溶质A在液相中离解后，进入液相的A组分为物理溶解量与离解溶解量之和。用水吸收SO2即属于此类型，SO2溶于水后生成的H2SO3又进一步离解为H+与HSO-3。,15,3、溶质与溶剂中活性组分作用,设溶
5、剂中活性组分B的起始浓度为 ，平衡转化率为R，无副反应，则溶液中活性组分的平衡浓度为 ，生成物M的平衡浓度 ，化学平衡常数K为,（8-15）,16,因物理溶解量很小，可忽略不计，则 （8-16） 由式（8-16）可见，液相吸收能力 与气相中A组分分压pA的关系既与亨利系数 有关，也与化学平衡常数K有关。,17,4、部分气液平衡经验公式,1）SO2-H2O系统 2）Cl2-H2O体系 3）NH3-H2O体系 4）NH3-SO2-H2O体系,18,8.1.3.2电解质溶液中气体的溶解度估算,化学吸收中，如果溶液中存有电解质，通常要降低气体的溶解度（也有极少数例外），影响了气液平衡关系。气体在电解质
6、中的溶解度除少数可查手册外，大多数要实测或估算。,19,8.1.4相平衡与吸收过程的关系,1.判别过程方向 当气、液两相接触时，可根据气液相平衡关系确定一相与另一相呈平衡状态时的组成，将此平衡关系与实际相组成进行比较，可判断过程方向。 2.指明过程的极限 气液相达到平衡是吸收过程的极限，即若保持液相浓度x不变，气相浓度y最低只能降到与之相平衡的浓度y*，即ymin=y*，而液相浓度x只能升高到与气相浓度y相平衡的浓度x*，即xmax=x*。在工程实际中，往往不能达到极限状态，而用塔（板）效率来描述实际与理想（极限）间的差距。,20,3.计算过程的推动力 平衡是过程的极限，只有不平衡的两相互相接
7、触才会发生气体的吸收或解吸。实际 浓度偏离平衡浓度越远，过程的推动力越大，过程的速率也越快。在吸收过程中，通常以实际浓度与平衡浓度的偏离程度来表示吸收的推动力。,21,8.2气液传质理论,任何传质过程都需解决过程的极限和速率的问题。 极限问题:相平衡关系 速率:气液传质理论则涉及到过程的速率。 不论气相或液相，物质传递的机理不外两种： （1）分子扩散 在一相流体内部存在某一组分的浓度差时，因分子的无规则热运动使该组分由高浓度处传递至低浓度处，这种物质传递现象称为分子扩散。 （2）对流传质 在流动的流体中不仅有分子扩散，而且流体的宏观流动也将导致物质的传递，这种现象称为对流传质。对流传质通常是指
8、流体与某一界面(如气液界面)之间的传质。,1 扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）；,2 在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；,3 进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的扩散）；,物质传递的三个步骤：,8.2.1分子扩散与菲克定律,23,物质在单相中的传递靠扩散，发生在流体中的扩散有分子扩散和涡流扩散两种。,分子扩散：依靠分子的无规则热运动，主要发生在静止或 层流流体中。,涡流扩散：依靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质，主要 发生在湍流流体中。,物质在单相中的扩散,24,分子扩散：在一相内部存在浓度差或浓度梯度的情况下，由于分子的无规则运动而导致的物质传
9、递现象。分子扩散是物质分子微观运动的结果。,扩散通量：单位时间内单位面积上扩散传递的物质量，其单位为mol/(m2s)。,分子扩散与菲克定律 1 分子扩散,25,式中 JA物质A在z方向上的分子扩散通量，kmol/(m2s) dCA/dz物质A的浓度梯度，kmol/m4 DAB物质A在介质B中的分子扩散系数，m2/s 负号表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。,当物质A在介质B中发生扩散时，任一点处物质A的扩散通量与该位置上A的浓度梯度成正比，即：,2 菲克（Fick）定律,26,8.2.2扩散系数,分子扩散系数简称扩散系数，它系单位浓度梯度的扩散通量，是物质的特性常数之一。 同一物质的扩
10、散系数随环境介质的种类、温度、压强及浓度的不同而变化。 气相体系中的扩散系数，可忽略浓度的影响，液相体系中的扩散系数，则不可忽略浓度的影响，而压强的影响不显著。 质的扩散系数一般由实验确定，或从有关手册中查找，有时也可由物质本身的基础物性数据及状态参数估算。,27,8.2.3对流扩散,1.涡流扩散 在湍流流体中，依靠流体质点的湍动与漩涡等来传递物质的现象，称为涡流扩散。湍流中发生的旋涡，引起各部流体间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质便朝着浓度降低的方向进行传递。 2. 对流扩散 对流扩散是湍流主体与相界面之间的涡流扩散及分子扩散两种传质作用的总称。 流体作湍流流动时，湍流主体中溶质浓度
11、是均匀的，浓度梯度和传质过程只存在于靠近相界面的一层很薄的滞流层内，这就是“有效滞流膜层”膜型。,28,物质在湍流的流体中传质，主要凭藉湍流流体质点的湍动和旋涡引起流体各部分之间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质朝着浓度降低的方向进行传递，这种现象称为涡流扩散（eddy diffusion）。,1 涡流扩散,29,在湍流流体中同时存在涡流扩散 和分子扩散（涡流扩散占主导地位 ），其总扩散通量为,式中 D分子扩散系数，m2/s； DE涡流扩散系数，m2/s； dCA/dZ沿z方向的浓度梯度，kmol/m4； J总扩散通量kmol/(m2s),注：涡流扩散系数DE不是物性常数，它与湍动有关，
12、且随位置而不同。由于其难以测定，常将分子扩散和涡流扩散结合在一起考虑。,30,对流扩散是指发生在运动着的流体与相截面之间的传质过程。在实际生产中，传质操作多发生在流体湍流的情况下，此时的对流扩散是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和。,以吸收为例：吸收剂沿壁面自上而下流动，混合气体自下而上流过液体表面。考察稳定操作状况下吸收塔设备任一截面m-n处相界面的气相一侧溶质A浓度分布情况。,2 对流扩散,31,32,流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即湍流主体、过度层和滞流层。,过渡层 同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐变小，曲线逐渐平缓。,滞流层 溶质的传递主要依靠分
13、子扩散作用，由于D值较小，在该区域内分压梯度较大，曲线陡峭。,湍流主体 主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合作用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。,流动区域,33,延长滞流内层的分压线和气相主体 的分压线交于H点，此点与相界面的距离为zG， 在zG以内的流动为滞流，其物质传递纯属分子扩散，此虚拟的膜层称为有效滞流膜。,整个有效滞流层的传质推动力为气相主体与相界面处的分压之差，即全部传质阻力都包含在有效滞流膜层内。,34,由气相主体至相界面的对流传质速率为（按有效滞流膜层内的分子扩散速率计算）,35,在液相中的传质速率为,式中 zL液相有效滞流膜层厚度，m； C液相主体中的溶质A浓
14、度，kmol/m3； ci相界面处的溶质A浓度， kmol/m3； cSm溶剂S在液相主题与相界面处的浓度的对数均 值， kmol/m3； kL液膜吸收系数或液膜传质系数,36,8.3吸收速率方程式 8.3.1吸收过程机理,当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧分别存在着呈层流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必须以分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度主要随流速而变，流速愈大厚度愈小。,双膜理论（two-film theory）,37,在相界面上气液两相相互成平衡。,在膜层以外的主体内，由于流体的充分湍动，溶质的浓度分布均匀，可认为两相主体中的浓度梯度为零，即浓度梯度
15、全部集中在两个有效膜层中。,用双膜理论解释具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质过程（如湿壁塔），与实际情况是大致相符合的。,38,39,8.3.2.吸收速率方程式,吸收速率是指单位相际传质面积上、单位时间内吸收溶质的量。通常将吸收速率方程式表示为“吸收速率吸收系数推动力”的形式。推动力是指浓度差，吸收系数的倒数称为吸收阻力。 稳态下，任一传质相界面两侧的气、液膜层中的传质速率应是相同的。因此，其中任何一侧有效膜中的传质速率都能代表该处的吸收速率。,40,8.3.2.1气膜吸收速率方程,（8-26） 或 8.3.2.2液膜吸收速率方程 （8-28） 或,推动力,阻力,41,8.3.2.
16、3界面浓度,所以有 （8-30） 参照图8-4，a点坐标为（y，x），b点坐标为（yi，xi）故ab联线的斜率为(kx/ky)。确定界面浓度（yi，xi）的方法有二：,42,a) 从气、液相的实际浓度点a出发，以(kx/ky)为斜率作一直线，此直线与平衡线交点b的坐标即为所求的界面浓度； b) 当平衡线可用某种函数形式y*=f(x)表示时，则将其与式（8-17）联立求解，可得界面浓度yi与xi。,图84 界面浓度的求取,43,8.3.2.4总吸收速率方程,膜吸收速率方程式中的推动力，都涉及相界面处溶质A的浓度，但相界面浓度却难以确定。为消去界面浓度，可以用两相主体浓度的某种差值来表示推动力，并写出总吸收速率方程式，该方程式中的吸收系数称为总吸收系数，以K表示。总吸收系数的倒数1/K即为总阻力，总阻力应当是两膜传质阻力之和。 或,（8-3
