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1、大气污染控制工程讲义第七章气态污染物控制技术基础第一节气体吸收一 概述1定义：吸收净化法是利用废气中各混合组分在选定的吸收剂中溶解度不同，或者其中某一种或多种组分与吸收剂中活性组分发生化学反应，达到将有害物从废气中分离出来，净化废气的目的的一种方法。吸收2分类：（ 1）物理吸收：可看成是单纯的物理溶解过程。如：水吸收HCL 、 CO2 等。吸收限度取决于气体在液体中的平衡浓度；吸收速率主要取决于污染物从气相转入液相的扩散速度。（ 2）化学吸收：吸收过程中组分与吸收剂发生化学反应。如：碱液吸收CO2、 SO2 等；酸液吸收NH 3 等。吸收限度同时取决于气液平衡和液相反应的平衡条件；吸收速率同时
2、取决于扩散速度和反应速度。（ 3）异同点：同：两类吸收所依据的基本原理以及所采用的吸收设备大致相同。异：一般来说，化学反应的存在能提高反应速度，并是吸收的程度更趋于完全。结合大气污染治理工程中所需净化治理的废气，具有气量大，污染物浓度低等特点，实际中多采用化学吸收法。二 吸收净化的基本原理1气液相平衡（ 1）定义：在一定的温度和压力下，气液两相发生接触后，吸收质便由气象向液相移动，随着液体中吸收质浓度的逐渐增加，吸收速率逐渐渐少，解析速率逐渐增大，经过一段时间接触后，吸收速率和解析速率相等，即吸收质在气象中的分压和在液相中的浓度不再变化，此时气液两相达到平衡，简称相平衡。在平衡状态下，被吸收气
3、体在溶液上方的分压称为平衡分压，可溶气体在溶液中的浓度称为平衡浓度，或平衡溶解度，溶解度。（ 2）气体在液体中的溶解度：在100kg 水中溶解气体的千克数。参见 P241 图 7-4，常见气体在水中的溶解度，可知：不同性质的气体在同一温度和压力下的溶解度不同；气体的溶解度与温度有关，多数气体的溶解度随温度的升高而降低；温度一定时，溶解度随溶质分压升高而增大。在吸收系统中，增加气相总压，组分的分压会增加，溶解度也随之增加。2亨利定律（ 1）定义：对于稀溶液，在较低压力下，x p 是通过原点的直线，但在压力偏高时与直线偏差很大，这样在较低压力下，我们就可用“亨利定律” 来表示。 对于非理想溶液，当
4、总压不高（一般不超过5 105Pa）时，温度一定，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：cHp *式中： c可溶气体在溶液中的浓度(即平衡浓度或饱和浓度)， Kg/m 3；p* 被吸收气体在溶液面上的分压（称平衡分压或饱和分压）， Kpa。3p *或：xE大气污染控制工程讲义x溶质在气相、液相中的摩尔分数（无量纲）E亨利系数或：y*mxy* 溶质在气相、液相中的摩尔分数m亨利系数, 又称相平衡常数。（ 2）应用：用亨利定律判断气液接触时溶质的传质方向，即溶质是由气相传到液相（被吸收），还是从液相传到气相（被解吸）现以一传质设备来说明传质过程的进行：y1、 y2 分别表示进、出口
5、气相中溶质的浓度；x1、 x2 分别表示进、出口液相中溶质的浓度；x2* 、 y2* 分别表示进、出口气、液相中溶质的平衡浓度。若测得 yy i*，则该组分将被溶液吸收吸收过程；若测得 yy i*，则该组分将从溶液中解吸出来脱吸过程。同理： xx i* 脱吸过程。排气 y2、 y2*传进液 x1质设备进气 y1排液 x2、 x2*（ 3）结论：亨利定律只适用于常压或低压下的稀溶液，而且吸收质（被吸收组分）在气相与溶剂中的分子状态应相同，若被溶解的气体分子在溶液中发生化学反应，则此时亨利定律只适用于溶液中发生化学反应的那部分吸收质分子的浓度，而该浓度决定于液相化学反应的平衡条件。三 化学吸收的气
6、液平衡气体溶于液体中，若发生化学反应，则被吸收组分的气液平衡关系应既服从相平衡关系，又应服从化学平衡关系。即有：cAA 物理平衡A 化学平衡反应方程式为：aAgaAlbBcCdD前提：被吸收组分浓度及各反应组分浓度较低大气污染控制工程讲义亨利定律关系式：化学平衡关系式：A H A p*AC cD dkB bA a1CcdaADB b kcd1ap A*1CDH AB b k讨论：1被吸收组分与溶剂的相互作用Ag反应式表示为：AlBkM l被吸收组分 A 进入液相后的总浓度CA 可写成：CAAM其化学平衡常数MC AAC Ak于是有：AA BA B1 k B若是稀溶液吸收，则遵循亨利定律，即有A
7、=H A PA* ，于是有：PA*CAH A 1K B例如：用水吸收氨气.2被吸收组分在溶液中离解设反应产物的解离反应式为：AgAg BkMkKAKA吸收平衡时，离解常数为：k1M当溶液中无相同离子存在时，K +=A -，于是有：A2k1Ak1 MM被吸收组分A 在溶液中的总浓度为物理溶解量与离解溶解量之和，即：大气污染控制工程讲义CAAMAAMk1 M组分的物料平衡方程式联解得：2CA kAkA 4C A k AAk B2 1式中： kAk1k B1k B3被吸收组分与溶剂中活性组分作用AgAlBlM l设溶剂中活性组分B 的起始浓度为CB0 ，反应达平衡后，转化率为R，则溶液中活性组分B
8、的浓度BC B01 R，而生成物 M 的平衡浓度为MCB0 R0 由化学平衡关系得平衡常数：kMCB0 RRA BACB01 RA 1 R又亨利定律 A=H APA * ，得： PA*RRH A k 1若物理溶解量可忽略不计，则由上式可得：*CA*MCB0RCB0HAkPA *令k1HAk，于是CA*CB0k1PA *1 H kP1 H AkPAAA变换为： C A*C B0111k1 PA*结论：溶液的吸收能力CA *随 PA * 增大而增大，溶液的吸收能力CA * 随 k 增大而减小。溶液的吸收能力还受活性组分起始浓度CB0 的限制， CA * CB 0（只能趋近于而不能超过）3伴有化学吸
9、收的吸收速率（ 1）双膜理论描述气液两相之间的传质过程适用于物理吸收过程，也可用来分析伴有化学反应的化学吸收过程双膜理论示意图如下：大气污染控制工程讲义界面气膜液膜PAPAp气相主体液相主体CApCAZgZl直线双膜理论模型两相中浓度分布；虚线扩散边界层理论模型两相中浓度分布。基本论点：a 在气液两相接触时，两相间有个相界面。在相界面附近两侧分别存在一层稳定的滞留膜层（不发生对流作用的膜层）气漠和液膜。b 气液两个膜层分别将各项主体流与相界面隔开，滞留膜的厚度随各项主体的流速和湍流状态而变，流速愈大，膜厚度愈薄。气液相质量传递过程：吸收质从气相主体湍流扩散气膜表面分子通过气膜扩散相界面分子铜鼓
10、液膜扩散液膜表面湍流扩散液相主体直至达到动态平衡为止。a 在界面上，气液两相呈平衡态，即液相的界面浓度和界面处的气相组成呈平衡的饱和状态，也可理解为在相界面上无扩散阻力；b 在两相主体中吸收质的浓度均匀不变，因而不存在传质阻力，仅在薄膜中发生浓度变化；存在分子扩散阻力，两相薄膜中的浓度差等于膜外的气液两相的平均浓度差。c 通过上述分析可以看出传质的推动力来自可溶组分的分压差和在溶液中该组分的浓度差，而传质阻力主要来自气膜和液膜。（ 2）吸收传质速率方程吸收速率：气体吸收质在单位时间内通过单位界面而被吸收剂吸收的量传质速率 =传质推动力传质系数或：传质速率 =传质推动力 /传质阻力，传质系数 =
11、1/ 传质阻力N AkG PPikl CiC若以 PA PAi 或 yA yAi 为气相传质推动力，则a 气相分传质速率方程式为：N Ak y y A y AiN AkG PA PAi式中： PA 、PAi 分别表示吸收质A 在气相主体和相界面上的分压，Pa；大气污染控制工程讲义yA 、 yAi 分别表示吸收质A 在气相主体和相界面上的摩尔分率；ky以 yAyAi为推动力的气相分传质系数，Kmol/ （ m2 s）；kG以 PAPAi为推动力的气相分传质系数，Kmol/ （ m2 s Pa）b 液相分传质速率方程:以 xAi xA 或 CAi CA 为液相传质推动力：N Ak xx AixA（ 9.44）N Ak LCAiC A（9.45）式中： xAi 、xA 分别表示吸收质A 在
