第05章吸收净化法-文档资料

第五章吸收法净化气态污染物气态污染物控制的方法主要有两大类:分离法：是利用污染物与废气中其它组分的物理性质的差异使之从废气中分离出来，如：吸收吸附冷凝催化转化膜分离转化法：是使废气中污染物发生某些化学反应，使之转化成无害物质或易于分离的物质，如：燃烧法生物处理法电子束法概念：吸收法是根据气体混合物中各组分在液体溶剂中物理溶解度和化学反应活性不同而将混合物分离的一种方法。特点：优点：效率高、设备简单、一次投资相对较低等；缺点：产生废液、设备易受腐蚀。分类：物理吸收化学吸收一般来说，化学反应的存在能提高反应速度，并使吸收的程度更趋于完全。结合大气污染治理中所净化治理的废气，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。第一节吸收平衡一、物理吸收平衡1、气体组分在液相的吸收混合气体吸收吸收剂（可吸收组分）解吸（液相）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相等时气体溶质在液相中的含量称为该气体的平衡溶解度，在同一系统中随温度的升高而减小，随压力的增大而增大。气-液相平衡关系曲线又称溶解度曲线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，P总增大，溶解度增大一定温度下，总压不大时（不超过5×105Pa），稀溶液中溶质的溶解度与其在气相中平衡分压成正比：p*A—气相组分A的平衡分压，PacA—液相中组分A的浓度，mol/m3xA—溶质在液相中的摩尔分数;HA、E—亨利系数，单位分别为mol/(m3·Pa)和Pa。2、亨利（Henry）定律*AAAPHcAAAxEP*典型气体在水中的亨利系数25℃时E(kPa)CO5.88106CO21.66105H2S0.552105SO20.413104上述气态物质被水溶解的难易程度？E越小，该气体越易溶于水。例：推算温度25℃，分压为1.013×105Pa时，CO2在水中的溶解度(以mol/m3表示)48510102.61066.110013.1x解：利用x=P*/E查表得25℃时E=1.66×105Kpa，则：Lmolmmolc/0339.0/9.333molnnxnAA9.331056.510102.6)(44水1m3水的物质的量为：5.56×104mol，则：设气态污染物A与吸收液所含组分B发生反应：aA+bBmM+nN二、化学吸收平衡气态污染物A在溶液中的转化过程：aA（气）aA（液）+bBmM+nN体系中主要存在气液平衡和化学平衡气态污染物的总净化量[A]净化=[A]物理平衡+[A]化学消耗其中[A]物理平衡=HAP*A[A]化学消耗：在达到化学平衡时，根据化学平衡常数K和反应前后某种反应物浓度的变化可以求出生成物浓度，再由化学反应方程式即可求出[A]化学消耗。下面讨论几种特殊情况：1、被吸收组分A与溶剂相互作用A（气）A（液）+B（溶剂）M（液）由亨利定律[A]物理平衡=HAPA*由化学平衡[A]化学消耗=[M]=K[B][A]物理平衡故CA=（1+K[B]）HAPA*比较上式发现：由于化学反应使溶解度系数增大至（1+K[B]）倍。2、被吸收组分在溶液中离解A（气）A（液）M++N－则[A]物理平衡=HAPA*[A]化学消耗=[M+]=（K[A]物理平衡）0.5CA=[A]物理平衡+[A]化学消耗=HAPA*+（KHAPA*）0.53、被吸收组分与溶剂中活性组分作用如碱液吸收二氧化硫。此时活性组分B的浓度在反应前后不能视为不变。A（气）A（液）+B（液）M（液）设溶剂中活性组分的初始浓度为CB0，若平衡转化率为x，则溶液中组分B的平衡浓度为[B]=CB0(1－x)，而生成物M的平衡浓度为：[M]=CB0x，CA=[A]+xCB0K=[M]/([A][B])=x/[[A](1–x)]又有[A]=HAPA*，代入上式得PA*=x/(KHA(1–x))若物理溶解量与化学溶解量相比可忽略，令K1=KHA，表征带有化学反应的气液平衡，得CA≈xCB0=CB0K1PA*/(1+K1PA*)＜CB0又第二节吸收速率1、双膜理论一、物理吸收速率液相主体液膜表面相界面气膜表面吸收质从气相主体湍流扩散分子通过液膜扩散分子通过气膜扩散湍流扩散2、吸收过程速率由费克定律可推出：对于气膜：NA=kAG(PAG–PAi)对于液膜：NA=kAL(CAi–CAL)式中：NA—被吸收组分A的传质速率，kmol/(m2·s)PAG、PAi—组分A在气相主体和界面处的分压，PaCAL、CAi—A在液相主体和界面处的浓度，kmol/m3kAG—气相传质系数，kmol/(m2·s·Pa)kAL—液相传质系数，m/s总传质速率方程如下：NA=KAG(PAG–PA*)NA=KAL(CA*–CAL)其中：AALAGAGHkkK111AGAALALkHkK11PA*=CAL/HACA*=HAPAG气膜控制：气膜阻力»液膜阻力物理吸收类型液膜控制：气膜阻力«液膜阻力提高物理吸收过程吸收速率的措施：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，降低液相吸收质浓度，以增大吸收推动力；3、增大气液接触面积；4、选用对吸收质溶解度大的吸收剂。1、化学吸收的优点溶质进入溶剂后因化学反应消耗掉，溶剂容纳的溶质量增多液膜扩散阻力降低填料表面的停滞层仍为有效湿表面•湿式脱硫：石灰/石灰石洗涤烟气脱硫•干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：SO2被雾化的Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收采用吸收法处理气态污染物时，通常采用化学吸收。二、化学吸收速率二、化学吸收速率2、化学吸收过程①气相反应物A从气相主体经气膜向气液相界面传递；②气相反应物A从气液相界面向液相传递；③反应组分在液膜或液相主体内与反应物相遇发生化学反应；④反应生成的液相产物向液相主体扩散，留存于液相，若生成气相产物则向相界面扩散；⑤气相产物自相界面向气相主体扩散。(与物理吸收过程有何区别？)动力学控制：传质速率＞＞化学反应速率控制步骤扩散控制：传质速率＜＜化学反应速率动力学与扩散同时控制气膜：教材中公式（5-20）传质速率相界面：亨利定律的表示液膜（过程稳定时）：（5-29）第三节吸收设备与设计一、吸收设备对吸收设备的要求（1）气液有效接触面积大（2）气液湍动程度高（3）设备的压力损失小（4）结构简单，易于操作和维修（5）投资和操作费用低分类填料反应器板式反应器1、填料床反应器塔逆流式填料塔应用最多。吸收剂自塔顶向下喷淋，均匀地流经填料层，气体从塔底被送入，沿填料间空隙上升，填料的润湿表面作气液接触的传质表面。常用的填料有拉西环、鲍尔环、鞍形填料等。填料塔优点：结构简单、便于制造，气液接触良好，耐腐蚀等。缺点：当烟气中含有悬浮颗粒时，填料容易堵塞，清理检修时填料损耗大。填料塔结构拉西环填料的类型蜂窝填料陶瓷波纹填料2、板式反应器操作时，气体从下而上通过塔板上的各种孔眼，气液在筛板上交错流动，通过气体的鼓泡进行吸收。气液可以进行逐级的多次接触。塔板主要有筛孔板和泡罩板两种筛孔板式塔1、湍球塔塔内筛板上装有空心或实心小球。气流高速通过筛板时，小球在塔内湍动旋转，相互碰撞，吸收剂自上向下喷淋，多为逆流吸收操作。湍球塔采用的小球通常由聚乙烯、聚丙烯或发泡聚苯乙烯等塑料制作，也有采用不锈钢的。湍球塔的优点：气速高，处理能力大，吸收效率高，不易被固体颗粒堵塞。缺点是阻力较高，塑料小球不能承受高温，使用寿命短，需经常更换。3、其它吸收设备2、喷淋塔（空塔）用喷嘴将液体喷射成为许多细小的液滴，以增大气-液相的接触面积，完成传质过程。比较典型的设备是空心喷洒吸收器和文丘里吸收器。喷淋塔的结构见下图。在吸收器中，气体通常是自下而上流动，而液体则是由装在塔顶的喷射器呈喇叭状喷洒。当塔体比较高时，可将喷洒器分层放置，也可以采用组合喷洒方式。空塔结构简单，造价低廉，阻力小，效率较高（90％），因此在火电厂烟气湿法脱硫中得到了广泛的应用。喷淋塔二、吸收流程（1）逆流流程：气液分别由两端逆向流动进入吸收装置的流程称为逆流流程。逆流流程在实际应用中较多，如火电厂湿法烟气脱硫中大多数工艺都采用逆流吸收塔。（2）并流流程：气液由同一端、按同一方向流动而进入吸收装置的流程称为并流流程。并流流程在实际应用中较少。（3）错流流程：气体沿水平方向进入吸收装置，吸收液自上而下喷淋，在吸收装置中呈交叉状。吸收液吸收液气体吸收液气体气体逆流型并流型错流型吸收流程三、吸收设备设计1、吸收剂用量2*121minXXYYGLBsLS过大，有利于吸收。但动力消耗↑，吸收剂再生费用↑，造成大量废水。LS过小，不利于吸收。不能达到要求。根据实际经验，一般取：L=(1.1～2.0)Lmin。若为低浓度气体吸收，且溶液为稀溶液，则21212*121min/xmyyyxxyyGLBsLs：单位时间通过任一截面单位面积的吸收剂流量,kmol/(m2·s)GB：单位时间通过任一截面单位面积惰性气体流量,kmol/(m2·s)Y1，Y2：入口和出口混合气体中吸收质与惰性气体的摩尔比X2：入口液相中吸收质与吸收剂的摩尔比X1*：吸收液与进口Y1平衡时吸收质与吸收剂的摩尔比例：在20℃，1.013×105Pa条件下，填料塔中用水洗涤含8%SO2的烟气。要求净化后塔顶排气中SO2浓度降至1%，净化烟气量为300m3/h。计算逆流吸收过程所需最小液流量。（已知E=0.355×104kPa）解：由于低浓度气体吸收，且溶液为稀溶液，其气液关系服从亨利定律.从而最小气液比为：1.351001.110355.024**PEpyEm2121minxmyyyGL/h9213m30001.35%8%1%83minL2、塔径的计算)(40mvqDvTqv——处理气量，m3/s；v0——空塔气速，m/s。2、填料层高度的计算LSXB1dh1GSYA1GSYA2LSXB2hGSYAGS(YA+dYA)LSXBLS(XB-dXB)H2YA1，YA2：塔顶、塔底混合气体中A与惰性气体的摩尔比XB1，XB2：塔顶、塔底液相中A与吸收剂的摩尔比L，G：液相、气相的总流量[mol/(m2·s)]CI，CT：吸收剂浓度、液相总浓度mol/m3pI，p：惰性气体分压、气相总压(Pa)adhNdXLbdYGABSAs1）（）（21211BBSAAsXXLbYYG任一截面处组分YA与XB的关系2211AGAPAGPAAGIsYAYAAsaNdPPGaNdYGH＝2211BLBCBLCABLIsxBxABsaNdCCbLaNdXbLH＝填料塔高度H的计算第二节吸收工艺的配置一、吸收剂的选择(1)吸收剂应对溶质组分有较大的溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微，否则不能实现有效的分离。(2)吸收剂在吸收污染物后形成的富液应成为副产品或无污染液体，或是易处理及再生利用的物质。(3)在操作温度下，吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小，以减少吸收剂的损失量。(4)吸收剂的粘度越低，越有助于吸收过程的进行。(5)其它应尽可能无毒性、无腐蚀性、不易起泡、价廉易得，且化学性质稳定。二、工艺流程设置中的其它问题（一）烟气除尘废气含烟尘，吸收前应除去烟尘。湿式除尘最好，冷却和除尘作用兼备。（二）烟气的预冷却烟气温度高，污染物溶解度降低，对吸收不利，降温可提高吸收效率。冷却烟气方法：1、设置间接冷却器；2、直接增湿冷却；3、用预洗涤塔除尘增湿降温。综合考虑高温烟气冷却到333K左右适宜。吸收法净化气态污染物的工艺配置应考虑以下问题：（三）结垢和堵塞吸收净化过程产生一些固体物质，导致结垢和堵塞。解决方法：工艺操作上，控制水分蒸发量，控制溶液pH值，严格控制进入吸收系统的粉尘量等；设备选择上，选择不易结垢和堵塞的吸收器，