第5章吸收法净化气态污染物

大气污染控制工程第五章吸收法净化气态污染物第五章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。第五章吸收法净化气态污染物本章学习内容：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、物理吸收平衡几种常见气体污染物水中溶解度曲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。2.亨利定律一、物理吸收平衡*AAApHcAA*AxEppA*：气相组分A的分压，Pa；cA：液相中组分A的浓度，mol/m3xA：组分A溶于溶剂中的浓度，摩尔分率；HA、EA：均为亨利系数，单位分别为mol/(m3.Pa)和Pa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净化量由液相物理吸收量和化学反应消耗量两部分组成:化学消耗物理平衡净化]A[]A[]A[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：*AA]A[pH物理平衡由化学平衡有：banmK]B[]A[]N[]M[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。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。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；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。)()(AAGAGAAGGAGAiippkppZDN对于气膜：NA:被吸收组分A的传质速率，kmol/(m2.s);DAG:组分A在气相中的分子扩散系数，kmol/（m.s.Pa)；ZG:气膜厚度,m；pAG、PAi：气相主体与界面处的分压，Pa；kAG：气相传质系数，kmol/(m2.s.Pa)一、物理吸收速率)()(AAGAGAAGGAGAiippkppZDN对于气膜：对于液膜：)()(ALAALALALALAcckccZDNiiDAL:组分A在气相中的分子扩散系数，m2/s；ZL:气膜厚度,m；cAL、cAi：液相主体与界面处的浓度，kmol/m3；kAL：液相传质系数，m/s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：)(11*AAGAGAALAG*AAGAppKHkkppN)(1AL*AALAGAALAL*AAccKkHkccNiipHcAAA或：一、物理吸收速率AALAGAG111HkkKAGAALAL11kHkKAAL*AHcpAGA*ApHc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A作物料衡算可得到液相浓度分布规律及梯度。0AALAddZZcDN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ZrZZccZDZcDd)()ddd(ddddAAAALAAL整理得：)(ddA2A2ALrZcD二、化学吸收速率同理对B作物料衡算有：)()(ddAB2B2BLrabrZcD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。),(BAAccfr吸收设备吸收设备选择吸收设备设计第三节吸收设备与设计对吸收设备的要求：气液有效接触面积大气液湍流程度高设备的压力降损失小结构简单，易于操作和维修投资及操作费用低一、吸收设备吸收设备的分类一、吸收设备按气液相接触形态可分为：气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡反应器、搅拌鼓泡反应器和板式反应器液体以液滴状分散在气相中的喷雾、喷射和文氏反应器等（它们主要用于含尘气流的除尘，但在某些特定场合，也可用于处理气态污染物）液体以膜状运动与气相进行接触的填料反应器按气液分散形式可分为：①气相分散、液体连续，如板式塔②液相分散、气相连续，如喷淋塔、填料塔③气液相同为分散相，如文丘里吸收器一、吸收设备工程中用于净化气态污染物的吸收设备最常用的是填料塔，其次是板式塔。此外还有喷淋塔和文丘里吸收器等。气-液反应器的形式（a）填料床反应器；(b)板式反应器；(c)降膜反应器；(d)喷雾反应器；(e)鼓泡反应器；（f）搅拌鼓泡反应器；(g)喷射或文氏反应器一、吸收设备1.填料床反应器在填料床反应器中，一般气液逆流操作。混合气体由塔底进入，自下而上穿过填料层，从塔顶排出；吸收剂由塔顶通过液体分布器均匀喷淋到填料层中，沿填料表面向下流动，直至从塔底排出塔外。它具有操作适应性好、结构简单、能耐腐蚀等优点，广泛用于带有化学反应的气体净化过程。填料对塔的性能影响很大。一、吸收设备2.板式塔反应器板式塔反应器中液体与气体分段逆流接触。吸收液从塔顶进入，借重力流到下一块板，最后从塔底排出。气体向上通过塔板中的各种孔眼，然后鼓泡穿过液体，分离泡沫后到上面的另一塔板，在这一过程中有害气体扩散至气液接触面进入液相被除去。一、吸收设备二、吸收设备的选择吸收设备的选择:强化吸收过程，提高处理效率，降低设备的投资和运行费用。若反应速率很快，过程属扩散控制，要求所选择的吸收设备能产生高的气液湍动和大的气液接触面积，以降低气膜的传质阻力，增大传质面积，从而提高吸收效率，如喷雾塔、填料塔、文丘里吸收器和板式塔等。若化学反应速率很低，过程属动力学控制，要求所选择的吸收设备具有持液量大，气液接触时间长的特点，以使较慢的化学反应有足够的空间和时间进行反应。宜选用鼓泡塔、鼓泡搅拌釜等吸收设备。几种主要形式化学吸收设备的特性及其适用范围形式相界面积液相体积／（m2.m-3)气液比液相所占体积分率液相体积膜体积/(m3.m-3)适用范围喷雾塔1200190.052~10极快反应和快反应填料塔120011.50.0810~100板式塔10005.670.1540~100中速反应和慢反应，鼓泡搅拌釜2000.1110.9150~800鼓泡塔200.02040.984000~10000极慢反应二、吸收设备的选择部分吸收过程的膜控制情况二、吸收设备的选择气膜控制液膜控制气、液膜控制1.水或氨水吸收氨2.浓硫酸吸收三氧化硫3.水或稀盐酸吸收氯化氢4.酸吸收5%氨5.碱或氨水吸收二氧化硫6.氢氧化钠溶液吸收硫化氢7.液体的蒸发或冷凝1.水或弱碱吸收二氧化碳2.水吸收氧气3.水吸收氯气1.水吸收二氧化碳2.水吸收丙酮3.浓硫酸吸收二氧化氮4.碱吸收硫化氢三、吸收设备设计吸收剂用量塔径的计算填料层高度的计算1.吸收剂用量吸收剂用量取决于适宜的液气比，而适宜的液气比是由设备费和操作费两个因素决定的。工程中，一般取最小液气比的1.1～2.0倍，即：三、吸收设备设计2*121minBsXXYYGL2.塔径计算处理气量qV根据实际的工业过程而定，空塔气速一般由填料塔的液泛速率确定。通常取：=（0.60~0.75）。)m(π40VTvqD三、吸收设备设计0vfv0vfv3.填料层高度计算对于如下化学计量方程式进行的化学吸收过程：A（g）+bB（l）rR（l）每吸收1mol组分A要消耗bmol的反应组分B，对填料塔进行物料恒算：三、吸收设备设计填料塔物料衡算图三、吸收设备设计设Ls、Gs分别是除吸收组分B以外的液相惰性组分流量和除被吸收组分A以外的气相惰性组分流量[mol/(m2·s)]；YA1、YA2分别是塔顶和塔底组分A的气相浓度[mol(组分A)/mol(气相惰性组分)]；XB1、XB2分别是塔顶和塔底组分B的液相浓度[mol(组分B)/mol(液相惰性组分)]；L、G分别是液相和气相的总流量[mol/(m2.s)]；cI、cT分别是液相中惰性组分浓度和液相总浓度(mol/m3)；pI、p分别是气相中惰性组分分压和气相总压(Pa)。则有：积分上式，得任一截面处组分YA与XB