大气污染控制工程7-1吸收法12

第七章气态污染物控制技术基础第一节气体扩散气体扩散过程分子扩散－分子运动引起湍流扩散－流体质点运动引起气体扩散在气相中的扩散（Gilliland方程）0.540.50.50.52111.810[][]AABAABABMTDMMVVV气体在气相中的扩散扩散系数物质的特性常数之一影响因素：介质的种类温度压强浓度气体在气相中的扩散部分气体在空气中的扩散系数（0oC，101.33kPa）扩散系数的测量Stephan过程液态A物质2212112ln(/)2AABBBALLRTDPppMt1A1Bp2Bp气体在液相中的扩散在液相中的扩散系数估算方程扩散系数随溶液浓度变化很大上式只适用于稀溶液0.5100.5()7.410BABABMTDV气体在液相中的扩散某些物质在水中的扩散系数（20oC，稀溶液）第二节吸收一、气体吸收：1、什么是吸收：利用混和气体中各组分在液体中的溶解度不同而分离混合气体中某种气体的操作称为吸收。一、气体吸收：2、常用的名词术语：溶质A（吸收质A）：吸收操作中欲去除的物质。惰性组分B（载气）：吸收操作中不被吸收的组分。吸收剂S：溶剂吸收尾气：B+A吸收剂S吸收尾气B+A吸收混合气体塔A+B吸收液A+S二、吸收的分类：1、依据溶质与吸收液是否发生化学反应：物理吸收（简单吸收）：在吸收过程中无化学反应，可以看成单纯的物理溶解过程。化学吸收：在吸收过程中，组分与吸收剂发生化学反应，叫做化学吸收。二、吸收的分类：2、依据溶质溶于溶液中的组分数：单组分吸收：多组分吸收：3、根据吸收过程中气体溶于溶剂中的热效应：等温吸收：污染物的浓度低或设备的散热性能好。非等温吸收（变温吸收）：二、吸收的分类：4、依据气态混合物中溶质组分的浓度分：高浓度吸收：低浓度吸收：浓度小于10%三、吸收设备：板式塔：逐级接触填料塔：连续接触三、吸收设备：板式塔：逐级接触填料塔：连续接触吸收的基本原理一、气液平衡关系：1、气体在液体中的溶解度：平衡：吸收速率=解吸速度溶解度（C）：气液经充分接触，在一定条件下达到平衡后，溶质溶于溶液中的浓度。平衡浓度、饱和浓度条件：压力P、温度T恒定平衡分压（pe）：平衡时气相中被吸收组分的分压kPa。一、气液平衡关系：溶解度（C）与平衡分压（pe）的函数关系：C=f（pe）常见气体的平衡溶解度一、气液平衡关系——亨利定律：2、亨利定律（相平衡方程）：当总压不高时（一般约小于5×105Pa）时，在一定的温度下，稀溶液上方，溶质的平衡压力与它在溶液中的摩尔分率成正比。四种表达方式（1）式中：：溶质气体的平衡分压，kPax：溶质的摩尔分率，无量纲。摩尔分率=溶质的摩尔数/溶液的摩尔数E：亨利系数，kpa。*pEpx*一、气液平衡关系——亨利定律：2、亨利定律：四种表达方式（2）如果用摩尔浓度C表示溶液的组成，亨利定律：式中：C：溶质浓度，单位体积溶液中含溶质的摩尔数kmol/m3：溶质气体的平衡分压，kpaH：溶解度系数或亨利系数，kmol/（kPa·m3）*Hpc*p一、气液平衡关系——亨利定律：2、亨利定律：四种表达方式（3）如果摩尔分率x表示溶液的组成，用摩尔分率ye来表示平衡气相中气体溶质的分压:亨利定律可以写成：（相平衡方程式）式中：PA:溶质气体的分压P:混合气体总压x：溶质的摩尔分率;：溶质在气相中的平衡摩尔分率;m：相平衡常数，无因次。m值越大，溶解度越小。AePyPxmye*y*y*y*y一、气液平衡关系——亨利定律：2、亨利定律：四种表达方式（4）X：表示溶剂中含有溶质的摩尔分数，%Y：表示不溶气体（惰性气体）中含有溶质气体的摩尔分数，%。经换算，得：，xxX1溶剂的摩尔数溶液中的溶质的摩尔数eeyyY1惰性气体的摩尔数气体中的溶质的摩尔数XXx1YYye1*y*y*y一、气液平衡关系——亨利定律：2、亨利定律：四种表达方式（4）代入亨利定律形式三，得：当用清水或用极低浓度的溶液为吸收剂时，X趋近于0，得相平衡方程式：Y=mX注意亨利定律适用条件：总压不高xmyeXXmYY11XmmXY)1(1*y一、气液平衡关系——亨利定律：2、亨利定律：（5）亨利定律参数之间的关系为：式中：H：亨利系数，kPaρ：溶剂的密度，kg/m2Ms：溶剂的分子量，kg/kmolH：溶解度系数或亨利系数，kmol/（kPa·m3）SMHhEEHss11一、气液平衡关系——亨利定律：3、亨利定律的应用：（1）气液接触时溶质的传质方向；如：①P、T一定，混合气体中某组分的摩尔分率为y1，而在溶液中该组分的摩尔分率为x1，y*为与x1相平衡的摩尔分率,y1﹥y*吸收过程y1﹤y*解吸过程②P、T一定，溶液中该组分摩尔分率为x1，x*为与y1平衡浓度，x1﹤x*吸收过程x1﹥x*解吸过程一、气液平衡关系——亨利定律：3、亨利定律的应用：如：NH3摩尔分率为x1=0.01的水溶液，在标准状况下，亨利定律y=0.94x，气相中y1=0.04，判断传质方向。①气相判断：y*1=0.94x1=0.0094﹤y1为吸收过程，溶解。②液相判断：x*1=y1/m=0.04/0.94=0.043＞x1为吸收过程，溶解。一、气液平衡关系——亨利定律：3、亨利定律的应用：（2）确定吸收或解吸过程进行的限度。若进气中溶质的摩尔分率为y1，进液中溶质的摩尔分率为x0，那么：液相中与y1平衡的溶质摩尔分率x*1=y1/m吸收液中该组分的x/1不可能超过x*1：x/1≦x*1=y1/m=xmax同理，处理后排气中该组分的组成y/0也不可能低于与x0平衡的气相溶质摩尔分率y*0：y/0≧y*0=mx0=ymin一、气液平衡关系——亨利定律：掌握亨利定律的4种形式、系数间的函数关系式及亨利定律的应用。思考题：含有30%（体积）CO2的某种混合气与水接触，系统温度为30℃，总压为101.3kPa，H=1.88×105kPa，求液相中CO2的平衡浓度为？kmol/m3。（假设操作过程中CO2体积分数不变）E一、气液平衡关系——亨利定律：思考题：含有30%（体积）CO2的某种混合气与水接触，系统温度为30℃，总压为101.3kPa，H=1.88×105kPa，求液相中CO2的平衡浓度为？kmol/m3。解：35331000/101.330%1.881018/8.9810/eeSPChPHMkgmkPakPakgkmolkmolmEEHpp二、吸收过程机理气液两相物质传递的理论溶质渗透理论:希格比（Higbie）,1935表面更新理论:丹克沃茨（Dankwerts）,1951双膜理论：路易斯、惠特曼（WK.Lewis、W.gWhitman）1923:二、吸收过程机理——双膜理论（双阻力模型、滞留膜理论）：1、双膜理论的假定:相界面，气膜和液膜，分子扩散，滞留膜；膜的厚度随各相主体的流速与流态而不同，膜间无物质积累；固定膜的稳态扩散；气液界面上,气液达平衡状态；两相主体浓度是均匀的，浓度差存在于两膜之中。2、可溶组分由气相进入液相的过程吸收质从气相主体湍流扩散气膜表面分子扩散相界面分子扩散液膜表面湍流扩散液相主体二、吸收过程机理——双膜理论（双阻力模型、滞留膜理论）：3、传质推动力:气相：PA-PAi液相：CAi–CA当PA＞PAi，CAi＞CA，扩散进行。传质阻力:气膜+液膜；膜越厚阻力越大；两相主体流速越快，膜越薄，阻力越小。三、吸收速率方程:吸收速率:气相中的吸收质在单位时间内通过单位面积相界面而被吸收剂吸收的量。吸收传质速率方程的一般表达式为：传质速率=传质推动力×传质系数传质系数和传质阻力互为倒数。传质速率=传质推动力/传质阻力，三、吸收速率方程:1、吸收速率NA：单位时间通过单位相界面传递的溶质的量。2、气相分传质速率方程：AiAyAyykNAiAGAPPkNg三、吸收速率方程:3、液相分传质速率方程：AAixAxxkNAAiLACCkNl三、吸收速率方程:4、总传质速率方程：气相总传质速率方程液相总传质速率方程*AAAGAPPkN*AAyAyykNAAALACCkN*AAxAxxkN*lg三、吸收速率方程:5、总传质系数与各项传质系数的关系：气相总传质系数与气液相传质系数：液相总传质系数与气液相传质系数：xyykmkK11xxyymAiAi*xyxkmkK111AiAixxyym*6、吸收系数的确定实验测定经验公式关联式7、吸收过程的控制步骤：（1）气膜控制：易溶气体的溶解度系数很大，液膜阻力约等于零，总阻力≈气膜阻力特点：气相分压增加少许，液相中相应的平衡浓度就会有很大增加；三、吸收速率方程:（2）液膜控制：难溶气体的溶解度系数很小，其液相阻力在总阻力中占的比重很大；特点：气相中的溶质分压即便有了较大的变化，液相的浓度变化也很小。（3）双膜控制：介于难溶与易溶之间的组分。如：水吸收SO2。8、如何强化传质过程：①增大传质系数KG、KL，降温、增大流速；②增大传质界面面积F③增大推动力④增加接触时间t