气态污染物控制技术基础概要

1第七章气态污染物控制技术基础建议学时数：8学时（自学）教学重点掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本原理和过程了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性教学难点学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器教学内容1.气体扩散2.气体吸收3.气体吸附4.气体催化净化吸收净化法：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（1）物理吸收：较简单，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）化学吸附：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NH3等。吸收限度同时取决于气液平衡和液相反应的平衡条件；吸收速率同时取决于扩散速度和反应速度。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。本章涉及内容：①吸收的基本原理（复习）——主要讨论物理吸收；②化学吸收；③吸收法净化SO2废气；④吸收法净化其它废气。§7-1吸收的基本理论吸收过程的实质是物质由气相转入液相的传质过程。可溶组分在气液两相中的浓度距离操作条件下的平衡愈远，则传质的推动力越大，传质速率也越快，因此我们按气液两相的平衡关系和传质速率来分析吸收过程，掌握吸收操作的规律。一、气液平衡—亨利定律1．气体在液体中的溶解度气体的溶解度是在100Kg水中溶解气体的千克数。2在恒定的T、P下，使一定量吸收剂与混合气体充分接触后，气、液两相最终可达平衡，此时v吸收=v解吸，这时pfc其中：c——可溶气体在溶液中的浓度(即平衡浓度或饱和浓度)，Kg/m3；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。结合书P187，图7-1（几种常见气体SO2、NH3、HCL在水中的平衡溶解度）可知：①不同性质的气体在同一温度和压力下的溶解度不同；②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；2．温度一定时，Pe增大，溶解度增大。亨利定律（相平衡方程式）从图7-1中又看出，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：*Hpc①或：Epx*②或：mxy*③上式中H、E、m均称为亨利系数，但其单位不同。若c取mol/m3，p*取Pa，则H—mol/m3·Pa；x取摩尔分数（无量纲），p*取Pa，则E—Pa；y*，x分别为溶质在气相、液相中的摩尔分数时，m无量纲，又称相平衡常数。3．亨利定律参数的换算（自学）重点：EH1看书P188，表7-2给出部分气体不同温度水溶液的亨利系数。说明几点：（1）以E表示的亨利系数；（2）随温度升高，E增大；（3）通过比较E，我们可以判断那些气体易溶于水，E越小，该气体越易溶于水。例题：例1：见书P189，例7.1，（自学）设题的目的：如何由已知压强、温度下，某种气体在水中的溶解度数据，求算亨利系数。解题思路：（1）首先求算出p*与x对应的数据组；（2）绘制p*—x曲线；（3）有原点作平衡曲线的切线，其斜率即亨利系数E；（4）结合图指出该溶液服从亨利定律的浓度范围。例2：见书P190，例7.2，推算温度25℃，分压为1.013×105Pa时，CO2在水中的溶解度。解：利用Epx*由书中表7-2查得E=1.66×105Kpa，则：48510102.61066.110013.1x3由附录7查得25℃下，水的ρL=977Kg/m3，又MCO2=44，于是溶解度：3444/0337.010102.611810102.64410102.699712mmolxMxMxcscoL（参考书中推导得到的公式7.9）4．传质吸收过程的判断亨利定律是吸收工艺操作的理论基础之一，它说明了根据溶质、溶剂的性质在一定温度和压力下，溶质在两相平衡中的关系。（1）根据相平衡的概述，可以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。传质设备排液x2、x2*排气y2、y2*进液x1进气y1气液两相在传质设备中相接触，就会发生质量传递，系统将会自发地向平衡状态变化。若测得yyi*，则该组分将被溶液吸收——吸收过程；若测得yyi*，则该组分将从溶液中解吸出来——脱吸过程。同理：xxi*——吸收过程；xxi*——脱吸过程。（2）用相平衡方程式还能确定吸收（或解吸）过程进行的限度，从而提出合理的工艺设计要求。仍结合上面传质设备示意图，根据相平衡方程式有：x2*=y1/my2*=mx1因此可以判定无论塔的效率多高或塔身多长，其所得吸收液中该组分的组成x2不可能超过x2*，即：x2≤x2*=y1/m，同理，处理后的排气中该组分y2也不可能低于y2*，即：二、y2≥y2*=mx1，这样就可以依据进气浓度（组成）和进液浓度（组成）利用相平衡方程式计算出最终吸收浓度和最终排放废气的极限浓度。化学吸收的气液平衡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4件。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：化学平衡物理平衡AAcA-------------------------------------（1）为讨论方便，设备吸收组分A与溶液中所含的组分B发生相互反应：（通式）dDcCbBaAaAlg有关系式（前提：被吸收组分浓度及各反应组分浓度较低）①亨利定律关系式：*AApHA----------------------------------------（2）②化学平衡关系式：badcBADCk-----------------------------------------（3）abdckBDCA1------------------------------------（4）将（4）代入（2）得：abdcAAkBDCHp1*1----------------------------（5）下面从几种具体的情况来讨论化学吸收的气液平衡关系：1．被吸收组分与溶剂的相互作用反应式表示为：lklgMBAA被吸收组分A进入液相后的总浓度CA可写成：MACA（7-1）其化学平衡常数BAACBAMkA（7-2）于是有：BkCAA1（7-3）又若是稀溶液吸收，则遵循亨利定律，即有[A]=HAPA*，代入（9-3），于是有：BKHCPAAA1*（7-4）在稀溶液中，B很大可视为常数，且k不随浓度变化，故1+k[B]可视为常数，此时，5AACp*，即形式上服从亨利定律，但不同的是BkHHBkHHAAAA11''，，表明溶解度系数较HA增大了（1+k[B]）倍，结果使过程有利于气体组分A的吸收。有代表性的：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：AKMBAAkkgg吸收平衡时，离解常数为：MAKk1（7-5）当溶液中无相同离子存在时，[K+]=[A-]，于是有：MkAMAk121（7-6）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：MkMAAMACA1（7-7）对式（9-1）、（9-5）、（9-7）和组分的物料平衡方程式联解得：BkkCkkCAAAAAA1242（7-8）式中：BkBkkkA11（7-9）将（9-8）代入亨利定律式，则：AAAAAAAkCkkCHBkP42121*（7-10）由此可见，对反应产物有解离的化学吸收过程，相平衡方程式与气相组分A在吸收液中总浓度[CA]为非线性关系。3．被吸收组分与溶剂中活性组分作用这种吸收过程的吸收液中含有未被反应的气体组分A，活性组分B和惰性溶剂，实际环境工程中多数采用此吸收过程，如反应式：lllgMBAA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的浓度RCBB10，而生成物M的平衡浓度为00RCMB由化学平衡关系得平衡常数：6RARRCARCBAMkBB1100（7-11）又亨利定律[A]=HAPA*，得：RkHRPAA1*（7-12）若物理溶解量可忽略不计，则由上式可得：**10*1**00*11AAABAAAAAABBAkPHPkCCkHkkPHkPHCRCMC，于是令（7-13）变换为：111*10*ABAPkCC（7-14）由此可见：①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。②溶液的吸收能力还受活性组分起始浓度CB0的限制，CA*≤CB0（只能趋近于而不能超过）三、气相中的分压和温度对化学吸收和物理吸收的影响不同：温度增大，压力增大可改善化学吸收过程（化学吸收）；温度降低，压力增大可改善液体中污染物的溶解度（物理吸收）。吸收过程的物料平衡（一）物料平衡与操作线方程1．物料平衡是吸收设备计算的基础在一般吸收操作中，应用逆流原理可提高溶剂的使用效率，获得最大的分离效果，所以在此重点讨论逆流操作的物料平衡。另外，在吸收操作中，由于在气、液两相间有物质传递，通过全塔的气液流量都在随时变化。液体因不断吸收可溶组分，其流量不断增大；与此相反，气体流量也不断减少。气液流量作为变量，以它们为基准进行工艺设计是不方便的。然而纯吸收剂和惰性气体这两种载体的流量是不变的，所以在吸收设计中，通常是采用载体流量作为运算的基准，这时气液浓度就以摩尔分子比来表示。逆流吸收时，塔内气液流量和组成变化情况见右图。塔顶塔底GBY1GBY2LsX2LsX1YXAB参数加下标“1”代表浓端；参数加下标“2”代表稀端。图中各符号的意义如下：GB——表示单位时间通过塔任一截面单位面积的惰性气体的量，Kmol/(m2·h)；7Ls——表示单位时间通过塔任一截面单位面积纯吸收剂的量，Kmol/(m2·h)；Y、Y1、Y2——分别为在塔的任意截面、塔底和塔顶的气相组成，（Kmol吸收质/Kmol惰性气体）；X、X1、X2——分别为在塔的任意截面、塔底和塔顶的液相组成，（Kmol吸收质/Kmol吸收剂）。对全塔进行物料衡算有：2121XXLYYGSB（7-15）若就任意截面与塔底间进行物料衡算有：XXLYYGSB11（7-16）或11XGLYXGLYBSBS（7-17）在Y—X图上作式（7-17）的图线为一条直线，直线斜率为L/G，截距为11XGLY，直线的两端分别反映了塔底（Y1，X1）和塔顶（Y2，X2）的气液两相组成。此直线上任一点的Y、X都对应着吸收塔中某一截面处的气液相