2.1气体吸收基本原理

1气体吸收基本原理马双忱21.2.1吸收法气态污染物控制原理燃煤电厂气态污染物的脱除过程，可以是一个烟气中混合物分离的过程，一般主要采用气体吸收或吸附的方法，这些方法皆涉及到气体扩散；也可以不把污染物从混合物中分离，而采用化学转化的方法将污染物转化为环境无害物，一般采用催化转化法。这些基本都是化工行业通用的单元操作过程，其内容包括流体输送、热量传递和质量传递。其中气体吸收、吸附和催化转化都涉及到质量传递过程，简称传质。3在传质过程中，组分是从高浓度区传至低浓度区。当两相接触的时间足够长，组分在两相间的传递将达到平衡，此时两相的组成将维持恒定，但并不相同。在大多数传质操作中，互相接触的两相往往只能部分互溶。当达到平衡以后，两相的组成和接触之前相比会有改变。把两相分开以后，组分就可以获得一定的分离效果。如果将两相的接触与分离适当地组织起来反复进行，则有可能使组分之间几乎完全分离。这就是传质分离的物理基础。4传质是一个速率过程，其传质推动力是化学位差，包括浓度差、温度差、压力差等，但常见的传质过程都是由浓度差引起的。其传质阻力则须视具体情况而定，在实际计算中，常把传质阻力看成是传质系数的倒数，即：传质速率=传质推动力/传质阻力=传质系数×浓度差这样，确定传质速率的关键问题就在于如何求取不同条件下的传质系数。气体的传质过程是借助于气体扩散过程来实现的。5气态污染物控制技术基础•气体扩散–气体在气相中的扩散–气体在液相中的扩散•气体吸收–吸收机理–气液平衡–物理吸收–化学吸收61.2.1.1气体扩散气体扩散的方式有分子扩散和对流扩散。前者是发生在静止或滞流流体中，凭借流体分子的热运动传递物质；后者发生在湍流流体中，凭借流体质点的湍动和旋涡传递物质。将一勺糖投于一杯水中，稍候，整杯水就会变甜，这就是分子扩散的表现；而如果用勺搅动，则将甜得更快更匀，这便是对流扩散的效果。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7（1）菲克（Fick）定律在静止或滞流流体中，分子的运动是漫无边际的，若一处某种分子的浓度较邻近的另一处为高，则这种分子离开的便比进入的多，其结果自然是物质从浓度较高的区域扩散到浓度较低的区域，两处的浓度差，便成了扩散的推动力。用来描述分子扩散速率的定律是著名的菲克定律，或称菲克第一扩散定律。即：dzdcDJAABA8上式表示A与B的混合物中，A沿Z方向扩散的速率。式中JA—A的扩散速率或称扩散通量，kmol/m2.s；—A的浓度梯度；DAB—A在AB混合物中的扩散系数，m2/s；“-”—负号表明扩散是沿浓度下降的方向进行的。上式告诉我们，当物质A在A、B混合物中扩散时，任一点处的扩散通量与该位置上的浓度梯度成正比，它是对物质分子扩散现象基本规律的描述。dzdcA9dzdCDJAABzA,相界面气相液相传质方向扩散通量，kmol/m2s表示扩散方向与浓度梯度方向相反A在B中的扩散系数m2/sFick定律Fick定律的其它表达形式：dzdpRTDdzRTpdDdzdDJAABAABAABzAc,10扩散系数D是物性参数，表示物质在某介质中的扩散能力，其值与扩散物质与介质的种类有关，且随温度的上升和压力的下降而增大。扩散系数的数值应由实验方法求得，也可在相关手册或文献中查得。若无可靠数据也可通过相应的经验公式计算获得。若已知温度T0，压力为p0下的扩散系数D0，也可通过下式计算条件为T、P时的D值：3020()0pTDDpT11扩散系数的测量•Stephan过程液态A物质2212112ln(/)2AABBBALLRTDPppMt－液体A的密度，g/m3L1－液体的初始高度，cmL2－液体的最终高度，cm、－分别为L1、L2时空气分压t－变化时间，s1A1Bp2Bp12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13•在气相中的扩散（Gilliland方程）0.540.50.50.52111.810[][]AABAABABMTDMMVVT－绝对温度，KDAB－扩散系数，cm2/sM－气体的摩尔质量－气体在沸点下呈液态时的摩尔体积,cm3/molA－气体密度，g/cm3V14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）15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B－液体的粘度，cp－溶剂的缔结因数，水2.6，甲醇1.9，乙醇1.5，非缔结如苯、乙醚为1.016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）17（2）对流扩散对流扩散是湍流主体与相界面之间的涡流扩散和分子扩散这两种传质作用的总称。物质在湍流流体中传递，主要是依靠流体质点的无规则运动，湍流中发生的旋涡，引起各部流体间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质便向其浓度降低的方向传递。这种凭借流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象，称为涡流扩散。在流体的扩散研究中，由于涡流扩散，传质过程比较复杂，常常把对流扩散中的涡流扩散进行简化，用分子扩散来描述。18研究一下湿壁塔中气液的传质。图1-1(a)示意绘出湿壁塔的一段。考虑稳定吸收中任何一横截面m－n上相界面的气相一侧溶质A浓度分布情况。在图1-1（b）中，横轴表示离开相界面距离Z，纵轴表示溶质A的分压p。气体虽呈湍流流动，但靠近相界面处仍有一个滞流内层，其厚度以Z’G表示，湍动程度愈高，Z’G愈小图1-1传质的有效滞流膜层19吸收质A自气相主体向界面转移，由于吸收过程的存在，气相中A的分压愈靠近界面便愈小。在稳定状态下，m—n截面上不同Z值各点处的物质传递速率应相同，但由于在流体的中心区主要是涡流扩散，而滞流内层主要是分子扩散。使这两个区域内的浓度梯度相差很大。在湍流区，浓度梯度几乎等于零，p—z曲线为一水平线。而在滞流层内，由于吸收质A的传递完全靠分子扩散，使浓度梯度很大，p—z曲线较为陡峭，而在这二个区的中间过渡区，既存在着分子扩散，也存在着涡流扩散，传质是分子扩散和涡流扩散的总和。在此区域内，由一端几乎是纯分子扩散产生的总传质，逐渐而非突然地向主要是涡流扩散的另一端过渡，因此浓度梯度的变化出现了一个过渡区，p—z曲线逐渐由陡峭转变为平缓。20延长滞流内层的分压线使其与气相主体的水平分压线相交于一点，令此交点H与相界面的距离为ZG，设想在相界面附近存在着一个厚度为ZG的滞流膜层，此膜层称为虚拟滞流膜层或有效滞流膜层，膜层以内的流动纯属滞流，因而其中的物质传递形式纯属分子扩散。经过这样的处理，就等于把涡流扩散的传递作用转化为分子扩散的传质。由图可见，整个有效滞流膜层的传质推动力即为气相主体与相界面处的分压之差，这意味着从气相主体到相界面处的全部传质阻力都包括在此有效滞流膜层之中。于是便可按有效滞流膜层内的分子扩散速率写出由气相中心区到相界面的对流扩散速率方程，即；()AiGBmDPNppRTZp21式中NA—溶质A的对流扩散速率，kmol/（m2.s）；D—溶质A在气相的扩散系数，m2/s;ZG—气相有效滞流膜层厚度，m；P—气相总压，Pa；p—气相主体中溶质A分压，Pa；pi—相界面处的溶质A分压，Pa；pBm—惰性组分B在气相主体与相界面处的分压的对数平均值，Pa；22)('cccZCDNiSmLA同理，有效滞流膜层的概念，也完全适用于相界面的液相一侧，在液相一侧的对流扩散速率方程可写为：式中D`—溶质A在液相中的扩散系数,m2/s；ZL—液相有效滞流膜层厚度，m；c—液相主体中溶质A浓度，kmol/m3；ci—相界面处溶质A浓度，kmol/m3；csm—溶剂在液相主体中与相界面处的浓度对数平均值，kmol/m3，（其它符号的意义与单位同前）。23对于一个稳定的传质过程，可将上述传质速率式简化。令GBmGkpRTZDPLsmLkcZCD'则前二式变为：()AGiNkpp()ALiNkcckG与kL分别称作气膜传质系数和液膜传质系数或称传质分系数。kG与kL可以用实验直接测定，而不必知道膜厚。241.2.2气体吸收1.2.2.1气液平衡在一定得温度和压力下，当吸收剂与混合液接触时，气体中得可吸收组分溶解与液体中，形成一定的浓度。但溶液中已经被吸收的组分也可能由液相重新逸回到气相中，形成解吸。吸收过程进行的方向与极限取决于溶质（气体）在气液两相中的平衡关系，对于任何气体在一定条件下，在某种溶剂中溶解达到平衡时，其在气相中的分压是一定的（p*）。在吸收过程中，当气相中溶质的实际分压p高于其与液相成平衡的溶质分压时，即p＞p*时，溶质便由气相向液相转移，于是就发生了吸收过程。p与p*的差别越大，吸收的推动力越大，吸收的速率也越大；反之，如果p＜p*，溶质便由液相向气相转移，即吸收的逆过程，称为解吸（或脱吸）。因此，我们必须弄清吸收过程中的气液平衡规律。而要进行吸收过程的计算，也必须弄清楚平衡关系。25可用亨利定律表示在一定温度下，吸收气体的平衡分压与其在液相中浓度的关系。在一定温度下，则p*只是x的函数。()Pfx对于稀溶液，上列平衡关系式可以是一条通过原点的直线（见图1-2中SO2的溶解度曲线），即气液两相的浓度成正比。图1-2气体在液体中的溶解度26在总压不很高（一般小于5×105Pa）时，在一定温度下，当溶解达到平衡时，稀溶液上方溶质A的平衡分压与其在溶液中的浓度成正比。Exp式中x—被吸收组分在液相中的摩尔分率（无因次）；E—亨利系数，Pa。27当溶质在气相和液相中的浓度均以摩尔分率表示时，亨利定律又可表示为y*=mx此式为亨利定律最常用的形式之一，称为气液平衡关系式，m为相平衡常数，无因次。相平衡常数m也是由实验结果计算出来的数值，对于一定的物系，它是温度和压强的函数，由m值的大小同样可以看出气体溶解度的大小，在同一溶剂中，难溶气体m值大，反之则小。温度升高，总压下降，则m值变大，不利于吸收操作。亨利定律也可采用溶解度系数H表达的公式。281.2.2.2吸收过程机理吸收过程是一个相际传质过程，关于吸收这样的相际传质机理，刘易斯（Lewis，W·K）和惠特曼（W·G·Whitman）在20世纪20年代提出的双膜理论一直占有重要地位，前面关于单相内传质机理的分析和处理，都是按照双膜理论的基本论点进行的。双膜理论的基本要点如下：①相互接触的气、液两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的有效滞流膜层，吸收质以分子扩散方式通过此二膜层。②在相界面处，气、液两相达到平衡。③在膜层以外的中心区，由于流体充分湍动，吸收质浓度是均匀的，即两相中心区内浓度梯度皆为零，全部浓度变化集中在两个有效膜层内。29通过以上假设，就把整个相际传质过程简化为经由气、液两膜的分子扩散过程，图1-3即为双膜理论的示意图。双膜理论认为，相界面上处于平衡状态，即图6-3中的pi与ci符合平衡关系。这样，整个相际传质过程的阻力便决定了传质速率的大小，因此双膜理论也可以称为双阻力理论。图1-3双膜理论示意图30气相主体液相主体PAPAiCAiCA气膜液膜GL传质方向距离z假定:界面两侧存在气膜和液膜,膜内为层流,传质阻力只在膜内气膜和液膜外湍流流动,无浓度梯度,即无扩散阻力气液界面上,气液达溶解平衡即:CAi=HPAi膜内无物质积累,即达稳态.31双膜理论把复杂的相际传质过程大为简化。对于具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质，双膜理论与实际情况是相当符合的，根据这一理论的基本概念确定的相际传质速率关系，至今仍是传质设备设计的主要依据。这一理论对于生产实际具有重要的指导意义。但是，对具有自由相界面的系统，尤其是高度湍动的两流体间的传质，双膜理论表现出它的局限性，因为在这种情况下，相界面已不再是稳定的，界面两侧存在稳定的有效滞流膜层及物质以分子扩散的形式通过此二膜层的假设都很难成立。另外，某些特殊情况下的传质过