大气污染控制工程09第九章吸收法净化气态污染物

大气污染控制工程参考书目•《大气污染控制工程》林肇信主编，高教出版社•《大气污染控制工程》郝吉明，马广大编著，高教出版社•《大气污染控制工程》郭静，阮宜纶主编，化工出版社•《大气污染治理工程》蒲恩奇主编，高教出版社•《环保设备设计与应用》罗辉主编，高教出版社•《大气污染控制工程》(影印版）NoeldeNevers主编，清华大学出版社内容•吸收法净化气态污染物•吸附法净化气态污染物•气态污染物的催化净化•气态污染物的其它净化方法•净化装置的选择、设计和运行管理第九章吸收法净化气态污染物吸收的基本原理吸收设备及计算吸收法净化SO2废气吸收法净化其它尾气吸收净化法：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。①物理吸收：较简单，可看成是单纯的物理溶解过程。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化学吸收：吸收过程中组分与吸收剂发生化学反应。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。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，并使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。§9-1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。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。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/m3p*—被吸收气体在溶液面上的分压（称平衡分压或饱和分压），Kpa溶解度性质：几种常见气体SO2、NH3、HCL在水中的平衡溶解度(见图9-1及书P187，表9-1)pfc图9-1几种常见气体在水中的平衡溶解度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；③温度一定时，Pe增大，溶解度增大2、亨利定律（相平衡方程式）亨利定律—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：------9.1或：--------------------9.2或：--------------------9.3式中：H、E、m均称为亨利系数，但其单位不同。若c—mol/m3，p*—Pa，则H—mol/m3·Pa；x取摩尔分数，p*—Pa，则E—Pa；y*，x分别为溶质在气相、液相中的摩尔分数，m无量纲，又称相平衡常数。*HpcEpx*mxy*3、亨利定律参数的换算（自学）重点：部分气体不同温度水溶液的亨利系数（见书P188表9-2）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9.1)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由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。EH1例2：推算温度25℃，分压为1.013×105Pa时，CO2在水中的溶解度。（见书P190例9.2）解：利用由书中表9-2查得25℃时E=1.66×105Kpa，则：由附录7查得25℃下，水的ρL=977Kg/m3，又MCO2=44，于是依式9.9可得溶解度：Epx*48510102.61066.110013.1x3444/0337.010102.611810102.64410102.699712mmolxMxMxcscoL4、传质吸收过程的判断①根据相平衡的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(见图9-3)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。图9-3传质过程气液相浓度与平衡的关系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。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：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。二、化学吸收的气液平衡气体溶于液体中，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：---------------9.13设设备吸收组分A与溶液中所含的组分B发生相互反应：化学平衡物理平衡AAcAdDcCbBaAaAlg①亨利定律关系式：------------------9.14②化学平衡关系式：------------------9.15*AApHAbadcBADCk------------------9.16将9.16代入9.14得：------------------9.17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：被吸收组分A进入液相后的总浓度CA可写成：------------------9.18其化学平衡常数------------------9.19abdckBDCA1abdcAAkBDCHp1*1lklgMBAAMACABAACBAMkA于是有：------------------9.20又若是稀溶液吸收,则遵循亨利定律，即有[A]=HAPA*，代入（9.20），于是有：------------------9.21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，即形式上服从亨利定律，但不同的是表明溶解度系数较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.BkCAA1BKHCPAAA1*AACp*BkHHAA1'BkHHAA1'2、被吸收组分在溶液中离解设反应产物的解离反应式为：吸收平衡时，离解常数为：-----------------9.22当溶液中无相同离子存在时，[K+]=[A-]，于是有：----------------9.23AKMBAAkklgMkAMAk121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：------9.24MkMAAMACA1MAKk.1对式（9.19）、（9.22）、（9.24）和组分的物料平衡方程式联解得：---------9.25式中：------------9.26将（9.25）代入亨利定律式，则：---9.27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.BkkCkkCAAAAAA1242BkBkkkA11AAAAAAAkCkkCHBkP42121*3、被吸收组分与溶剂中活性组分作用设反应式为：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，而生成物M的平衡浓度为。由化学平衡关系得平衡常数：--------9.28又亨利定律[A]=HAPA*，得：------------9.29lllgMBAARCBB10RCMB0RARRCARCBAMkBB11.00RkHRPAA1*若物理溶解量可忽略不计，则由上两式可得：令，于是---------9.30变换为：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）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）。**00*1AAAABBAkPHkPHCRCMCkHkA1*1*10*1AABAPkPkCC111*10*ABAPkCC三、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逆流吸收时，塔内气液流量和组成变化情况(见图9-4)图中各符号的意义如下：G、L—分别表示单位时间通过塔任一截面单位面积的混合气体和吸收液的流量，Kmol/(m2·s)；GB—表示单位时间通过塔任一截面单位面积的惰性气体的流量，Kmol/(m2·h)；Ls—表示单位时间通过塔任一截面单位面积纯吸收剂的流量，Kmol/(m2·h)；Y、Y1、Y2—分别表示在塔的任意截面、塔底和塔顶的气相组成，（Kmol吸收质/Kmol惰性气体）；X、X1、X2—分别表示在塔的任意截面、塔底和塔顶的液相组成，（Kmol吸收质/Kmol吸收剂）。x、y—分别表示任一截面上吸收液和混合气体中溶质的摩尔分数图9-4逆流吸收塔内气、液流率和组成的变化x1对全塔进行物料衡算有：就任意截面与塔顶间进行物料衡算有：---------9.36或---------9.37此式即为吸收操作线方程式。在Y—X图上作式（9.37）的图线为一条直线(见图9-5),直线斜率为Ls/Gs，截距为,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组成。吸收操作线斜率Ls/Gs称为吸收操作的液气比,物理含义为处理单位惰性气体所消耗的纯吸收剂的量2121XXLYYGSB22XXLYYGSB22XGLYXGLYBSBS22XGLY图9-5吸收操作线和推动力图示2、操作线方程式的作用说明塔内气液浓度变化情况，更重要的是通过气液情况与平衡关系的对比，确定吸收推动力,进行吸收速率计算,并可确定吸收剂的最小用量,计算出吸收剂的操作用量。3、操作线与平衡线间的关系，要掌握以下三个方面：(1)在Y—X图上，吸收操作线必须处于平衡线之上；(2)操作线与平衡线之间的距离反映了吸收推动力的大小操作线上任一点代表某截面上气、液组成（Y,X），该点到平衡线的垂直距离（Y-Y*）和水平距离（X*-X）分别代表该截面上的吸收推动力。(3)平衡线与操作线不能相交或相切4、低浓度气体吸收操作线方程式若处理的气体浓度较低，即y110%时，所形成的溶液浓度也较低，则Y≈y，X≈x，且通过塔内任意截面混合气体量近似于惰性气体量，即G≈GB，同理L≈Ls，代入公式（9-37），有：--------------9.38此即称为低浓度气体吸收操作线方程式，表明对于低浓度气体的吸收，在x—y坐标上绘出的操作线基本上也成直线，其斜率为L/G。（二）最小（最佳）气液比的确定在吸