大气污染控制工程7-1吸收法12

1、 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）0.540.50.50.52111.8 10AABAABABMTDMMVVV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2212112ln(/)2AABBBALLRTDPppMt1A1Bp2Bp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

2、.5100.5()7.4 10BABABMTDV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：一、气体吸收：1、什么是吸收：、什么是吸收： 利用混和气体中各组分在液体中的溶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解度不同而分离混合气体中某种气体的操作称为吸收。作称为吸收。一、气体吸收：一、气体吸收：2、常用的名词术语：常用的名词术语： 溶质溶质A（吸收质（吸收质A）：吸收操作中欲去除的物质。）：吸收操作中欲去除的物质。 惰性组分惰性组分B（载气）：吸收操作中不被吸收的组分。（载气）：吸收操作中不被吸收的组分。 吸收剂吸收

3、剂S：溶剂：溶剂 吸收尾气：吸收尾气：B+A 吸收剂吸收剂S 吸收尾气吸收尾气B+A 吸吸 收收 混合气体混合气体 塔塔 A+B 吸收液吸收液A+S二、吸收的分类：二、吸收的分类：1、依据溶质与吸收液是否发生化学反应：、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。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。学反应，叫做化学吸收。二、吸收的分类：二、吸收的分类：2、依据溶质溶于溶液中的组分数：、

4、依据溶质溶于溶液中的组分数： 单组分吸收：单组分吸收： 多组分吸收：多组分吸收：3、根据吸收过程中气体溶于溶剂中的热效应：、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等温吸收：污染物的浓度低或设备的散热性能好。能好。 非等温吸收（变温吸收）：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：、依据气态混合物中溶质组分的浓度分： 高浓度吸收：高浓度吸收： 低浓度吸收：浓度小于低浓度吸收：浓度小于10%三、吸收设备：三、吸收设备： 板式塔：逐级接触板式塔：逐级接触 填料塔：连续接触填料塔：连续接触三、吸收设备：三、吸收设备： 板式塔：

5、逐级接触板式塔：逐级接触 填料塔：连续接触填料塔：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：、气体在液体中的溶解度： 平衡：吸收速率平衡：吸收速率=解吸速度解吸速度 溶解度（溶解度（C）：气液经充分接触，在一定条件下达到）：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、饱和平衡后，溶质溶于溶液中的浓度。平衡浓度、饱和浓度浓度 条件：压力条件：压力P、温度、温度T 恒定恒定 平衡分压（平衡分压（pe ）：平衡时气相中被吸收组分的分压）：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（溶解度（C）与平衡分压（）与平衡分压（p

6、e ）的函数关系：）的函数关系： C = f（ pe ） 常见气体的平衡溶解度常见气体的平衡溶解度一、气液平衡关系一、气液平衡关系亨利定律：亨利定律：2、亨利定律、亨利定律（相平衡方程）（相平衡方程）： 当总压不高时（一般约小于当总压不高时（一般约小于5105Pa）时，在一定的温度下，）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。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。 四种表达方式四种表达方式 （1） 式中：式中： ：溶质气体的平衡分压，：溶质气体的平衡分压，kPa x ：溶质的摩尔分率，无量纲。：溶质的摩尔分率，无量纲。 摩尔分率摩尔分率 =

7、 溶质的摩尔数溶质的摩尔数 / 溶液的摩尔数溶液的摩尔数 E：亨利系数，：亨利系数，kpa。*pEpx*一、气液平衡关系一、气液平衡关系亨利定律：亨利定律：2、亨利定律：、亨利定律：四种表达方式四种表达方式 （2）如果用摩尔浓度）如果用摩尔浓度C 表示溶液的组成，亨利定律：表示溶液的组成，亨利定律：式中：式中：C：溶质浓度，单位体积溶液中含溶质的摩尔数：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，：溶质气体的平衡分压，kpa H ：溶解度系数或亨利系数，：溶解度系数或亨利系数， kmol /（kPam3）*Hpc*p一、气液平衡关系一、气液平衡关系亨利定律：亨

8、利定律：2、亨利定律：、亨利定律：四种表达方式四种表达方式 （3）如果摩尔分率）如果摩尔分率 x 表示溶液的组成，用摩尔分率表示溶液的组成，用摩尔分率 ye 来表示平衡来表示平衡气相中气体溶质的分压气相中气体溶质的分压:亨利定律可以写成：亨利定律可以写成： （相平衡方程式）（相平衡方程式）式中：式中：PA : 溶质气体的分压溶质气体的分压 P : 混合气体总压混合气体总压 x ：溶质的摩尔分率：溶质的摩尔分率; ：溶质在气相中的平衡摩尔分率：溶质在气相中的平衡摩尔分率; m ：相平衡常数，无因次。：相平衡常数，无因次。m值越大，溶解度越小。值越大，溶解度越小。 AePyPxmye*y*y*y*

9、y一、气液平衡关系一、气液平衡关系亨利定律：亨利定律：2、亨利定律：、亨利定律：四种表达方式四种表达方式（4）X：表示溶剂中含有溶质的摩尔分数，：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，：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：经换算，得： ，xxX1溶剂的摩尔数溶液中的溶质的摩尔数eeyyY1惰性气体的摩尔数气体中的溶质的摩尔数XXx1YYye1*y*y*y一、气液平衡关系一、气液平衡关系亨利定律：亨利定律：2、亨利定律：、亨利定律：四种表达方式四种表达方式（4）代入亨利定律形式三，）代入亨利定律形式三， 得：得： 当

10、用清水或用极低浓度的溶液为吸收剂时，当用清水或用极低浓度的溶液为吸收剂时，X 趋近于趋近于 0，得相平衡方程式：得相平衡方程式： Y = mX注意亨利定律适用条件：总压不高注意亨利定律适用条件：总压不高xmyeXXmYY11XmmXY)1(1*y一、气液平衡关系一、气液平衡关系亨利定律：亨利定律：2、亨利定律：、亨利定律： （5）亨利定律参数之间的关系为：）亨利定律参数之间的关系为： 式中式中： H：亨利系数，：亨利系数，kPa ：溶剂的密度，：溶剂的密度，kg/m2 Ms：溶剂的分子量，：溶剂的分子量，kg/kmol H ：溶解度系数或亨利系数，：溶解度系数或亨利系数，kmol /（kPam

11、3）SMHhEEHss11一、气液平衡关系一、气液平衡关系亨利定律：亨利定律：3、亨利定律的应用：、亨利定律的应用：（1）气液接触时溶质的传质方向；）气液接触时溶质的传质方向；如：如： P、T 一定，混合气体中某组分的摩尔分率为一定，混合气体中某组分的摩尔分率为y1，而在溶液中该，而在溶液中该组分的摩尔分率为组分的摩尔分率为x1，y*为与为与 x1相平衡的摩尔分率相平衡的摩尔分率, y1y* 吸收过程吸收过程 y1y* 解吸过程解吸过程 P、T 一定，一定， 溶液中该组分摩尔分率为溶液中该组分摩尔分率为x1，x* 为与为与y1平衡浓度，平衡浓度， x1x* 吸收过程吸收过程 x1x* 解吸过程

12、解吸过程 一、气液平衡关系一、气液平衡关系亨利定律：亨利定律：3、亨利定律的应用：、亨利定律的应用： 如：如： NH3摩尔分率为摩尔分率为x1= 0.01的水溶液的水溶液，在标准状况下在标准状况下， 亨利定律亨利定律 y = 0.94x，气相中，气相中y1=0.04，判断传质方向判断传质方向。 气相判断：气相判断： y*1= 0. 94 x1 =0.0094y1 为吸收过程，溶解。为吸收过程，溶解。 液相判断：液相判断： x*1= y1/m =0.04/0.94=0.043x1 为吸收过程，溶解。为吸收过程，溶解。 一、气液平衡关系一、气液平衡关系亨利定律：亨利定律：3、亨利定律的应用：、亨利

13、定律的应用：（2）确定吸收或解吸过程进行的限度。）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若进气中溶质的摩尔分率为y1，进液中溶质的摩尔分率为，进液中溶质的摩尔分率为x0， 那么：那么： 液相中与液相中与y1 平衡的溶质摩尔分率平衡的溶质摩尔分率x*1= y1/m 吸收液中该组分的吸收液中该组分的x/1不可能超过不可能超过x*1 ： x/1 x*1= y1/m = xmax 同理，处理后排气中该组分的同理，处理后排气中该组分的 组成组成 y/0也不可能低于与也不可能低于与x0 平衡的气相溶质摩尔分率平衡的气相溶质摩尔分率y*0 ： y/0 y*0= mx0= ymin 一、气液

14、平衡关系一、气液平衡关系亨利定律：亨利定律： 掌握亨利定律的掌握亨利定律的4种形式、系数间的函数种形式、系数间的函数关系式及亨利定律的应用。关系式及亨利定律的应用。 思考题：思考题：含有含有30%（体积）体积）CO2的某种混合气的某种混合气与水接触，系统温度为与水接触，系统温度为30，总压为总压为101.3kPa，H=1.88105kPa，求液相中，求液相中CO2的平衡浓度为？的平衡浓度为？kmol/m3。（假设操作过程中。（假设操作过程中CO2 体积分数不体积分数不变）变）E一、气液平衡关系一、气液平衡关系亨利定律：亨利定律：思考题：思考题：含有含有30%（体积）体积）CO2的某种混合气与水

15、接触，系统的某种混合气与水接触，系统温度为温度为30，总压为总压为101.3kPa，H=1.88105kPa，求液相中，求液相中CO2的平衡浓度为？的平衡浓度为？kmol/m3。解：解：35331000/101.330%1.881018/8.9810/eeSPChPHMkgmkPakPakgkm olkm olmEEHpp二、吸收过程机理二、吸收过程机理 气液两相物质传递的理论气液两相物质传递的理论 溶质渗透理论溶质渗透理论:希格比（希格比（Higbie）,1935表面更新理论表面更新理论:丹克沃茨丹克沃茨 （Dankwerts）,1951 双膜理论：双膜理论：路易斯、惠特曼路易斯、惠特曼 （

16、WK.Lewis、W.g Whitman） 1923: 二、吸收过程机理二、吸收过程机理双膜理论双膜理论 （双阻力模型、滞留膜理论）：（双阻力模型、滞留膜理论）：1、双膜理论的假定、双膜理论的假定:l相界面，气膜和液膜，分子扩相界面，气膜和液膜，分子扩散，滞留膜；散，滞留膜；l膜的厚度随各相主体的流速与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；流态而不同，膜间无物质积累；固定膜的稳态扩散；固定膜的稳态扩散；l气液界面上气液界面上,气液达平衡状态；气液达平衡状态；l两相主体浓度是均匀的，浓度差两相主体浓度是均匀的，浓度差存在于两膜之中。存在于两膜之中。 2 2、可溶组分由气相进入液相

17、的过程、可溶组分由气相进入液相的过程吸收质从气相主体吸收质从气相主体 湍流扩散湍流扩散 气膜表面气膜表面 分子扩散分子扩散 相相 界界 面面 分子扩散分子扩散 液液 膜膜 表表 面面 湍流扩散湍流扩散 液液 相相 主主 体体二、吸收过程机理二、吸收过程机理双膜理论双膜理论 （双阻力模型、滞留膜理论）：（双阻力模型、滞留膜理论）：3、传质推动力、传质推动力:l气相：气相：PA -PAil液相：液相：CAi CAl当当 PA PAi ， CAi CA，扩散进行。，扩散进行。传质阻力传质阻力:l气膜气膜+液膜；液膜；l膜越厚阻力越大；膜越厚阻力越大；l两相主体流速越快，膜越薄，阻力越小。两相主体流速

18、越快，膜越薄，阻力越小。 三、吸收速率方程三、吸收速率方程:吸收速率吸收速率:气相中的吸收质在单位时间内通过气相中的吸收质在单位时间内通过单位单位面积面积相界面而被吸收剂吸收的量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：吸收传质速率方程的一般表达式为： 传质速率传质速率=传质推动力传质推动力传质系数传质系数 传质系数和传质阻力互为倒数。传质系数和传质阻力互为倒数。 传质速率传质速率=传质推动力传质推动力 / 传质阻力，传质阻力，三、吸收速率方程三、吸收速率方程:1、吸收速率、吸收速率NA： 单位时间通过单位相界面传递的单位时间通过单位相界面传递的溶质的量。溶质的量。2、气相分传质速率方程：、气相分传质速率方程： AiAyAyykNAiAGAPPkNg三、吸收速率方程三、吸收速率方程:3、液相分传质速率方程：、液相分传质速率方程： AAixAxxkNAAiLACCkNl三、吸收速率方程三、吸收速率方程:4、总传质速率方程：、总传质速率方程： 气相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液相总传质速率方程*AAAGAPPkN*AAyAyykNAAALACCkN*AAxAxxkN*lg三、吸收速率方程三、吸收速率方程:5、总传质系数与各项传质系数的关系：、总传质系数与各项