烟气脱硫技术基础

1、第一节第一节 烟气脱硫技术基础烟气脱硫技术基础 一、 硫的氧化物 硫的氧化物有5种：SO、S2O3、SO2、SO3、SO4 SO2是无色有强烈刺激性气味的气体，易溶于水，以各种水合物SO2nH2O形式存在，存在的离子有HSO3- 、S2O52-，还有少量的SO32-。在常温下，1体积水可溶解40体积SO2，约相当于质量分数为10%的溶液呈酸性。 SO2+H2O=H2SO3 水解 H2SO3 = H+HSO3- （主要） HSO3- = H+ SO32- 亚硫酸的酸性远比硫酸弱，在水溶液中，除H+和HSO3-外，只有少量的SO32-,与碱作用生成亚硫酸氢盐和亚硫酸盐。 SO3是SO2催化氧化而得

2、，它是无色的易挥发固体，三氧化硫与水作用生成H2SO4,同时放出大量的热。 SO3+H2OH2SO4+79.55 KJ第一节第一节 二氧化硫的物理化学基础二氧化硫的物理化学基础二、烟气脱硫的化学基础 SO2既有氧化性，又有还原性，很多盐类和吸附剂，如碱盐类、碱土化合物、金属氧化物及活性炭等对SO2有吸附作用。烟气脱硫工艺的化学基础就是利用SO2的这些特性进行的。（一）与水和碱的化学基础（一）与水和碱的化学基础 SO2溶于水的同时生成H2SO3，不仅与可溶性碱及弱酸盐溶液反应，而且与难溶性碱和弱酸盐如Ca(OH)2、CaCO3、Mg(OH)2也易于反应。生成亚硫酸盐或亚硫酸氢盐， 如与NaOH反

3、应： 2NaOH+SO2 Na 2 SO3 + H2O NaSO3+SO2+H2O 2Na2HSO3 亚硫酸和亚硫酸盐不稳定，能被空气中的氧逐渐氧化为硫酸和硫酸盐： 2H2SO3+O2 2H2SO4 2Na2SO3+O2 2Na2SO4第一节第一节 二氧化硫的物理化学基础二氧化硫的物理化学基础（二）与氧化剂反应 SO2与氧化剂反应生成六价硫化合物，气态SO2直接同O2生成SO3的反应进行得很慢： SO2+1/2O2 SO3 利用催化剂可加速反应，在水介质中SO2经催化剂的作用被氧化得相当快，并生成H2SO4： SO2+1/2O2 + H2O H2SO4 各种强氧化剂如臭氧、过氧化氢、硝酸、等溶

4、液以及NO与SO2均能迅速反应，并都生成酸。 第一节第一节 二氧化硫的物理化学基础二氧化硫的物理化学基础（三）与还原剂的反应 在各种还原剂的作用下SO2可以还原成原素硫或H2S（在某些情况下，还原只进行到硫或硫酸盐），还原过程也根据反应条件而定。氢随温度的不同在催化剂作用下可使SO2还原成元素硫或H2S SO2+2H2 S+2H2O SO2+3H2 H2S+2H2O不同的金属（铁、镁、铜、镉等）还原SO2 SO2+3Me=MeS+2MeO在高温下SO2被煤、一氧化碳和甲烷还原成元素硫 SO2+C=S+CO2 SO2+2CO=S+2CO2 2SO2+CH4=2S+CO2+2H2O第一节第一节 二

5、氧化硫的物理化学基础二氧化硫的物理化学基础气体混合物中组分分离吹脱、去除挥发性组分汽提液体混合物中组分分离染料废水处理样品石油烃分离测定气体和液体混合物中组分分离活性炭吸附水中有机物去除水中阴阳离子制作纯水去除水中重金属高分子薄膜为分离介质，组分选择性地透过膜制作纯水截留某些组分去除水、气体和固体中污染物的过程去除水、气体和固体中污染物的过程吸收吸收萃取萃取吸附吸附膜分离膜分离离子交换离子交换 传质过程：传质过程：分离中的传质：分离中的传质：第二节 质量传递质量传递吸收反应中的传质过程：吸收反应中的传质过程：石灰石灰/石灰水洗涤烟气脱硫石灰水洗涤烟气脱硫催化氧化法净化汽车尾气催化氧化法净化汽车

6、尾气第二节质量传递质量传递物质传递现象物质传递现象质量传递过程质量传递过程需要解决两个基本问题：需要解决两个基本问题：过程的极限过程的极限:过程的速率过程的速率:相平衡关系相平衡关系 以以浓度差浓度差为推动力的传质过程：一个含有两种或两种以上为推动力的传质过程：一个含有两种或两种以上组分的体系，组分组分的体系，组分A由浓度高的区域向浓度低的区域的转移。由浓度高的区域向浓度低的区域的转移。质量传递研究内容！质量传递研究内容！第二节质量传递质量传递浓度差，温度差， 压力差， 电场或磁场的场强差向一杯水中加入一滴蓝墨水向一杯水中加入一滴蓝墨水搅拌一下搅拌一下？由分子的微观运动引起由分子的微观运动引起

7、 工程上为了加速传质，通常使流体介质处于运动状态工程上为了加速传质，通常使流体介质处于运动状态湍流状态，湍流扩散的效果占主要地位。湍流状态，湍流扩散的效果占主要地位。 慢慢由流体微团的宏观运动引起由流体微团的宏观运动引起分子扩散分子扩散快快湍流扩散湍流扩散第三节 质量传递的基本原理 一、传质机理一、传质机理 分子扩散过程只有分子扩散过程只有在固体、静止流体或层流在固体、静止流体或层流流动流动的流体中才会单独发生。的流体中才会单独发生。 由由分子的不规则热运动分子的不规则热运动而导致的传递而导致的传递（一）费克定律（一）费克定律 在某一空间充满在某一空间充满A A、B B两组分组成的混合两组分组

8、成的混合物，物，无总体流动或处于静止状态无总体流动或处于静止状态 ，且在，且在上下两空间中上下两空间中A2A1cc 分子热运动的结果分子热运动的结果将导致组分将导致组分A A由浓度由浓度高的区域向浓度低的区域高的区域向浓度低的区域净扩散净扩散，即发生由，即发生由高浓度处向低浓度处的分子扩散高浓度处向低浓度处的分子扩散. . 分子扩散的速率？分子扩散的速率？第三节 质量传递的基本原理 二、分子扩散二、分子扩散A2A1ccAAzABddcNDz 在一维稳态情况下，单位时间通过垂直于在一维稳态情况下，单位时间通过垂直于z z方向的单位方向的单位面积扩散的组分面积扩散的组分A A的量为的量为单位时间在

9、单位时间在z z方向上经单位方向上经单位面积扩散的面积扩散的A A组分的量，即组分的量，即扩散通量扩散通量，也称为，也称为扩散速扩散速率率，kmol/kmol/（m m2 2s s）组分组分A A的的物质的量物质的量浓度浓度，kmol/mkmol/m3 3组分组分A A在组分在组分B B中进中进行扩散的行扩散的分子扩散分子扩散系数系数，m m2 2/s/s组分组分A A在在z z方向上的浓方向上的浓度梯度，度梯度，kmol/mkmol/m3 3m m由浓度梯度引起的由浓度梯度引起的扩散通量与浓度梯度成正比扩散通量与浓度梯度成正比负号表示组分负号表示组分A A向浓度减小的方向传递向浓度减小的方向

10、传递以物质的量浓度为基准以物质的量浓度为基准 费克定律费克定律第三节 质量传递的基本原理 (1.3.1)mAAABddzxNDz c设混合物的物质的量浓度为设混合物的物质的量浓度为 ,kmol/m3，组分A的摩尔分数为Axc当 为常数时AAcc x 以质量分数为基准以质量分数为基准以摩尔分数为基准以摩尔分数为基准混合物质量浓度，kg /m3组分A的质量分数当混合物的密度为常数时AmAx组分A的质量浓度，kg /m3以质量浓度为基准以质量浓度为基准kg/（m2s） kg/（m2s） AAABddzxNc Dz AAABddzNDz AAABddzcNDz kmol/（m2s）第三节 质量传递的基

11、本原理(1.3.2)(1.3.3)（一）费克定律（一）费克定律 （二）分子扩散系数（二）分子扩散系数 扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率，表征物质分子扩散扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率，表征物质分子扩散能力。扩散系数大，表示分子扩散快。能力。扩散系数大，表示分子扩散快。 分子扩散系数是分子扩散系数是物理常数物理常数，其数值受体系温度、压力和混，其数值受体系温度、压力和混合物浓度等因素的影响（与反应条件有关）。合物浓度等因素的影响（与反应条件有关）。AABAddzNDcz 第三节 质量传递的基本原理(1.3.4)（1）非理想气体及浓溶液）非理想气体及浓溶液, 是浓度的函数。是浓度的函数。AB

12、D（2）溶质在液体中的扩散系数远比在气体中的小，在固体中溶质在液体中的扩散系数远比在气体中的小，在固体中的扩散系数更小的扩散系数更小。气体、液体、固体扩散系数的数量级。气体、液体、固体扩散系数的数量级分别为分别为10-510-4、10-1010-9、10-1410-9m2/s。（4 4）对于）对于双组分气体物系双组分气体物系，1.750ABAB,00pTDDpT（3 3）低密度气体、液体和固体的扩散系数）低密度气体、液体和固体的扩散系数随温度的升高随温度的升高而增大，随压力的增加而降低。而增大，随压力的增加而降低。，扩散系数与总压力成反比，与热力学温度的扩散系数与总压力成反比，与热力学温度的1

13、.75次方成正比次方成正比（二）分子扩散系数（二）分子扩散系数 第三节 质量传递的基本原理 D定义定义湍流质量扩散系数湍流质量扩散系数 湍流扩散系数湍流扩散系数不是物理常数不是物理常数，它取决于流体流动，它取决于流体流动的特性，受湍动程度和扩散部位等复杂因素的影响的特性，受湍动程度和扩散部位等复杂因素的影响 工程中大部分流体流动为工程中大部分流体流动为湍流状态，同时存在分湍流状态，同时存在分子扩散和湍流扩散子扩散和湍流扩散，因此组分，因此组分A A总的质量扩散通量总的质量扩散通量DABeffD有效质量扩散系数在充分发展的湍流中，在充分发展的湍流中，湍流扩散系数往往比分子扩湍流扩散系数往往比分子

14、扩散系数大得多散系数大得多，因而有，因而有组分A的平均物质的量浓度 AADddcNz AAAtABDABeffdd()ddccNDDzz （三）湍流扩散（三）湍流扩散 第三节 质量传递的基本原理在在静止静止介质中由于介质中由于分子扩散所引起分子扩散所引起的质量传递问题的质量传递问题 静止流体静止流体相界面相界面组分组分A通过气相主体向相界面扩散通过气相主体向相界面扩散 ，依靠分子扩散依靠分子扩散AA,iccAA,0ccNA在相界面附近，组分在相界面附近，组分A沿扩散的方向将建立一定的浓度分布沿扩散的方向将建立一定的浓度分布 第四节 分子传质气相主体A物质的浓度相界面A物质的浓度单向扩散等分子反

15、向扩散等分子反向扩散 水含有氨的废气苯甲苯体系甲苯NB第四节 分子传质传质过程：氨溶解于水氨分压降低相界面处的气相总压降低流体主体与相界面之间形成总压梯度流体主体向相界面处流动氨的扩散量增加流动氨相界面上空气的浓度增加空气应从相界面向混合气体主体作反方向扩散相界面处空气的浓度（或分压）恒定可视为空气处于没有流动的静止状态空气氨溶解于水第四节 分子传质一、单向扩散一、单向扩散 组分在双组分混合气体中的分子扩散假定：扩散系数在低压下与浓度无关 总通量流动所造成的传质通量叠加于流动之上的分子扩散通量总通量流动所造成的传质通量叠加于流动之上的分子扩散通量总通量？第四节 分子传质一、单向扩散一、单向扩散

16、 (一一)扩散通量扩散通量MuAABBMc uc uucAuBu传质时流体混合物内传质时流体混合物内各组分的运动速度是不同的各组分的运动速度是不同的为了表达混合物总体流动的情况组分组分A的宏观运动速度的宏观运动速度组分组分B的宏观运动速度的宏观运动速度引入平均速度流体混合物的流动是以平均速度流动的，称为流体混合物的流动是以平均速度流动的，称为总体流动总体流动 第四节 分子传质(1.4.1)相对于运动坐标系相对于运动坐标系Mu得到得到相对速度相对速度DA,uDB,uMADA,uuuMBDB,uuu扩散速度扩散速度，表明组分因分子扩散引起的运动速度，表明组分因分子扩散引起的运动速度由通量的定义，可

17、得由通量的定义，可得AAANc uBBBNc uMMABNcuNN第四节 分子传质(1.4.3b)(1.4.3c)(1.4.3a)(1.4.2b)(1.4.2a)AAAABABd()dccNDNNzc 费克定律的普通表达形式费克定律的普通表达形式而相对于平均速度的组分而相对于平均速度的组分A的通量即为的通量即为分子扩散通量分子扩散通量，即，即A,DAA,DNc uAA,DAAB()cNNNNc第四节 分子传质(1.4.4)MADA,uuuAABBMc uc uucMMABNcuNN(1.4.2a)(1.4.1)(1.4.3c)(1.4.5)ABAA,A,0()iDNccLABAA,A,0B,m

18、()iD cNccLcB,mcc单向扩散等分子反向扩散漂移因子（一）扩散通量（二）浓度分布A,0A,AA,iiccczcLLziiyyyy,A0,A,AA1111AAAABABd()dccNDNNzc 费克定律的普通表达形式第四节 分子传质单向扩散单向扩散，由于，由于BN=0AAABAddccNDccz 组分B在单向扩散中没有净流动(uB=0)，所以单向扩散也称为停滞介质中的扩散在稳态情况下 为定值ANAA,iccAA,0ccA,0A,ABAA0AddiLccD cNzccc 在恒温恒压条件下，式中 、 为常数，所以ABDc气相主体: 相界面:z=0z=L第四节 分子传质(1.4.6)AA,i

19、ccAA,0ccA,0ABAA,lniccD cNLccA,B,iicccA,0A,B,B,0iiccccA,A,0B,0ABAB,0B,B,()ln()iiicccD cNLcccB,0B,B,mB,0B,lniicccccABAA,A,0B,m()iD cNccLc惰性组分在相界面和气相主体间的对数平均浓度差A,0B,0ccc扩散推动力第四节 分子传质(1.4.7)(1.4.8)(1.4.9)(1.4.10)AA,iccAA,0cc若静止流体为理想气体，则根据pcRT)(0 ,A,AmB,ABAppRTLppDNiiippppp,B0,B,B0,BmB,lnABAA,A,0B,m()iD

20、cNccLc总压强惰性组分在相界面和气相主体间的对数平均分压差组分A在相界面的分压组分A在相主体的分压第四节 分子传质(1.4.11)(1.4.10)对于稳态扩散过程， 为常数，即0ddAzNABAAAd1dDcyNyz ABAAdd0d1dD cyzyz在恒温恒压下， 均为常数,ABDc0dd11ddAAzyyz(二)浓度分布AN对于气体组分A，浓度用摩尔分数表示AAABAddccNDccz 第四节 分子传质(1.4.13)(1.4.6)ppyyzii,A,AA, 0ppyyLz0,A0,AA,Lziiyyyy,A0,A,AA1111Lziiyyyy,B0,B,BB上式经两次积分，代入边界条

21、件气相主体: 相界面:组分A通过停滞组分B扩散时，浓度分布为对数型第四节 分子传质(1.3.15b)(1.3.15a)【例题1.3.1】用温克尔曼方法测定气体在空气中的扩散系数，测定装置如图所示。在101.3kPa下，将此装置放在328K的恒温箱内，立管中盛水，最初水面离上端管口的距离为0.125m，迅速向上部横管中通入干燥的空气，使水蒸气在管口的分压接近于零。实验测得经1.044106s后，管中的水面离上端管口距离为0.15m。求水蒸气在空气中的扩散系数。解：水面与上端管口距离为z，水蒸气扩散的传质通量为 单向扩散)(0,A,AmB,ABAppRTzppDNi传质通量：AAddczNtAAB

22、A,A,0B,md()diczDppptRTzp可用管中水面的下降速度表示第四节 分子传质0=15.73kPa（328K下水的饱和蒸气压）ip,A0,Ap2 .9357.853 .101ln57.853 .101ln,B0,B,B0,BmB,iipppppA985.654.718c kPa328K下，水的密度为985.6kg/m3，故kmol/m3kPa57.8573.153 .101kPa,3 .101,A,B0,0,iiABpppppp第四节 分子传质ABA,A,0AB,d()dimDpz zpptc RTp边界条件： t=0, z=0.125m t=1.044106s, z=0.150m

23、60.151.044 10ABA,0.1250AB,ddimDpz zptc RTp2 .93328314. 87 .5410044. 173.153 .1012)125. 015. 0(6AB22D5AB1087. 2Dm2/s第四节 分子传质 在一些双组分混合体系的传质过程中，当体系总浓度保持均匀不变时，组分A在分子扩散的同时必然伴有组分B向相反方向的分子扩散，且组分B扩散的量与组分A相等，这种传质过程称为等分子反向扩散。(一)扩散通量AB0NN没有流体的总体流动，因此AAABddcNDz 特征二、等分子反向扩散二、等分子反向扩散 第四节 分子传质(1.4.16)在稳态情况下 为定值ANA

24、A,iccAA,0cc在等温等压条件下，式中 为常数，所以ABD气相主体: 相界面:z=0z=LA,0A,AABA0ddiLccNzDc ABAA,A,0()iDNccL第四节 分子传质(1.4.17)对于稳态扩散过程， 为常数，即(二)浓度分布上式经两次积分，代入边界条件相界面:0ddAzNANAAABddcNDz 2A2d0dczAA,0,izccAA,0,zL cc气相主体：A,0A,AA,iiccczcL组分A和B的浓度分布为直线第四节 分子传质(1.4.18)(1.4.20)对流传质： 运动着的流体与相界面之间发生的传质过程 不互溶的两种运动流体之间的界面 流动的流体与固体壁面p 气

25、体的吸收：在气相与液相之间传质p 流体流过可溶性固体表面p 流体中某组分在固体表面反应p 萃取： 在液相与液相之间传质第五节 对流传质 分子扩散流体各部分之间的宏观位移引起的扩散 质量传递将受到流体性质、流动状态以及流场几何特性等的影响。(一)对流传质过程的机理层流区湍流区A,0cA,ic 质量传递固体壁面附近形成浓度分布？传质的机理A,0cA,ic第五节 对流传质一、对流传质过程的机理及传质边界层层流底层：物质依靠分子扩散传递，浓度梯度较大，传质速率可用费克第一定律描述，其浓度分布曲线很陡，近似为直线； 湍流核心区：有大量的旋涡存在，物质的传递主要依靠湍流扩散，由于强烈混合，浓度梯度几乎消失

26、，组分在该区域内的浓度基本均匀，其分布曲线较为平坦，近似为一垂直直线层流底层湍流核心区过渡区过渡区：分子扩散和湍流扩散同时存在湍流区第五节 对流传质(二)传质边界层可以认为质量传递的全部阻力都集中在传质边界层内c传质边界层的名义厚度定义为1 3cScABDScSc1c时0.99u00.99C0具有浓度梯度的流体层传质边界层：A,0cA,icc流动边界层与传质边界层的关系：分子动量传递能力和分子扩散能力的比值。施密特数cAA,A,0A,()0.99()iicccc (c(cA A-c-cA A,i,i) )0.99(c0.99(cA A,0,0-c-cA A,i,i) )第五节 对流传质(1.5

27、.1)0.99u0cA,icA,0(cA-cA,i)0.99(cA,0-cA,i)D0.05Ld Re ScD50Ld湍流流动时，传质进口段长度为传质进口段长度层流流动的传质进口段长度为流体流过圆管进行传质 cDL第五节 对流传质(1.5.3)(1.5.2)二、对流传质速率方程 流动处于湍流状态时，物质的传递包括了分子扩散和湍流扩散 将过渡层内的湍流扩散折合为通过某一定厚度的层流膜层的分子扩散 GA,0A,()icc有效膜层或虚拟膜层 Gl简化计算A,0cA,ic由流体主体到界面的扩散通过有效膜层的分子扩散整个有效膜层的传质推动力为浓度分布全部传质阻力集中在有效膜层第五节 对流传质组分A的对流

28、传质速率，kmol/（m2s）流体主体中组分A的浓度，kmol/m3界面上组分A的浓度，kmol/m3对流传质系数，也称传质分系数，下标“c”表示组分浓度以物质的量浓度表示，m/s对流传质速率方程 传质系数体现了传质能力的大小，与流体的物理性质、界面的几何形状以及流体流动状况等因素有关。 用分子扩散速率方程去描述对流扩散，由壁面至流体主体的对流传质速率为：AA,A,0()ciNk cc第五节 对流传质(1.5.4)组分浓度常用分压表示界面上组分A的分压，N/m2气相主体中组分A的分压，N/m2气相传质分系数，kmol/（m2sPa）液相传质分系数，m/ s气相与界面的传质液相与界面的传质)(0

29、,A,AGAppkNiALA,A,0()iNkcc第五节 对流传质(1.5.5)(1.5.6)若组分用摩尔分数表示，对于气相中的传质，摩尔分数为y，则)(0,A,AAyykNiyAApyppkkyG)(0,A,AAxxkNixAAcxcLxkk c 用组分A的摩尔分数差表示推动力的气相传质分系数对于液相中的传质，若摩尔分数为x，则用组分A的摩尔分数差表示推动力的液相传质分系数第五节 对流传质(1.4.8)(1.4.10)(1.4.9)双组分系统中，A和B两组分作等分子反向扩散时，BANN对流传质系数用 表示，则0ck0AA,A,0()ciNkcc相应的分子扩散速率为ABA,A,0G()A iD

30、Nccl0ABGcDkl虚拟膜层的厚度第五节 对流传质1. 等分子反向扩散时的传质系数(1.5.11)(1.5.12)2.单向扩散时的传质系数双组分系统中，组分A通过停滞组分B作单向扩散时，0BN对流传质系数用 表示。则ckAA,A,0()ciNk cc相应的分子扩散通量为故 组分B的对数平均摩尔分数ABAA,A,0GB,m()iD cNccl cABABB,m GB,m GccDDkclxl0B,mcckkx第五节 对流传质(1.5.13)(1.5.14)ABAA,A,0B,m()iD cNccLc单向扩散)(0,A,AmB,ABAppRTLppDNi传质通量的计算分子传质等分子反向扩散AB

31、AA,A,0()iDNccLABAA,A,0()iDNppRTL对流传质AA,A,0()ciNk cc)(0,A,AGAppkNiALA,A,0()iNkcc)(0,A,AAyykNiy)(0,A,AAxxkNixAA,A,0()iNk cc第五节 对流传质 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，溶解达到平衡时的分压，称之为平衡分压，用p*表示。 在吸收过程中，当气相中溶质的实际分压p高于其与液相平衡的溶质分压时，当pp*，溶质便由气相向液相转移，于是就发生了吸收过程。 P与p*的差别就是吸收的推动力，反之，如果pp*，溶质便由液相向气相转移，即吸收的逆过程，称

32、为解吸(或脱吸)。不论是吸收还是解吸，均与气液平衡有关。第六节：气体吸收第六节：气体吸收 吸收法净化气态污染物采用各种类型的吸收塔、文丘里洗涤器、鼓泡反应器等中，含有可被吸收的污染物A的混合气体与吸收剂S逆流（或顺流）接触，完成吸收过程，被净化了的气体（不被溶解的组分B和剩余的A）和吸收液(含有A和S)，分别排出装置之外作进一步的处置。2.溶解度: 平衡状态下气体溶质在液相中的含量称为该气体的平衡溶解度。 气体的溶解度是每100kg水中溶解气体的千克数。气体的溶解度在同一系统中一般随温度的升高而减小，随压力的增大而增大。第六节：气体吸收第六节：气体吸收1.1.气液相平衡关系气液相平衡关系当瞬间

33、内进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相抵，在宏观上过程就像停止一样，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。(一)吸收平衡吸收平衡 在一定的操作温度和压力下，溶质在液相中的溶解在一定的操作温度和压力下，溶质在液相中的溶解度由其相中的组成决定。在总压不很高的情况下，可以度由其相中的组成决定。在总压不很高的情况下，可以认为气体在液体中的溶解度只取决于该气体的分压认为气体在液体中的溶解度只取决于该气体的分压 ，而与总压无关。于是，而与总压无关。于是， 与与 得函数关系可写成得函数关系可写成 当然，也可以选择液相的浓度当然，也可以选择液相的浓度 作自变量，这时作自变量，这时，在一定温度

34、下的气相平衡分压，在一定温度下的气相平衡分压 和和 的函数：的函数： 气液平衡关系一般通过实验方法对具体物系进行测定。气液平衡关系一般通过实验方法对具体物系进行测定。Ap*AcAp*()AAcf pAc*ApAc*()AApf c第六节：气体吸收第六节：气体吸收3.3.亨利定律亨利定律 在一定温度下，在一定温度下，p p* *只是被吸收组分在液相中的摩尔分数只是被吸收组分在液相中的摩尔分数x x的函数的函数即被吸收气体的平衡分压只与其在液相中的浓度有关。这就即被吸收气体的平衡分压只与其在液相中的浓度有关。这就是著名的亨是著名的亨利利(Henry(Henry）定律）定律。它表示在总压不很高时，一

35、定。它表示在总压不很高时，一定温度下，温度下，当溶解达到平衡时，稀溶液中溶质当溶解达到平衡时，稀溶液中溶质A A的平衡分压与其的平衡分压与其在溶液中的浓度成正比。在溶液中的浓度成正比。式中：式中： X X 被吸收组分在液相中的摩尔分数；被吸收组分在液相中的摩尔分数； E E亨利系数，亨利系数，Pa Pa 。 *( )pf x*pEx第六节：气体吸收第六节：气体吸收 亨利系数亨利系数E E是温度的函数，一般来说，温度上升则是温度的函数，一般来说，温度上升则E E值增大，值增大，不利于气体的吸收。亨利定律还有多种表示方式。当溶液不利于气体的吸收。亨利定律还有多种表示方式。当溶液中溶质含量用中溶质含

36、量用c (kmol/mc (kmol/m3 3) )表示时，亨利定律表示为：表示时，亨利定律表示为： 或或 *cpH*cHp第六节：气体吸收第六节：气体吸收 式中：式中： H H溶解度系数，溶解度系数，kmol/(mkmol/(m3 3.Pa).Pa) H H值得大小反映了气体溶解的难易程度，易溶气体值得大小反映了气体溶解的难易程度，易溶气体H H值值大。所以称大。所以称H H为溶解度系数。为溶解度系数。 对于稀溶液，对于稀溶液，E E与与H H有如下近似关系：有如下近似关系：1EHM式中：式中： 溶液的密度，溶液的密度，kg/mkg/m3 3 M M溶剂的相对分子质量溶剂的相对分子质量当溶质

37、在气相和液相中的浓度均以摩尔分数表示时，当溶质在气相和液相中的浓度均以摩尔分数表示时，亨利定律又可表示为亨利定律又可表示为: :*ymx上式为亨利定律最常用的形式之一，称为气液平衡关系上式为亨利定律最常用的形式之一，称为气液平衡关系式，式，m m为相平衡常数，无量纲。为相平衡常数，无量纲。m m与与E E有下述关系：有下述关系：EmP式中式中 P P气相的总压气相的总压升高温度，减小总压，则升高温度，减小总压，则m m值变大，不利于吸收操作值变大，不利于吸收操作第六节：气体吸收第六节：气体吸收*/()ypp【例例1】含含30%(体积体积)CO2的某种混合气体与水接触，的某种混合气体与水接触，系

38、统温度系统温度30，总压，总压101.3kPa，试求液相中，试求液相中CO2的平衡浓度为若干的平衡浓度为若干kmol/m3(30时，时，CO2在水中在水中的亨利系数的亨利系数E=1860101.3kPa)？解：令解：令Pco2代表在气相中的分压，则由分压定律可代表在气相中的分压，则由分压定律可知知 （kPa） 在本题范围内亨利定律适用，则在本题范围内亨利定律适用，则 230%30.39COpP2*COcH p第六节：气体吸收第六节：气体吸收求求CO2在在30时的溶解度系数时的溶解度系数HHEM2*COcpEM因为因为CO2为难溶气体，溶液密度近似于水的密度，即为难溶气体，溶液密度近似于水的密度

39、，即=1000kg/m3，代入已知数据，得：，代入已知数据，得：231000*0.38.96 101860 18COcpEM(kmol/m3)第六节：气体吸收第六节：气体吸收西安交通大学有关西安交通大学有关 SOSO2 2溶解特性实验研究的结果溶解特性实验研究的结果1. 钢瓶钢瓶; 2. 流量计流量计; 3.真空泵；真空泵；4.储气瓶；储气瓶；5. U形压力计；形压力计；6.温度计；温度计；7.吸收瓶；吸收瓶；8.pH计；计；9.恒温磁力搅拌器恒温磁力搅拌器 SO2O2N2第六节：气体吸收第六节：气体吸收SOSO2 2在纯水中溶解实验结果在纯水中溶解实验结果010203040506070809

40、01.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5pH值时 间/min 二氧化硫分 压为40kPa 二氧化硫分 压为30kPa 温度为500102030405060701.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5pH值时 间/min 60 50 40二氧化硫分 压为40kPa第六节：气体吸收第六节：气体吸收SOSO2 2在纯水中溶解实验结果在纯水中溶解实验结果40455055600.00.51.01.52.02.53.03.5SO2溶解度g/100gH2O温度/ 文献 值 实验值第六节：气体吸收第六节：气体吸收SOSO2 2在石灰石浆液中溶解的实验结果在

41、石灰石浆液中溶解的实验结果0102030405060708090100 110 120 130 1405.56.06.57.07.58.08.59.0pH值时 间/min 50 55 60SO2分 压为20kPa石灰石浆液浓 度102004006008001000120014006.46.66.87.07.27.47.67.88.08.28.48.68.89.0pH值时 间/min 石灰石浆液浓 度1 石灰石浆液浓 度5 SO2分 压为20kPa 温度为50第六节：气体吸收第六节：气体吸收SOSO2 2溶解的实验结论溶解的实验结论 SO SO2 2在纯水和石灰石浆液中的溶解度随温度的降低在纯水

42、和石灰石浆液中的溶解度随温度的降低及及SOSO2 2分压的升高而提高；分压的升高而提高； SOSO2 2溶于纯水和石灰石浆液时，在反应的前溶于纯水和石灰石浆液时，在反应的前5 5分钟，分钟，溶液的溶液的pHpH值急剧下降，这说明在反应初期值急剧下降，这说明在反应初期SOSO2 2溶于溶于水的反应速度非常快，随后，水的反应速度非常快，随后，SOSO2 2的溶解速度迅速的溶解速度迅速降低；降低； 实验测得的实验测得的SOSO2 2的溶解度略低于文献值，总体来看，的溶解度略低于文献值，总体来看，实验值与文献值的变化趋势是一致的，实验的误实验值与文献值的变化趋势是一致的，实验的误差在差在1010左右；

43、左右；第六节：气体吸收第六节：气体吸收 在气液两流体相接触处,有一稳定的分界面,叫相界面。在相界面两侧附近各有一层稳定的气膜和液膜。这两层薄膜可以认为是由气液两流体的滞流层组成,即虚拟的层流膜层,吸收质以分子扩散方式通过这两个膜层。 全部浓度变化集中在这两个膜层内。 在相界面处,气液浓度达成平衡,即界面上没有阻力。（一）（一） 吸收机理吸收机理 (双膜理论模型双膜理论模型) 第六节：气体吸收第六节：气体吸收吸收剂气体yx界面气 相 主体 液相主体 相界面气 相 扩散 液相扩散 yi xi 浓度分布图 通过以上假设通过以上假设, ,就把整个吸收就把整个吸收过程简化为过程简化为, ,吸收质经过双膜

44、层的吸收质经过双膜层的过程过程, ,吸收阻力就是双膜的阻力。吸收阻力就是双膜的阻力。故该理论又称为故该理论又称为双膜阻力理论双膜阻力理论。4 4、吸收速率方程、吸收速率方程（1 1）气膜吸收速率方程式）气膜吸收速率方程式 iGiBmGAppkpppRTZDpN式中：式中：PBi，PB分别为惰性组分分别为惰性组分B在气液界面和气相主体中在气液界面和气相主体中 的分压，的分压，Pa； 气膜传质分系数，气膜传质分系数，kmol/(m2.s.Pa)。Gk第六节：气体吸收第六节：气体吸收当气相的组成以摩尔分数表示时，相应的气膜吸收速率当气相的组成以摩尔分数表示时，相应的气膜吸收速率方程式为：方程式为：(

45、)AyiNkyy式中： y溶质A在气相主体中的摩尔分数； yi溶质A在相界面的摩尔分数； ky与气膜推动力（y-yi）相对应的吸收系数。 式中：式中： 液膜传质分系数，液膜传质分系数，m/sm/s。 当液相的组成以摩尔分数表示时，相应的液膜吸收速当液相的组成以摩尔分数表示时，相应的液膜吸收速率方程式为：率方程式为：AxiNkxx式中：式中：k kx x 与液膜推动力（与液膜推动力（x xi i-x-x）相对应的液膜吸收分系）相对应的液膜吸收分系 数，数，kmol/(mkmol/(m2 2.s.kmo/m.s.kmo/m3 3) )或或m/sm/s。Lk第六节：气体吸收第六节：气体吸收cckcc

46、cZcDNiLismLA（2 2）液膜吸收速率方程式）液膜吸收速率方程式k kG G和和k kL L难以得到，界面浓度难以得到，界面浓度p pi i、c ci i很难测量。很难测量。 吸收过程之所以能自动进行，就是由于两相主体浓度尚未吸收过程之所以能自动进行，就是由于两相主体浓度尚未达到平衡，一旦任何一相主体浓度与另一相主体浓度达到平衡，达到平衡，一旦任何一相主体浓度与另一相主体浓度达到平衡，推动力便等于零。因此，吸收过程的总推动力可以用任何一相推动力便等于零。因此，吸收过程的总推动力可以用任何一相的主体浓度与其平衡浓度的差来表示。的主体浓度与其平衡浓度的差来表示。 用亨利定律和双膜理论来处理

47、吸收速率方程，得到：用亨利定律和双膜理论来处理吸收速率方程，得到：（3 3）总传质速率方程）总传质速率方程第六节：气体吸收第六节：气体吸收11*ALGNppk Hk111LGGk HkK令：令：*AGNKpp得：得：上式为气相总吸收速率方程，上式为气相总吸收速率方程， K KG G为气相吸收总系数。它包括了气、为气相吸收总系数。它包括了气、液两个分系数。即总阻力相当于气、液两膜阻力之和。液两个分系数。即总阻力相当于气、液两膜阻力之和。溶解度系数 用同样的方法，可以推出液相总吸收速率用同样的方法，可以推出液相总吸收速率方程，得方程，得*ALNKccK KL L- -液相吸收总系数液相吸收总系数。

48、11LGLHkkK第六节：气体吸收第六节：气体吸收 吸收总系数吸收总系数KG和和KL可以通过实验获取，也可以可以通过实验获取，也可以通过经验公式或系数关联试求得。通过经验公式或系数关联试求得。 KG、KL和kG、kL、的关系：可以据此判断吸收过程主要是气膜控制(阻力主要集中在气膜)、液膜控制(阻力主要集中在液膜)还是两膜共同控制(二膜阻力相差不大)。对于难溶气体，由于溶解度系数H很小，说明阻力集中在液膜，传质过程主要由液膜控制。 111LGLLHkkkK对于易溶气体，由于溶解度系数H很大，阻力集中在气膜，过程主要由气膜控制。1111LGGGk HkkK第六节：气体吸收第六节：气体吸收 对于中等

49、溶解度的气体，由于H不大也不小，式中的两项都不可忽略，因此，过程由两膜共同控制。（4 4）有化学反应的吸收速率方程）有化学反应的吸收速率方程 如化学反应生成物是液相产物，则向液相扩散；如果生成物是气态物质，则向界面扩散；如果生成物不溶于液相或微溶于液相，则生成物从液相中分离。 由于化学反应吸收使被吸收组分A在液相中的浓度减少,提高了传质推动力,化学吸收速率方程可用下式表示:0AAiLAAcckNN-化学吸收增强系数化学吸收增强系数第六节：气体吸收第六节：气体吸收 隔栅填料塔隔栅填料塔第六节：气体吸收第六节：气体吸收 ( (三三) ) 吸收设备吸收设备双接触喷淋塔双接触喷淋塔第六节：气体吸收第六

50、节：气体吸收喷淋塔中喷嘴布置喷淋塔中喷嘴布置第六节：气体吸收第六节：气体吸收液柱式喷淋吸收塔液柱式喷淋吸收塔第六节：气体吸收第六节：气体吸收喷射鼓泡吸收塔第六节：气体吸收第六节：气体吸收( (四四) )吸收设备的设计吸收设备的设计1 1、吸收液流量的计算、吸收液流量的计算G为单位时间通过吸收塔任一截面的气为单位时间通过吸收塔任一截面的气体流量，体流量，kmol/m2.h；L为单位时间通过吸收塔任一截面的纯吸为单位时间通过吸收塔任一截面的纯吸收剂的流量，收剂的流量，kmol/m2.h；y、y1、y2分别为塔内任一截面、塔底部、分别为塔内任一截面、塔底部、塔顶部的气相组成，塔顶部的气相组成，kmo

51、l吸收质吸收质/kmol吸收液；吸收液；x、x1、x2分别为塔内任一截面、塔底部、分别为塔内任一截面、塔底部、塔顶部的液相组成，塔顶部的液相组成，kmol吸收质吸收质/kmol吸收液。吸收液。第六节：气体吸收第六节：气体吸收11LLyxyxGG2121xxLyyG在吸收塔内进行逆流操作时，对全塔进在吸收塔内进行逆流操作时，对全塔进行物料衡算有：行物料衡算有：在任一截面与塔底之间物料衡算有：在任一截面与塔底之间物料衡算有：或或xxLyyG11上式是吸收塔内任意截面上气、液两相上式是吸收塔内任意截面上气、液两相质量浓度变化的关系式。可视为该塔的质量浓度变化的关系式。可视为该塔的操作线方程，操作线的

52、斜率为（操作线方程，操作线的斜率为（L/G）。）。第六节：气体吸收第六节：气体吸收 AB线为操作线，0E线为平衡线。操作线上任意一点P（X、Y），代表了塔内某一点的气、液相组成，与P点对应的平衡线上的某一点M，表示了与X、Y相平衡的浓度X、Y ，两者的距离（Y-Y），（X-X ）为传质的推动力。 斜率L/G不同，AB线在图中的位置也不同，当它与平衡线相交时(AB)，塔一端的传质推动力减少为零。第六节：气体吸收第六节：气体吸收吸收塔操作线与平衡线进口出口 进一步减少液气比L/G，则吸收过程就达不到分离的要求，甚至成为解吸过程了。与平衡线相交或相切的操作线的斜率L/G为最小液气比,(L/G)min

53、，实际操作液气比必须大于最小液气比. 最小液气比的确定,是为了确定操作液气比及吸收剂用量。当吸收塔顶气液相浓度确定以后,即塔顶排出气浓度和吸收液进口浓度确定,图中A点固定以后,随着吸收剂用量L的增大,L/G变大,操作线斜率增大,吸收液浓度降低,吸收传质推动力增加(如AC线),吸收设备尺寸减小,但操作费用增加,反之,吸收液用量减少,虽可减少动力消耗,但吸收液出口浓度增大,导致传质推动力减少,因而设备尺寸增大。所以,确定一个适宜的吸收剂用量,是塔设计和操作的重要步骤.一般L=(1.12.0)Lmin。第六节：气体吸收第六节：气体吸收最小液气比按下式计算最小液气比按下式计算:2121minxxyyG

54、L应用上式计算出最小液气比以后应用上式计算出最小液气比以后,可同时权衡吸收效可同时权衡吸收效率和能量消耗、设备尺寸，选择一个适宜的吸收液率和能量消耗、设备尺寸，选择一个适宜的吸收液用量。用量。例例:在在30和和101325pa下下,用水吸收用水吸收SO2,废气流量废气流量5100m3.h-1,废气中废气中SO2浓度为浓度为1.4%,要求脱除要求脱除95%的的SO2,计算最小吸收剂用量计算最小吸收剂用量.操作条件下操作条件下SO2-H2O系统系统平衡数据是平衡数据是X 0.005 0.003 0.001 0.0005 0.0002Y 0.04972 0.02661 0.00622 0.00224

55、1 0.00079第六节：气体吸收第六节：气体吸收解解:(1)、塔底处气相进口浓度及液相出口平衡浓度、塔底处气相进口浓度及液相出口平衡浓度 1210064. 06 .9829644 . 1空气KmolKmolSOY12100101. 0空气KmolKmolSOX(2)、塔顶处气相出口浓度及液相进口浓度、塔顶处气相出口浓度及液相进口浓度 Y2=0.0064(1-0.95)=0.00032Kmol SO2 . (Kmol空气空气)-1 X2=0(设进口吸收剂中不含设进口吸收剂中不含SO2)(L/G)min=(0.0064-0.00032)/(0.00101-0)=6.019Kmol/Kmol总气量

56、总气量 GZ=5100/22.4=227.7(Kmol.h-1)空气量空气量 Ga=(1-0.0064) 227.7=226.2(Kmol.h-1)最小吸收液量最小吸收液量 Lmin=226.26.019=1361(Kmol.h-1)=24507Kg.h-1第六节：气体吸收第六节：气体吸收2、塔径的计算、塔径的计算 uQD43、烟道中烟气流速、烟道中烟气流速 国外对出国外对出/入口烟道的设计烟气流速大约限定在入口烟道的设计烟气流速大约限定在20m/s； 我国在我国在“火电厂烟风煤粉管道设计技术规程火电厂烟风煤粉管道设计技术规程”中推荐中推荐的烟道流速为的烟道流速为1015m/s；而；而FGD工

57、程招标书一般规定工程招标书一般规定15m/s第六节：气体吸收第六节：气体吸收式中式中 Q气体流量，气体流量，m3/h； D塔径，塔径，m； u计算空塔速度，计算空塔速度，m/s。4、吸收塔、吸收塔/除雾器烟气流速除雾器烟气流速 逆流塔典型的设计烟气流速范围大约是逆流塔典型的设计烟气流速范围大约是2.55m/s，许多装置采用，许多装置采用3m/s的设计流速的设计流速. 我国近年引进的脱流装置吸收塔烟气速度我国近年引进的脱流装置吸收塔烟气速度电厂电厂名称名称珞璜电珞璜电厂厂1期期 珞璜电厂珞璜电厂2期期重庆发重庆发电厂电厂北京一北京一热热3、4号号广东连广东连州电厂州电厂香港南香港南丫电厂丫电厂吸

58、收塔吸收塔类型类型顺流填顺流填料塔料塔液柱顺液柱顺流空塔流空塔液柱逆液柱逆流空塔流空塔逆流喷逆流喷淋空塔淋空塔逆流喷逆流喷淋空塔淋空塔逆流喷逆流喷淋空塔淋空塔顺流填顺流填料塔料塔吸收塔吸收塔流速流速m/s4.4104.63.33.33.34.75.2第六节：气体吸收第六节：气体吸收5、液气比、液气比L/G第六节：气体吸收第六节：气体吸收气体吸附是指气体从气相中被吸附到固体表面。被吸附气体吸附是指气体从气相中被吸附到固体表面。被吸附到固体表面的物质称为吸附质，附着吸附质的物质称为吸附到固体表面的物质称为吸附质，附着吸附质的物质称为吸附剂。剂。根据吸附剂表面与被吸附物质之间的作用力的不同，吸根据吸

59、附剂表面与被吸附物质之间的作用力的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附。附可分为物理吸附和化学吸附。 第七节：气体吸附第七节：气体吸附物理吸附物理吸附：由于分子间范德华力引起的，它可以是单：由于分子间范德华力引起的，它可以是单层吸附，亦可以多层吸附。物理吸附的特征是：层吸附，亦可以多层吸附。物理吸附的特征是：(1)(1)吸附质与吸附剂间不发生化学反应；吸附质与吸附剂间不发生化学反应；(2)(2)吸附过程极快，参与吸附的各相间瞬间即达平衡；吸附过程极快，参与吸附的各相间瞬间即达平衡；(3)(3)吸附为放热反应；吸附为放热反应；(4)(4)吸附剂与吸附质间的吸附力不强，当气体中吸附吸附剂与吸附质间的

60、吸附力不强，当气体中吸附质分压降低或温度升高时，被吸附的气体很容易从固质分压降低或温度升高时，被吸附的气体很容易从固体表面逸出，而不改变气体原来性状。体表面逸出，而不改变气体原来性状。 化学吸附：化学吸附：由于吸附剂与吸附质间的化学键力而引起的是单层吸由于吸附剂与吸附质间的化学键力而引起的是单层吸附，吸附需要一定的活化能，化学吸附比物理吸附附，吸附需要一定的活化能，化学吸附比物理吸附强。化学吸附的特征是：强。化学吸附的特征是：(1)(1)吸附有很强的选择性；吸附有很强的选择性；(2)(2)吸附速率较慢，达到吸附平衡需相当长时间；吸附速率较慢，达到吸附平衡需相当长时间；(3)(3)温度升高可提高