第9章 吸收法净化气体污染物

影响吸收Βιβλιοθήκη 率的因素第二节 吸收的基本原理
• 由传质速率方程，可知在 t 时间内，通过界 面 F 的溶质的量 G 可表示为
G N A t F kG p pi t F kL ci c t F
• 影响因素：
1）总传质系数K越大越好，温度低，K值大；流速高，膜薄，K值大 2）传质界面 F 越大越好，与液滴直径有关 3）接触时间 t 越长越好，取决于吸收塔尺寸和气流速度 4）传质推动力越大越好，气体中可吸收组分的分压越大，推动力越大； 吸收液中组分的浓度越低，推动力越大
此式即为吸收操作线方程式。 吸收操作线斜率L/G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
第三节 吸收塔的计算
图9-5 吸收操作线和推动力图示
第三节 吸收塔的计算
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。 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
1.当溶液的组成改为单位体积溶液中含有溶质的 摩尔数C表示时，则亨利定律表示为
C hpe
h-溶解度系数 2.溶液的组成用摩尔分数x表示，溶质在液体表面 的分压也换成摩尔分数ye表示，则亨利定律表示 为
ye mx
m-相平衡常数
第二节 吸收的基本原理
亨利定律三种表达式
3.用X表示溶液中溶质和吸收剂的摩尔比， 用Y表示气体中溶质与惰性气体的摩尔比， 则 ye x
第二节 吸收的基本原理
• 对流传质过程
分子靠扩散穿过气膜到达气液两相界面，由于此前界面上气液 两相处于平衡状态，当气体分子到达界面后，界面上气相分子 增加，破坏了平衡，使一部分气相分子转入液相，以达到新的 平衡，转入液相的分子依靠扩散透过液膜进入液相主体，直至 气液两相完全平衡时，传质停止。
• 再继续传质的条件---平衡的破坏：
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
第三节 吸收塔的计算
二、最小（最佳）气液比的确定 在吸收塔设计中要处理的废气流量、进出塔气体溶质 浓度（即G、Y1、Y2）均由设计任务而定，吸收剂的种 类和进塔浓度X2由设计者决定，而只有吸收剂用量L及 出塔溶液中吸收质浓度X1是待机算的。根据物料衡算， L与X1之中只有一个是独立的未知量，通常在计算中先 确定L值，则X1便随之而定了。由于G属已知条件，因 而可通过确定操作线斜率L/G（液气比）来确定L。 1、如何确定L/G？（L/G）min的提出 结合图9-5（a）进行讨论。
第二节 吸收的基本原理
二、吸收过程机理-双膜理论 • 吸收过程是溶质从气 流当中传递到液体当 中，是气液两相之间 的物质传递，称为对 流传质 • 双膜理论可以揭示对 流传质过程
第二节 吸收的基本原理
双膜理论的假设条件
1）气液两相接触面附近分别存 在着不发生对流作用的气膜和 液膜，溶质必须以分子扩散的 方式连续通过这两个薄膜 2）膜的厚度与气液相流速有关， 流速越大，膜越薄 3）界面上气液两相呈平衡状态， 两相界面上无扩散阻力 4）两相主体中溶质的分压/浓度 均匀不变，仅在气液薄膜中浓 度发生变化
1
1 m Ky k kx y
1

1 1 m ky k x
K y k y 传质速率 属于气膜传质过程控制
（2）对于难溶气体组分 m很大，有
K x k x 属于液膜传质过程控制。
1 m ky
可忽略，则有
1 1 kx m ky
（3）对于中等溶解度的气体组分 m值适中时，气液两相传质阻力都不可忽略，受气液膜传质过程控制。
第二节 吸收的基本原理
2.确定经过吸收后废气和溶液的极限浓度
1）经过吸收后，废气中溶质浓度减小，但存在极限值， 废弃浓度不会低于该极限值
y0 极限值ymin ymin m x0 y0 m x0
2）经过吸收后，溶液中溶质浓度增加，但不会高于极 限值
x1 极限值xmax y1 xmax m y1 x1 m
气膜控制 H2O 吸收 NH3 H2O 吸收 HCL 碱液或氨水吸收 SO2 浓硫酸吸收 SO2 弱碱吸收 H2S 液膜控制 H2O 或弱碱吸收 CO2 H2O 吸收 CL2 H2O 吸收 O2 H2O 吸收 H2 双膜控制 H2O 吸收 SO2 H2O 吸收丙酮 浓硫酸吸收 NO2
第三节 吸收塔的计算
N A kG p pi
DG p总 kG RTZG pBm
DL kL ZL
第二节 吸收的基本原理
吸收速率方程的推导
• 假设气液界面上无扩散阻力，则溶质在气膜中的 扩散速率和在液膜中的扩散速率相等
N A kG p pi kL ci c
• 由气体吸收服从亨利定律，可得 Ci hpi
1
1 1 Kx m k k y x
显然：在总阻力中，每一项的阻力所占的分数，不仅取决 于kx和ky值，而且还取决于相平衡常数平均值m。
第二节 吸收的基本原理
现分三种情况进行讨论吸收控制步骤： Kx （1）对于易溶气体组分 溶质在吸收剂中的溶解度很大，从而m很小，m/kx可以忽略。所以1/Ky≈1/ky， ，即有
C hpe
Ce hp
Pe---与液相主体中组分浓度C成平衡的组分在气相 主体中分压 Ce---与气相主体的的组分分压p成平衡的溶液浓度
第二节 吸收的基本原理
1.两个吸收速率方程表达式
• 吸收传质速率方程 一般表达式：传质速率=传质推动力×传质系数 或 传质速率=传质推动力/传质阻力， 显然： 传质系数=1/传质阻力
第二节 吸收的基本原理
吸收速率方程的推导
1）气膜中的扩散速率 2）液膜中的扩散速率
N A kL ci c
• NA-----单位面积上的扩散速率 kG, kL---组分在气膜和液膜中的传质分系数 p pi---气相主体及界面上的组分压力 C Ci--- 液相主体及液面上的组分浓度kmol/m3 DG DL---组分在气相和液相中的扩散系数m2/s ZF ZL ----气膜和液膜的厚度 R ----通用气体常数 T ----热力学温度 P总 ----混合气体总压 pBm ----惰性气体在气膜中的分压
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
第三节 吸收塔的计算
对全塔进行物料衡算有：
G Y1 Y2 L X1 X 2
就任意截面与塔顶间进行物料衡算有： 或
GY Y2 L X X 2
L Y X Y2 X2 G G L
第二节 吸收的基本原理
一、气液平衡-亨利定律 气体在液体中的溶解度
在一定温度和压强条件下，气体 和溶液接触一段时间后，达到平 衡，此时吸收速度和解析速度相 等，此时气体在在溶液面上的分 压Pe与该气体在溶液中的浓度C 存在一定函数关系
C f pe
• 达到平衡时，气体分压和浓度C 之间的关系曲线，称为溶解度曲 线
N A kG p pi kL ci c
Ci hpi
NA
p pe K G p pe 1 1 KG kG k L h h KL
C hpe
Ce hp
NA
Ce C K L C Ce h 1 kG k L
KG---以气相分压差表示的气相传质总系数 KL---以液相浓度差表示的液相传质总系数
则最小液气比：
清水用量：
L L 2G 2 300 1.18 708Km ol/(m 2 h) G min
1）气相中可溶组分分压的增加 2）液相中该组分浓度的降低
• 传质的推动力是可溶气体在气相主体和气膜中的分压差p-pi
和可溶气体在液膜和液相主体中的浓度差Ci-C 相流速有关
• 传质的阻力来自双膜，膜越厚，阻力越大。膜的厚度与气液
第二节 吸收的基本原理
三、吸收速率方程及其应用
吸收过程的传质方向和传质限度---亨利定律 吸收过程的传质随时间的变化---速率方程
一、吸收过程的物料平衡
逆流吸收塔内气、液流率和组成的变化
第三节 吸收塔的计算
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)； 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
第三节 吸收塔的计算
由Y=Y1作水平线与平衡线相交，交点的横坐标即为X1*，由 全塔的物料平衡计算可得：
Y1 Y2 L G * min X 1 X 2
第三节 吸收塔的计算
例题 ：一逆流操作的填料塔中，用清水吸收混合气中的氨。混合
气 流 率 为 300Kmol/m2· ， 某 氨 含 量 y1=5% ， 出 塔 净 化 器 含 量 h y2=0.1%(均为摩尔分率)。操作条件下气液平衡关系服从亨利定律， y=1.2x，实际液气比为最小液气比的2倍,试计算清水用量和出塔氨 水浓度x1。 解：属于低浓度气体吸收,且气液平衡关系服从亨利定律,
X 1 x
Y
1 ye
ye mx
X x 1 X
Y X m 1 Y 1 X
Y ye 1 Y
mX Y 1 1 m X
Y mX
用 mx ye