第七章气态污染物控制技术基础

第七章气态污染物控制技术基础

回收利用 达标排放有害气体能否净化否高空排放大气稀释使地面污染物浓度不超标但有害气体总量不变

有害气体净化方法主要有四种：

ξ7－1 吸收过程的理论基础 • 吸收法——用适当的溶液与混合气体接触，混合气体中各组分在液体中的溶解能力不同，去除其中一种或几种的过程。 • 优点：对无机气体的净化很有效，且能同时进行除尘，适应于处理气量，费用低。 • 缺点：要进行废水处理。

一、物理吸收与化学吸收 • 物理吸收：只是单纯的物理溶解过程。 • 化学吸收：有明显的化学反应，吸收效率比前者高。特别适合处理低浓度气体。

二、浓度的表示方法 • 1、摩尔分数：气相或液相中某组分的摩尔数与混合气体或溶液的总摩尔数之比。 • 液相中：吸收质A＋吸收剂B • 气相中：吸收质A＋惰气C mA mB nA nB

2、比摩尔分数 在吸收操作中，被吸收的气体称为吸收质，气相中不参与吸收的气体称为惰气，吸收用的液体称为吸收剂。惰气量和吸收剂在吸收过程中基本保持不变，故以它们来表示吸收质的浓度较方便。

三、吸收的气液平衡关系 • 一定P、T下，吸收剂和混合气体接触，由于分子扩散，吸收质的分子扩散到吸收剂溶液中；同时已被吸收的吸收质分子也由于分子扩散向气相中转移，即解吸。 • 开始时，吸收速率大，解吸速率小，经过足够长的时间，吸收速率＝解吸速率。 • 此时，气液两相中组分不再变化，此时称为相平衡。此时吸收质在吸收剂中的浓度称为平衡浓度。 • 此时，液相中吸收质的浓度用C表示，气相中与之对应的吸收质的平衡压力用P*表示。

1、C与P*之间的存在一定的函数关系（亨利定律）1、C与P*之间的存在一定的函数关系（亨利定律） 1）对于稀溶液（总压力P<5atm）时， P*=Ex 其中： E——亨利常数； x——摩尔分数；有害气体净化中，浓度较低，亨利定律完全适用。

2）其他表达形式 A、当液相中吸收质浓度用C（kmol/m3)表示时， B、液相中吸收质浓度以摩尔分数表示时，

C、用比摩尔分数表示气液两相中吸收质的浓度时，C、用比摩尔分数表示气液两相中吸收质的浓度时，

吸收机理 1.双膜模型（应用最广） • 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.

气液界面 流体微元液体主相吸收机理 • 2.渗透模型 • 假定: • 气液界面上的液体微元不断被液相主体中浓度为CAL的微元置换 • 每个微表面元与气体接触时间都为 • 界面上微表面元在暴露时间内的吸收速率是变化的

气液界面 流体微元液体主相吸收机理 • 3.表面更新模型 • 假定: • 各表面微元具有不同的暴露时间,t=0- • 各表面元的暴露时间(龄期)符合正态分布 • 4. 其它模型 • 表面更新模型的修正 • 基于流体力学的传质模型 • 界面效应模型

xAL 用双膜理论对吸收过程进行描述 • XA,YA—液相、气相主体浓度； • YAi,,XAi—相界面上气相、液相的浓度 YAi,,=mXAi 以YA－ YAi为推动力克服气膜阻力，相界面上平衡又以XAi-XA为推动力克服液气膜阻力，最后扩散到液相主体，完成整个吸收过程。

吸收速率方程式 • 气液两相平衡，是指长时间两相接触后，吸收剂所能吸收的最大气体量。而实际中，接触时间有限，必须确定单位时间内的吸收剂所吸收的气体量—吸收速率。 1、单位时间内通过气膜传到相界面的吸收质量

2、单位时间内通过液膜传到液相主体的吸收质量2、单位时间内通过液膜传到液相主体的吸收质量

同理，

吸收系数 • 吸收系数的不同形式

常用吸收系数经验式 a——单位体积填料层所提供的有效接触面积。

传质过程 • 吸收系数的影响因素 • 吸收质与吸收剂 • 设备、填料类型 • 流动状况、操作条件 • 吸收系数的获取 • 实验测定；经验公式计算；准数关联计算

传质阻力 • 传质阻力－吸收系数的倒数

1）当相平衡常数m很小（易溶气体），m/kl很小，可以忽略，则Kg=kg，即传质阻力主要为气膜阻力。1）当相平衡常数m很小（易溶气体），m/kl很小，可以忽略，则Kg=kg，即传质阻力主要为气膜阻力。应减小气膜阻力来强化吸收（如，增大气流速率、扰动气流）。 2）当m很大时（难溶气体），mkg很大，则1/mkg很小，故Kl=kl，即传质阻力主要为液膜阻力。应减小液膜阻力来强化吸收（如，增加液体流量和液体湍度）。

强化吸收过程得措施 • A、增加气液接触面积F ； • B、增大传质系数K： 1）增加气液速率，减小气膜厚度 Kg、Kl 2）采用m小的吸收剂（即吸收剂对吸收质的溶解度大） K C、增加供液量，降低液相主体浓度XA,增加推动力（XA*-XA)

在设计中判断吸收的难易程度或判断吸收进行的程度在设计中判断吸收的难易程度或判断吸收进行的程度 • 已知有害气体中吸收质的浓度YA；吸收剂中吸收质的浓度XA。利用吸收质的气液相平衡线找出与XA对应的气相平衡浓度YA*，当YA>YA*时，可进行吸收，ΔY＝ YA-YA*愈大，愈易吸收。如果ΔY很小，难以吸收，应重新选择或更换吸收剂。

ξ7-2 吸收设备 • 要求： 1）相接触面积大，并迅速更新； 2）采用逆流操作，增大吸收推动力； 3）气液间扰动强烈，吸收阻力小； 4）耐腐、耐酸，运行安全。

类型： • 1、喷淋塔：喷淋液滴—气液接触面积大。优点：阻力小缺点：η不高高速喷淋塔的发展，使η提高。

2、填料塔： 塔内有很多小瓷环，其表面为气液接触面（大），阻力中等。缺点：有害气体与粉尘共存时，不能使用填料塔，以免堵塞。

3、湍球塔：高效吸收塔，让塔内小球湍动旋转，气、液、固三相接触，小球表面的液膜不断更新，吸收推动力增加。3、湍球塔：高效吸收塔，让塔内小球湍动旋转，气、液、固三相接触，小球表面的液膜不断更新，吸收推动力增加。优点：1）小球的湍动，避免了结晶的可能； 2）处理气量大，η大；缺点：1）随小球的湍动，有一定程度的返混； 2）苏联小球不耐高温，使用寿命短

4、筛板塔：气流从下而上经过筛孔进入筛板上液层，通过气体鼓泡进行吸收。4、筛板塔：气流从下而上经过筛孔进入筛板上液层，通过气体鼓泡进行吸收。气体速度不能过大—否则产生“液泛”（即液体从下流到上层板）气体速度不能过小—否则产生“液漏”（液体从筛孔流下来）优点：构造简单，吸收效率高，处理风量大，适用于以液膜阻力为主的吸收过程；缺点：操作难以掌握（负荷变动大时不宜使用） η减小

5、文丘里吸收器 在喉管处气液两相碰撞，有害气体（吸收质）被吸收。特点：结构小，处理风量大。

吸收设备

ξ7－3 吸收过程的物料平衡及操作线方程 • 一、操作线方程的推导（物理吸收）整个吸收过程中吸收剂和惰气量基本保持不变。 L—单位时间内通过吸收塔的吸收剂量，kmol/s G—单位时间内通过吸收塔的惰气量，kmol/s

根据物料平衡： 气相中减少的吸收质量＝液相中增加的吸收质量 dN＝GdY=LdX 1）从中间断面积到塔底： G（Y1－Y）＝L（X1－X） ∴Y＝Y1+(L/G)(X-X1) 是过点（X1，Y1），斜率为L/G的直线方程。

2）全塔：从塔底积到塔顶: G(Y1-Y2)=L(X1-X2) ∴ L/G=(Y1-Y2)/(X1-X2) ∴Y= Y1 +[(Y1-Y2)/(X1-X2)](X-X1) 该直线是过（X1，Y1），（X2，Y2）两点的直线方程。 ——操作线方程

操作线、平衡线和吸收推动力（见图） • 操作线上的点表示：吸收塔内任意断面上气液两相吸收质浓度的变化关系。

ξ7－4 吸收设备的计算 • 一、吸收剂用量的计算求L？X1？已知Y2（排放标准规定）；Y1（工艺规定）； G（工艺规定）；X2（选定吸收剂后就确定了）。

物理吸收 • 最小液气比（平衡线上凸）吸收塔的最小液气比

实际供液量>Lmin，以保证吸收效率，但不宜过大（增加泵负荷及废水量），通常取（L/G)=(1.2~2.0)(L/G)min。实际供液量>Lmin，以保证吸收效率，但不宜过大（增加泵负荷及废水量），通常取（L/G)=(1.2~2.0)(L/G)min。

例题 • 已知t＝20℃，混合气体总压PZ＝1atm，总流量Q＝0.5m3/s,气相进口处NH3的y1＝8％（体积百分比），出口处y2＝0.05y1,用清水为吸收剂，气液平衡关系：Y*=0.76X. 求：L，X1

解： • 1）求出进出口气、液相的比摩尔分数浓度 • 2）求最小液气比 • 3）取实际液气比 • 4）求实际供液量和出口液相浓度

二、吸收塔平均吸收推动力的计算： 吸收塔各断面上的吸收推动力不同，可以求出一个平均吸收推动力。塔底：ΔY1＝Y1－Y1*, 塔顶：ΔY2＝Y2－Y2*,

三、填料层高度的计算 在填料中任取一段高度为dZ的微元填料层，如图。对此微元填料层作组分衡算： dMA=GdY=LdX 又此微元层内，气液浓度变化极小，故可认为吸收速率NA为定值，则 dMA＝NA·dA＝NA·aΩ·dZ (*) dA—微元填料层内的传质面积； a—单位体积填料层所提供的有效接触面积； Ω—塔截面积

a与填料的形状、尺寸及填充状态有关，且与流体的物性及流动状态有关。a的数值很难直接测定，故常将他与吸收系数的乘积视为一体，称为“体积吸收系数”。如Kga、Kla分别称为“气相体积吸收系数”和“液相体积吸收系数”，其单位均为kmol/m3·s。a与填料的形状、尺寸及填充状态有关，且与流体的物性及流动状态有关。a的数值很难直接测定，故常将他与吸收系数的乘积视为一体，称为“体积吸收系数”。如Kga、Kla分别称为“气相体积吸收系数”和“液相体积吸收系数”，其单位均为kmol/m3·s。

例题 • 用水吸收SO2 在填料塔中，用清水吸收尾气中的SO2,进塔气体的SO2摩尔分数为10％，要求出塔气体的摩尔分数不大于0.5%。水的流量为1.5倍最小流量，入塔气体流量（不含SO2）为500kg/m2·h，操作条件为1atm、303K，求所需的填料层高度Z。在303K时水吸收SO2的吸收系数方程式为： Kla＝0.663L0.82 Kga=0.09944L0.25G0.7 式中： L、G—水和气体的质量流量kg/m3·h Kla、Kga单位为kg/m3·h。

第七章 气态污染物控制技术基础