氣體吸收基本原理PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 氣體吸收基本原理氣體吸收基本原理 2 1.2.1吸收法氣態(tài)污染物控制原理 燃煤電廠氣態(tài)污染物的脫除過(guò)程，可以是一個(gè)煙氣中混 合物分離的過(guò)程，一般主要采用氣體吸收或吸附的方法， 這些方法皆涉及到氣體擴(kuò)散； 也可以不把污染物從混合物中分離，而采用化學(xué)轉(zhuǎn)化 的方法將污染物轉(zhuǎn)化為環(huán)境無(wú)害物，一般采用催化轉(zhuǎn)化法 。這些基本都是化工行業(yè)通用的單元操作過(guò)程，其內(nèi)容包 括流體輸送、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。 其中氣體吸收、吸附和催化轉(zhuǎn)化都涉及到質(zhì)量傳遞過(guò) 程，簡(jiǎn)稱傳質(zhì)。 第1頁(yè)/共62頁(yè) 3 在傳質(zhì)過(guò)程中，組分是從高濃度區(qū)傳至低濃度區(qū)。當(dāng) 兩相接觸的時(shí)間足夠長(zhǎng)，組分在兩相間的傳遞將達(dá)到平 衡，此時(shí)兩相的組

2、成將維持恒定，但并不相同。在大多 數(shù)傳質(zhì)操作中，互相接觸的兩相往往只能部分互溶。當(dāng) 達(dá)到平衡以后，兩相的組成和接觸之前相比會(huì)有改變。 把兩相分開(kāi)以后，組分就可以獲得一定的分離效果。 如果將兩相的接觸與分離適當(dāng)?shù)亟M織起來(lái)反復(fù)進(jìn)行，則 有可能使組分之間幾乎完全分離。這就是傳質(zhì)分離的物 理基礎(chǔ)。 第2頁(yè)/共62頁(yè) 4 傳質(zhì)是一個(gè)速率過(guò)程，其傳質(zhì)推動(dòng)力是化學(xué)位差， 包括濃度差、溫度差、壓力差等，但常見(jiàn)的傳質(zhì)過(guò)程都 是由濃度差引起的。其傳質(zhì)阻力則須視具體情況而定， 在實(shí)際計(jì)算中，常把傳質(zhì)阻力看成是傳質(zhì)系數(shù)的倒數(shù)， 即： 傳質(zhì)速率= 傳質(zhì)推動(dòng)力/傳質(zhì)阻力=傳質(zhì)系數(shù) 濃度 差 這樣，確定傳質(zhì)速率的關(guān)鍵問(wèn)題就

3、在于如何求取不 同條件下的傳質(zhì)系數(shù)。 氣體的傳質(zhì)過(guò)程是借助于氣體擴(kuò)散過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 第3頁(yè)/共62頁(yè) 5 n物理吸收 n化學(xué)吸收 第4頁(yè)/共62頁(yè) 6 1.2.1.1氣體擴(kuò)散 氣體擴(kuò)散的方式有分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散。 p前者是發(fā)生在靜止或滯流流體中，憑借流體分子的熱運(yùn) 動(dòng)傳遞物質(zhì)； p后者發(fā)生在湍流流體中，憑借流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦傳 遞物質(zhì)。 將一勺糖投于一杯水中，稍候，整杯水就會(huì)變甜，這就是 分子擴(kuò)散的表現(xiàn)；而如果用勺攪動(dòng)，則將甜得更快更勻， 這便是對(duì)流擴(kuò)散的效果。 l 氣體擴(kuò)散過(guò)程 分子擴(kuò)散分子運(yùn)動(dòng)引起 湍流擴(kuò)散流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)引起 第5頁(yè)/共62頁(yè) 7 （1）菲克（Fick）定律 在靜止或滯流流

4、體中，分子的運(yùn)動(dòng)是漫無(wú)邊際的， 若一處某種分子的濃度較鄰近的另一處為高，則這種 分子離開(kāi)的便比進(jìn)入的多，其結(jié)果自然是物質(zhì)從濃度 較高的區(qū)域擴(kuò)散到濃度較低的區(qū)域，兩處的濃度差， 便成了擴(kuò)散的推動(dòng)力。 用來(lái)描述分子擴(kuò)散速率的定律是著名的菲克定律， 或稱菲克第一擴(kuò)散定律。即： dz dc DJ A ABA 第6頁(yè)/共62頁(yè) 8 上式表示A與B的混合物中，A沿Z方向擴(kuò)散的速率 。式中 JAA的擴(kuò)散速率或稱擴(kuò)散通量，kmol/m2.s ； A的濃度梯度； DABA在AB混合物中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s ； “-”負(fù)號(hào)表明擴(kuò)散是沿濃度下降的方向進(jìn)行的 。 上式告訴我們，當(dāng)物質(zhì)A在A、B混合物中擴(kuò)散時(shí) ，任一點(diǎn)

5、處的擴(kuò)散通量與該位置上的濃度梯度成正比，它 是對(duì)物質(zhì)分子擴(kuò)散現(xiàn)象基本規(guī)律的描述。 dz dc A 第7頁(yè)/共62頁(yè) 9 dz dC DJ A ABzA , 相相界界面面 氣氣相相 液液相相 傳傳質(zhì)質(zhì)方方向向 擴(kuò)擴(kuò)散散通通量量，kmol/m2 s 表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反 A 在在 B 中中的的擴(kuò)擴(kuò)散散系系數(shù)數(shù) m2/s Fick定律 Fick定律的其它表達(dá)形式： dz dp RT D dz RTpd D dz d DJ AABA AB A ABzA c , 第8頁(yè)/共62頁(yè) 10 擴(kuò)散系數(shù)D是物性參數(shù)，表示物質(zhì)在某介質(zhì)中的擴(kuò) 散能力，其值與擴(kuò)散物質(zhì)與介質(zhì)的種

6、類(lèi)有關(guān)，且隨溫 度的上升和壓力的下降而增大。 擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)值應(yīng)由實(shí)驗(yàn)方法求得，也可在相關(guān)手 冊(cè)或文獻(xiàn)中查得。若無(wú)可靠數(shù)據(jù)也可通過(guò)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn) 公式計(jì)算獲得。若已知溫度T0，壓力為p0下的擴(kuò)散系 數(shù)D0，也可通過(guò)下式計(jì)算條件為T(mén)、P時(shí)的D值： 3 0 2 0 () 0 pT DD pT 第9頁(yè)/共62頁(yè) 11 22 121 12 ln(/)2 A AB BBA LLRT D PppMt 液體A的密度，g/m3 L1液體的初始高度，cm L2 液體的最終高度，cm 、 分別為L(zhǎng)1、L2時(shí)空氣分壓 t變化時(shí)間，s 1A 1B p 2B p 第10頁(yè)/共62頁(yè) 12 第11頁(yè)/共62頁(yè) 13 0.5 4

7、0.5 0.50.5 2 11 1.8 10 A AB AABAB MT D MM VV T絕對(duì)溫度，K DAB擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s M氣體的摩爾質(zhì)量 氣體在沸點(diǎn)下呈液態(tài)時(shí)的摩爾體積,cm3/mol A氣體密度，g/cm3 V 第12頁(yè)/共62頁(yè) 14 第13頁(yè)/共62頁(yè) 15 0.5 10 0.5 () 7.4 10 B AB A B MT D V B液體的粘度，cp 溶劑的締結(jié)因數(shù)，水2.6，甲醇1.9，乙醇1.5，非締結(jié)如苯、乙醚為1.0 第14頁(yè)/共62頁(yè) 16 第15頁(yè)/共62頁(yè) 17 （2）對(duì)流擴(kuò)散 對(duì)流擴(kuò)散是湍流主體與相界面之間的渦流擴(kuò)散和分 子擴(kuò)散這兩種傳質(zhì)作用的總稱。 物質(zhì)在

8、湍流流體中傳遞，主要是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的無(wú) 規(guī)則運(yùn)動(dòng)，湍流中發(fā)生的旋渦，引起各部流體間的劇烈 混合，在有濃度差存在的條件下，物質(zhì)便向其濃度降低 的方向傳遞。這種憑借流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦來(lái)傳遞物 質(zhì)的現(xiàn)象，稱為渦流擴(kuò)散。 在流體的擴(kuò)散研究中，由于渦流擴(kuò)散，傳質(zhì)過(guò)程比 較復(fù)雜，常常把對(duì)流擴(kuò)散中的渦流擴(kuò)散進(jìn)行簡(jiǎn)化，用分 子擴(kuò)散來(lái)描述。 第16頁(yè)/共62頁(yè) 18 研究一下濕壁塔中氣 液的傳質(zhì)。圖1-1(a) 示意 繪出濕壁塔的一段?？紤] 穩(wěn)定吸收中任何一橫截面 mn上相界面的氣相一 側(cè)溶質(zhì)A濃度分布情況。 在圖1-1（b）中，橫軸表 示離開(kāi)相界面距離Z，縱 軸表示溶質(zhì)A的分壓p 。 氣體雖呈湍流流動(dòng)，但靠

9、 近相界面處仍有一個(gè)滯流 內(nèi)層，其厚度以ZG表示 ，湍動(dòng)程度愈高，ZG愈 小 圖1-1 傳質(zhì)的有效滯流膜層 第17頁(yè)/共62頁(yè) 19 吸收質(zhì)A自氣相主體向界面轉(zhuǎn)移，由于吸收過(guò)程的存在 ，氣相中A的分壓愈靠近界面便愈小。 在穩(wěn)定狀態(tài)下，mn截面上不同Z值各點(diǎn)處的物質(zhì)傳 遞速率應(yīng)相同，但由于在流體的中心區(qū)主要是渦流擴(kuò)散 ，而滯流內(nèi)層主要是分子擴(kuò)散。使這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的濃度 梯度相差很大。 在湍流區(qū)，濃度梯度幾乎等于零，pz曲線為一水平 線。而在滯流層內(nèi)，由于吸收質(zhì)A的傳遞完全靠分子擴(kuò)散 ，使?jié)舛忍荻群艽螅琾z曲線較為陡峭，而在這二個(gè)區(qū) 的中間過(guò)渡區(qū)，既存在著分子擴(kuò)散，也存在著渦流擴(kuò)散 ，傳質(zhì)是分子擴(kuò)散

10、和渦流擴(kuò)散的總和。在此區(qū)域內(nèi)，由 一端幾乎是純分子擴(kuò)散產(chǎn)生的總傳質(zhì)，逐漸而非突然地 向主要是渦流擴(kuò)散的另一端過(guò)渡，因此濃度梯度的變化 出現(xiàn)了一個(gè)過(guò)渡區(qū)，pz曲線逐漸由陡峭轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄彙?第18頁(yè)/共62頁(yè) 20 延長(zhǎng)滯流內(nèi)層的分壓線使其與氣相主體的水平分壓線 相交于一點(diǎn)，令此交點(diǎn)H與相界面的距離為ZG，設(shè)想在 相界面附近存在著一個(gè)厚度為ZG的滯流膜層，此膜層稱 為虛擬滯流膜層或有效滯流膜層，膜層以內(nèi)的流動(dòng)純屬 滯流，因而其中的物質(zhì)傳遞形式純屬分子擴(kuò)散。 經(jīng)過(guò)這樣的處理，就等于把渦流擴(kuò)散的傳遞作用轉(zhuǎn) 化為分子擴(kuò)散的傳質(zhì)。由圖可見(jiàn)，整個(gè)有效滯流膜層的 傳質(zhì)推動(dòng)力即為氣相主體與相界面處的分壓之差，這意

11、 味著從氣相主體到相界面處的全部傳質(zhì)阻力都包括在此 有效滯流膜層之中。 于是便可按有效滯流膜層內(nèi)的分子擴(kuò)散速率寫(xiě)出由 氣相中心區(qū)到相界面的對(duì)流擴(kuò)散速率方程，即； () Ai GBm DP Npp RTZ p 第19頁(yè)/共62頁(yè) 21 式中 NA溶質(zhì)A的對(duì)流擴(kuò)散速率，kmol/（m2.s）； D溶質(zhì)A在氣相的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s; ZG氣相有效滯流膜層厚度，m ； P氣相總壓，Pa ； p氣相主體中溶質(zhì)A分壓，Pa ； pi相界面處的溶質(zhì)A分壓，Pa ； pBm惰性組分B在氣相主體與相界面處的分壓的 對(duì)數(shù)平均值，Pa； 第20頁(yè)/共62頁(yè) 22 )( cc cZ CD N i SmL A 同理，有

12、效滯流膜層的概念，也完全適用于相界面的液 相一側(cè)，在液相一側(cè)的對(duì)流擴(kuò)散速率方程可寫(xiě)為： 式中 D溶質(zhì)A在液相中的擴(kuò)散系數(shù),m2/s； ZL液相有效滯流膜層厚度，m； c液相主體中溶質(zhì)A濃度，kmol/m3； ci相界面處溶質(zhì)A濃度，kmol/m3 ； csm溶劑在液相主體中與相界面處的濃度對(duì)數(shù) 平均值，kmol/m3，（其它符號(hào)的意義與單位同前）。 第21頁(yè)/共62頁(yè) 23 對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的傳質(zhì)過(guò)程，可將上述傳質(zhì)速率式簡(jiǎn)化。 令 G BmG k pRTZ DP L smL k cZ CD 則前二式變?yōu)椋?() AGi Nkpp () ALi Nkcc kG與kL分別稱作氣膜傳質(zhì)系數(shù)和液膜傳質(zhì)系數(shù)

13、或稱傳 質(zhì)分系數(shù)。kG與kL可以用實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定，而不必知道膜厚 。 第22頁(yè)/共62頁(yè) 24 1.2.2氣體吸收 1.2.2.1氣液平衡 在一定得溫度和壓力下，當(dāng)吸收劑與混合液接觸時(shí)，氣體中得可 吸收組分溶解與液體中，形成一定的濃度。但溶液中已經(jīng)被吸收的組分 也可能由液相重新逸回到氣相中，形成解吸。 吸收過(guò)程進(jìn)行的方向與極限取決于溶質(zhì)（氣體）在氣液兩相中的 平衡關(guān)系，對(duì)于任何氣體在一定條件下，在某種溶劑中溶解達(dá)到平衡時(shí) ，其在氣相中的分壓是一定的（p*）。 在吸收過(guò)程中，當(dāng)氣相中溶質(zhì)的實(shí)際分壓p高于其與液相成平衡的 溶質(zhì)分壓時(shí)，即pp*時(shí)，溶質(zhì)便由氣相向液相轉(zhuǎn)移，于是就發(fā)生了吸 收過(guò)程。p與p

14、*的差別越大，吸收的推動(dòng)力越大，吸收的速率也越大； 反之，如果pp*，溶質(zhì)便由液相向氣相轉(zhuǎn)移，即吸收的逆過(guò)程， 稱為解吸（或脫吸）。 因此，我們必須弄清吸收過(guò)程中的氣液平衡規(guī)律。而要進(jìn)行吸收 過(guò)程的計(jì)算，也必須弄清楚平衡關(guān)系。 第23頁(yè)/共62頁(yè) 25 可用亨利定律表示在一定溫度下，吸收氣體的平衡分 壓與其在液相中濃度的關(guān)系。在一定溫度下，則p*只是x 的函數(shù)。 ( )Pf x 對(duì)于稀溶液，上列 平衡關(guān)系式可以是一條 通過(guò)原點(diǎn)的直線（見(jiàn)圖 1-2中SO2的溶解度曲線 ），即氣液兩相的濃度 成正比。 圖1-2 氣體在液體中的溶解度 第24頁(yè)/共62頁(yè) 26 在總壓不很高（一般小于5105Pa）時(shí)

15、，在一定溫度下， 當(dāng)溶解達(dá)到平衡時(shí)，稀溶液上方溶質(zhì)A的平衡分壓與其在溶液 中的濃度成正比。 Exp 式中 x被吸收組分在液相中的摩爾分率（無(wú)因次）； E亨利系數(shù)，Pa 。 第25頁(yè)/共62頁(yè) 27 當(dāng)溶質(zhì)在氣相和液相中的濃度均以摩爾分率表示 時(shí)，亨利定律又可表示為 y*=mx 此式為亨利定律最常用的形式之一，稱為氣液平 衡關(guān)系式，m為相平衡常數(shù)，無(wú)因次。 相平衡常數(shù)m也是由實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出來(lái)的數(shù)值， 對(duì)于一定的物系，它是溫度和壓強(qiáng)的函數(shù)，由m值的 大小同樣可以看出氣體溶解度的大小，在同一溶劑中 ，難溶氣體m值大，反之則小。溫度升高，總壓下降 ，則m值變大，不利于吸收操作。 亨利定律也可采用溶解度

16、系數(shù)H表達(dá)的公式。 第26頁(yè)/共62頁(yè) 28 1.2.2.2吸收過(guò)程機(jī)理 吸收過(guò)程是一個(gè)相際傳質(zhì)過(guò)程，關(guān)于吸收這樣的相際傳 質(zhì)機(jī)理，劉易斯（Lewis，WK）和惠特曼（WGWhitman ）在20世紀(jì)20年代提出的雙膜理論一直占有重要地位，前 面關(guān)于單相內(nèi)傳質(zhì)機(jī)理的分析和處理，都是按照雙膜理論的 基本論點(diǎn)進(jìn)行的。 雙膜理論的基本要點(diǎn)如下： 相互接觸的氣、液兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界 面兩側(cè)各有一個(gè)很薄的有效滯流膜層，吸收質(zhì)以分子擴(kuò)散方 式通過(guò)此二膜層。 在相界面處，氣、液兩相達(dá)到平衡。 在膜層以外的中心區(qū)，由于流體充分湍動(dòng)，吸收質(zhì)濃 度是均勻的，即兩相中心區(qū)內(nèi)濃度梯度皆為零，全部濃度變 化

17、集中在兩個(gè)有效膜層內(nèi)。 第27頁(yè)/共62頁(yè) 29 通過(guò)以上假設(shè)，就把 整個(gè)相際傳質(zhì)過(guò)程簡(jiǎn)化為 經(jīng)由氣、液兩膜的分子擴(kuò) 散過(guò)程，圖1-3即為雙膜理 論的示意圖 。 雙膜理論認(rèn)為，相界面 上處于平衡狀態(tài)，即圖6-3 中的pi與ci符合平衡關(guān)系。 這樣，整個(gè)相際傳質(zhì)過(guò)程 的阻力便決定了傳質(zhì)速率 的大小，因此雙膜理論也 可以稱為雙阻力理論。 圖1-3 雙膜理論示意圖 第28頁(yè)/共62頁(yè) 30 假定: l界面兩側(cè)存在氣膜和液膜,膜內(nèi)為層流, 傳質(zhì)阻力只在膜內(nèi) l氣膜和液膜外湍流流動(dòng),無(wú)濃度梯度, 即無(wú)擴(kuò)散阻力 l氣液界面上,氣液達(dá)溶解平衡 即:CAi=HPAi l膜內(nèi)無(wú)物質(zhì)積累,即達(dá)穩(wěn)態(tài). 第29頁(yè)/共

18、62頁(yè) 31 雙膜理論把復(fù)雜的相際傳質(zhì)過(guò)程大為簡(jiǎn)化。對(duì)于具有固定相界 面的系統(tǒng)及速度不高的兩流體間的傳質(zhì)，雙膜理論與實(shí)際情況是 相當(dāng)符合的，根據(jù)這一理論的基本概念確定的相際傳質(zhì)速率關(guān)系 ，至今仍是傳質(zhì)設(shè)備設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。這一理論對(duì)于生產(chǎn)實(shí)際具 有重要的指導(dǎo)意義。 但是，對(duì)具有自由相界面的系統(tǒng)，尤其是高度湍動(dòng)的兩流體 間的傳質(zhì)，雙膜理論表現(xiàn)出它的局限性，因?yàn)樵谶@種情況下，相 界面已不再是穩(wěn)定的，界面兩側(cè)存在穩(wěn)定的有效滯流膜層及物質(zhì) 以分子擴(kuò)散的形式通過(guò)此二膜層的假設(shè)都很難成立。另外，某些 特殊情況下的傳質(zhì)過(guò)程，相界面上的平衡狀態(tài)也不存在。 針對(duì)雙膜理論的局限性，后來(lái)相繼提出了一些新的理論，如 薄

19、膜理論、溶質(zhì)滲透理論、表面更新理論、界面動(dòng)力狀態(tài)理論等 ，這些理論對(duì)于相際傳質(zhì)過(guò)程中的界面狀況及流體力學(xué)因素的影 響等方面的研究和描述有所前進(jìn)，但目前尚不能據(jù)此進(jìn)行傳質(zhì)設(shè) 備的計(jì)算或解決其它實(shí)際問(wèn)題。 第30頁(yè)/共62頁(yè) 32 流體微元 氣液界面 液體主相 l氣液界面上的液體微元不斷被 液相主體中濃度為CAL的微元置換 l每個(gè)微表面元與氣體接觸時(shí)間都為 l界面上微表面元在暴露時(shí)間內(nèi)的吸收速率是變化的 第31頁(yè)/共62頁(yè) 33 流體微元 氣液界面 液體主相 假定: l各表面微元具有不同的暴露時(shí)間,t=0- l各表面元的暴露時(shí)間(齡期)符合正態(tài)分 布 l其它模型 表面更新模型的修正 基于流體力學(xué)的

20、傳質(zhì)模型 界面效應(yīng)模型 第32頁(yè)/共62頁(yè) 34 1.2.2.3吸收速率方程 吸收速率指單位時(shí)間內(nèi)單位相際傳質(zhì)面積上吸收溶質(zhì)的 量，在實(shí)際工作中，要計(jì)算執(zhí)行指定的吸收任務(wù)所需設(shè)備的 尺寸，或核算用已知設(shè)備吸收混合氣體所要達(dá)到的吸收程度 ，均需知道吸收速率。 在穩(wěn)定操作的吸收設(shè)備內(nèi)任一部位上，相界面兩側(cè)的氣、 液膜層中的傳質(zhì)速率應(yīng)是相同的（否則會(huì)在界面處有溶質(zhì)積 累）。因此，其中任何一側(cè)有效膜層中的傳質(zhì)速率都能代表 該部位上的吸收速率。 第33頁(yè)/共62頁(yè) 35 )( i BmG A pp pRTZ DP N)( iG ppk 氣膜吸收速率方程 根據(jù)前述對(duì)流擴(kuò)散速率方程，即 式中 NA被吸收組分

21、A的傳質(zhì)速率，kmol/（m2.s）； kG氣膜傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2.s.Pa） pBm惰性組分B在氣膜層中的對(duì)數(shù)平均分壓。Pa。 lnln BiBBBi Bm BiB BiB pppp p pp pp 式中 pBi，pB惰性組分B在氣液界面和氣相主體中的分壓，Pa 第34頁(yè)/共62頁(yè) 36 )(cc cZ DC N i smL A )(cck iL 液膜吸收速率方程 式中 kL液膜傳質(zhì)分系數(shù)，m/s。 第35頁(yè)/共62頁(yè) 37 總傳質(zhì)速率方程 前面所講的吸收速率方程實(shí)際應(yīng)用上是有困難的，首 先kG和kL難以得到，更重要的是界面濃度pi、ci很難測(cè)量。 為了避開(kāi)難以測(cè)量的界面濃度，采用

22、流體兩相主體濃度的 某種差值來(lái)表示總推動(dòng)力而寫(xiě)出總吸收速率方程式。這種 方程式中的吸收系數(shù)稱為總系數(shù)。以K表示。 令 111 LGG k HkK )( ppKN GA得： 上式稱為氣相總吸收速率方程，KG稱為氣相吸收總系 數(shù)H為溶解度系數(shù)。KG包括了氣、液兩個(gè)分系數(shù)。即總阻 力相當(dāng)于氣、液兩膜阻力之和。 第36頁(yè)/共62頁(yè) 38 LGL Kk H k 11 )(ccKN LA 用同樣的方法，可以導(dǎo)出液相總吸收速率方程 得： KL與kG、kL的關(guān)系用下式表示： 上式即為液相總吸收速率方程，KL為液相吸收總系 數(shù)。 吸收總系數(shù)KG和KL可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取，也可以通過(guò) 經(jīng)驗(yàn)公式或準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式求得。 第3

23、7頁(yè)/共62頁(yè) 39 LLGL Kkk H k 111 GGGL KkkHk 1111 由上述關(guān)系式可以看出KG、KL和kG、kL的關(guān)系。同時(shí) 還可以據(jù)此判斷吸收過(guò)程主要是氣膜控制（阻力主要集中 在氣膜）、液膜控制（阻力主要集中在液膜）還是兩膜共 同控制（二膜阻力相差不大）。 對(duì)于難溶氣體，由于溶解度系數(shù)H很小， 可知 ，說(shuō)明阻力集中在液膜，傳質(zhì)過(guò)程主 要由液膜控制。 對(duì)于易溶氣體，由于溶解度系數(shù)H很大, 可知， ，說(shuō)明阻力集中在氣膜，傳質(zhì)過(guò)程主 要由氣膜控制。 對(duì)于中等溶解度的氣體，由于H不大也不小，傳質(zhì)過(guò) 程由兩膜共同控制。 第38頁(yè)/共62頁(yè) 40 40.7 0.250.82 9.81

24、10; gl k aG Lkaa L l（1）水吸收SO2 Kga 單位體積內(nèi)SO2以氣相摩爾差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù),kmol/ (m3.s) ;a為單位體積內(nèi)的有效傳質(zhì)面積,m2/m3 ； （2）石灰石吸收SO2 傳質(zhì)系數(shù)大體范圍是Kga = (0.02360.03) kmol/ (m3s) 第39頁(yè)/共62頁(yè) 41 表1-3列舉了部分吸收過(guò)程中膜控制情況。 表1-3 部分吸收過(guò)程中膜控制情況 氣 膜 控 制液 膜 控 制氣、液 膜 控 制 1.水或氨水吸收氨 2.濃硫酸吸收三氧化硫 3.水或稀鹽酸吸收氯化 氫 4.酸吸收5%氨 5.堿或氨水吸收SO2 6.氫氧化鈉溶液吸收硫 化氫 7.液體

25、的蒸發(fā)或冷凝 1.水或弱堿吸收二氧 化碳 2.水吸收氧氣 3.水吸收氯氣 4.石灰石吸收SO2 1.水吸收SO2 2.水吸收丙酮 3.濃硫酸吸收二氧化氮 4.水吸收氨 5.堿吸收硫化氫 用水吸收氨，過(guò)去認(rèn)為氣膜控制，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)知液膜阻力占總阻力的20%。 第40頁(yè)/共62頁(yè) 42 1.2.2.4化學(xué)吸收 若被吸收的氣體組分與吸收液的組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則 稱為化學(xué)吸收，例如應(yīng)用堿液吸收SO2。應(yīng)用固體吸收劑 與被吸收組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而將其從煙氣中分離出來(lái)的 過(guò)程，也屬于化學(xué)吸收，例如爐內(nèi)噴鈣（CaO）煙氣脫硫 也是化學(xué)吸收。 在化學(xué)吸收過(guò)程中，被吸收氣體與液體相組分發(fā)生化學(xué) 反應(yīng)，有效的降低了溶

26、液表面上被吸收氣體的分壓，增加 了吸收過(guò)程的推動(dòng)力，即提高了吸收效率又降低了被吸收 氣體的氣相分壓。因此，化學(xué)吸收速率比物理吸收速率大 得多。 第41頁(yè)/共62頁(yè) 43 物理吸收和化學(xué)吸收都受氣相擴(kuò)散速度（或氣膜阻力 ）和液相擴(kuò)散速度（或液膜阻力）的影響，工程上常用加 強(qiáng)氣液兩相的擾動(dòng)來(lái)消除氣膜與液膜的阻力。 在煙氣脫硫中，瞬間內(nèi)要連續(xù)不斷地凈化大量含低濃 度SO2的煙氣，如單獨(dú)應(yīng)用物理吸收，因其凈化效率很低 ，難以達(dá)到SO2的排放標(biāo)準(zhǔn)。 因此，煙氣脫硫技術(shù)中大量采用化學(xué)吸收法。用化學(xué) 吸收法進(jìn)行煙氣脫硫，技術(shù)上比較成熟，操作經(jīng)驗(yàn)比較豐 富，實(shí)用性強(qiáng)，已成為應(yīng)用最多、最普遍的煙氣脫硫技術(shù) 。

27、第42頁(yè)/共62頁(yè) 44 化學(xué)吸收是由物理吸收過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)兩個(gè)過(guò)程組成的 。在物理吸收過(guò)程中，被吸收的氣體在液相中進(jìn)行溶解，當(dāng) 氣液達(dá)到相平衡時(shí)，被吸收氣體的平衡濃度，是物理吸收過(guò) 程的極限。被吸收氣體中的活性組分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)化學(xué) 反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，被吸收氣體的消耗量，是化學(xué)吸收過(guò)程的 極限。這里用CaCO3溶液吸收SO2 加以說(shuō)明。 化學(xué)吸收過(guò)程中，被吸收氣體的氣液平衡關(guān)系，即應(yīng) 服從相平衡關(guān)系，又應(yīng)服從化學(xué)平衡關(guān)系。 SO2（aq）+ CaCO3 + H2O CaSO3 H2O +CO2 SO2（g） SO2（aq） 第43頁(yè)/共62頁(yè) 45 1.2.2.5 化學(xué)吸收過(guò)程的速率及過(guò)程阻

28、力 化學(xué)吸收過(guò)程的速率，是由物理吸收的氣液傳質(zhì)速度 和化學(xué)反應(yīng)速度決定的。化學(xué)吸收過(guò)程的阻力，也是由 物理吸收氣液傳質(zhì)的阻力和化學(xué)反應(yīng)阻力決定的。 在物理吸收的氣液傳質(zhì)過(guò)程中，被吸收氣體氣液兩相 的吸收速率，主要取決于氣相中被吸收組分的分壓，和 吸收達(dá)到平衡時(shí)液相中被吸收組分的平衡分壓之差。此 外，也和傳質(zhì)系數(shù)有關(guān)，被吸收氣體氣液兩相間的傳質(zhì) 阻力，通常取決于通過(guò)氣膜和液膜分子擴(kuò)散的阻力。 第44頁(yè)/共62頁(yè) 46 煙氣脫硫通常是在連續(xù)及瞬間內(nèi)進(jìn)行，發(fā)生的化學(xué)反 應(yīng)是極快反應(yīng)、快反應(yīng)和中等速度的反應(yīng)，如NaOH、 CaCO3和Ca(OH)2等堿液吸收SO2。為此，被吸收氣體氣 液相間的傳質(zhì)阻力

29、，遠(yuǎn)較該氣體在液相中與堿液進(jìn)行反 應(yīng)的阻力大得多。對(duì)于極快不可逆反應(yīng)，吸收過(guò)程的阻 力，其過(guò)程為傳質(zhì)控制，化學(xué)反應(yīng)的阻力可忽略不計(jì)。 例如，應(yīng)用堿液或氨水吸收SO2時(shí)，化學(xué)吸收過(guò)程為 氣膜控制，過(guò)程的阻力為氣膜傳質(zhì)阻力。液相中發(fā)生的 化學(xué)反應(yīng)，是快反應(yīng)和中等速度的反應(yīng)時(shí)，化學(xué)吸收過(guò) 程的阻力應(yīng)同時(shí)考慮傳質(zhì)阻力和化學(xué)反應(yīng)阻力。 第45頁(yè)/共62頁(yè) 47 1.2.2.6 堿液濃度對(duì)傳質(zhì)速度的影響 應(yīng)用堿液吸收酸性氣體時(shí)，堿液濃度的高低對(duì)化學(xué)吸收 的傳質(zhì)速度有很大的影響。當(dāng)堿液的濃度較低時(shí)，化學(xué)傳 質(zhì)的速度較低；當(dāng)提高堿液濃度時(shí)，傳質(zhì)速度也隨之增大 ；當(dāng)堿液濃度提高到某一值時(shí)，傳質(zhì)速度達(dá)到最大值，此

30、 時(shí)堿液的濃度稱為臨界濃度；當(dāng)堿液濃度高于臨界濃度時(shí) 傳質(zhì)速度并不增大。 為此，在煙氣脫硫的化學(xué)吸收過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)用堿液吸收 煙氣中的SO2時(shí)，適當(dāng)提高堿液的濃度，可以提高對(duì)SO2的 吸收效率。但是，堿液的濃度不得高于臨界濃度。超過(guò)臨 界濃度之后，進(jìn)一步提高堿液的濃度，脫硫效率并不能提 高?？梢缘贸?，在煙氣脫硫中，吸收SO2的堿液濃度，并非 愈高愈好。堿液的最佳濃度為臨界濃度，此時(shí)脫硫效率最 高。 第46頁(yè)/共62頁(yè) 48 在化學(xué)吸收煙氣脫硫中，吸收劑的性能從根本上決定了 SO2吸收的效率，因而對(duì)吸收劑的性能有一定的要求： 1）吸收能力高要求對(duì)SO2具有較高的吸收能力，以提高 吸收速率，減少吸收

31、劑的用量，減少設(shè)備體積和降低能耗。 2）選擇性能好要求對(duì)SO2具有良好的選擇性能，對(duì)其它 組分不吸收或吸收能力很低，確保對(duì)SO2 具有較高的吸收能 力。 3）揮發(fā)性低，無(wú)毒，不易燃燒，化學(xué)穩(wěn)定性好，凝固點(diǎn) 低，不發(fā)泡，易再生，粘度小，比熱小。 4）不腐蝕或腐蝕小，以減少設(shè)備投資及維護(hù)費(fèi)用。 5）來(lái)源豐富，容易得到，價(jià)格便宜。 6）便于處理及操作，不易產(chǎn)生二次污染。 完全滿足上述要求的吸收劑是很難選擇到的。只能根據(jù) 實(shí)際情況，權(quán)衡多方面的因素有所側(cè)重地加以選擇。石灰 (CaO)、氫氧化鈣Ca(OH)2、碳酸鈣(CaCO3)，是煙氣脫硫較 為理想的吸收劑，因而在國(guó)內(nèi)外煙氣脫硫中獲得最廣泛地應(yīng) 用。

32、 第47頁(yè)/共62頁(yè) 49 1.2.2.7 吸收設(shè)備 實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體組分高效率的吸收，目前所采用的方式和 設(shè)備很多。但其最基本的要求是實(shí)現(xiàn)氣體與吸收劑液體的 密切接觸，也就是要提供盡可能大的有效接觸面積和高強(qiáng) 度的界面更新，并最大限度地減小阻力和增大推動(dòng)力。據(jù) 此，對(duì)吸收設(shè)備提出以下基本要求： 氣液之間有較大的接觸面積和一定的接觸時(shí)間； 氣液之間擾動(dòng)劇烈，吸收阻力小，吸收效率高； 操作穩(wěn)定并有合適的彈性； 氣流通過(guò)時(shí)的壓降??； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造維修方便，造價(jià)低廉； 針對(duì)具體情況，要求具有抗蝕和防堵能力。 第48頁(yè)/共62頁(yè) 50 目前，使用的氣體吸收設(shè)備大致可分為塔器和其它 設(shè)備。塔器類(lèi)主要包括噴淋

33、塔（俗稱空塔）、填料塔、 板式塔、湍球塔、鼓泡塔等。其它設(shè)備也很多，如列管 式濕壁吸收器、文丘里噴射吸收器、噴灑式吸收器等。 噴淋塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔內(nèi)只設(shè)若干噴嘴，氣體由下部 進(jìn)入，液體由上部噴入。塔的上部設(shè)有除霧器。目前在 有害氣體治理中，對(duì)空塔的應(yīng)用研究非?；钴S，出現(xiàn)了 許多新的結(jié)構(gòu)型式。 填料塔內(nèi)裝有各種型式的固體填充物，即填料。液 相由塔頂噴淋裝置分布于填料層上，靠重力作用沿填料 表面流下，氣相則在壓強(qiáng)差推動(dòng)下穿過(guò)填料的間隙，由 塔的一端流向另一端。氣、液在填料的潤(rùn)濕表面上進(jìn)行 接觸，其組成沿塔高連續(xù)變化。 第49頁(yè)/共62頁(yè) 51 板式塔內(nèi)沿塔高裝有若干層塔板（或稱塔盤(pán)），液 體靠重力作用由頂部逐板流向塔底，并在多塊板上形成 流動(dòng)的液層；氣體則靠壓強(qiáng)差推動(dòng)，由塔底向上依次穿 過(guò)各塔板上的液層而流向塔頂。氣、液兩相在塔內(nèi)進(jìn)行 逐級(jí)接觸，兩相的組成沿塔高呈階梯式變化。板式塔又 根據(jù)板的型式不同分成各種類(lèi)型，如泡沫塔、泡罩塔、 噴射板塔、浮閥塔等等。 湍球塔又稱流化填料塔，它和填料塔在設(shè)計(jì)上沒(méi)有 根本的區(qū)別，其填料是空心或?qū)嵭男∏颍诟叩牟僮鳉?速的推動(dòng)下，小球高速湍動(dòng)而成流化狀態(tài)。液體由塔頂 噴下潤(rùn)濕小球表面而與氣相密切接觸且高強(qiáng)度更新，增 強(qiáng)了兩相的接觸傳質(zhì)，提高了吸收效率。 第50頁(yè)/共62頁(yè) 52 鼓泡塔又稱鼓泡反應(yīng)器，塔內(nèi)裝滿吸收液，氣體以各 種方式鼓