lili 大气污染控制工程课件2012

sinh=(ex－e-x)/2
coshx =(ex＋e-x)/2 tanhx= (ex－e-x)/ (ex＋e-x)
（3）对化学吸收速率公式的讨论
根据β，γ的关系（见图8-6），
①当γ≤0.2时， cosh γ→1， β →1，
NA=(PA–PAG*)/(1/kAG+1/HAkAL)
（与物理吸收公式相同，以物理吸收为主）
( P AG
a bH
A

D BL D AL
C BL )
其中：
K 1 /( 1 k AG 1 H A k AL )
AG
式中：a，b——化学反应方程式中的反应系数； DAL，DBL——A、B两种物质在液相中的分子扩散系数 （m2/s）； CBL——液膜中B的浓度；
kAL——液相传质系数，m/h
若物理溶解量与化学溶解量相比可忽略，令K1=KHA ，表征带有化学反应的气液平衡，得 CA≈xCB0=CB0K1PA*/(1+K1PA*) ＜CB0
说明A组分被吸收的量永远小于活性组分B 的量。
9. 2 吸收速率
9.2.1物理吸收速率 1. 双膜理论（由刘易斯和怀特曼提出）
（1）组成：气相主体+气膜+相界面+液膜+液相主体 （2）气体的吸收过程：被吸收组分
PAG2
NH3
CBL1
H2SO4
NH3
H2SO4
PAG1
CBL2
解：硫酸吸收氨的反应为瞬间化学反应：
2 NH
3
H 2 SO 4 ( NH 4 ) 2 SO 4
其中， b 0 . 5
a
在塔顶处，pAG1=1000Pa, cBL1=0.6kmol/m3;
C KP 1 b D AL k AG a D BL k AL PAG 0 . 35 kmol / m ＜ C BL 1
解：
K
1
AG

1 kg

1 kl H
A
K AG
1 1 kl
-7
1 kl H
A

1 1 6 . 94 10
2 5
1 .5

1 2 . 74 10
7
2 . 73 10
kmol/(m
s kPa)
由于
1 kg

1 kl H
A
；该过程为气膜控制过程。
提高过程吸收速率的措施：
9.1 吸收平衡
9.1.1 物理吸收平衡
1. 气体组分在液相的吸收
混合气体 （可吸收组分） 吸收 解吸 吸收剂 （液相）
溶解度：在一定的温度和压力下，吸收过程的速率 和解吸过程的速率相等时，气体溶质在液相中的含 量称为该气体的平衡溶解度，溶解度在同一系统中 随温度的升高而减小，随压力的增大而增大。
物理平衡 化学平衡
aA（液） + bB
mM + nN
气态污染物的总净化量
[A] 净化=[A]物理平衡+[A]化学平衡
其中：
[A]物理平衡=HAP*A
[A]化学消耗：在达到化学平衡时，根据化学平 衡常数K和反应后反应物和生成物的浓度， 计算求出[A]化学消耗。
1. 被吸收组分A 与溶剂相互作用 A （气） A（液）+B（溶剂） M（液）
（与快速瞬间反应的吸收过程相同，扩散控制）
此时，对于难溶气体， KAG=βHAkAL，属于液膜控制 ；对于易溶气体， KAG=kAG，属于气膜控制。 对于该部分：可查阅：《化学反应工程》相关内容
9.3 吸收设备与设计
9.3.1 吸收设备 1. 对吸收设备的要求
（1）气液有效接触面积大
（2）气液湍动程度高
(2)化学吸收速率公式
NA=KAG(PAG–PA*/coshγ)
式中：
KAG=1/kAG+1/(βHAkAL),
DAL——A 组分的液相扩散系数；
kAL——A组分在液相中的传质系数；
kr——化学反应常数 β=γ/tanhγ（增大因子） γ2=(αZL)2=krDAL/k2AL（膜内转化系数）
注：coshx, sinhx, tanhx——分别是双曲余弦函数， 双曲正弦函数，双曲正切函数
由亨利定律 [A] 物理平衡=HAPA* 由化学平衡 [A]化学消耗=[M] =K [B][A]物理平衡 故 CA=（1+K[B]）HAPA*
变形后得 PA*= CA /（HA（1+K[B]）） （化学吸收） Pi*= CA/ HA（物理吸收） 比较上式发现：由于化学反应使溶解度系数 增大至（1+K[B]）倍。
第九章 吸收法净化气态污染物
概念：吸收法是根据气体混合物中各组分在液体溶 剂中物理溶解度和化学反应活性不同而将混合物分 离的一种方法。 分类：
– 物理吸收：利用溶解度的差异吸收 – 化学吸收：利用化学反应完成吸收
优点和缺点：优点：效率高、设备简单、一次投资 相对较低等；缺点：产生废液、设备易受腐蚀。
k AG k AL
P AG
（2） CBL=CKP时，吸收速率 方程如下
NA=kAGPAG=akBLCBL/b
（3） CBL＞CKP时，吸收速率 方程-1。解题思路如下：
计算CKP 过程 比较CBL和 CKP的大小 判断反应 选取相应公式计算NA1和NA2。
动力学控制：
传质速率＞＞化学 反应速率
（2）控制步骤
扩散控制：
传质速率＜＜化学反应速率
动力学与扩散同时控制
（3）传质速率 的表示
气膜：教材中公式（5-23）
N
A

p AG p A 1 k AG 1
*
k AL H
A
相界面：亨利定律 液膜（过程稳定时）： 费克定律，教材公式（5-29）
N
2. 亨利定律
pA* = EA xA cA = HA pA *
式中： pA* ——气相组分的分压，Pa；
xA——组分A溶于溶剂中的浓度，摩尔分率；
cA ——液相中组分A的浓度，mol/m3;
HA, EA——亨利系数，单位分别为mol/(m3· Pa)和Pa,
在温度和压力一定的情况下对一定的物系为一常数；
3
N A k AG PAG 0 . 0035 kmol /( m · ) h
2
在塔底处，pAG2=5000Pa, cBL2=0.5kmol/m3；
C KP 2 b D AL k AG a D BL k AL PAG 1 . 75 kmol / m ＞ C BL 1
3
2
p AG NA 1 k AG
kAG——气相传质系数，kmol/(m3· Pa) h· HA——A组分的溶解度系数，kmol/(m3· Pa) CKP——B的临界浓度，即与相界面中 A组分刚好完全 反应时所对应的B组分浓度，按下式计算：
临界浓度的计算公式：
C KP C BL
P Ai 0

b a

D AL D BL

*——为平衡状态。
亨利定律的应用条件：
在系统压力不太高、温度不太低、溶解气体 不与液体起化学反应时，难溶气体的溶解平 衡可近似认为服从亨利定律，中溶和易溶气 体在液相溶解度较低时也可近似认为遵守亨 利定律。
9.1.2 有化学反应存在的气液相平衡 设气态污染物A与吸收液中所含组分B发生 如下反应： aA + bB mM + nN 则，气态污染物A在溶液中的转化过程可表 示为： aA（气）
2. 被吸收组分在溶液中离解 A（气） A（液） 则： [A]物理平衡 =HAPA* [A]化学消耗=[M+]=（K[A]物理平衡 ）0.5 CA=[A]物理平衡 +[A]化学消耗 =HAPA*+（KHAPA*） 0.5 M++N－
例题：（例9-1）
试求温度为293K，混合气体中SO2平衡分压为 4.905kPa时水中的溶解度。已知溶解度系数 HSO2=0.0166kmol/ (kPa· 3)，化学平衡常数 m K=1.7×10-2kmol/m3。
解：SO2的吸收方程为：
于是：
C SO 2 [ SO 2 ] [ HSO 1 . 63 0 . 05
3
] [ SO 2 ]
K 1 [ SO 2 ]
3
K 1 [ SO 2 ] 0 . 01187 kmol / m
3、被吸收组分与溶剂中活性组分作用 A （气） A（液）+B（液） M（液）
设溶剂中活性组分的初始浓度为CB0，若平衡 转化率为x，则溶液中组分B的平衡浓度为 [B]=CB0（1－x），而生成物M的平衡浓度为 [M]=CB0x，CA=[A]+CB0x，
有 K=[M]/（[A][B]）=x/（[A](1–x)） 又有[A]=HAPA*，代入上式得
PA*=x/(KHA(1–x))
（
气相主体
（无扩散阻力）
气膜
相界面
液膜
液相主体
（气膜阻力）（无传质阻力）（液膜阻力）（无扩散阻力）
（3）传质推动力：气膜内传质推动力：PAG－ PAi；液膜内传质推动力：CAi－CAL
气膜
液膜 传质方向
界面
PAG
气相主体 PA* ZG ZL CA*
CAL
液相主体 ZAL
双膜理论模型
2、吸收过程速率 NA=DAG/ZG(PAG–PAi)=kAG(PAG–PAi) NA=DAl/ZL(CAi–CAL)=kAl(CAi–CAL) CAi=HAPAi NA=KAG(PAG–PA*) 吸收过程速率方程 NA=KAL(CA*–CAL) 其中： 1/KAG=1/kAG+1/(kALHA), PA*=CAL/HA 1/KAL=1/kAL+HA/kAG, CA*=HAPAG