第五章氣態(tài)污染物凈化基礎Gaseouspollutantpurificationbasis第五章氣態(tài)污染物凈化基礎吸收法凈化氣態(tài)污染物吸附法凈化氣態(tài)污染物催化法凈化氣態(tài)污染物其他方法凈化氣態(tài)污染物機動車尾氣凈化氣體吸收的概念和分類1吸收平衡（熱力學過程）2吸收速率（動力學過程）3吸收設備和設計4吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用5氣體吸收的概念和分類Conceptandclassificationofgasabsorption1氣體吸收的概念和分類●氣體吸收：氣、液兩相間的物質(zhì)傳遞過程；當氣、液兩相接觸時，氣相中的一種或幾種組分轉(zhuǎn)移到液相的過程稱為氣體吸收。能轉(zhuǎn)移到液相的組分稱為吸收質(zhì)，液相稱為吸收劑。●吸收法凈化氣態(tài)污染物：是利用廢氣中各混合組分在選定的吸收劑中溶解度不同，或者其中某一種或多種組分與吸收劑中活性組分發(fā)生化學反應，達到將有害物從廢氣中分離出來，凈化廢氣的目的的一種方法。氣體吸收的概念和分類●物理吸收：利用氣體混合物在所選擇的溶劑中溶解度的差異而使其分離的過程。

●化學吸收：伴有顯著化學反應的吸收過程?！窀鶕?jù)吸收過程的物理化學性質(zhì)，氣體吸收分為物理吸收和化學吸收。氣體吸收的概念和分類同：兩類吸收所依據(jù)的基本原理以及所采用的吸收設備大致相同。異：一般來說，化學反應的存在能提高反應速度，并使吸收的程度更趨于完全。結(jié)合大氣污染治理工程中所需凈化治理的廢氣，具有氣量大，污染物濃度低等特點，實際中多采用化學吸收法。吸收平衡（熱力學過程）Absorptionbalance(thermodynamicprocesses)2吸收平衡（熱力學過程）吸收平衡物理吸收平衡化學吸收平衡吸收平衡（熱力學過程）●氣體組分在液相的吸收（1）物理吸收平衡

當混合氣體與吸收劑接觸時，氣相中的可吸收組分向液相進行質(zhì)量傳遞（吸收）；同時，液相中已被吸收的組分進行向氣相逸出的質(zhì)量傳遞（解吸）。

一定溫度和壓力下，吸收速率和解吸速率將最終相等，氣液兩相間的質(zhì)量傳遞達到動態(tài)平衡，此時氣體溶質(zhì)在液相中的含量，為該氣體的平衡溶解度。吸收平衡（熱力學過程）●亨利定律（Henry’sLaw）

當壓力不太高（小于5×105Pa），溫度一定時，稀溶液中溶質(zhì)的溶解度（物理吸收達平衡）與氣相中溶質(zhì)分壓的關系服從亨利定律。（1）物理吸收平衡吸收平衡（熱力學過程）（1）物理吸收平衡●亨利定律（Henry’sLaw）Hi、Ei——亨利系數(shù)Ci—mol/m3，Pi*—Pa，則H—mol/m3·Pa;xi—摩爾分數(shù)，Pi*—Pa，則E—Pa；

xi為溶質(zhì)在液相中的摩爾分數(shù).吸收平衡（熱力學過程）（2）化學吸收平衡

一般而言，氣態(tài)污染物在溶劑中物理吸收平衡時的溶解度很低，凈化效率不高；因此實際廢氣凈化中大都采用化學吸收，此時氣態(tài)污染物總?cè)芙饬坑梢合辔锢砦樟亢突瘜W反應消耗量兩部分組成。吸收平衡（熱力學過程）（2）化學吸收平衡吸收平衡（熱力學過程）（2）化學吸收平衡吸收平衡（熱力學過程）●被吸收組分A與溶劑相互作用反應式表示為：被吸收組分A進入液相后的總濃度CA*可寫成：其化學平衡常數(shù)：（2）化學吸收平衡吸收平衡（熱力學過程）（2）化學吸收平衡●被吸收組分A與溶劑相互作用于是有：

又若是稀溶液吸收,則遵循亨利定律，即有[A]=HAPA*，代入上式，于是有：吸收平衡（熱力學過程）（2）化學吸收平衡●被吸收組分A與溶劑相互作用吸收平衡（熱力學過程）設反應產(chǎn)物的解離反應式為：吸收平衡時，離解常數(shù)為：

當溶液中無相同離子存在時，[K+]=[A-]，于是有：（2）化學吸收平衡●被吸收組分A在溶液中的離解吸收平衡（熱力學過程）

被吸收組分A在溶液中的總濃度為物理溶解量與離解溶解量之和，即：

又因為：（2）化學吸收平衡●被吸收組分A在溶液中的離解吸收平衡（熱力學過程）

對以上兩式聯(lián)立求解：式中：（2）化學吸收平衡●被吸收組分A在溶液中的離解吸收平衡（熱力學過程）代入亨利定律，則：

由此可見，對反應產(chǎn)物有解離的化學吸收過程，相平衡方程式與氣相組分A在吸收液中總濃度[CA*]為非線性關系。（2）化學吸收平衡●被吸收組分A在溶液中的離解吸收平衡（熱力學過程）（2）化學吸收平衡●被吸收組分A在溶液中的離解吸收平衡（熱力學過程）設反應式為：

設溶劑中活性組分B的起始濃度為CB0，反應達平衡后，轉(zhuǎn)化率為R，則溶液中活性組分B的濃度：而生成物M的平衡濃度為：

由化學平衡關系得平衡常數(shù)：（2）化學吸收平衡●被吸收組分A在溶液中的離解吸收平衡（熱力學過程）由化學平衡關系得平衡常數(shù)：又亨利定律[A]=HAPA*，得：（2）化學吸收平衡●被吸收組分A在溶液中的離解吸收平衡（熱力學過程）若物理溶解量可忽略不計，則由上兩式可得：

令：于是：（2）化學吸收平衡●被吸收組分A在溶液中的離解吸收平衡（熱力學過程）由此可見：

（1）溶液的吸收能力CA*隨PA*增大而增大，溶液的吸收能力CA*隨k增大而減小。（2）溶液的吸收能力還受活性組分起始濃度CB0的限制，CA*≤CB0（只能趨近于而不能超過）。（3）氣相中的分壓和溫度對化學吸收和物理吸收的影響不同:

溫度增大，壓力增大可改善化學吸收過程(化學吸收)；溫度降低，壓力增大可改善液體中污染物的溶解度（物理吸收）。（2）化學吸收平衡●被吸收組分A在溶液中的離解吸收平衡（熱力學過程）（2）化學吸收平衡●被吸收組分A在溶液中的離解吸收平衡（熱力學過程）（2）化學吸收平衡●被吸收組分A在溶液中的離解吸收平衡（熱力學過程）（2）化學吸收平衡●被吸收組分A與溶劑中活性組分作用●被吸收組分A與溶劑相互作用●被吸收組分A在溶液中的離解（1）物理吸收平衡CA=HAPA*吸收平衡（熱力學過程）1-被吸收組分A與溶劑相互作用;2-被吸收組分A在溶液中的離解;3-被吸收組分A與溶劑中活性組分作用123（2）化學吸收平衡吸收平衡（熱力學過程）逆流吸收塔內(nèi)氣、液流率和組成的變化G、L—分別表示單位時間通過塔任一截面單位面積的混合氣體和吸收液的流量，

mol/(m2·s)

；

GB—表示單位時間通過塔任一截面單位面積的惰性氣體的流量，Kmol/(m2·h)；

Ls—表示單位時間通過塔任一截面單位面積純吸收劑的流量，Kmol/(m2·h)；Y、Y1、Y2—分別表示在塔的任意截面、塔底和塔頂?shù)臍庀嘟M成，（Kmol吸收質(zhì)/Kmol惰性氣體）；X、X1、X2—分別表示在塔的任意截面、塔底和塔頂?shù)囊合嘟M成，（Kmol吸收質(zhì)/Kmol吸收劑）。x、y—分別表示任一截面上吸收液和混合氣體中溶質(zhì)的摩爾分數(shù)（3）吸收過程的物料平衡●物料平衡與操作線方程吸收平衡（熱力學過程）對全塔進行物料衡算有：

就任意截面與塔頂間進行物料衡算有：

或

此式即為吸收操作線方程式。（3）吸收過程的物料平衡●物料平衡與操作線方程吸收平衡（熱力學過程）

吸收操作線和推動力圖示

吸收操作線斜率Ls/Gs稱為吸收操作的液氣比,物理含義為處理單位惰性氣體所消耗的純吸收劑的量。操作線方程式的作用：說明塔內(nèi)氣液濃度變化情況，更重要的是通過氣液情況與平衡關系的對比，確定吸收推動力,進行吸收速率計算,并可確定吸收劑的最小用量,計算出吸收劑的操作用量。（3）吸收過程的物料平衡●物料平衡與操作線方程吸收平衡（熱力學過程）掌握以下三個方面：

(1)在Y—X圖上，吸收操作線必須處于平衡線之上；

(2)操作線與平衡線之間的距離反映了吸收推動力的大小。操作線上任一點代表某截面上氣、液組成（Y,X），該點到平衡線的垂直距離（Y-Y*）和水平距離（X*-X）分別代表該截面上的吸收推動力。

(3)平衡線與操作線不能相交或相切。

吸收操作線和推動力圖示（3）吸收過程的物料平衡●物料平衡與操作線方程吸收平衡（熱力學過程）吸收塔的最小液氣比

在吸收塔設計中要處理的廢氣流量G、進出塔氣體溶質(zhì)濃度（Y1、Y2）均由設計任務而定，吸收劑的種類和進塔濃度X2由設計者決定，而只有吸收劑用量L及出塔溶液中吸收質(zhì)濃度X1是待計算的。根據(jù)物料衡算，L與X1之中只有一個是獨立的未知量，通常在計算中先確定L值，則X1便隨之而定了。由于G屬已知條件，因而可通過確定操作線斜率L/G（液氣比）來確定L。（3）吸收過程的物料平衡●最?。ㄗ罴眩庖罕鹊拇_定

吸收平衡（熱力學過程）（L/G）min的提出：

當塔底操作點D與平衡線相交時，X1與Y1成平衡，這時理論上吸收液所能達到的最高濃度，以X1*表示，此操作線對應的液氣比稱為最小液氣比，以（L/G）min。吸收塔的最小液氣比（3）吸收過程的物料平衡●最?。ㄗ罴眩庖罕鹊拇_定

吸收平衡（熱力學過程）

實際設計中氣液比的確定：

（1）操作液氣比必須大于最小液氣比；（2）就填料塔而言，操作液體的噴淋密度（即每平方米的塔截面上每小時的噴淋量，m3/m2·h）應大于為充分潤濕填料所必需的最小噴淋密度，一般為3-4m3/m2·h，此時設備的阻力較小。（3）操作氣液比的選定應盡可能從設備投資和操作費用兩方面權衡考慮，以達到最經(jīng)濟的要求。

（3）吸收過程的物料平衡●最?。ㄗ罴眩庖罕鹊拇_定

吸收速率（動力學過程）Absorptionrate(dynamicprocess)3吸收速率（動力學過程）吸收速率物理吸收速率化學吸收速率吸收速率（動力學過程）氣膜液膜氣相主體液相主體氣-液相界面ZGZLPAGCALPAiCAi（1）物理吸收速率●雙膜理論吸收速率（動力學過程）ZGZLPAGCALPAiCAi（1）物理吸收速率●吸收過程速率吸收速率（動力學過程）（1）物理吸收速率●吸收過程速率吸收速率（動力學過程）

化學吸收雙膜理論模型P253A（g）+bB（l）——rR（l）化學吸收可以歸納為：●氣相反應物A從氣相主體通過氣膜向氣液界面?zhèn)鬟f；●氣相反應物A從氣液相界面向液相主體擴散；●組分A在液膜和液相主體內(nèi)與反應物B相遇發(fā)生反應；●反應生成的液相產(chǎn)物向液主

體擴散，留于液相，若生成的是氣相產(chǎn)物，則向相界面擴散相；●氣相產(chǎn)物自相界面通過氣膜向氣相主體擴散。

（2）化學吸收速率●化學吸收過程吸收速率（動力學過程）

傳質(zhì)速率〉化學反應速率動力學控制傳質(zhì)速率〈化學反應速率擴散控制傳質(zhì)速率=化學反應速率雙向控制

化學吸收雙膜理論模型P253（2）化學吸收速率●化學吸收過程吸收速率（動力學過程）

氣膜傳質(zhì)速率方程

氣液相界面液相中發(fā)生化學反應

（2）化學吸收速率●化學吸收總速率方程式吸收速率（動力學過程）（2）化學吸收速率●化學吸收總速率方程式

式中：

kL—未發(fā)生化學反應時液相傳質(zhì)分系數(shù)，亦即物理吸收的液相傳質(zhì)分系數(shù)，m/h；

CAi、CAL—氣液界面和液相中未反應的氣體溶質(zhì)的濃度，Kmol/m3；

β—由于化學反應使吸收速率增強的系數(shù)，簡稱其單位無量綱；

增強系數(shù)是與反應級數(shù)、反應速率常數(shù)、化學平衡常數(shù)、液相中各組分的濃度、擴散系數(shù)、液相的流動狀態(tài)等諸多因素相關的較為復雜的一個系數(shù)。吸收速率（動力學過程）●化學吸收速率總方程式

極快速不可逆化學反應總吸收速率方程（2）化學吸收速率吸收速率（動力學過程）（1）當由氣相擴散到相界面的吸收質(zhì)A的量超過與由液相擴散到界面的吸收劑B的反應量時，相界面上B被耗盡而A過剩，即相界面處CBi=0,CAi>0。那么過剩的A繼續(xù)向液膜擴散并繼續(xù)與液膜中的B反應，導致反應面R-R從界面P-P向液相移動，直到b×rA=a×rB?！窕瘜W吸收速率總方程式

極快速不可逆化學反應總吸收速率方程（2）化學吸收速率吸收速率（動力學過程）極快速不可逆化學反應總吸收速率方程第一種情況實際上是吸收劑濃度小于臨界濃度，即CBL<CKP●化學吸收速率總方程式（2）化學吸收速率吸收速率（動力學過程）極快速不可逆化學反應總吸收速率方程（b）當由氣相擴散到相界面的吸收質(zhì)A的量和由液相擴散到界面的吸收劑B的量恰好符合化學計量關系時(bNA=aNB)，相界面上A和B剛好反應完全。此時反應面R-R與界面P-P重合。●化學吸收速率總方程式（2）化學吸收速率吸收速率（動力學過程）極快速不可逆化學反應總吸收速率方程第二種情況實際上是吸收劑濃度等于臨界濃度，即CBL=CKP這種情況下，吸收速率完全由氣膜控制?！窕瘜W吸收速率總方程式（2）化學吸收速率吸收速率（動力學過程）極快速不可逆化學反應總吸收速率方程（c）當由液相擴散到界面的吸收劑B的量超過由氣相擴散到相界面的吸收質(zhì)A的量時，相界面上A耗盡而B過剩。此時反應面R-R也與界面P-P重合，但CAi=0,CBi>0?！窕瘜W吸收速率總方程式（2）化學吸收速率吸收速率（動力學過程）極快速不可逆化學反應總吸收速率方程第三種情況實際上是吸收劑濃度大于臨界濃度，即CBL>CKP這種情況下，吸收速率也完全由氣膜控制?！窕瘜W吸收速率總方程式（2）化學吸收速率吸收速率（動力學過程）定義即吸收劑B的臨界濃度第一種情況實際上是吸收劑濃度小于臨界濃度，即CBL<CKP●化學吸收速率總方程式（2）化學吸收速率吸收速率（動力學過程）(1)-物理吸收(2)-氣液界面上被吸收組分A過量，CBL<CPK(3)-氣液界面上A,B量恰好合適或B過量，CBL≥CPK定義即吸收劑B的臨界濃度吸收設備與設計Absorptionequipmentanddesign4吸收設備與設計填料塔板式塔降膜塔噴霧塔鼓泡塔（1）吸收設備吸收設備與設計（1）吸收設備吸收設備與設計●塔徑的計算●填料層高度的計算●填料塔壓力損失的計算泛點氣速WL,WG-塔內(nèi)液體和氣體的質(zhì)量流率,kg/(m3.s);m,n-經(jīng)驗參數(shù)。（2）吸收塔的設計（填料塔）吸收設備與設計●填料層高度的計算吸收速率、吸收平衡和物料衡算1122GYA2GYA1LXB2LXB1GYAG(YA+dYA)LXBL(XB-dXB)dhG,L-氣相和液相的摩爾流量,mol/(m2.s);YA,XB-任一斷面處吸收質(zhì)A和吸收劑B的摩爾分數(shù),mol/mol;a-微體積填料的表面積,m2/m3。吸收設備與設計●填料層高度的計算吸收速率、吸收平衡和物料衡算1122GYA2GYA1LXB2LXB1GYAG(YA+dYA)LXBL(XB-dXB)dhA(g)+bB(l)rR(l)對微元高度dh作物料衡算吸收設備與設計積分G,L-氣相和液相的摩爾流量,mol/(m2.s);YA,XB-任一斷面處吸收質(zhì)A和吸收劑B的摩爾分數(shù),mol/mol;a-微體積填料的表面積,m2/m3。P-氣相總壓,PaC-液相總濃度,mol/m3●填料層高度的計算吸收速率、吸收平衡和物料衡算吸收設備與設計[例題]用一逆流操作的填料塔將某一尾氣中的有害組分從0.1％的含量降低到0.02％，試計算以下幾種情況下吸收塔填料層的高度H。①用純水吸收，已知使用這種填料時，kAG.a=32000mol/(h.m3.atm);kAL.a=0.1h-1;亨利常數(shù)HA=8000mol/(atm.m3);液氣流量分別為L=7×105mol/m2.h;G=105mol/m2.h;氣相總壓P=1atm;液相總濃度C=56000mol/m3。②水中加入組分B進行瞬時快速化學反應，組分B濃度CBL=800mol/m3,化學反應計量關系為A+BC。DAL=DBL,其余同①。③CBL=32mol/m3,其余同①、②。④CBL=128mol/m3,其余同①、②。吸收設備與設計變形代入已知條件[解]①為物理吸收，利用前面的結(jié)果操作線方程物理吸收的總傳質(zhì)阻力物料衡算吸收設備與設計[解]①為物理吸收，利用前面的結(jié)果填料層高度吸收設備與設計變形代入已知條件[解]②為瞬時快速反應，CBL較高操作線方程塔底吸收劑濃度吸收設備與設計塔頂吸收劑臨界濃度塔底[解]②為瞬時快速反應，CBL=800mol/m3較高吸收設備與設計可見在整個填料塔內(nèi)CBL>CKP，故吸收過程為氣膜控制填料層高度[解]②為瞬時快速反應，CBL=800mol/m3較高吸收設備與設計變形代入已知條件操作線方程塔底吸收劑濃度[解]③為瞬時快速反應，CBL=32mol/m3較低吸收速率（動力學過程）塔頂吸收劑臨界濃度塔底[解]③為瞬時快速反應，CBL=32mol/m3較低吸收設備與設計可見在整個填料塔內(nèi)CBL<CKP填料層高度[解]③為瞬時快速反應，CBL=32mol/m3較低吸收設備與設計變形代入已知條件[解]④為瞬時快速反應，CBL=128mol/m3適中操作線方程塔底吸收劑濃度吸收設備與設計塔頂吸收劑臨界濃度塔底[解]④為瞬時快速反應，CBL=128mol/m3適中吸收設備和設計可見在在塔的上部CBL>CKP，屬于氣膜控制；在塔的下部

CBL<CKP填料塔在CBL=CKP處按傳質(zhì)情況分為兩段[解]④為瞬時快速反應，CBL=128mol/m3適中吸收設備和設計填料層高度[解]④為瞬時快速反應，CBL適中吸收設備和設計歸總物理吸收,CBL=0CBL=800mol/m3CBL=128mol/m3CBL=32mol/m3吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用Applicationofabsorptionmethodtopurifygaseouspollutants5吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用(石灰石－石膏法)吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用(石灰石－石膏法)吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用(石灰石－石膏法)吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用(石灰石－石膏法)5.3吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用(石灰石－石膏法)吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用(石灰石－石膏法)吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用(石灰石－石膏法)吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用(石灰石－石膏法)吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用(石灰石－石膏法)吸收法凈化氣態(tài)污染物的應用(石灰石－石膏法)PartFive