1、第一節第一節 煙氣脫硫技術基礎煙氣脫硫技術基礎 一、 硫的氧化物 硫的氧化物有5種：SO、S2O3、SO2、SO3、SO4 SO2是無色有強烈刺激性氣味的氣體，易溶于水，以各種水合物SO2nH2O形式存在，存在的離子有HSO3- 、S2O52-，還有少量的SO32-。在常溫下，1體積水可溶解40體積SO2，約相當于質量分數為10%的溶液呈酸性。 SO2+H2O=H2SO3 水解 H2SO3 = H+HSO3- （主要） HSO3- = H+ SO32- 亞硫酸的酸性遠比硫酸弱，在水溶液中，除H+和HSO3-外，只有少量的SO32-,與堿作用生成亞硫酸氫鹽和亞硫酸鹽。 SO3是SO2催化氧化而得

2、，它是無色的易揮發固體，三氧化硫與水作用生成H2SO4,同時放出大量的熱。 SO3+H2OH2SO4+79.55 KJ第一節第一節 二氧化硫的物理化學基礎二氧化硫的物理化學基礎二、煙氣脫硫的化學基礎 SO2既有氧化性，又有還原性，很多鹽類和吸附劑，如堿鹽類、堿土化合物、金屬氧化物及活性炭等對SO2有吸附作用。煙氣脫硫工藝的化學基礎就是利用SO2的這些特性進行的。（一）與水和堿的化學基礎（一）與水和堿的化學基礎 SO2溶于水的同時生成H2SO3，不僅與可溶性堿及弱酸鹽溶液反應，而且與難溶性堿和弱酸鹽如Ca(OH)2、CaCO3、Mg(OH)2也易于反應。生成亞硫酸鹽或亞硫酸氫鹽， 如與NaOH反

3、應： 2NaOH+SO2 Na 2 SO3 + H2O NaSO3+SO2+H2O 2Na2HSO3 亞硫酸和亞硫酸鹽不穩定，能被空氣中的氧逐漸氧化為硫酸和硫酸鹽： 2H2SO3+O2 2H2SO4 2Na2SO3+O2 2Na2SO4第一節第一節 二氧化硫的物理化學基礎二氧化硫的物理化學基礎（二）與氧化劑反應 SO2與氧化劑反應生成六價硫化合物，氣態SO2直接同O2生成SO3的反應進行得很慢： SO2+1/2O2 SO3 利用催化劑可加速反應，在水介質中SO2經催化劑的作用被氧化得相當快，并生成H2SO4： SO2+1/2O2 + H2O H2SO4 各種強氧化劑如臭氧、過氧化氫、硝酸、等溶

4、液以及NO與SO2均能迅速反應，并都生成酸。 第一節第一節 二氧化硫的物理化學基礎二氧化硫的物理化學基礎（三）與還原劑的反應 在各種還原劑的作用下SO2可以還原成原素硫或H2S（在某些情況下，還原只進行到硫或硫酸鹽），還原過程也根據反應條件而定。氫隨溫度的不同在催化劑作用下可使SO2還原成元素硫或H2S SO2+2H2 S+2H2O SO2+3H2 H2S+2H2O不同的金屬（鐵、鎂、銅、鎘等）還原SO2 SO2+3Me=MeS+2MeO在高溫下SO2被煤、一氧化碳和甲烷還原成元素硫 SO2+C=S+CO2 SO2+2CO=S+2CO2 2SO2+CH4=2S+CO2+2H2O第一節第一節 二

5、氧化硫的物理化學基礎二氧化硫的物理化學基礎氣體混合物中組分分離吹脫、去除揮發性組分汽提液體混合物中組分分離染料廢水處理樣品石油烴分離測定氣體和液體混合物中組分分離活性炭吸附水中有機物去除水中陰陽離子制作純水去除水中重金屬高分子薄膜為分離介質，組分選擇性地透過膜制作純水截留某些組分去除水、氣體和固體中污染物的過程去除水、氣體和固體中污染物的過程吸收吸收萃取萃取吸附吸附膜分離膜分離離子交換離子交換 傳質過程：傳質過程：分離中的傳質：分離中的傳質：第二節 質量傳遞質量傳遞吸收反應中的傳質過程：吸收反應中的傳質過程：石灰石灰/石灰水洗滌煙氣脫硫石灰水洗滌煙氣脫硫催化氧化法凈化汽車尾氣催化氧化法凈化汽車

6、尾氣第二節質量傳遞質量傳遞物質傳遞現象物質傳遞現象質量傳遞過程質量傳遞過程需要解決兩個基本問題：需要解決兩個基本問題：過程的極限過程的極限:過程的速率過程的速率:相平衡關系相平衡關系 以以濃度差濃度差為推動力的傳質過程：一個含有兩種或兩種以上為推動力的傳質過程：一個含有兩種或兩種以上組分的體系，組分組分的體系，組分A由濃度高的區域向濃度低的區域的轉移。由濃度高的區域向濃度低的區域的轉移。質量傳遞研究內容！質量傳遞研究內容！第二節質量傳遞質量傳遞濃度差，溫度差， 壓力差， 電場或磁場的場強差向一杯水中加入一滴藍墨水向一杯水中加入一滴藍墨水攪拌一下攪拌一下？由分子的微觀運動引起由分子的微觀運動引起

7、 工程上為了加速傳質，通常使流體介質處于運動狀態工程上為了加速傳質，通常使流體介質處于運動狀態湍流狀態，湍流擴散的效果占主要地位。湍流狀態，湍流擴散的效果占主要地位。 慢慢由流體微團的宏觀運動引起由流體微團的宏觀運動引起分子擴散分子擴散快快湍流擴散湍流擴散第三節 質量傳遞的基本原理 一、傳質機理一、傳質機理 分子擴散過程只有分子擴散過程只有在固體、靜止流體或層流在固體、靜止流體或層流流動流動的流體中才會單獨發生。的流體中才會單獨發生。 由由分子的不規則熱運動分子的不規則熱運動而導致的傳遞而導致的傳遞（一）費克定律（一）費克定律 在某一空間充滿在某一空間充滿A A、B B兩組分組成的混合兩組分組

8、成的混合物，物，無總體流動或處于靜止狀態無總體流動或處于靜止狀態 ，且在，且在上下兩空間中上下兩空間中A2A1cc 分子熱運動的結果分子熱運動的結果將導致組分將導致組分A A由濃度由濃度高的區域向濃度低的區域高的區域向濃度低的區域凈擴散凈擴散，即發生由，即發生由高濃度處向低濃度處的分子擴散高濃度處向低濃度處的分子擴散. . 分子擴散的速率？分子擴散的速率？第三節 質量傳遞的基本原理 二、分子擴散二、分子擴散A2A1ccAAzABddcNDz 在一維穩態情況下，單位時間通過垂直于在一維穩態情況下，單位時間通過垂直于z z方向的單位方向的單位面積擴散的組分面積擴散的組分A A的量為的量為單位時間在

9、單位時間在z z方向上經單位方向上經單位面積擴散的面積擴散的A A組分的量，即組分的量，即擴散通量擴散通量，也稱為，也稱為擴散速擴散速率率，kmol/kmol/（m m2 2s s）組分組分A A的的物質的量物質的量濃度濃度，kmol/mkmol/m3 3組分組分A A在組分在組分B B中進中進行擴散的行擴散的分子擴散分子擴散系數系數，m m2 2/s/s組分組分A A在在z z方向上的濃方向上的濃度梯度，度梯度，kmol/mkmol/m3 3m m由濃度梯度引起的由濃度梯度引起的擴散通量與濃度梯度成正比擴散通量與濃度梯度成正比負號表示組分負號表示組分A A向濃度減小的方向傳遞向濃度減小的方向

10、傳遞以物質的量濃度為基準以物質的量濃度為基準 費克定律費克定律第三節 質量傳遞的基本原理 (1.3.1)mAAABddzxNDz c設混合物的物質的量濃度為設混合物的物質的量濃度為 ,kmol/m3，組分A的摩爾分數為Axc當 為常數時AAcc x 以質量分數為基準以質量分數為基準以摩爾分數為基準以摩爾分數為基準混合物質量濃度，kg /m3組分A的質量分數當混合物的密度為常數時AmAx組分A的質量濃度，kg /m3以質量濃度為基準以質量濃度為基準kg/（m2s） kg/（m2s） AAABddzxNc Dz AAABddzNDz AAABddzcNDz kmol/（m2s）第三節 質量傳遞的基

11、本原理(1.3.2)(1.3.3)（一）費克定律（一）費克定律 （二）分子擴散系數（二）分子擴散系數 擴散物質在單位濃度梯度下的擴散速率，表征物質分子擴散擴散物質在單位濃度梯度下的擴散速率，表征物質分子擴散能力。擴散系數大，表示分子擴散快。能力。擴散系數大，表示分子擴散快。 分子擴散系數是分子擴散系數是物理常數物理常數，其數值受體系溫度、壓力和混，其數值受體系溫度、壓力和混合物濃度等因素的影響（與反應條件有關）。合物濃度等因素的影響（與反應條件有關）。AABAddzNDcz 第三節 質量傳遞的基本原理(1.3.4)（1）非理想氣體及濃溶液）非理想氣體及濃溶液, 是濃度的函數。是濃度的函數。AB

12、D（2）溶質在液體中的擴散系數遠比在氣體中的小，在固體中溶質在液體中的擴散系數遠比在氣體中的小，在固體中的擴散系數更小的擴散系數更小。氣體、液體、固體擴散系數的數量級。氣體、液體、固體擴散系數的數量級分別為分別為10-510-4、10-1010-9、10-1410-9m2/s。（4 4）對于）對于雙組分氣體物系雙組分氣體物系，1.750ABAB,00pTDDpT（3 3）低密度氣體、液體和固體的擴散系數）低密度氣體、液體和固體的擴散系數隨溫度的升高隨溫度的升高而增大，隨壓力的增加而降低。而增大，隨壓力的增加而降低。，擴散系數與總壓力成反比，與熱力學溫度的擴散系數與總壓力成反比，與熱力學溫度的1

13、.75次方成正比次方成正比（二）分子擴散系數（二）分子擴散系數 第三節 質量傳遞的基本原理 D定義定義湍流質量擴散系數湍流質量擴散系數 湍流擴散系數湍流擴散系數不是物理常數不是物理常數，它取決于流體流動，它取決于流體流動的特性，受湍動程度和擴散部位等復雜因素的影響的特性，受湍動程度和擴散部位等復雜因素的影響 工程中大部分流體流動為工程中大部分流體流動為湍流狀態，同時存在分湍流狀態，同時存在分子擴散和湍流擴散子擴散和湍流擴散，因此組分，因此組分A A總的質量擴散通量總的質量擴散通量DABeffD有效質量擴散系數在充分發展的湍流中，在充分發展的湍流中，湍流擴散系數往往比分子擴湍流擴散系數往往比分子

14、擴散系數大得多散系數大得多，因而有，因而有組分A的平均物質的量濃度 AADddcNz AAAtABDABeffdd()ddccNDDzz （三）湍流擴散（三）湍流擴散 第三節 質量傳遞的基本原理在在靜止靜止介質中由于介質中由于分子擴散所引起分子擴散所引起的質量傳遞問題的質量傳遞問題 靜止流體靜止流體相界面相界面組分組分A通過氣相主體向相界面擴散通過氣相主體向相界面擴散 ，依靠分子擴散依靠分子擴散AA,iccAA,0ccNA在相界面附近，組分在相界面附近，組分A沿擴散的方向將建立一定的濃度分布沿擴散的方向將建立一定的濃度分布 第四節 分子傳質氣相主體A物質的濃度相界面A物質的濃度單向擴散等分子反

15、向擴散等分子反向擴散 水含有氨的廢氣苯甲苯體系甲苯NB第四節 分子傳質傳質過程：氨溶解于水氨分壓降低相界面處的氣相總壓降低流體主體與相界面之間形成總壓梯度流體主體向相界面處流動氨的擴散量增加流動氨相界面上空氣的濃度增加空氣應從相界面向混合氣體主體作反方向擴散相界面處空氣的濃度（或分壓）恒定可視為空氣處于沒有流動的靜止狀態空氣氨溶解于水第四節 分子傳質一、單向擴散一、單向擴散 組分在雙組分混合氣體中的分子擴散假定：擴散系數在低壓下與濃度無關 總通量流動所造成的傳質通量疊加于流動之上的分子擴散通量總通量流動所造成的傳質通量疊加于流動之上的分子擴散通量總通量？第四節 分子傳質一、單向擴散一、單向擴散

16、 (一一)擴散通量擴散通量MuAABBMc uc uucAuBu傳質時流體混合物內傳質時流體混合物內各組分的運動速度是不同的各組分的運動速度是不同的為了表達混合物總體流動的情況組分組分A的宏觀運動速度的宏觀運動速度組分組分B的宏觀運動速度的宏觀運動速度引入平均速度流體混合物的流動是以平均速度流動的，稱為流體混合物的流動是以平均速度流動的，稱為總體流動總體流動 第四節 分子傳質(1.4.1)相對于運動坐標系相對于運動坐標系Mu得到得到相對速度相對速度DA,uDB,uMADA,uuuMBDB,uuu擴散速度擴散速度，表明組分因分子擴散引起的運動速度，表明組分因分子擴散引起的運動速度由通量的定義，可

17、得由通量的定義，可得AAANc uBBBNc uMMABNcuNN第四節 分子傳質(1.4.3b)(1.4.3c)(1.4.3a)(1.4.2b)(1.4.2a)AAAABABd()dccNDNNzc 費克定律的普通表達形式費克定律的普通表達形式而相對于平均速度的組分而相對于平均速度的組分A的通量即為的通量即為分子擴散通量分子擴散通量，即，即A,DAA,DNc uAA,DAAB()cNNNNc第四節 分子傳質(1.4.4)MADA,uuuAABBMc uc uucMMABNcuNN(1.4.2a)(1.4.1)(1.4.3c)(1.4.5)ABAA,A,0()iDNccLABAA,A,0B,m

18、()iD cNccLcB,mcc單向擴散等分子反向擴散漂移因子（一）擴散通量（二）濃度分布A,0A,AA,iiccczcLLziiyyyy,A0,A,AA1111AAAABABd()dccNDNNzc 費克定律的普通表達形式第四節 分子傳質單向擴散單向擴散，由于，由于BN=0AAABAddccNDccz 組分B在單向擴散中沒有凈流動(uB=0)，所以單向擴散也稱為停滯介質中的擴散在穩態情況下 為定值ANAA,iccAA,0ccA,0A,ABAA0AddiLccD cNzccc 在恒溫恒壓條件下，式中 、 為常數，所以ABDc氣相主體: 相界面:z=0z=L第四節 分子傳質(1.4.6)AA,i

19、ccAA,0ccA,0ABAA,lniccD cNLccA,B,iicccA,0A,B,B,0iiccccA,A,0B,0ABAB,0B,B,()ln()iiicccD cNLcccB,0B,B,mB,0B,lniicccccABAA,A,0B,m()iD cNccLc惰性組分在相界面和氣相主體間的對數平均濃度差A,0B,0ccc擴散推動力第四節 分子傳質(1.4.7)(1.4.8)(1.4.9)(1.4.10)AA,iccAA,0cc若靜止流體為理想氣體，則根據pcRT)(0 ,A,AmB,ABAppRTLppDNiiippppp,B0,B,B0,BmB,lnABAA,A,0B,m()iD

20、cNccLc總壓強惰性組分在相界面和氣相主體間的對數平均分壓差組分A在相界面的分壓組分A在相主體的分壓第四節 分子傳質(1.4.11)(1.4.10)對于穩態擴散過程， 為常數，即0ddAzNABAAAd1dDcyNyz ABAAdd0d1dD cyzyz在恒溫恒壓下， 均為常數,ABDc0dd11ddAAzyyz(二)濃度分布AN對于氣體組分A，濃度用摩爾分數表示AAABAddccNDccz 第四節 分子傳質(1.4.13)(1.4.6)ppyyzii,A,AA, 0ppyyLz0,A0,AA,Lziiyyyy,A0,A,AA1111Lziiyyyy,B0,B,BB上式經兩次積分，代入邊界條

21、件氣相主體: 相界面:組分A通過停滯組分B擴散時，濃度分布為對數型第四節 分子傳質(1.3.15b)(1.3.15a)【例題1.3.1】用溫克爾曼方法測定氣體在空氣中的擴散系數，測定裝置如圖所示。在101.3kPa下，將此裝置放在328K的恒溫箱內，立管中盛水，最初水面離上端管口的距離為0.125m，迅速向上部橫管中通入干燥的空氣，使水蒸氣在管口的分壓接近于零。實驗測得經1.044106s后，管中的水面離上端管口距離為0.15m。求水蒸氣在空氣中的擴散系數。解：水面與上端管口距離為z，水蒸氣擴散的傳質通量為 單向擴散)(0,A,AmB,ABAppRTzppDNi傳質通量：AAddczNtAAB

22、A,A,0B,md()diczDppptRTzp可用管中水面的下降速度表示第四節 分子傳質0=15.73kPa（328K下水的飽和蒸氣壓）ip,A0,Ap2 .9357.853 .101ln57.853 .101ln,B0,B,B0,BmB,iipppppA985.654.718c kPa328K下，水的密度為985.6kg/m3，故kmol/m3kPa57.8573.153 .101kPa,3 .101,A,B0,0,iiABpppppp第四節 分子傳質ABA,A,0AB,d()dimDpz zpptc RTp邊界條件： t=0, z=0.125m t=1.044106s, z=0.150m

23、60.151.044 10ABA,0.1250AB,ddimDpz zptc RTp2 .93328314. 87 .5410044. 173.153 .1012)125. 015. 0(6AB22D5AB1087. 2Dm2/s第四節 分子傳質 在一些雙組分混合體系的傳質過程中，當體系總濃度保持均勻不變時，組分A在分子擴散的同時必然伴有組分B向相反方向的分子擴散，且組分B擴散的量與組分A相等，這種傳質過程稱為等分子反向擴散。(一)擴散通量AB0NN沒有流體的總體流動，因此AAABddcNDz 特征二、等分子反向擴散二、等分子反向擴散 第四節 分子傳質(1.4.16)在穩態情況下 為定值ANA

24、A,iccAA,0cc在等溫等壓條件下，式中 為常數，所以ABD氣相主體: 相界面:z=0z=LA,0A,AABA0ddiLccNzDc ABAA,A,0()iDNccL第四節 分子傳質(1.4.17)對于穩態擴散過程， 為常數，即(二)濃度分布上式經兩次積分，代入邊界條件相界面:0ddAzNANAAABddcNDz 2A2d0dczAA,0,izccAA,0,zL cc氣相主體：A,0A,AA,iiccczcL組分A和B的濃度分布為直線第四節 分子傳質(1.4.18)(1.4.20)對流傳質： 運動著的流體與相界面之間發生的傳質過程 不互溶的兩種運動流體之間的界面 流動的流體與固體壁面p 氣

25、體的吸收：在氣相與液相之間傳質p 流體流過可溶性固體表面p 流體中某組分在固體表面反應p 萃取： 在液相與液相之間傳質第五節 對流傳質 分子擴散流體各部分之間的宏觀位移引起的擴散 質量傳遞將受到流體性質、流動狀態以及流場幾何特性等的影響。(一)對流傳質過程的機理層流區湍流區A,0cA,ic 質量傳遞固體壁面附近形成濃度分布？傳質的機理A,0cA,ic第五節 對流傳質一、對流傳質過程的機理及傳質邊界層層流底層：物質依靠分子擴散傳遞，濃度梯度較大，傳質速率可用費克第一定律描述，其濃度分布曲線很陡，近似為直線； 湍流核心區：有大量的旋渦存在，物質的傳遞主要依靠湍流擴散，由于強烈混合，濃度梯度幾乎消失

26、，組分在該區域內的濃度基本均勻，其分布曲線較為平坦，近似為一垂直直線層流底層湍流核心區過渡區過渡區：分子擴散和湍流擴散同時存在湍流區第五節 對流傳質(二)傳質邊界層可以認為質量傳遞的全部阻力都集中在傳質邊界層內c傳質邊界層的名義厚度定義為1 3cScABDScSc1c時0.99u00.99C0具有濃度梯度的流體層傳質邊界層：A,0cA,icc流動邊界層與傳質邊界層的關系：分子動量傳遞能力和分子擴散能力的比值。施密特數cAA,A,0A,()0.99()iicccc (c(cA A-c-cA A,i,i) )0.99(c0.99(cA A,0,0-c-cA A,i,i) )第五節 對流傳質(1.5

27、.1)0.99u0cA,icA,0(cA-cA,i)0.99(cA,0-cA,i)D0.05Ld Re ScD50Ld湍流流動時，傳質進口段長度為傳質進口段長度層流流動的傳質進口段長度為流體流過圓管進行傳質 cDL第五節 對流傳質(1.5.3)(1.5.2)二、對流傳質速率方程 流動處于湍流狀態時，物質的傳遞包括了分子擴散和湍流擴散 將過渡層內的湍流擴散折合為通過某一定厚度的層流膜層的分子擴散 GA,0A,()icc有效膜層或虛擬膜層 Gl簡化計算A,0cA,ic由流體主體到界面的擴散通過有效膜層的分子擴散整個有效膜層的傳質推動力為濃度分布全部傳質阻力集中在有效膜層第五節 對流傳質組分A的對流

28、傳質速率，kmol/（m2s）流體主體中組分A的濃度，kmol/m3界面上組分A的濃度，kmol/m3對流傳質系數，也稱傳質分系數，下標“c”表示組分濃度以物質的量濃度表示，m/s對流傳質速率方程 傳質系數體現了傳質能力的大小，與流體的物理性質、界面的幾何形狀以及流體流動狀況等因素有關。 用分子擴散速率方程去描述對流擴散，由壁面至流體主體的對流傳質速率為：AA,A,0()ciNk cc第五節 對流傳質(1.5.4)組分濃度常用分壓表示界面上組分A的分壓，N/m2氣相主體中組分A的分壓，N/m2氣相傳質分系數，kmol/（m2sPa）液相傳質分系數，m/ s氣相與界面的傳質液相與界面的傳質)(0

29、,A,AGAppkNiALA,A,0()iNkcc第五節 對流傳質(1.5.5)(1.5.6)若組分用摩爾分數表示，對于氣相中的傳質，摩爾分數為y，則)(0,A,AAyykNiyAApyppkkyG)(0,A,AAxxkNixAAcxcLxkk c 用組分A的摩爾分數差表示推動力的氣相傳質分系數對于液相中的傳質，若摩爾分數為x，則用組分A的摩爾分數差表示推動力的液相傳質分系數第五節 對流傳質(1.4.8)(1.4.10)(1.4.9)雙組分系統中，A和B兩組分作等分子反向擴散時，BANN對流傳質系數用 表示，則0ck0AA,A,0()ciNkcc相應的分子擴散速率為ABA,A,0G()A iD

30、Nccl0ABGcDkl虛擬膜層的厚度第五節 對流傳質1. 等分子反向擴散時的傳質系數(1.5.11)(1.5.12)2.單向擴散時的傳質系數雙組分系統中，組分A通過停滯組分B作單向擴散時，0BN對流傳質系數用 表示。則ckAA,A,0()ciNk cc相應的分子擴散通量為故 組分B的對數平均摩爾分數ABAA,A,0GB,m()iD cNccl cABABB,m GB,m GccDDkclxl0B,mcckkx第五節 對流傳質(1.5.13)(1.5.14)ABAA,A,0B,m()iD cNccLc單向擴散)(0,A,AmB,ABAppRTLppDNi傳質通量的計算分子傳質等分子反向擴散AB

31、AA,A,0()iDNccLABAA,A,0()iDNppRTL對流傳質AA,A,0()ciNk cc)(0,A,AGAppkNiALA,A,0()iNkcc)(0,A,AAyykNiy)(0,A,AAxxkNixAA,A,0()iNk cc第五節 對流傳質 吸收過程進行的方向與極限: 取決于溶質（氣體）在氣液兩相中的平衡關系，溶解達到平衡時的分壓，稱之為平衡分壓，用p*表示。 在吸收過程中，當氣相中溶質的實際分壓p高于其與液相平衡的溶質分壓時，當pp*，溶質便由氣相向液相轉移，于是就發生了吸收過程。 P與p*的差別就是吸收的推動力，反之，如果pp*，溶質便由液相向氣相轉移，即吸收的逆過程，稱

32、為解吸(或脫吸)。不論是吸收還是解吸，均與氣液平衡有關。第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收 吸收法凈化氣態污染物采用各種類型的吸收塔、文丘里洗滌器、鼓泡反應器等中，含有可被吸收的污染物A的混合氣體與吸收劑S逆流（或順流）接觸，完成吸收過程，被凈化了的氣體（不被溶解的組分B和剩余的A）和吸收液(含有A和S)，分別排出裝置之外作進一步的處置。2.溶解度: 平衡狀態下氣體溶質在液相中的含量稱為該氣體的平衡溶解度。 氣體的溶解度是每100kg水中溶解氣體的千克數。氣體的溶解度在同一系統中一般隨溫度的升高而減小，隨壓力的增大而增大。第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收1.1.氣液相平衡關系氣液相平衡關系當瞬間

33、內進入液相的溶質分子數與從液相逸出的溶質分子數恰好相抵，在宏觀上過程就像停止一樣，這種狀態稱為相際動平衡，簡稱相平衡或平衡。(一)吸收平衡吸收平衡 在一定的操作溫度和壓力下，溶質在液相中的溶解在一定的操作溫度和壓力下，溶質在液相中的溶解度由其相中的組成決定。在總壓不很高的情況下，可以度由其相中的組成決定。在總壓不很高的情況下，可以認為氣體在液體中的溶解度只取決于該氣體的分壓認為氣體在液體中的溶解度只取決于該氣體的分壓 ，而與總壓無關。于是，而與總壓無關。于是， 與與 得函數關系可寫成得函數關系可寫成 當然，也可以選擇液相的濃度當然，也可以選擇液相的濃度 作自變量，這時作自變量，這時，在一定溫度

34、下的氣相平衡分壓，在一定溫度下的氣相平衡分壓 和和 的函數：的函數： 氣液平衡關系一般通過實驗方法對具體物系進行測定。氣液平衡關系一般通過實驗方法對具體物系進行測定。Ap*AcAp*()AAcf pAc*ApAc*()AApf c第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收3.3.亨利定律亨利定律 在一定溫度下，在一定溫度下，p p* *只是被吸收組分在液相中的摩爾分數只是被吸收組分在液相中的摩爾分數x x的函數的函數即被吸收氣體的平衡分壓只與其在液相中的濃度有關。這就即被吸收氣體的平衡分壓只與其在液相中的濃度有關。這就是著名的亨是著名的亨利利(Henry(Henry）定律）定律。它表示在總壓不很高時，一

35、定。它表示在總壓不很高時，一定溫度下，溫度下，當溶解達到平衡時，稀溶液中溶質當溶解達到平衡時，稀溶液中溶質A A的平衡分壓與其的平衡分壓與其在溶液中的濃度成正比。在溶液中的濃度成正比。式中：式中： X X 被吸收組分在液相中的摩爾分數；被吸收組分在液相中的摩爾分數； E E亨利系數，亨利系數，Pa Pa 。 *( )pf x*pEx第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收 亨利系數亨利系數E E是溫度的函數，一般來說，溫度上升則是溫度的函數，一般來說，溫度上升則E E值增大，值增大，不利于氣體的吸收。亨利定律還有多種表示方式。當溶液不利于氣體的吸收。亨利定律還有多種表示方式。當溶液中溶質含量用中溶質含

36、量用c (kmol/mc (kmol/m3 3) )表示時，亨利定律表示為：表示時，亨利定律表示為： 或或 *cpH*cHp第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收 式中：式中： H H溶解度系數，溶解度系數，kmol/(mkmol/(m3 3.Pa).Pa) H H值得大小反映了氣體溶解的難易程度，易溶氣體值得大小反映了氣體溶解的難易程度，易溶氣體H H值值大。所以稱大。所以稱H H為溶解度系數。為溶解度系數。 對于稀溶液，對于稀溶液，E E與與H H有如下近似關系：有如下近似關系：1EHM式中：式中： 溶液的密度，溶液的密度，kg/mkg/m3 3 M M溶劑的相對分子質量溶劑的相對分子質量當溶質

37、在氣相和液相中的濃度均以摩爾分數表示時，當溶質在氣相和液相中的濃度均以摩爾分數表示時，亨利定律又可表示為亨利定律又可表示為: :*ymx上式為亨利定律最常用的形式之一，稱為氣液平衡關系上式為亨利定律最常用的形式之一，稱為氣液平衡關系式，式，m m為相平衡常數，無量綱。為相平衡常數，無量綱。m m與與E E有下述關系：有下述關系：EmP式中式中 P P氣相的總壓氣相的總壓升高溫度，減小總壓，則升高溫度，減小總壓，則m m值變大，不利于吸收操作值變大，不利于吸收操作第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收*/()ypp【例例1】含含30%(體積體積)CO2的某種混合氣體與水接觸，的某種混合氣體與水接觸，系

38、統溫度系統溫度30，總壓，總壓101.3kPa，試求液相中，試求液相中CO2的平衡濃度為若干的平衡濃度為若干kmol/m3(30時，時，CO2在水中在水中的亨利系數的亨利系數E=1860101.3kPa)？解：令解：令Pco2代表在氣相中的分壓，則由分壓定律可代表在氣相中的分壓，則由分壓定律可知知 （kPa） 在本題范圍內亨利定律適用，則在本題范圍內亨利定律適用，則 230%30.39COpP2*COcH p第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收求求CO2在在30時的溶解度系數時的溶解度系數HHEM2*COcpEM因為因為CO2為難溶氣體，溶液密度近似于水的密度，即為難溶氣體，溶液密度近似于水的密度

39、，即=1000kg/m3，代入已知數據，得：，代入已知數據，得：231000*0.38.96 101860 18COcpEM(kmol/m3)第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收西安交通大學有關西安交通大學有關 SOSO2 2溶解特性實驗研究的結果溶解特性實驗研究的結果1. 鋼瓶鋼瓶; 2. 流量計流量計; 3.真空泵；真空泵；4.儲氣瓶；儲氣瓶；5. U形壓力計；形壓力計；6.溫度計；溫度計；7.吸收瓶；吸收瓶；8.pH計；計；9.恒溫磁力攪拌器恒溫磁力攪拌器 SO2O2N2第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收SOSO2 2在純水中溶解實驗結果在純水中溶解實驗結果010203040506070809

40、01.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5pH值時 間/min 二氧化硫分 壓為40kPa 二氧化硫分 壓為30kPa 溫度為500102030405060701.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5pH值時 間/min 60 50 40二氧化硫分 壓為40kPa第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收SOSO2 2在純水中溶解實驗結果在純水中溶解實驗結果40455055600.00.51.01.52.02.53.03.5SO2溶解度g/100gH2O溫度/ 文獻 值 實驗值第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收SOSO2 2在石灰石漿液中溶解的實驗結果在

41、石灰石漿液中溶解的實驗結果0102030405060708090100 110 120 130 1405.56.06.57.07.58.08.59.0pH值時 間/min 50 55 60SO2分 壓為20kPa石灰石漿液濃 度102004006008001000120014006.46.66.87.07.27.47.67.88.08.28.48.68.89.0pH值時 間/min 石灰石漿液濃 度1 石灰石漿液濃 度5 SO2分 壓為20kPa 溫度為50第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收SOSO2 2溶解的實驗結論溶解的實驗結論 SO SO2 2在純水和石灰石漿液中的溶解度隨溫度的降低在純水

42、和石灰石漿液中的溶解度隨溫度的降低及及SOSO2 2分壓的升高而提高；分壓的升高而提高； SOSO2 2溶于純水和石灰石漿液時，在反應的前溶于純水和石灰石漿液時，在反應的前5 5分鐘，分鐘，溶液的溶液的pHpH值急劇下降，這說明在反應初期值急劇下降，這說明在反應初期SOSO2 2溶于溶于水的反應速度非?？?，隨后，水的反應速度非常快，隨后，SOSO2 2的溶解速度迅速的溶解速度迅速降低；降低； 實驗測得的實驗測得的SOSO2 2的溶解度略低于文獻值，總體來看，的溶解度略低于文獻值，總體來看，實驗值與文獻值的變化趨勢是一致的，實驗的誤實驗值與文獻值的變化趨勢是一致的，實驗的誤差在差在1010左右；

43、左右；第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收 在氣液兩流體相接觸處,有一穩定的分界面,叫相界面。在相界面兩側附近各有一層穩定的氣膜和液膜。這兩層薄膜可以認為是由氣液兩流體的滯流層組成,即虛擬的層流膜層,吸收質以分子擴散方式通過這兩個膜層。 全部濃度變化集中在這兩個膜層內。 在相界面處,氣液濃度達成平衡,即界面上沒有阻力。（一）（一） 吸收機理吸收機理 (雙膜理論模型雙膜理論模型) 第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收吸收劑氣體yx界面氣 相 主體 液相主體 相界面氣 相 擴散 液相擴散 yi xi 濃度分布圖 通過以上假設通過以上假設, ,就把整個吸收就把整個吸收過程簡化為過程簡化為, ,吸收質經過雙膜

44、層的吸收質經過雙膜層的過程過程, ,吸收阻力就是雙膜的阻力。吸收阻力就是雙膜的阻力。故該理論又稱為故該理論又稱為雙膜阻力理論雙膜阻力理論。4 4、吸收速率方程、吸收速率方程（1 1）氣膜吸收速率方程式）氣膜吸收速率方程式 iGiBmGAppkpppRTZDpN式中：式中：PBi，PB分別為惰性組分分別為惰性組分B在氣液界面和氣相主體中在氣液界面和氣相主體中 的分壓，的分壓，Pa； 氣膜傳質分系數，氣膜傳質分系數，kmol/(m2.s.Pa)。Gk第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收當氣相的組成以摩爾分數表示時，相應的氣膜吸收速率當氣相的組成以摩爾分數表示時，相應的氣膜吸收速率方程式為：方程式為：(

45、)AyiNkyy式中： y溶質A在氣相主體中的摩爾分數； yi溶質A在相界面的摩爾分數； ky與氣膜推動力（y-yi）相對應的吸收系數。 式中：式中： 液膜傳質分系數，液膜傳質分系數，m/sm/s。 當液相的組成以摩爾分數表示時，相應的液膜吸收速當液相的組成以摩爾分數表示時，相應的液膜吸收速率方程式為：率方程式為：AxiNkxx式中：式中：k kx x 與液膜推動力（與液膜推動力（x xi i-x-x）相對應的液膜吸收分系）相對應的液膜吸收分系 數，數，kmol/(mkmol/(m2 2.s.kmo/m.s.kmo/m3 3) )或或m/sm/s。Lk第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收cckcc

46、cZcDNiLismLA（2 2）液膜吸收速率方程式）液膜吸收速率方程式k kG G和和k kL L難以得到，界面濃度難以得到，界面濃度p pi i、c ci i很難測量。很難測量。 吸收過程之所以能自動進行，就是由于兩相主體濃度尚未吸收過程之所以能自動進行，就是由于兩相主體濃度尚未達到平衡，一旦任何一相主體濃度與另一相主體濃度達到平衡，達到平衡，一旦任何一相主體濃度與另一相主體濃度達到平衡，推動力便等于零。因此，吸收過程的總推動力可以用任何一相推動力便等于零。因此，吸收過程的總推動力可以用任何一相的主體濃度與其平衡濃度的差來表示。的主體濃度與其平衡濃度的差來表示。 用亨利定律和雙膜理論來處理

47、吸收速率方程，得到：用亨利定律和雙膜理論來處理吸收速率方程，得到：（3 3）總傳質速率方程）總傳質速率方程第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收11*ALGNppk Hk111LGGk HkK令：令：*AGNKpp得：得：上式為氣相總吸收速率方程，上式為氣相總吸收速率方程， K KG G為氣相吸收總系數。它包括了氣、為氣相吸收總系數。它包括了氣、液兩個分系數。即總阻力相當于氣、液兩膜阻力之和。液兩個分系數。即總阻力相當于氣、液兩膜阻力之和。溶解度系數 用同樣的方法，可以推出液相總吸收速率用同樣的方法，可以推出液相總吸收速率方程，得方程，得*ALNKccK KL L- -液相吸收總系數液相吸收總系數。

48、11LGLHkkK第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收 吸收總系數吸收總系數KG和和KL可以通過實驗獲取，也可以可以通過實驗獲取，也可以通過經驗公式或系數關聯試求得。通過經驗公式或系數關聯試求得。 KG、KL和kG、kL、的關系：可以據此判斷吸收過程主要是氣膜控制(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)。對于難溶氣體，由于溶解度系數H很小，說明阻力集中在液膜，傳質過程主要由液膜控制。 111LGLLHkkkK對于易溶氣體，由于溶解度系數H很大，阻力集中在氣膜，過程主要由氣膜控制。1111LGGGk HkkK第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收 對于中等

49、溶解度的氣體，由于H不大也不小，式中的兩項都不可忽略，因此，過程由兩膜共同控制。（4 4）有化學反應的吸收速率方程）有化學反應的吸收速率方程 如化學反應生成物是液相產物，則向液相擴散；如果生成物是氣態物質，則向界面擴散；如果生成物不溶于液相或微溶于液相，則生成物從液相中分離。 由于化學反應吸收使被吸收組分A在液相中的濃度減少,提高了傳質推動力,化學吸收速率方程可用下式表示:0AAiLAAcckNN-化學吸收增強系數化學吸收增強系數第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收 隔柵填料塔隔柵填料塔第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收 ( (三三) ) 吸收設備吸收設備雙接觸噴淋塔雙接觸噴淋塔第六節：氣體吸收第六

50、節：氣體吸收噴淋塔中噴嘴布置噴淋塔中噴嘴布置第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收液柱式噴淋吸收塔液柱式噴淋吸收塔第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收噴射鼓泡吸收塔第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收( (四四) )吸收設備的設計吸收設備的設計1 1、吸收液流量的計算、吸收液流量的計算G為單位時間通過吸收塔任一截面的氣為單位時間通過吸收塔任一截面的氣體流量，體流量，kmol/m2.h；L為單位時間通過吸收塔任一截面的純吸為單位時間通過吸收塔任一截面的純吸收劑的流量，收劑的流量，kmol/m2.h；y、y1、y2分別為塔內任一截面、塔底部、分別為塔內任一截面、塔底部、塔頂部的氣相組成，塔頂部的氣相組成，kmo

51、l吸收質吸收質/kmol吸收液；吸收液；x、x1、x2分別為塔內任一截面、塔底部、分別為塔內任一截面、塔底部、塔頂部的液相組成，塔頂部的液相組成，kmol吸收質吸收質/kmol吸收液。吸收液。第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收11LLyxyxGG2121xxLyyG在吸收塔內進行逆流操作時，對全塔進在吸收塔內進行逆流操作時，對全塔進行物料衡算有：行物料衡算有：在任一截面與塔底之間物料衡算有：在任一截面與塔底之間物料衡算有：或或xxLyyG11上式是吸收塔內任意截面上氣、液兩相上式是吸收塔內任意截面上氣、液兩相質量濃度變化的關系式。可視為該塔的質量濃度變化的關系式。可視為該塔的操作線方程，操作線的

52、斜率為（操作線方程，操作線的斜率為（L/G）。）。第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收 AB線為操作線，0E線為平衡線。操作線上任意一點P（X、Y），代表了塔內某一點的氣、液相組成，與P點對應的平衡線上的某一點M，表示了與X、Y相平衡的濃度X、Y ，兩者的距離（Y-Y），（X-X ）為傳質的推動力。 斜率L/G不同，AB線在圖中的位置也不同，當它與平衡線相交時(AB)，塔一端的傳質推動力減少為零。第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收吸收塔操作線與平衡線進口出口 進一步減少液氣比L/G，則吸收過程就達不到分離的要求，甚至成為解吸過程了。與平衡線相交或相切的操作線的斜率L/G為最小液氣比,(L/G)min

53、，實際操作液氣比必須大于最小液氣比. 最小液氣比的確定,是為了確定操作液氣比及吸收劑用量。當吸收塔頂氣液相濃度確定以后,即塔頂排出氣濃度和吸收液進口濃度確定,圖中A點固定以后,隨著吸收劑用量L的增大,L/G變大,操作線斜率增大,吸收液濃度降低,吸收傳質推動力增加(如AC線),吸收設備尺寸減小,但操作費用增加,反之,吸收液用量減少,雖可減少動力消耗,但吸收液出口濃度增大,導致傳質推動力減少,因而設備尺寸增大。所以,確定一個適宜的吸收劑用量,是塔設計和操作的重要步驟.一般L=(1.12.0)Lmin。第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收最小液氣比按下式計算最小液氣比按下式計算:2121minxxyyG

54、L應用上式計算出最小液氣比以后應用上式計算出最小液氣比以后,可同時權衡吸收效可同時權衡吸收效率和能量消耗、設備尺寸，選擇一個適宜的吸收液率和能量消耗、設備尺寸，選擇一個適宜的吸收液用量。用量。例例:在在30和和101325pa下下,用水吸收用水吸收SO2,廢氣流量廢氣流量5100m3.h-1,廢氣中廢氣中SO2濃度為濃度為1.4%,要求脫除要求脫除95%的的SO2,計算最小吸收劑用量計算最小吸收劑用量.操作條件下操作條件下SO2-H2O系統系統平衡數據是平衡數據是X 0.005 0.003 0.001 0.0005 0.0002Y 0.04972 0.02661 0.00622 0.00224

55、1 0.00079第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收解解:(1)、塔底處氣相進口濃度及液相出口平衡濃度、塔底處氣相進口濃度及液相出口平衡濃度 1210064. 06 .9829644 . 1空氣KmolKmolSOY12100101. 0空氣KmolKmolSOX(2)、塔頂處氣相出口濃度及液相進口濃度、塔頂處氣相出口濃度及液相進口濃度 Y2=0.0064(1-0.95)=0.00032Kmol SO2 . (Kmol空氣空氣)-1 X2=0(設進口吸收劑中不含設進口吸收劑中不含SO2)(L/G)min=(0.0064-0.00032)/(0.00101-0)=6.019Kmol/Kmol總氣量

56、總氣量 GZ=5100/22.4=227.7(Kmol.h-1)空氣量空氣量 Ga=(1-0.0064) 227.7=226.2(Kmol.h-1)最小吸收液量最小吸收液量 Lmin=226.26.019=1361(Kmol.h-1)=24507Kg.h-1第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收2、塔徑的計算、塔徑的計算 uQD43、煙道中煙氣流速、煙道中煙氣流速 國外對出國外對出/入口煙道的設計煙氣流速大約限定在入口煙道的設計煙氣流速大約限定在20m/s； 我國在我國在“火電廠煙風煤粉管道設計技術規程火電廠煙風煤粉管道設計技術規程”中推薦中推薦的煙道流速為的煙道流速為1015m/s；而；而FGD工

57、程招標書一般規定工程招標書一般規定15m/s第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收式中式中 Q氣體流量，氣體流量，m3/h； D塔徑，塔徑，m； u計算空塔速度，計算空塔速度，m/s。4、吸收塔、吸收塔/除霧器煙氣流速除霧器煙氣流速 逆流塔典型的設計煙氣流速范圍大約是逆流塔典型的設計煙氣流速范圍大約是2.55m/s，許多裝置采用，許多裝置采用3m/s的設計流速的設計流速. 我國近年引進的脫流裝置吸收塔煙氣速度我國近年引進的脫流裝置吸收塔煙氣速度電廠電廠名稱名稱珞璜電珞璜電廠廠1期期 珞璜電廠珞璜電廠2期期重慶發重慶發電廠電廠北京一北京一熱熱3、4號號廣東連廣東連州電廠州電廠香港南香港南丫電廠丫電廠吸

58、收塔吸收塔類型類型順流填順流填料塔料塔液柱順液柱順流空塔流空塔液柱逆液柱逆流空塔流空塔逆流噴逆流噴淋空塔淋空塔逆流噴逆流噴淋空塔淋空塔逆流噴逆流噴淋空塔淋空塔順流填順流填料塔料塔吸收塔吸收塔流速流速m/s4.4104.63.33.33.34.75.2第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收5、液氣比、液氣比L/G第六節：氣體吸收第六節：氣體吸收氣體吸附是指氣體從氣相中被吸附到固體表面。被吸附氣體吸附是指氣體從氣相中被吸附到固體表面。被吸附到固體表面的物質稱為吸附質，附著吸附質的物質稱為吸附到固體表面的物質稱為吸附質，附著吸附質的物質稱為吸附劑。劑。根據吸附劑表面與被吸附物質之間的作用力的不同，吸根據吸

59、附劑表面與被吸附物質之間的作用力的不同，吸附可分為物理吸附和化學吸附。附可分為物理吸附和化學吸附。 第七節：氣體吸附第七節：氣體吸附物理吸附物理吸附：由于分子間范德華力引起的，它可以是單：由于分子間范德華力引起的，它可以是單層吸附，亦可以多層吸附。物理吸附的特征是：層吸附，亦可以多層吸附。物理吸附的特征是：(1)(1)吸附質與吸附劑間不發生化學反應；吸附質與吸附劑間不發生化學反應；(2)(2)吸附過程極快，參與吸附的各相間瞬間即達平衡；吸附過程極快，參與吸附的各相間瞬間即達平衡；(3)(3)吸附為放熱反應；吸附為放熱反應；(4)(4)吸附劑與吸附質間的吸附力不強，當氣體中吸附吸附劑與吸附質間的

60、吸附力不強，當氣體中吸附質分壓降低或溫度升高時，被吸附的氣體很容易從固質分壓降低或溫度升高時，被吸附的氣體很容易從固體表面逸出，而不改變氣體原來性狀。體表面逸出，而不改變氣體原來性狀。 化學吸附：化學吸附：由于吸附劑與吸附質間的化學鍵力而引起的是單層吸由于吸附劑與吸附質間的化學鍵力而引起的是單層吸附，吸附需要一定的活化能，化學吸附比物理吸附附，吸附需要一定的活化能，化學吸附比物理吸附強?；瘜W吸附的特征是：強。化學吸附的特征是：(1)(1)吸附有很強的選擇性；吸附有很強的選擇性；(2)(2)吸附速率較慢，達到吸附平衡需相當長時間；吸附速率較慢，達到吸附平衡需相當長時間；(3)(3)溫度升高可提高