第七章 气态污染物控制技术基础
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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:. ξ 7 - 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。

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第七章 气态污染物控制技术基础


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回收利用

达标排放

有害气体

能否净化

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


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有害气体净化方法主要有四种:


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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。


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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。


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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


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  • 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。


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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。


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  • 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。


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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,


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C、用比摩尔分数表示气液两相中吸收质的浓度时,


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  • 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.


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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


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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


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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。


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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


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  • 2、单位时间内通过液膜传到液相主体的吸收质量


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  • 同理,


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吸收系数

  • 吸收系数的不同形式


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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。


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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


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传质阻力

  • 传质阻力-吸收系数的倒数


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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)。


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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)


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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。


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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。


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  • 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。


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  • 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。


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  • 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


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  • 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


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  • 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。


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吸收设备


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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


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  • 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。


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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


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  • 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。


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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)。


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物理吸收

  • 最小液气比

(平衡线上凸)

吸收塔的最小液气比


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  • 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。


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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


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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


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  • 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*,


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  • 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


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  • 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。


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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。


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1/(Y-Y*)

Y


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五、填料塔阻力计算

  • 见《工业通风》p130(建工出版社)孙一坚主编


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