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第七章 气态污染物控制技术基础 (1)

第七章 气态污染物控制技术基础 (1). 气体吸收 气体吸附 气体催化净化. 气体扩散过程 分子扩散－分子运动引起 湍流扩散－流体质点运动引起. 第一节 气体扩散. 气态污染物脱除过程的单元操作 流体输送 热量传递 质量传递. 第二节 气体吸收. 利用吸收剂将混合气体中的一种或多种组分有选择地吸收分离的过程 —— 吸收 。具有吸收作用的物质 —— 吸收剂 ；被吸收的组分 —— 吸收质 。 根据吸收过程中发生化学反应与否，将吸收分为① 物理吸收 ： ② 化学吸收 。

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第七章 气态污染物控制技术基础 (1)

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Presentation Transcript

  1. 第七章 气态污染物控制技术基础(1) • 气体吸收 • 气体吸附 • 气体催化净化

  2. 气体扩散过程 • 分子扩散－分子运动引起 • 湍流扩散－流体质点运动引起 第一节 气体扩散 • 气态污染物脱除过程的单元操作 • 流体输送 • 热量传递 • 质量传递

  3. 第二节 气体吸收 • 利用吸收剂将混合气体中的一种或多种组分有选择地吸收分离的过程——吸收。具有吸收作用的物质——吸收剂；被吸收的组分——吸收质。 • 根据吸收过程中发生化学反应与否，将吸收分为①物理吸收： ②化学吸收。 • 吸收净化法：是利用混合气体各组分在吸收剂中溶解度不同，或与吸收剂中的活性组分发生化学反应，从而将有害物从废气中分离出来。 • 一般来说，化学反应的存在能提高反应速度，并使吸收的程度更趋于完全。结合大气污染治理工程中所需净化治理的废气，具有气量大，污染物浓度低等特点，实际中多采用化学吸收法。

  4. 吸收机理 • 双膜理论 关于气液两相的物质传递理论，有 “双膜理论”（又称“滞留膜理论”）、“溶质渗透理论”、“表面更新理论”等，但以双膜理论的应用最广泛。它不仅适用于分析物理吸收过程,也可用来分析伴有化学反应的化学吸收过程。 • 基本论点： （1）在气液两相接触时存在一个相界面。相界面两侧分别存在一层稳定的滞留膜层——气膜和液膜。

  5. （2）气液主体流速愈大，膜厚度愈薄。质量传递过程为：（2）气液主体流速愈大，膜厚度愈薄。质量传递过程为： （3）两相主体中不存在传质阻力，仅在薄膜中发生浓度变化；存在分子扩散阻力。 （4）在界面上气液两相呈平衡态，即在相界面上无扩散阻力； 由此可见：传质阻力来自气膜和液膜 传质推动力来自可溶组分的分压差和 浓度差

  6. xAl 吸收速率=吸收推动力×吸收系数=吸收推动力/吸收阻力 • 气相分传质速率 • 液相分传质速率 • 总传质速率方程

  7. 气液平衡 • 气液平衡－吸收过程的传质速率等于解吸过程的传质速率 • 溶解度 每100kg水中溶解气体的kg数 气体的溶解度与温度有关，多数气体的溶解度随温度的升高而降低； 温度一定时，P总增大，溶解度增大

  8. 亨利定律 • 亨利定律 • 一定温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比 • 参数换算

  9. 例：推算温度25℃，分压为1.013×105Pa时，CO2在水中的溶解度已知25℃下，水的ρL=977Kg/m3：例：推算温度25℃，分压为1.013×105Pa时，CO2在水中的溶解度已知25℃下，水的ρL=977Kg/m3： 解：利用 由书中表7-6查得25℃时E=1.66×105Kpa，则： 依式7-20：

  10. 传质阻力 • 传质阻力－吸收系数的倒数

  11. 吸收系数 • 吸收系数的不同形式

  12. 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

  13. 常用吸收系数经验式

  14. 界面浓度的计算 • 作图法 • 解析法 • 稀溶液亨利定律+传质方程

  15. 物理吸收 单位时间内吸收量WA =气相中组分减少量=液相中组分增加量 WA =GBy1-GBy2=G1(1-y1)(Y1-Y2) =

  16. 操作线方程 对全塔进行物料衡算： 就任意截面与塔底间进行物料衡算有： 低浓度气体吸收操作线方程 Y≈y，X≈x， G≈GB，L≈Ls

  17. 操作线、平衡线和吸收推动力 操作线斜率为Ls/GB （液气比），直线两端分别反映了塔底（Y1，X1）和塔顶（Y2，X2）的气液两相组成 • 在Y—X图上，吸收操作线处于平衡线之上 • 操作线与平衡线之间的距离—— （Y-Y*）、 （X*-X）反映了吸收推动力的大小 • 平衡线与操作线不能相交或相切

  18. 最小液气比 吸收塔设计需通过计算确定吸收剂用量Ls及出塔溶液中吸收质浓度X1。通常在计算中先确定LS值，则X1便随之而定。 可通过确定操作线斜率LS/GB（液气比）来确定LS。 • 当塔底操作点D与平衡线相交时，X1与Y1成平衡，这是理论上吸收液所能达到的最高浓度，以X1*表示，此操作线对应的液气比称为最小液气比，以（Ls/GB）min表示。

  19. 最小液气比 • 若为低浓度气体吸收， 且溶液为稀溶液，则 • LS过大，有利于吸收。但动力消耗↑，吸收剂再生费用↑，造成大量废水。 • LS过小，不利于吸收。不能达到要求。 • 根据实际经验，一般取：L=(1.1~2.0)Lmin。

  20. 例：在20℃，1.013×105Pa条件下，填料塔中用水洗涤含8%SO2的低浓度烟气。要求净化后塔顶排气中SO2浓度降至1%，净化烟气量为300m3/h。计算逆流吸收过程所需最小液流量。例：在20℃，1.013×105Pa条件下，填料塔中用水洗涤含8%SO2的低浓度烟气。要求净化后塔顶排气中SO2浓度降至1%，净化烟气量为300m3/h。计算逆流吸收过程所需最小液流量。 • 解：在操作条件下查表7—5得E=0.355×104kPa 由于低浓度气体吸收，且溶液为稀溶液，其气液关系服从亨利定律.从而最小气液比为：

  21. 水吸收SO2的平衡线和操作线 物理吸收 • 填料塔高度计算

  22. 化学吸收 • 化学吸收的优点 • 溶质进入溶剂后因化学反应消耗掉，溶剂容纳的溶质量增多 • 液膜扩散阻力降低 • 填料表面的停滞层仍为有效湿表面

  23. 化学吸收 两分子反应中相界面附近液相内A与B的浓度分布

  24. 化学吸收的气液平衡 • 平衡浓度计算

  25. 化学吸收速率 • 吸收速率 • 物理吸收时 • 化学吸收时 K1－未发生化学反应时的液相传质分系数 －由于化学反应使吸收速率增强的系数 • 相当于选取相同的推动力C, 选用不同的传质系数－引入增强系数

  26. 液体进口 L1,x1 气体出口 G1,y1 z dz x, y 气体进口 G0,y0 液体出口 L0,x0 例：SO2化学吸收计算 • 主要参数 • G1—入塔气体的总摩尔流量，kmol/(m2•h) • y1、y2—入塔、出塔气体的SO2摩尔分率 • pH1—浆液的初始pH值 • W—单位时间通过塔任一截面单位面积的吸收剂体积流量，m3/m2·h • 气相SO2的平衡方程

  27. 例：SO2化学吸收计算 • 边界条件： y(ZT)=y1 • 各种物质浓度 [SO2·H2O]=KhsPSO2S [HSO3-]=KhsKs1PSO2s/[H+] [SO32-]=KhsKs1Ks2PSO2s/[H+]2

  28. 例：SO2化学吸收计算 • 碱存在时，任意时间 [H+]+[M+]=[OH-]+[HSO3-]+2[SO32-] 即：[H+]+[M+]=KW/[H+]1-KhsKs1PSO2s/[H+]+2KhsKs1Ks2PSO2s/[H+]2 • 在塔底（z=ZT）和z之间计算SO2的物料平衡 G1y1+WKhsPSO2s(1+Ks1/[H+]+2Ks1Ks2/[H+]2) =G1y1-G1(1-y1)y2/(1-y2)+G1(1-y1)y/(1-y)

  29. 例：SO2化学吸收计算 • 简化式可写为

  30. 吸收设备

  31. 吸收设备 • 喷淋塔

  32. 吸收设备

  33. 吸收设备 • 填料塔

  34. 填料塔

  35. 第七章 气态污染物控制技术基础(2) • 气体吸附 • 吸附剂 • 吸附机理 • 吸附工艺与设备计算

  36. 第三节 气体吸附 • 吸附 • 用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面 • 吸附质－被吸附物质 • 吸附剂－附着吸附质的物质 • 优点：效率高、可回收、设备简单，易实现自动化控制 • 缺点：吸附容量小、设备体积大

  37. 吸附机理

  38. 物理吸附和化学吸附

  39. 物理吸附和化学吸附 • 同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附 • 若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附

  40. 吸附剂 • 吸附剂需具备的特性 • 内表面积大 • 具有选择性吸附作用 • 高机械强度、化学和热稳定性 • 吸附容量大 • 来源广泛，造价低廉 • 良好的再生性能

  41. 吸附剂类型 活性炭 活性氧化铝 硅胶 沸石分子筛 4A 5A 13x 堆积密度/kg·m-3 200～600 750～1000 800 800 800 800 热容/kJ(kg·K)-1 0.836～1.254 0.836～1.045 0.92 0.794 0.794 —— 操作温度上限/K 423 773 673 873 873 873 平均孔径/Å 15～25 18～48 22 4 5 13 再生温度/K 373～413 473～523 393～423 473～573 473～573 473～573 比表面积/㎡·g-1 600～1600 210～360 600 —— —— —— 常用吸附剂特性

  42. 常用吸附剂特性 • 分子筛特性

  43. 气体吸附的影响因素 • 操作条件 • 低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附 • 增大气相压力利于吸附 • 吸附剂性质 • 比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）

  44. 气体吸附的影响因素 • 典型吸附质分子的横截面积

  45. 气体吸附的影响因素 • 吸附质性质、浓度 • 临界直径－吸附质不易渗入的最大直径 • 吸附质的分子量、沸点、饱和性 • 吸附剂活性 • 单位吸附剂吸附的吸附质的量 • 静活性－吸附达到饱和时的吸附量 • 动活性－未达到平衡时的吸附量

  46. 分子 临界直径/Å 分子 临界直径/Å 氦 氢 乙炔 氧 一氧化碳 二氧化碳 氮 水 氨 氩 甲烷 乙烯 环氧乙烷 乙烷 甲醇 乙醇 环丙烷 丙烷 正丁烷-正二十二烷 2.0 2.4 2.4 2.8 2.8 2.8 3.0 3.15 3.8 3.84 4.0 4.25 4.2 4.2 4.4 4.4 4.75 4.89 4.9 丙烯 1-丁烯 2-反丁烯 1,3-丁二烯 二氟-氯甲烷(CFC-22) 噻吩 异丁烷-异二十二烷 二氟二氯甲烷(CFC-12) 环己烷 甲苯 对二甲苯 苯 四氯化碳 氯仿 新戊烷 间二甲苯 邻二甲苯 三乙胺 5.0 5.1 5.1 5.2 5.3 5.3 5.58 5.93 6.1 6.7 6.7 6.8 6.9 6.9 6.9 7.1 7.4 8.4 常见分子的临界直径

  47. 加热再生 • 吸附作用 ，再生温度 气体吸附的影响因素 • 吸附剂再生 • 降压或真空解吸 • 置换再生 • 脱附剂需要再脱附 • 溶剂萃取 • 活性炭吸附SO2，可用水脱附

  48. 吸附剂再生

  49. 吸附平衡 • 当吸附速度＝脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值 • 极限吸附量受气体压力和温度的影响 • 吸附等温线

  50. 吸附等温线

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