沈阳农业大学土地与环境学院环境工程概论课件第四章PPT课件

1、l（一）物理吸收l 较简单，可看成是单纯的物理溶解过程；l 吸收限度取决于气体在液体中的平衡浓度；l 吸收速率主要取决于污染物从气相转入液相的扩散速度。l（二）化学吸收l 吸收过程中组分与吸收剂发生化学反应；l 吸收限度同时取决于气液平衡和液相反应的平衡条件；l 吸收速率同时取决于扩散速度和反应速度。第1页/共49页 二、吸收机理（一）双膜理论（应用最广）在气液两相接触时，两相间有一个相界面，在相界面两侧分别存在一层稳定的滞留膜层，分别称作气膜和液膜，气膜厚度Zg，液膜厚度为Zl。气液两个膜层分别将各相主体流与相界面隔开，气液相质量传递过程是气相主体流中的吸收质先以湍流扩散到气膜表面，然后再以

2、分子扩散流通过气膜到相界面，继而进入液膜，吸收质仍以分子扩散方式通过液膜再进入液相主体流中。在吸收质量传递的同时，也存在着相反的质量传递（解吸），两个不同方向的质量传递一直达到动平衡状态时为止。在两相质量传递过程中，只有通过气液膜时，发生分子扩散阻力；在气液两相主体流中由于湍流不存在浓度梯度，因而也就不存在传质阻力。在相界面上，气液两相随时都处于平衡状态。相界面第2页/共49页l1. 吸收过程：混合气体中（气相中）的吸收质向吸收剂中进行质量传递。（气液）l2. 解吸过程：液相中吸收质向气相逸出的质量传递过程。 （液气）l3. 相平衡：在一定的温度、压力条件下，吸收的传质数率=解吸的传质数率 气

3、液两相达到动态平衡，简称相平衡。l4. 平衡分压：气相中的吸收质组分的分压。l5. 溶解度：液相吸收剂所溶解吸收质组分的浓度。l（每100kg水中溶解气体的kg数）第3页/共49页 常见气体的平衡溶解度特点：不同性质的气体在同温、同压下的溶解度不同 多数气体的溶解度随温度升高而下降当温度一定时溶解度随吸收质分压的升高而增大第4页/共49页 物理吸收时，常亨利定律来描述气液相间的相平衡关系。 总压小于5105Pa时，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，即P*=Ex P*溶质组分在气相中的平衡分压, Pa；x溶质组分在液相中的摩尔分数n质/(n质+n剂) E亨利系数第5页

4、/共49页气相用平衡分压，液相用物质的量浓度表示: P*=C/HC液相中溶质的摩尔浓度, mol/m3 ; H溶解度系数, mol/mP; 溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率x、y表示:y*=mx x溶质在液相中的摩尔分数； y*与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分数；m相平衡常数,无因次。 第6页/共49页（四）化学吸收l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第7页/共49页三、吸收剂的选择 （一）吸收剂的选择原则1.吸收剂应对混合气体中被吸收组分具有良好的选择性和较大的吸收能力。 2.饱和蒸气压低，以减少挥发损失，

5、避免吸收液成分进入气相，造成浪费和新的污染。 3.沸点高，热稳定性高，不易起泡。 4.油性小，能改善吸收塔内的流动状况，提高吸收速率，降低泵的功耗，减小个阻力； 5.化学稳定性高，腐蚀性小、无毒性、不易燃； 6.价廉易得、易于解吸再生或产生的富液易于综合利用。 第8页/共49页 （二）吸收剂的选择方法 1.对于物理吸收，要求溶解度大，可按照相似相溶规律选择吸收剂，即从与吸收质结构相近的物质中筛选吸收剂。 2.对于化学吸收过程，可以选择容易与被吸收组分发生化学反应的物质作吸收。 3.在水中溶解度较大的气体，用水作吸收剂是首选对象，优点是价廉易得、吸收流程、设备和操作都比较简单；缺点是设备庞大、净

6、化效率低、动力消耗大。 4.碱金属钠、钾、铰或碱土金属钙、镁等的溶液，是另一类常用吸收剂。由于这类吸收剂能与被吸收的气态污染物如 SO2、HCI、HF、NO2等之间发生化学反应，因而使吸收能力大大增加。 5.吸收碱性气体常用各种酸液作为吸收剂；对于酸性气体，则优先选用碱性或碱性盐溶液吸收。 第9页/共49页 （三）吸收剂的再生 吸收剂使用到一定程度，需要处理后再使用，处理的方式：一是通过再生回收副产品后重新利用，如亚硫酸钠法吸收SO2气体，吸收液中的亚硫酸氢钠经加热再生，回收SO2后变为亚硫酸钠重新使用；二是直接把吸收液加工成副产品，如用氨水吸收SO2得到的亚硫酸铵经氧化变为硫酸铵化肥。 第1

7、0页/共49页四、吸收设备第11页/共49页喷淋塔第12页/共49页填料塔除雾器液体喷雾填料液体出口第13页/共49页第14页/共49页第二节 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第15页/共49页一、吸附净化的概念 多孔性固体物质具有选择性吸附废气中的一种或多种有害组分的特点。 吸附净化是利用多孔性固体物质的这一特点，实现净化废气的一种方法。（一）吸附净化法的特点 1. 适用范围 常用于浓度低，毒性大的有害气体的净化，但处理的气体量不宜过大； 对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率； 当处理的气体量较小时，用吸附法灵

8、活方便。第16页/共49页2. 优点：净化效率高，可回收有用组分，设备简单，易实现自动化控制。3. 缺点：吸附容量小，设备体积大；吸附剂容量往往有限，需频繁再生，间歇吸附过程的再生操作麻烦且设备利用率低。4. 应用：广泛应用于有机化工、石油化工等部门。 环境治理方面：废气治理中，脱除水分、有机蒸汽、恶臭、HF 、SO2、NOX等。第17页/共49页二、吸附机理第18页/共49页三、物理吸附和化学吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附1.吸附力范德华力，可是单层吸附力范德华力，可是单层或多层吸附；或多层吸附；2.吸附质与吸附剂之间不发生化吸附质与吸附剂之间不发生化学反应；学反应；3.吸附过程快，瞬

9、间达到平衡；吸附过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；放热反应；5.吸附剂与吸附质间的吸附力不吸附剂与吸附质间的吸附力不强，吸附可逆。强，吸附可逆。1.吸附力化学键力，单层吸附吸附力化学键力，单层吸附2.吸附有很强的选择性；吸附有很强的选择性；3.吸附速率较慢，达到吸附平衡吸附速率较慢，达到吸附平衡需相当长时间；需相当长时间；4.升高温度可提高吸附速率；升高温度可提高吸附速率；5.吸附不可逆。吸附不可逆。第19页/共49页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，发生化学吸附第20页/共49页四、吸附剂 吸附剂应具备的特性： 内表面积大 具有选择性吸附作用 高

10、机械强度、化学和热稳定性 吸附容量大 来源广泛，造价低廉 良好的再生性能第21页/共49页常用吸附剂特性吸附剂类型活性炭活性氧化铝硅胶沸石分子筛4A5A13x堆 积 密 度 (kg/m3)200 -600750 -1000800800800800热容(KJ/KgK)0.836 -1.2540.836 -1.0450.920.7940.794操作温度上限 （K）423773673873873873平 均 孔 径 （）15 -2518 - 48224513再 生 温 度 （K）373 -413473 -523393 -423473 -573473 -573473 -573比 表 面 积 （/g）6

11、00-1600210-360600第22页/共49页 活性炭：疏水性，常用于空气中有机溶剂，催化脱除尾气中SO2、NOX等恶臭物质的净化；优点：性能稳定、抗腐蚀。缺点：可燃性，因此使用温度不能超过200，在惰性气流掩护下，操作温度可达500。 活性氧化铝：用于气体干燥，石油气脱硫，含氟废气净化（对水有强吸附能力）。 硅胶：亲水性，从水中吸附水份量可达硅胶自身质量的50%，而难于吸附非极性物质。常用于处理含湿量较高的气体干燥，烃类物质回收等。 沸石分子筛：是一种人工合成沸石，为微孔型、具有立方晶体的硅酸盐。 通式为：Mex/n(Al2O3)x(SiO2)ymH2O 特点：孔径整齐均一，因而具有筛

12、分性能，一种离子型吸附剂，对极性分子，不饱和有机物具有选择吸附能力。 吸附树脂：最初为酚、醛类缩合高聚物，以后出现一系列的交联共聚物，如聚苯乙烯等。大孔吸附树脂除了价格较贵外，比起活性炭，物理化学性能稳定，品种较多，能用于废水处理，维生素的分离及H2O2的精制等。第23页/共49页五、气体吸附的影响因素（一）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0322.4 10mfVWNAf（二）吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）第24页/共49页（三）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（四）吸附剂活性 单位吸附剂吸附的吸附

13、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第25页/共49页六、吸附剂再生 溶剂萃取l活性炭吸附SO2，可用水脱附 置换再生l脱附剂需要再脱附 降压或真空解吸l 吸附作用 ，再生温度 加热解吸再生第26页/共49页第27页/共49页含含污污染染物物的的气气体体 第28页/共49页第29页/共49页第30页/共49页第三节 气体催化净化 （一）定义：催化转化是指废气通过催化床层发生催化反应，使其中的污染物转化为无害或易于处理与回收利用物质的净化 （二）应用 工业尾气和烟气去除SO2和NOx 有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化 汽车尾气的催化净化一、气体催化净化第31

14、页/共49页 （三）优点 1. 对不同浓度的污染物具有很高转化率； 2. 污染物与主气流不需要分离，避免了可能产生的第二次污染； 3. 操作过程简化。 （四）缺点 催化剂较贵，且废气预热需耗一定能量，这样使净化处理的费用增加。第32页/共49页 （一）催化作用 化学反应速度因加入某种物质而改变，而被加入物质的数量和性质，在反应终了时不变的作用。 改变反应历程，降低活化能 提高反应速率 （多位活化络合物理论） exp()EKART（二）显著特征只能加速化学反应速度，对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡具有特殊的选择性（阿累尼乌斯方程）二、催化机理第33页/共49页三、催化剂（一）定义：加速化学

15、反应，而本身的化学性质在反应前后保持不变的物质。（二）组成 活性组分 助催剂 载体l活性组分：催化剂主体，可单独作为催化剂；l助催化剂：(1)本身无活性(2)具有提高活性组分活性的作用；l载体：起支撑活性组分的作用，使催化剂具有合适形状与粒度，从而有大的比表面积，增大催化剂活性，节约活性组分用量，并有传热、稀释和增强机械强度作用，可增加延长催化剂使用寿命。第34页/共49页第35页/共49页（三）催化剂的性能1. 活性RWAtW衡量催化剂效能大小的标准。l工业中，常把产品量换算为转化率X表示%100物摩尔数通过催化剂床层的反应反应物反应了的摩尔数X第36页/共49页100B 反应所得目的产物摩

16、尔数通过催化剂床层后反应了的反应物摩尔数2. 选择性: 是指若化学反应在热力学上有几个反应方向时，一种催化剂在一定条件下只对其中的一个反应起加速作用的特征，表示为：活性-催化剂对提高产品产量的作用；选择性-表示催化剂对提高原料利用率的作用；第37页/共49页 3. 稳定性 定义：催化剂在化学反应过程中保持活性的能力。定义：催化剂在化学反应过程中保持活性的能力。 包括：包括：(1)热稳定性；热稳定性；(2)机械稳定性；机械稳定性；(3)抗毒稳定性。抗毒稳定性。影响催化剂寿命的因素主要有：催化剂的老化和中毒。催化剂的老化：是指催化剂在正常工作条件逐步失去活性过程。催化剂的中毒：是指反应物中少量杂质

17、使催化活性迅速下降的现象。 老化老化 活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等 中毒中毒 对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb第38页/共49页四、气固催化反应动力学l（一）反应过程l气固催化反应一般经历如下五个步骤：l外扩散过程：反应物从气相主体到催化剂外表面；l内扩散过程：催化剂外表面到微孔内颗粒内表面吸附反应；l化学动力学控制过程：颗粒内表面吸附反应产物离开内表面；l内扩散：产物微孔到外表面；l外扩散：外表面到气相主体主气流微孔固相催化剂粒子示意图第39页/共49页l 吸附过程：反应物在催化剂表面上被吸附；l 表面过程：吸附的反应物在催化剂表面上发生化学反应（表面

18、反应过程）；l脱附过程：反应产物从催化剂表面上脱附下来。l上述几步速度最慢（阻力最大）者决定整个过程的总反应浓度，这一步称为控制步骤 第40页/共49页（二）催化剂中的浓度分布气流主体中的浓度催化剂外表面浓度颗粒中心处的浓度第41页/共49页（一）固定床反应器l最主要的气固相催化反应器优点: l流体接近于平推流，返混小，反应速度较快l固定床中催化剂不易磨损，可长期使用l停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，高选择性和转化率缺点:l传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点)l催化剂更换需停产进行五、气固催化反应器及设备第42页/共49页l1. 单层绝热反应器结构简单，造价低廉，气流阻力小内部温度分布不均适用于反应热效应不大的放热反应，反应过程允许温度有较宽变动范围的反应；热效应较大的，但对反应温度不很敏感或是反应速率非常快的过程也可适用。 固定床反应器的结构型式主要分为绝热式和换热式两类，以适应不同的传热要求和传热方式。 第43页/共49页l2. 多段绝热反应器根据段间反应气体的冷却或加热方式，多段绝热床又分为中间间接换热式和冷