气态污染物控制技术

1、气态污染物控制技术第1页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五第一节 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 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2页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五气体扩散在气相中的扩散（Gilliland 方程）第3页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五气体在气相中的扩散扩散系数物质的特性常数之一影响因素：介质的种类温度压强浓度第4页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五气体在气相中的扩散部分气体在空气中的扩散系数（0oC，101.33kPa）第5页，共109

2、页，2022年，5月20日，0点2分，星期五扩散系数的测量Stephan过程第6页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五气体在液相中的扩散在液相中的扩散系数估算方程扩散系数随溶液浓度变化很大上式只适用于稀溶液第7页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五气体在液相中的扩散某些物质在水中的扩散系数（20oC，稀溶液）第8页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五第二节 气体吸收吸收机理 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:CA

3、i=HPAi膜内无物质积累,即达稳态.第9页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸收机理2.渗透模型假定:流体微元气液界面液体主相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第10页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸收机理3.表面更新模型流体微元气液界面液体主相假定: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第11页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期

4、五双膜理论双膜模型气相分传质速率液相分传质速率总传质速率方程xAL第12页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五气液平衡平衡吸收过程的传质速率等于解吸过程溶解度每100kg水中溶解气体的kg数第13页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五气液平衡常见气体的平衡溶解度第14页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五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第15页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸收系数吸收系数的不同形式第16页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五传质阻

5、力传质阻力吸收系数的倒数第17页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五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；准数关联计算第18页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五常用吸收系数经验式第19页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五界面浓度的计算作图法 解析法稀溶液亨利定律+传质方程第20页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五物理吸收操作线方程操作线、平衡线和吸收推动力第21页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五物理吸收最小液气比（平衡线上凸

6、）吸收塔的最小液气比第22页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五物理吸收填料塔高度计算水吸收SO2的平衡线和操作线第23页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五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第24页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五化学吸收两分子反应中相界面附近液相内A与B的浓度分布第25页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五化学吸收的气液平衡平衡浓度计算第26页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五化学吸收速率吸收速

7、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第27页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五例：SO2化学吸收计算主要参数G1入塔气体的总摩尔流量，kmol/(m2h)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/m2h气相SO2的平衡方程 气体进口G0,y0气体出口G1,y1液体进口L1,x1液体出口L0,x0dzzx, y第28页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五例：SO2化学吸收

8、计算边界条件： y(ZT)=y1各种物质浓度 SO2H2O=KhsP SO2 S HSO3-=KhsKs1PSO2s/H+ SO32-=KhsKs1Ks2PSO2s/H+2 第29页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五例：SO2化学吸收计算碱存在时，任意时间 H+M+=OH-+HSO3-+2SO32- 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-y

9、1)y/(1-y)第30页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五例：SO2化学吸收计算简化式可写为第31页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸收设备第32页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸收设备喷淋塔第33页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸收设备第34页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸收设备填料塔第35页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五填料塔第36页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五第七章 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

10、艺与设备计算第37页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五第三节 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、设备简单缺点：吸附容量小、设备体积大第38页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸附机理第39页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附1.吸附力范德华力；2.不发生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；5.吸附可逆；1.吸附力化学键力；2.发生化学反应；3.过程慢；4.升高温度有助于提高速率；5.吸附不可

11、逆；第40页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五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，发生化学吸附第41页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五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第42页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五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 /kgm-32006007501000800800800800热容/kJ(kgK)-10.8361.25

12、40.8361.0450.920.7940.794操作温度上限/K423773673873873873平均孔径/15251848224513再生温度 /K373413473523393423473573473573473573比表面积 /g-16001600210360600第43页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五常用吸附剂特性分子筛特性第44页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五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）第45页，共109页，2022年，5月20日，0点

13、2分，星期五气体吸附的影响因素典型吸附质分子的横截面积第46页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五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第47页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五常见分子的临界直径分子临界直径/分子临界直径/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2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.4

14、4.754.894.9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5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4第48页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五气体吸附的影响因素吸附剂再生 溶剂萃取活性炭吸附SO2，可用水脱附 置换再生脱附剂需要再脱附 降压或真空解吸 吸附作用 ，再生温度 加热再生第49页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸附剂再生第50页，共109

15、页，2022年，5月20日，0点2分，星期五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 第51页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸附等温线第52页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五m单位吸附剂的吸附量P吸附质在气相中的平衡分压K,n经验常数, 实验确定吸附方程式弗罗德里希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分）lgm对lgP作图为直线第53页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸附方程式朗格缪尔（Langmuir）方程（I型等温线）第54页，共109页，2022年，

16、5月20日，0点2分，星期五吸附方程式BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）第55页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸附速率吸附过程 吸附 外扩散（气流主体 外表面） 内扩散（外表面 内表面）第56页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸附速率外扩散速率内扩散速率总吸附速率方程第57页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸附工艺固定床第58页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸附工艺移动床第59页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸附工艺移动床第60页，共109页，2022年，5月2

17、0日，0点2分，星期五吸附工艺流化床第61页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五流化床吸附工艺第62页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五固定床吸附计算第63页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五固定床吸附计算第64页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五固定床吸附计算第65页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五固定床吸附计算保护作用时间L实际曲线与理论曲线的比较1理论线2实际曲线第66页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五固定床吸附计算同样条件下定义动力特性第67页，共109页，2022

18、年，5月20日，0点2分，星期五固定床吸附计算吸附床长度假定条件等温吸附低浓度污染物的吸附吸附等温线为第三种类型吸附区长度为常数吸附床的长度大于吸附区长度第68页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五固定床吸附计算吸附床长度L0吸附区长度WA穿透至耗竭的惰性气体通过量WE耗竭时的通过量1-f吸附区内的饱和度第69页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五吸附器的压力损失1）图解计算第70页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五移动床计算操作线吸附速率方程第71页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五例：用连续移动床逆流等温吸附过程净

19、化含H2S的空气。吸附剂为分子筛。空气中H2S的浓度为3（重量），气相流速为6500kg/h，假定操作在293K和1atm下进行，H2S的净化率要求为95，试确定： (1) 分子筛的需要量（按最小需要量的1.5倍计）； (2) 需要再生时，分子筛中H2S的含量； (3) 需要的传质单元数。解：(1) 吸附器进口气相组成： H2S的流量0.036500195kg/h 空气的流量65001956305kg/h 吸附器出口气相组成： H2S0.05(195)9.75 kg/h 空气6305 kg/h 移动床计算第72页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五移动床计算实验得到的平衡关系

20、如右图假定X20，从图得（X1）最大0.1147所以实际需要的分子筛 0.37263052345.5kg/h(2)分子筛吸收H2S的平衡数据第73页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五移动床计算(3)图解积分法计算NOGNOG3.127第74页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五第七章 气态污染物控制技术基础(3)气体催化净化催化作用和催化剂气固催化反应动力学气固相催化反应器的设计第75页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五第四节 气体催化净化含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理的物质应用工业尾气和烟气去除SO2和

21、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第76页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化净化工艺段间冷却的四层催化床第二级催化床预除尘和水分填充床吸收塔填充床吸收塔来自冶炼厂或硫磺燃烧的富含SO2的尾气水含有约为初始进气SO2浓度3%的尾气含有约为初始进气SO2浓度0.3%的尾气水单级吸收工艺二级吸收工艺SO2单级和二级净化工艺的流程图催化反应：420550第77页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化净化工艺催化剂：Pt (Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3 等第78页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化净

22、化工艺NOxNH3 filter Combustor MixerReactorNOx的选择性催化还原（SCR）第79页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化净化工艺车用催化转化器第80页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五气体催化净化催化作用改变反应历程，降低活化能提高反应速率 （阿累尼乌斯方程） 显著特征对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡选择性第81页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化剂加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后保持不变的物质组成活性组分 助催化剂 载体第82页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期

23、五催化剂的性能活性W产品质量WR催化剂质量t反应时间第83页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化剂的性能稳定性热稳定性、机械稳定性和化学稳定性表示方法：寿命老化活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等中毒对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb第84页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五气固催化反应动力学反应过程(1)反应物从气流主体-催化剂外表面(2) 进一步向催化剂的微孔内扩散(3)反应物在催化剂的表面上被吸附(4)吸附的反应物转为为生成物(5)生成物从催化剂表面脱附下来(6)脱附生成物从微孔向外表面扩散(7)生成物从外表面扩散到

24、气流主体(1),(7)：外扩散；(2),(6)内扩散 (3),(4),(5)：动力学过程主气流微孔固相催化剂粒子示意图第85页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化剂反应动力学催化剂中的浓度分布第86页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化剂反应动力学第87页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化剂反应动力学反应速度取决于带 反应(最慢反应)，其它都达到平衡例：AB RS表面反应控制 吸附或脱附控制A的吸附：B的吸附：表面反应：R的脱附：S的脱附：第88页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化反应动力学方程表面化学

25、反应速率对于催化床NA反应物A的流量，kmol/hNA0反应物A的初始流量，kmol/hVR反应气体体积，m3x转化率L反应床长度，mA反应床截面积，m2Q反应气体流量，m3t接触时间，hcA0反应物的初始浓度,kmol/m3第89页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化反应动力学方程宏观动力学方程外扩散的传质速率第90页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化反应动力学方程宏观动力学方程内扩散反应速率第91页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化反应动力学方程催化剂有效系数反应催化剂微孔内浓度分布对反应速率的影响 在内扩散的影响下催化

26、剂微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平衡浓度催化剂内表面积并未充分利用值较小第92页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化反应动力学方程催化剂有效系数实验测定第93页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化反应动力学方程催化剂有效系数一级不可逆反应第94页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五内外扩散的影响外扩散控制降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：KG消除方法提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影响消除下限流速第95页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五

27、内外扩散的影响内扩散控制降低催化剂内反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：消除方法尽量减小催化剂颗粒大小粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影响消除第96页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化反应器的设计设计基础停留时间决定反应的转化率由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方式决定第97页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化反应器的设计设计基础反应器的流动模型活塞流、混合流实际流态介于两者之间反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相应的统计分布停留时间分布函数工业上，连续釜式反应器理想混合反应器；径高比大的固定床活塞流反应器第98页，共109页，2022年，5月20日，0点2分，星期五催化反应器的设计设计基础空间速度单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积第99页，共109页，2022