气态污染物控制技术基础-第一部分解析课件

第七章

气态污染物控制技术基础第七章气体吸收气体吸附气体的催化净化本章主要内容2气体吸收本章主要内容21、吸收原理

2、物理吸收传质计算

3、化学吸收传质计算

4、吸收设备3一、气体吸收1、吸收原理

2、物理吸收传质计算

3、化学吸收传质计算

41、吸收原理4吸收机理、气液平衡吸收速率：吸收质在单位时间内通过单位面积界面而被吸收剂吸收的量一、气体吸收吸收速率＝吸收推动力×吸收系数吸收速率＝吸收推动力÷吸收阻力用一相主体与界面的浓度差表示推动力用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力1、吸收原理4吸收机理、气液平衡一、气体吸收吸收速率＝吸收推气膜控制(易溶气体)液膜控制(难溶气体)气、液膜控制1.水或氨水吸收氨2.浓硫酸吸收三氧化硫3.水或稀盐酸吸收氯化氢4.酸吸收5%氨5.碱或氨水吸收二氧化硫6.氢氧化钠溶液吸收硫化氢7.液体的蒸发或冷凝1.水或弱碱吸收二氧化碳2.水吸收氧气3.水吸收氯气

1.水吸收二氧化碳2.水吸收丙酮3.浓硫酸吸收二氧化氮4.碱吸收硫化氢吸收过程的控制步骤一、气体吸收1、吸收原理吸收速率：5气膜控制液膜控制气、液膜控制1.水或氨水吸收氨1.水一、气体吸收1、吸收原理界面浓度的计算：作图法

气液相平衡时,气液界面两侧气相传质速率与液相传质速率相等

界面浓度(xi,yi)就是通过点(x,y)斜率为-kx/ky的直线与气液平衡线的交点yxAIxiyi6一、气体吸收1、吸收原理界面浓度的计算：作图法 界面浓度(x一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收操作线方程：塔内任一截面上气液两相组成:在吸收塔任何断面上，气相中污染物减少的量等于液相中增加的量在整个吸收过程中，吸收剂和混合气体中惰性成分的总量不变7一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收操作线方程：塔内任一截面一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收操作线方程：逆流吸收塔的操作线并流吸收塔的操作线是怎样的？吸收推动力8一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收操作线方程：逆流吸收塔的一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收剂用量：当出塔吸收液浓度X1和进塔气相中吸收质浓度Y1成平衡，X1=X1*吸收液的吸收能力得到充分发挥，对应液气比为最小液气比：9一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收剂用量：当出塔吸收液浓度一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收塔设计：（1）吸收塔的塔径：根据空塔气速确定（2）吸收塔的塔高：Hy——气相总传质单元高度，反映了吸收设备传质效能的高低Ny——气相总传质单元数，反映了吸收过程的难易程度10一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收塔设计：（1）吸收塔的塔一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收塔设计：（3）传质单元数的求取：①

对数平均法：在相平衡线近似为直线的情况下，YXABY=Y-Y*Y1Y211一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收塔设计：（3）传质单元数一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收塔设计：（3）传质单元数的求取：②图解积分法：12一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收塔设计：（3）传质单元数一、气体吸收3、化学吸收传质计算化学反应对吸收的影响极慢反应水吸收SO2缓慢反应Na2CO3吸收CO2

较快反应NaOH吸收CO2

瞬时反应碱液吸收SO2

13一、气体吸收3、化学吸收传质计算化学反应对吸收的影响极慢反应一、气体吸收3、化学吸收传质计算化学吸收速率物理吸收时：化学吸收时，由于液相发生化学反应，传质分系数和传质推动力增大：化学吸收速率：－由于化学反应使吸收速率增强的系数14一、气体吸收3、化学吸收传质计算化学吸收速率物理吸收时：－一、气体吸收3、化学吸收传质计算气液平衡平衡浓度计算平衡分压与平衡溶解度之间的关系溶于液相的溶质量：CA=[A]物理平衡+[A]化学消耗

被吸收组分的气液平衡关系取决于相平衡，又服从化学平衡一般化学反应被吸收组分与溶剂相互作用被吸收组分在溶液中离解被吸收组分与溶剂中活性组分作用15一、气体吸收3、化学吸收传质计算气液平衡平衡浓度计算15一、气体吸收3、化学吸收传质计算气液平衡一般化学反应亨利定律：[A]=HA·pA*

化学平衡：得到：16一、气体吸收3、化学吸收传质计算气液平衡一般化学反应亨利定律一、气体吸收3、化学吸收传质计算气液平衡被吸收组分A与溶剂B的相互作用：水吸收氨被吸收组分A在溶液中解离：水吸收CO2、SO2被吸收组分A与溶剂中活性组分B作用：若物理溶解量可忽略不计：k1=k·HA17k:化学反应平衡常数一、气体吸收3、化学吸收传质计算气液平衡被吸收组分A与溶剂B主要参数G1

、G2—入塔、出塔气体的总摩尔流率，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率，m3/m2·h气体进口G1,y1气体出口G2,y2液体进口W2,x2液体出口W1,x1dzzx,yW一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算18主要参数气体进口气体出口液体进口液体出口dzzx,yW一、(1)气相SO2的物料衡算气体进口G1,y1气体出口G2,y2液体进口W2,x2液体出口W1,x1dzzx,yW一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算19(1)气相SO2的物料衡算气体进口气体出口液体进口液体出口(2)化学反应平衡

20水吸收SO2的平衡常数一、气体吸收SO2溶于水形成的各种物质浓度(pSO2S为液体上方SO2分压)[SO2·H2O]=KhspSO2S

[HSO3-]=KhsKs1pSO2s/[H+][SO32-]=KhsKs1Ks2pSO2s/[H+]23、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算(2)化学反应平衡20水吸收SO2的平衡常数一、气体吸收S(2)化学反应平衡

一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算如吸收剂中活性组分为碱MOH，离解：

[MOH]=[M+]1+[OH-]1水的离解平衡常数： KW=[OH-]1٠[H+]1任意时间溶液的电荷守恒：

[H+]+[M+]=[OH-]+[HSO3-]+2[SO32-]

即：[H+]+[M+]=KW/[H+]1-KhsKs1pSO2s/[H+]+2KhsKs1Ks2pSO2s/[H+]2

21(2)化学反应平衡一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化22(3)在塔底（z=ZT）和z之间计算SO2的物料平衡气体进口G1,y1气体出口G2,y2液体进口W2,x2液体出口W1,x1dzzx,yW由塔底随气相进入的SO2

+

z处随液相进入的SO2=塔底随液相流出的SO2+

z处随气相流出的SO2z处随气相流出的SO2=G1(1-y1)y/(1-y)塔底随液相流出的SO2=G1y1-G1(1-y1)y2/(1-y2)z处随液相进入的SO2=W([SO2·H2O]+[HSO3-]+[SO32-])将化学平衡关系[SO2·H2O]=KhspSO2S[HSO3-]=KhsKs1pSO2s/[H+][SO32-]=KhsKs1Ks2pSO2s/[H+]2代入一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算22(3)在塔底（z=ZT）和z之间计算SO2的物料平衡23(3)在塔底（z=ZT）和z之间计算SO2的物料平衡一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算得到：G1y1+WKhspSO2s(1+Ks1/[H+]+2Ks1Ks2/[H+]2)=G1y1-G1(1-y1)y2/(1-y2)+G1(1-y1)y/(1-y)

令η=[H+]；A=KW/[H+]1-[H+]1；B=KhsKs1；

C=KhsKs1Ks2；D=G1(1-y1)/W；E=y2/(1-y2)

则质量守恒关系简化为：23(3)在塔底（z=ZT）和z之间计算SO2的物料平衡24(4)计算吸收塔高度一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算

质量守恒关系：电荷守恒关系：两式联立，得：

积分即可得塔高：上式又可写为：

边界条件：24(4)计算吸收塔高度一、气体吸收325一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算y1=0.2，y2=0.01，pH1=11，气体摩尔流量在0.006~0.015kmol/(m2·s)之间变化，水的体积流量为20~30m3/(m2·h)。利用例7-1的吸收系数方程式计算填料层高度zT。25一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算y1=26一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算不同气体流量下填料层高度随浆液初始pH的变化26一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算不同气27一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收剂的选择常见气态污染物与适宜的吸收剂污染物适宜的吸收剂污染物适宜的吸收剂氯化氢水、氢氧化钙氨水、硫酸、硝酸氟化氢水、碳酸钠苯酚氢氧化钠二氧化硫氢氧化钠、亚硫酸钠、氢氧化钙、碳酸钙有机酸氢氧化钠硫化氢二乙醇胺、氨水、碳酸钠硫醇次氯酸钠氯气氢氧化钠、亚硫酸钠27一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收剂的选择常见气态污染物(a)填料塔；(b)板式塔；(c)降膜塔；(d)喷雾塔；(e)鼓泡塔；(f)搅拌鼓泡塔；(g)文丘里洗涤器一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收设备28(a)填料塔；(b)板式塔；(c)降膜塔；(d)喷雾塔；一、一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收工艺流程除尘在吸收塔前增设预洗涤塔，采取将吸收置于预洗涤塔之上，两塔合为一体，下段为预洗段，上段为吸收段采用文丘里类型的洗涤器，既除尘，又吸收气态污染物烟气的预冷却一般将高温烟气冷却到333K左右冷却烟气的方法：在低温省煤器中间接冷却、直接增湿冷却、用预洗涤塔(或预洗涤段)除尘增湿降温29一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收工艺流程除尘烟气的预冷却2一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收工艺流程结垢和堵塞控制溶液或料浆中水分的蒸发量控制溶液pH值控制溶液中易于结晶物质不要过饱和保持溶液有一定的晶种严格除尘，控制进入吸收系统的尘量设备结构上设计或选择不易结垢和堵塞的吸收器30一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收工艺流程结垢和堵塞30一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收工艺流程除雾雾气中所含液滴的直径主要在10—60μm之间，工艺上要对吸收设备提出除雾的要求气体再加热烟气在洗涤中被冷却增湿，如果排入大气后，在一定的气象条件下，将发生“白烟”白烟没有充分稀释之前如果回到地面，容易出现较高浓度的污染防止发生白烟的措施？31一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收工艺流程除雾气体再加热31气体吸收气体吸附气体的催化净化本章主要内容32气体吸收本章主要内容321、吸附原理2、吸附剂3、吸附速率4、吸附工艺与设备计算二、气体吸附331、吸附原理二、气体吸附33常见吸附剂的性能二、气体吸附342、吸附剂常见吸附剂的性能二、气体吸附342、吸附剂静活性：在一定温度下，与气体中吸附质的初始浓度达到平衡时单位吸附剂上可能吸附的最大吸附量吸附剂的活性动活性：吸附床发生泄漏时，单位质量吸附剂的平均吸附量二、气体吸附352、吸附剂静活性：在一定温度下，与气体中吸附质的初始浓度达到平衡时单位初选：吸附质极性、分子大小、气体浓度、净化要求吸附剂可获得性、价格活性试验：吸附剂的性质寿命实验：使用寿命和脱附性能全面评估：活性、使用寿命、脱附状况、价格、运费吸附质吸附剂分子量大的有机物/非极性分子极性分子大分子物质小分子物质活性炭分子筛/硅胶/活性氧化铝大孔径的活性炭和硅胶分子筛二、气体吸附36吸附剂的选择2、吸附剂初选：吸附质极性、分子大小、气体浓度、净化要求吸附质吸附剂分加热、降压、置换、溶剂萃取再生剂：水蒸汽、空气适合用水蒸汽再生的吸附质丙酮苯粗苯溴氯甲烷丁醇四氯化碳二硫化碳二氧化碳汽油碳卤化合物庚烷己烷

脂族烃芳族烃异丙醇酮类醋酸乙酯乙醇二氯化乙烯氟代烃丁酮二氯甲烷二乙醚甲醇氯苯全氯乙烯甲苯粗甲苯三氯乙烷三氯乙烯二甲苯混合二甲苯四氢呋喃二、气体吸附37吸附剂的再生2、吸附剂加热、降压、置换、溶剂萃取丙酮二硫化碳脂族烃二氯化乙烯甲醇三3、吸附速率吸附过程二、气体吸附383、吸附速率吸附过程二、气体吸附38物理吸附速率方程二、气体吸附393、吸附速率物理吸附速率方程二、气体吸附393、吸附速率二、气体吸附40物理吸附速率方程3、吸附速率二、气体吸附40物理吸附速率方程3、吸附速率二、气体吸附41物理吸附速率方程3、吸附速率二、气体吸附41物理吸附速率方程3、吸附速率式中：K——化学平衡常数

M∞——系统平衡时的吸附量，kg/m3动力学过程控制：二、气体吸附42化学吸附速率方程3、吸附速率活性炭吸附二氧化硫、二硫化碳、甲苯及氨的吸附速率:

k,n—常数对上式积分，可得式中：K——化学平衡常数动力学过程控制：二、气体吸附424、吸附工艺与设备计算固定床吸附器立式环式卧式二、气体吸附43吸附设备与工艺4、吸附工艺与设备计算固定床吸附器立式环式卧式二、气体吸附44、吸附工艺与设备计算旋转床吸附器二、气体吸附44吸附设备与工艺4、吸附工艺与设备计算旋转床吸附器二、气体吸附44吸附设备与4、吸附工艺与设备计算移动床吸附器二、气体吸附45吸附设备与工艺4、吸附工艺与设备计算移动床吸附器二、气体吸附45吸附设备与4、吸附工艺与设备计算流化床吸附器分置在筛孔板上的吸附剂颗粒，在高速含污染物气体的作用下，强烈搅动，上下浮沉，保持悬浮的流化状态。气体流速是固定床的3～4倍传热传质速率快，温度均匀适于连续性、大气量的污染源吸附剂磨损严重，排出气体含有吸附剂粉末，需要加装除尘设备二、气体吸附46吸附设备与工艺4、吸附工艺与设备计算流化床吸附器二、气体吸附46吸附设备与吸附流程与设备选择气态污染物的排放特征：连续/间歇排气量大小：大——流化床/移动床小——旋转床/薄层床允许的压力损失：大——流化床/厚层固定床小——旋转床/薄层床净化要求：高——多级流动床吸附器/厚床吸附器二、气体吸附474、吸附工艺与设备计算吸附设备与工艺吸附流程与设备选择二、气体吸附474、吸附工艺与设备计算吸附吸附流程要求二、气体吸附484、吸附工艺与设备计算吸附设备与工艺除雾：活性炭要求气体相对湿度<50%;分子筛更低除尘：预防堵塞，减少压力损失预处理：冷凝、吸收脱附方法和流程吸附流程要求二、气体吸附484、吸附工艺与设备计算吸附设备与固定床吸附器内的浓度分布二、气体吸附494、吸附工艺与设备计算固定床吸附器计算固定床吸附器内的浓度分布二、气体吸附494、吸附工艺与设备计吸附床处理气体量与出口气体中污染物浓度之间关系的曲线二、气体吸附50穿透点与穿透曲线4、吸附工艺与设备计算固定床吸附器计算穿透时间或者保护作用时间：从含污染物的气流开始通入吸附床到产生穿透的时间吸附床处理气体量与出口气体中污染物浓度之间关系的曲线二、气体二、气体吸附51保护作用时间的确定4、吸附工艺与设备计算固定床吸附器计算假定吸附层完全饱和，在吸附持续时间τ’内，所吸附污染物的量为:x=a·S·L·ρb

x——在时间τ’内的吸附量，kg；

a——静活度值，重量%；

S——吸附层的截面积，m2；

L——吸附层厚度，m；

ρb——吸附剂的堆积密度，kg/m3

同时：

x=v·S·C0τ’

v——气体流速，m/s；C0——气流中污染物初浓度，kg/m3

二、气体吸附51保护作用时间的确定4、吸附工艺与设备计算固定实际上，总有部分吸附剂未得到利用(死区)，希洛夫方程:直线1K的物理意义？K——浓度分布曲线在吸附层中移动单位长度所需要的时间。K＝τ/(L-h)如何减少死区长度？二、气体吸附52保护作用时间的确定4、吸附工艺与设备计算固定床吸附器计算实际上，总有部分吸附剂未得到利用(死区)，希洛夫方程:直线1二、气体吸附53固定床吸附器计算流程4、吸附工艺与设备计算固定床吸附器计算选定吸附剂和操作条件，空床流速一般取0.1～0.6m/s。根据净化要求确定穿透点浓度，实验测得穿透时间。以吸附剂床层高度为横坐标，以穿透时间为纵坐标，标出各测定值，作出希洛夫直线。根据计划采用的脱附方法和脱附再生时间、能耗等因素确定操作周期，从而确定所需要的穿透时间。用希洛夫公式计算所需的催化剂床层高度。根据气体流量与空床气速求吸附剂层截面积A。根据截面积求出吸附器的直径或者边长。求出所需的吸附剂质量。考虑到装填损失，每次新装吸附剂时需要的吸附剂量为(1.05～1.2)M。计算压力损失。二、气体吸附53固定床吸附器计算流程4、吸附工艺与设备计算固二、气体吸附544、吸附工艺与设备计算固定床吸附器计算压力损失:吸附床层孔隙率气体绕吸附剂颗粒流动的雷诺数吸附剂颗粒的平均直径二、气体吸附544、吸附工艺与设备计算固定床吸附器计算压力损吸附剂用量就全床对污染物作物料衡算，得GS(Y1－Y2)＝LS(X1－X2)考虑吸附器的上部，得GS(Y－Y2)＝LS(X－X2)Y＝(LS/GS)X+［Y2－(LS/GS)X2］污染物在气相中的含量Y惰性气体的气相质量流量GS污染物在吸附相中的含量X净吸附剂的质量流量LS

吸附操作线方程二、气体吸附554、吸附工艺与设备计算移动床吸附器计算吸附剂用量就全床对污染物作物料衡算，考虑吸附器的上部，得Y＝吸附速率方程吸附器长度吸附传质单元高度和传质单元数的确定采用固定床吸附器数据估算二、气体吸附56移动床吸附器的高度4、吸附工艺与设备计算移动床吸附器计算吸附速率方程吸附传质单元高度和传质单元数的确定采用固定床吸附例7-6：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含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