第七章 气态污染物控制技术基础

第七章气态污染物控制技术基础第一页，共四十七页，2022年，8月28日第一节气体扩散

气体的质量传递过程是借助于气体扩散过程来实现的。扩散过程包括分子扩散和湍流扩散两种形式。分子扩散：物质在静止或垂直于浓度梯度作层流流动中的流体中传递，是由分子运动引起的，称为分子扩散。湍流扩散：物质在湍流流体中的传递，除了由于分子运动外，更主要的是由于流体中的质点的运动引起的。扩散的结果：会使气体从浓度较高的区域转移到浓度较低的区域。第二页，共四十七页，2022年，8月28日一、气体在气相中的扩散

气态污染物A通过惰性气体组分B的运动，可用A在B中的扩散DAB给出，DAB与气体B通过气体A的扩散系数DBA相等，可由修正的吉里兰方程给出。第三页，共四十七页，2022年，8月28日

扩散系数是物质的特性常数之一，同一物质的扩散系数随介质的种类、温度、压强及浓度的不同变化。

表1:若干物质在空气中的扩散系数（0oC，101.33kPa）第四页，共四十七页，2022年，8月28日

二、气体在液体中的扩散气体A通过液体B的扩散系数可用下式估算：第五页，共四十七页，2022年，8月28日

表2:某些物质在水中的扩散系数（20oC，稀溶液）第六页，共四十七页，2022年，8月28日

气体在液体中的扩散系数随溶液浓度变化很大,标准状态下可以求得SO2在水中的扩散系数为1.61×10-5cm2/s，μB≈0.01g/(cm·

s)。可见，SO2在水中的扩散系数远小于在空气中的扩散系数。第七页，共四十七页，2022年，8月28日第二节气体吸收

气体吸收是溶质从气相传递到液相的相质间传质过程。第八页，共四十七页，2022年，8月28日一、吸收机理吸收机理以双膜理论为主。基本论点如下：1、气液相接触时存在一个相界面，在气液相两侧各存在着一层稳定的层流薄膜，分别称为气膜和液膜,这两层膜内仍呈层流。2、被吸收组分从气相转入液相的过程分为五步：靠湍流扩散从气相主体到气膜表面；靠分子扩散通过气膜到达两相界面；气相溶入液相；分子扩散通过液膜；湍流扩散到液相主体。第九页，共四十七页，2022年，8月28日3、被吸收组分在两相主体中的扩散阻力忽略不计。4、相界面处，被吸收组分在两相间已达到平衡，即认为相界面处没有任何传质阻力。5、两层膜的厚度均极薄，所以吸收过程可以看成是通过气液膜的稳定扩散。因此，气液两相间的传质速率取决于通过气膜和液膜的分子扩散速率。第十页，共四十七页，2022年，8月28日第十一页，共四十七页，2022年，8月28日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第十二页，共四十七页，2022年，8月28日第十三页，共四十七页，2022年，8月28日由公式可知，气膜阻力和液膜阻力的大小取决于组分A的溶解度系数H。对于易溶气体，H很大，即总阻力近似等于气膜阻力，这种情况称为气膜控制。对难溶气体，H很小，即总阻力近似等于液膜阻力，这种情况称为液膜控制。对于中等溶解度的气体，气膜阻力和液膜阻力处于同等数量级，二者皆不能忽略。第十四页，共四十七页，2022年，8月28日二、化学吸收与物理吸收物理吸收是气体组份在吸收剂中的单纯物理溶解过程。吸收速率决定于吸收质在气膜和液膜中的扩散速度。化学吸收是气体组份在液相中与反应组分发生化学反应，降低了液相中纯吸收质的含量，提高了吸收速率，使出塔气体中吸收质含量进一步降低。吸收速率与扩散速率和化学反应速率有关。

如果化学反应迅速，一直在气液界面附近便把溶入的溶质消耗掉，使溶质在液膜内的扩散阻力大大降低，则变为气膜控制。第十五页，共四十七页，2022年，8月28日三、吸收设备1、对吸收设备的基本要求:(1)气液之间有较大的接触面积和一定的接触时间;(2)气液之间扰动强烈,吸收阻力小,吸收效率高;(3)操作稳定,并由适合的操作弹性;(4)气流通过时的压降小;(5)结构简单,制作维修方便,造价低廉;(6)针对具体情况,要求具有防腐和防堵能力。第十六页，共四十七页，2022年，8月28日2、吸收设备的类型填料塔、板式塔、喷淋塔和文丘里吸收器。第十七页，共四十七页，2022年，8月28日

喷淋塔填料塔第十八页，共四十七页，2022年，8月28日四、吸收的应用

酸性气体和碱性气体的去除例如：含氟废气主要指含有HF和SiF4的废气。含氟气体易溶于水溶液，所以一般采用湿法。

水吸收法低温下，水吸收HF，可得到任意高浓度的氢氟酸。相同蒸气压下，温度越高，溶液浓度越低；相同温度下，蒸气压越高，溶液浓度越高。另外，SiF4也易溶于水，生成氟硅酸。在净化过程中需要控制氟硅酸浓度，保持净化效率。反应速率由气膜控制。选择吸收器应从实际情况考虑。第十九页，共四十七页，2022年，8月28日第三节气体吸附

吸附：用多孔性固体处理流体混合物，使其中所含的一种或几种组分浓集到固体表面而与其他组分分开的过程。吸附质、吸附剂吸附过程能有效的捕集浓度很低的有害物质。还能回收气态污染物。研究表明，吸附只发生在吸附剂表面。根据吸附剂和吸附质之间发生吸附作用的力的性质分为物理吸附和化学吸附。第二十页，共四十七页，2022年，8月28日一、物理吸附和化学吸附1、物理吸附，也称范德华吸附，是由于吸附剂与吸附质分子之间静电力或范德华力导致物理吸附引起的。低压下，一般是单分子吸附，吸附质的气压增大时，也会变成多分子层吸附。2、化学吸附，也称活性吸附，是由于吸附剂表面与吸附质分子间的化学反应力导致化学吸附。有很强的选择性，是不可逆过程，总是单分子层或单原子层吸附。二者没有严格界限，同一物质在较低温度下可能发生物理吸附，在较高温度下往往是化学吸附。第二十一页，共四十七页，2022年，8月28日二、常用的工业吸附剂

常用的工业吸附剂:活性炭、活性氧化铝、硅胶和沸石分子筛

工业吸附剂必须具备的条件:具有巨大的内表面；对不同气体具有选择性的吸附作用；吸附容量大；具有足够的机械强度、热稳定性和化学稳定性；来源广泛，价格低廉。第二十二页，共四十七页，2022年，8月28日各种硅胶B型硅胶细孔硅胶蓝色硅胶粗孔微球硅胶粗孔硅胶第二十三页，共四十七页，2022年，8月28日

活性氧化铝

第二十四页，共四十七页，2022年，8月28日分子筛第二十五页，共四十七页，2022年，8月28日三、吸附速率

通常一个吸附过程有下列步骤组成

：

外扩散：吸附质分子从气相主体到吸附剂颗粒外表面的扩散。

内扩散：吸附质分子沿着吸附剂的孔道深入到吸附剂表面的扩散。

吸附：已经进到微孔表面的吸附质分子被固体所吸附。吸附速率由外扩散速率、内扩散速率、吸附本身的速率决定。实验表明，在吸附剂内部的扩散阻力，一般可以不计。吸附速率可近似用外扩散速率表示。第二十六页，共四十七页，2022年，8月28日第二十七页，共四十七页，2022年，8月28日四、吸附理论吸附平衡在一定温度下，气固两相经过充分接触后，终将达到吸附平衡。此时，被吸附组分在固相中的浓度和与固相接触的气相中的浓度之间有一定的函数关系。1、弗罗德里希方程2、朗格谬尔等温方程式3、BET方程吸附等温线方程种类有多种，只能对具体情况具体分析。吸附等温线的形状与吸附剂和吸附质的性质有关。即使统一化学组分的吸附剂，由于制造方法或条件不同，吸附剂的性能也会不同，因此必须针对具体情况进行综、合测定。第二十八页，共四十七页，2022年，8月28日五、吸附设备

设备分类：根据吸附剂在吸附器内的运动状态可分为固定床、移动床和流化床吸附器，其中以固定床吸附器应用最广。

固定床吸附器使用两个以上的固定床组成一个半连续式吸附流程。受污染气体连续通过床层，当达到饱和时，就切换到另一个吸附器进行吸附，达到饱和的吸附床则进行再生、干燥和冷却，以备重新使用。第二十九页，共四十七页，2022年，8月28日第三十页，共四十七页，2022年，8月28日第三十一页，共四十七页，2022年，8月28日六、吸附净化气体的应用

低浓度二氧化硫的吸附净化常用的吸附剂是活性炭,烟气中含有足量的水蒸气和氧，SO2氧化成SO3,SO3继而由于水发生反应生成稀硫酸。用金属盐浸渍吸附剂可以增加对二氧化硫的吸附率，它们的作用是催化氧化二氧化硫。吸附法脱硫的缺点：除了吸附容量有限外，吸附法必须在吸附器中采用比较低的气流速度。另外，高活性的碳易于被气体中的氧所氧化。覆盖在炭表面的硫酸，减低了活性炭的吸附能力，需要用加热或洗涤的方法脱附，回收这些硫酸，并使活性炭得以再生。第三十二页，共四十七页，2022年，8月28日2、含氟化氢废气的吸附净化采用工业氧化铝、氧化钙、氢氧化钙或碳酸钙等作为吸附剂。对于铝厂电解烟气，采用的氧化铝也是铝电解的原料，吸附的氟化氢可以随同氧化铝进入电解生产中，代替冰晶石，不存在吸附剂再生问题。在铝电解烟气的主要组分中，氟化氢的沸点最高，因此最容易被吸附。而且氟化氢有较大的极性和相当大的偶极距，同时具有较高的表面活性，很容易被吸附。

第三十三页，共四十七页，2022年，8月28日氧化铝对氟化氢的吸附主要是化学吸附。Al2O3+6HF——2AlF3+3H2O

温度较低时，有利于氟化氢吸附。该吸附过程的速度很快，氧化铝与烟气中的氟化氢接触后，反应几乎在0.1s内完成。氟化氢浓度提高时，反应速度急剧增大。第三十四页，共四十七页，2022年，8月28日第四节气体催化净化一、催化剂1、催化剂：能改变化学反应速度，而本身化学组成在反应前后保持不变的物质。现已研制了多种催化剂，成功的应用于脱硫、脱硝、汽车尾气净化和恶臭物质净化等方面。2、组成：通常固体催化剂由主活性物质、助催化剂和载体组成。主活性物质能单独对化学反应起催化作用；助催化剂本身没有催化性能，但能明显提高主性物质的催化性能。载体用以承载主活性物质和助催化剂。第三十五页，共四十七页，2022年，8月28日3、催化剂的性能活性、选择性和稳定性。3.1活性表示方法：工业上常用单位体积（或质量）催化剂在一定反应条件下，单位时间内所得到的产品数量来表示。效能大小。第三十六页，共四十七页，2022年，8月28日3.2催化剂的选择性一种催化剂往往只对一种化学反应起作用，当化学反应在动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方向起加速作用，这种特性称为催化剂的选择性。选择性的大小用B表示

B=反应所得的目的产物摩尔数/反应了的反应物的摩尔数选择性与活性是有关联而又相互独立的。分别度量催化剂加速化学反应速度的两种不同结果，活性表示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。第三十七页，共四十七页，2022年，8月28日3.3催化剂的稳定性催化剂在化学反应过程中保持活性的能力称为催化剂的稳定性。包括三个方面：热稳定性、机械稳定性和抗毒稳定性。它们共同决定了催化剂在工业装置中的使用期限。通常用寿命来表示催化剂的稳定性。影响寿命的因素：催化剂老化和催化剂中毒。第三十八页，共四十七页，2022年，8月28日

老化：指催化剂在正常工作条件下逐渐失去活性的过程。工作温度越高，老化速度越快。因此在活性度范围内选择合适的反应温度有利于延长催化剂的寿命。但过低的反应温度会降低反应速度，使催化剂表面结焦，导致活性下降。第三十九页，共四十七页，2022年，8月28日

催化剂中毒：指反应物料中少量的杂质使催化剂活性迅速下降的现象。暂时性中毒：通过水蒸气可将毒物驱离催化剂表面，使催化剂活性恢复，称为暂时性中毒。永久性中毒：有的毒物与活性组分很强，催化剂不能再生，称为永久性中毒。在选择和使用催化剂时要注意避免催化剂的中毒，查明毒物种类及其在物料中所允许的最高含量，并使实际反应条件与催化剂所要求的使用条件相一致。第四十页，共四十七页，2022年，8月28日二、催化作用1、催化作用均相催化作用：当反应物和催化剂同处一个由溶液或气体混合物组成的均匀体系中时，称为均相催化作用；多相催化作用：当反应物和催化剂处于不同的相（通常催化剂呈固体，反应物为液体或气体），称为多相催化作用。多相催化作用中，反应物在催化剂表面上的接触是极为重要的，这种接触导致了反应物在催化剂表面上的吸附，并使它的化学键松弛，催化反应正是在接触上发生的，因而也称固体催化剂为触媒。第四十一页，共四十七页，2022年，8月28日2、催化作用原理多位活化络和物理论。由于催化剂表面存在许多具有一定形状的活性中心，能对具有适应这一形状结构的反应物分子进行化学吸附，形成多位活化络和物，使的原分子的化学结构松弛，从而降低了反应活化能的结果。反应速率是随着活化能的降低而呈指数增长的。用阿累尼乌斯方程表示。第四十二页，共四十七页，2022年，8月28日三、气固催化反应过程一般认为多相催化反应有下列步骤：1、反应物分子从气流中通过层流边界层向催化剂外表面扩散。2、反应物分子从催化剂外表面通过微孔向催化剂内部扩散。3、反应物分子被催化剂表面化学吸附；反应物分子在催化剂表面上发生化学反应；产物脱附离开催化剂内表面。4、反应产物从微孔向外表面扩散。5、反应产物从催化剂外表面进入气流主体。第四十三页，共四十七页，2022年，8月28日四、气－固相催化反应器的结构