第07章气态污染物控制技术-2013-15

第07章气态污染物控制技术-2013-15第一页，共61页。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——气体吸收、吸附、催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二页，共61页。气体扩散在气相中的扩散（Gilliland方程）第三页，共61页。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四页，共61页。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）第五页，共61页。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六页，共61页。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）第七页，共61页。第一节气体吸收吸收机理双膜模型（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:CAi=HPAi第八页，共61页。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第九页，共61页。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数第十页，共61页。气液平衡常见气体的平衡溶解度第十一页，共61页。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十二页，共61页。吸收系数吸收系数的不同形式第十三页，共61页。传质阻力传质阻力－吸收系数的倒数第十四页，共61页。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；准数关联计算第十五页，共61页。常用吸收系数经验式第十六页，共61页。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十七页，共61页。化学吸收两分子反应中相界面附近液相内A与B的浓度分布第十八页，共61页。吸收设备第十九页，共61页。吸收设备喷淋塔第二十页，共61页。吸收设备填料塔第二十一页，共61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、设备体积大第二十二页，共61页。吸附机理第二十三页，共61页。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.吸附不可逆；第二十四页，共61页。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，发生化学吸附第二十五页，共61页。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二十六页，共61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·m-3200～600750～1000800800800800热容/kJ(kg·K)-10.836～1.2540.836～1.0450.920.7940.794——操作温度上限/K423773673873873873平均孔径/Å15～2518～48224513再生温度

/K373～413473～523393～423473～573473～573473～573比表面积

/㎡·g-1600～1600210～360600——————第二十七页，共61页。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）第二十八页，共61页。气体吸附的影响因素典型吸附质分子的横截面积第二十九页，共61页。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三十页，共61页。常见分子的临界直径分子临界直径/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2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.44.754.894.9

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第三十一页，共61页。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大，再生温度高加热再生第三十二页，共61页。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

NH3在活性炭上的吸附等温线第三十三页，共61页。吸附等温线第三十四页，共61页。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）第三十五页，共61页。吸附速率外扩散速率内扩散速率总吸附速率方程第三十六页，共61页。吸附工艺固定床第三十七页，共61页。吸附工艺移动床第三十八页，共61页。吸附工艺流化床第三十九页，共61页。第三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四十页，共61页。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：420～550℃第四十一页，共61页。催化净化工艺催化剂：Pt(Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3

等VOCs的催化氧化第四十二页，共61页。催化净化工艺NOxNH3filterCombustorMixerReactorNOx的选择性催化还原（SCR）第四十三页，共61页。催化净化工艺车用催化转化器第四十四页，共61页。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四十五页，共61页。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＋载体第四十六页，共61页。催化剂的性能活性W－产品质量WR－催化剂质量t－反应时间第四十七页，共61页。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第四十八页，共61页。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四十九页，共61页。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－下限流速第五十页，共61页。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：η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，内扩散影响消除第五十一页，共61页。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五十二页，共61页。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－活塞流反应器第五十三页，共61页。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五十四页，共61页。固定床反应器最主要的气固相催化反应器优点:流体接近于平推流，返混小，反应速度较快固定床中催化剂不易磨损，可长期使用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:传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点)催化剂更换需停产进行第五十五页，共61页。固定床反应器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用于化学反应热效应小的场合第五十六页，共61页。固定床反应器多段绝热反应器相邻两段之间引入热交换(a)直接换热(b)间接换热第五十七页，共61页。固定床反应器列管式反应器用于对反应温度要求高，或反应热效应很大的场合

其他反应器径向反应器薄层床反应器自热式反应器第五十八页，共61页。反应器类