大气污染控制工程第四章气态污染物处理技术基础

第四章气态污染物处置技术根底本章要点了解气态污染物常用的处置技术掌握亨利定律、吸收塔的物料衡算和操作线方程了解并掌握传质实际，包括化学吸收过程的传质速率表达式掌握吸收塔的计算了解吸附等温线以及穿透曲线等概念掌握熄灭法的原理，了解熄灭法的设计了解冷凝法的原理、计算及冷凝设备气态污染物处置技术根底气体吸收气体吸附熄灭法冷凝法气体吸收概念：吸收是气体混合物中的一种或多种组分溶解于选定的液体吸收剂中〔通常为水溶液〕，或者与吸收剂中的组分发生选择性化学反响，从而将其从气流中分别出来的操作过程。吸收过程物理吸收——溶解化学吸收——化学反响吸收原理物理吸收(见书)吸收过程的气液平衡亨利定律：p*=Exy*=mxc*=Hp化学吸收吸收过程满足相平衡和化学平衡关系吸收塔的物料衡算和操作线方程操作线方程〔符号意义见p203〕Gm,1y1+Lm,2x2=Gm,2y2+Lm,1x1Gc,m(Y2–Y1)=Ls,m(X2–X1)操作线和平衡线图〔见以下图〕吸收塔的物料衡算和操作线方程由于总的气体流量〔或液体流量〕在塔顶和塔底是不同的，上面的方程式普通不能进一步简化。这个方程式在y－x图〔图4.3a〕上作图时，显现出是曲线。吸收塔的物料衡算和操作线方程上式在X－Y坐标〔图4.3b〕上是直线方程，直线的斜率是Ls,m/Gc,m操作线为直线那么计算更为方便对操作线和平衡线图的阐明图4.3的〔a〕和〔b〕分别都划有平衡线和操作线。每个图上的操作线上的P点代表组分A在塔的恣意位置上的气相和液相浓度。在图4.3a上操作线和平衡线之间的垂直间隔是吸收塔内恣意点上的传质推进力。图上M点指明界面的组成。吸收过程的传质传质的实际——双膜实际、浸透模型、外表更新模型双膜实际组分在气相中的分压分散方向组分在液相中的浓度界面气膜边境液膜边境气膜液膜气相主体PPiCiC双膜实际气液相界面两侧各存在一薄膜，分别为气膜和液膜，并且膜内呈层流被吸收组分从气相到液相的过程：气相主体气膜外表两相界面经过液膜液相主体气液两相主体不存在浓度梯度，即传质阻力集中在气膜和液膜上相界面处没有任何传质阻力膜的厚度很薄，忽略膜内吸收组分的积累。传质速率方程气膜传质速率为：

其中液膜传质速率为：传质速率方程在气液相界面上cAi=H•pAi稳定吸收过程的总传质速率方程：NA=KG〔pA–pA*)=KL(cA*–cA)总传质系数和分传质系数的关系：

传质系数总传质系数之间的关系：KG=HKL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。1)对于易溶气体，H很大，KGkG，即总阻力近似等于气膜阻力，这种情况称为气膜控制。2)对于难溶气体，H很小，KLkL，即总阻力近似等于液膜阻力，这种情况称为液膜控制。3)对于中等溶解度的气体，气膜阻力与液膜阻力处于同一数量级，两者皆不能忽略。吸收塔填料高度的计算气相总传质单元高度塔高Z=HOGNOG=液相传质单元塔高Z=HOLNOL=吸收塔填料高度的计算当溶质气体组分在气相或液相中的浓度很低时，总传质单元高度可以表示为HOG=Gc,m/KyaHOL=Gs,m/Kxa传质单元数的计算传质单元数的定义为:液相总传质单元数传质单元数的计算方法1、解析法

S<1：液体量较大，吸收率高，操作线斜率大于平衡线斜率S>1：液体量小，操作线斜率小于平衡线斜率比较经济的数值是S=0.7～0.8。解析法图解解析法对于低浓度气体，操作线和平衡线都为直线，也可用另一种方法求得：2、梯级图解法

3、图解积分法在直角坐标系中将1/(Y－Ｙ*)与的对应关系进展标绘，所得的曲线与Y=Y1、Y=Y2及1/(Y－Ｙ*)=0三条直线之间所包围的面积，便是积分传质单元高度的计算对于稀溶液，上式简化为：HG和HL的普通公式如下：

气体吸收—例题普通的操作原那么是选择吸收塔的液气比为1.2~1.6(ＬS/ＧC)min。见P215图4-7见P215例4-1，4-2伴有化学反响的气体吸收化学吸收过程的传质速率表达式：NA=kL(△CA+δ)=kL′△CA令加强因子=kL′/kL那么NA=kL(cAi-cA)不同反响类型的加强因子表达式〔1〕不可逆瞬时反响

=1+rS分散系数比r≡DB/D计量浓度比S≡CBL/bCi对加强因子的补充阐明分散系数比r通常接近于1，且难于人为地改动它；计量浓度比S那可以在很大的范围内改动，而为影响的主要要素。当其他条件不变而增大CBL时，那么变大，其极限条件是：当CBL达某一临界浓度CBLc，液相对溶质无传质阻力临界浓度临界浓度定义当CBL进一步增大到比临界浓度CBLC更大时，由于此时溶质A在液相中的传质阻力为零，所以NA不再随CBL改动当反响物在液相主体中的浓度CBL>CBLC时，用CBLC来替代CBL不同反响类型的加强因子表达式〔2〕快速一级或拟一级反响一级反响的加强系数为对于浸透模型，有当大于5时，也有。双膜模型和浸透模型的结果一样。伴有化学反响的吸收设备的计算〔1〕填料吸收塔的计算当化学反响速率很快时，液相溶质浓度为零。伴有化学反响的吸收设备的计算当kL’非常大，以致于HkL’kG’那么属于完全气膜控制。此时，KGkG，故有：

伴有化学反响的吸收设备的计算〔2〕板式吸收塔表示图塔板由下往上数yn、yn+1分别为进出第n+1块塔板的气相组成xn+1、xn分别为进出第n+1块塔板的液相组成Xn+1ynyn+1Xn伴有化学反响的吸收设备的计算〔2〕板式吸收塔的计算气相单板效率由于是伴有快速化学反响的吸收，那么所以有板式吸收塔的计算对于各层塔板，Emv均相等总板效率给定、Emv、N中恣意两个数值就可以计算出另一个数解吸〔脱吸〕气体吸收过程吸收解吸热解吸惰性气流解吸减压解吸化学解吸解吸〔脱吸〕解吸操作计算：吸收设备选择的根本原那么气液间传质速率加大MA，可有以下几种途径：1〕加大传质推进力△P=PA－PA*2〕添加气相传质系数KG3〕添加气液两相的有效传质面积A气体吸附吸附实际几种常见的吸附剂固定床吸附系统流化床吸附器

吸附实际吸附机理物理吸附：气体分子和固体间构成弱键，采用加热和减压的方法可进展再生化学吸附：吸附质和吸附剂之间构成化学键，化学吸附极难可逆，不易再生吸附过程〔1〕吸附质分子经过气膜分散到吸附剂外外表〔2〕吸附质分子在微孔中分散到达内外表〔3〕吸附质分子被吸附于那外表活性点上〔4〕吸附质分子由吸附剂内外表向晶格内分散〔1〕、〔2〕阶段分别成为外分散和内分散〔3〕、〔4〕阶段统称为动力学过程吸附过程表示图通常气相吸附质浓度高，过程受固相控制；气相吸附质浓度低，过程受气膜控制吸附平衡气固两相长时间接触，吸附与脱附到达动态平衡吸附等温线在一定温度下，吸附量与吸附质平衡分压之间的关系曲线被称为吸附等温线吸附等温线有五种根本类型〔见以下图〕根本吸附等温线〔1〕型：Langmuir等温吸附〔2〕、〔3〕型：多分子层吸附〔4〕、〔5〕型：多分子层吸附，并且吸附质在吸附剂微孔和毛细管中凝结吸附等温线Langmuir吸附等温线方程两个假设：1)吸附相是单分子层的；2)到达平衡时，吸附速率与脱附速率一样。Freudlich吸附等温线方程吸附等温线的实验测定两种方法：静态和动态常用的方法：将一只装有少量〔约数毫克〕吸附剂的小吊篮放进常温暖恒定吸附质分压的密闭玻璃柱中，吊篮用精细的弹簧挂起。用惰性气体〔如氦气，有时用氮气〕来稀释吸附质气体。随着吸附的进展，吊篮中吸附质的分量不断添加，弹簧被拉长。根据虎克定律，弹簧伸长的长度与吊篮中物质的分量成线性关系。延续地记录下吸附质的浓度和吊篮的分量，直到吊篮的分量不再添加时，吸附剂的饱和吸附容量到达此法所提供的数据非常可靠，但所耗费的时间太长。吸附势吸附势定义为一摩尔的〔有机〕蒸汽在吸附温度T下从平衡分压P紧缩到饱和蒸汽压Pv时的自在能变化值。吸附剂与吸附质的亲和力系数

普通为苯其中吸附实际吸附其他吸附质上的相关计算采用亲和力系数，可以将吸附剂吸附一种吸附质的平衡数据推行到吸附其他吸附质上去吸附剂吸附剂的特性1〕比外表积：单位质量吸附剂所具的总外表积

式中：as——吸附剂比外表积〔m2/g〕at——吸附剂的总外表积〔m2〕m——吸附剂的质量〔g〕吸附剂吸附剂的特性2〕孔半径：通常用孔半径来表示微孔大小大孔〔r＝0.1～1.0μm〕：吸附液体分子较有效中孔〔r＝0.002～0.1μm〕：吸附蒸气分子较有效小孔〔r<0.002μm〕：吸附气体分子较有效吸附剂吸附剂的特性3〕孔隙率：吸附剂内部微孔的容积与吸附剂个体体积之比

式中：Vh——吸附剂内部微孔的总容积〔m3〕Vs——吸附剂个体的体积〔m3〕吸附剂吸附剂的特性4〕饱和吸附量：饱和形状下，单位质量吸附剂所吸附的吸附质的质量，又称为静活性

不同吸附剂在不同条件下，对不同吸附质的饱和吸附量不同常用吸附剂活性炭活性氧化铝硅胶人工沸石硅藻土吸附剂的物理性质组分内部空隙率，%表面空隙率，%堆积密度，kg/m3比表面积，m2/g酸处理粘土3040560－880100－300活性氧化铝/活性铁矾土30－4040－50720－880200－300硅酸铝分子筛45－5535660－700600－700骨炭50－5518－20640100碳55－7535－40160－480600－1400漂白土50－5540480－640130－250氧化铁2237144020氧化镁7545400200硅胶7040400320固定床吸附系统上图表示了固定床从最初的吸附到最终被吸附质穿透三个不同时期的情况固定床吸附系统——穿透曲线C0Cs进气浓度排放规范出气浓度穿透曲线穿透点时间t1t2tBt3吸附器内的变化与穿透曲线固定床吸附系统固定床床层的压力损失应实测，在缺乏实测数据的情况下，床层压降由下式估算固定床吸附系统吸附剂再生对大多数处置的溶剂废气来说，蒸汽再生要比惰性气体再生更有效。变压吸附通常用在工艺废气具有一定压力的情况下。而对常规的常压处置废气时往往是不经济的。用低压蒸汽再生用高温惰性气体再生将整个吸附器减压再生蒸汽的总耗费量D加热蒸汽耗费量D1：普通来说，加热蒸汽全部冷凝在吸附器中。动力蒸汽耗费量D2；此蒸汽耗费量普通用实验方法得到，与被吹脱的溶剂性质有关。在缺乏实验数据时，可取2.5kg/kg溶剂。用以补偿活性炭被水润湿时的润湿热的蒸汽耗费量D3：普通取饱和水蒸气在吸附器内压力下的冷凝热与该温度下活性炭吸附水蒸气的吸附热之差。平安性思索绝大多数的工业溶剂都是可燃的，其爆炸极限下限的〔LEL〕范围在体积百分比1～2%。有关平安规范要求废气处置设备的进口废气浓度不能超越LEL的25%。床层自燃原因1〕污染物的积累，放热反响使得部分到达自燃温度。措施是在床层中注水或充惰性气体2〕静电积累。措施是防止产生静电，对已产生的静电应尽快走漏或中和固定床吸附系统的设计设计者应该掌握如下信息：(1〕处置系统的目的；(2)溶剂的类型，溶剂的价钱，决议溶剂能否要回用；(3)操作系统的类型，操作方法〔延续、间歇或其它〕；(4)气流的组成、温度、压力和湿度；(5)处置气量；(6)可供的冷却水水量、压力和温度；(7)可供的电力容量；(8)可供的再生蒸汽量、压力。固定床吸附系统的设计设计者应向购买者提供的内容有：(1)系统详细的操作内容；(2)设备的资料；(3)循环周期〔吸附、再生等〕；(4)设备的操作条件〔适宜的气体流量范围、废气浓度范围、以及允许操作压力和温度等〕；(5)吸附器的尺寸；(6)活性炭的特性〔由消费厂商提供〕；(7)溶剂的回收率；(8)所需的安装位置尺寸〔平面布置图〕；(9)系统设备的总分量〔操作分量〕；(10)电力配备要求；(11)蒸汽需求；(12)冷却水需求；(13)自控仪表所需的紧缩空气量；(14)仪器、仪表的成套性阐明；(15)所需的费用及交货期；(16)污染控制的保证阐明。固定床吸附系统操作的经济性固定床吸附系统的经济性包括的投资费用及运转费用运用者往往需思索的是设备的运转费用假设溶剂浓度很高，且废气温度又不高〔低于40℃〕，用吸附法回收是可行的选择何种方法处置废气，应根据详细情况分析，主要还是在于需求一定的设计阅历流化床吸附器优点：1〕气固接触好2〕无需循环加热要求：吸附剂的硬度要高，耐磨擦熄灭法主要用于治理VOCs优点：高效缺陷：费用高，易产生二次污染熄灭实际氧化化学熄灭反响模型：速率方程熄灭实际三T的关系三T是指温度、时间和扰动，与三个特征时间有关：化学时间、停留时间和混合时间熄灭实际VOC动力学的预测方法一〔简单〕T99。9＝594－12.2W1＋117.0W2＋71.6W3＋80.2W4＋0.592W5－20.2W6－420.3W7＋87.1W8－66.8W9－62.8W10－75.3W11T99＝577－10.0W1＋110.2W2＋67.1W3＋72.6W4＋0.586W5－23.4W6－430.9W7＋85.2W8－82.9W9－65.5W10－76.1W11各种有机物质在空气中的自燃温度物质名称自燃温度，℃自燃温度，℉物质名称自燃温度，℃自燃温度，℉丙酮5381000二氯乙烷413775丙烯醛234453氢5801076丙烯腈481898氢氰酸5381000氨6491200硫化氢260500苯5791075异丁烷510950异丁烷480896甲烷5379991-丁烯384723甲醇470878异丁醇367693氯甲烷6321170一氧化碳6521205丁酮515960氯苯6741245苯酚7151319环己胺268514丙烷466871乙烷530986丙烯455851乙醇426799苯乙烯491915乙酸乙酯486907甲苯5521026乙苯466870氯乙烯472882氯乙烷518965二甲苯496924乙烯450842熄灭实际方法二〔复杂〕940～1140K温度范围内速度常数kk＝Aexp(－E/RT〕碳氢化合物的净化率＝1－Cout/Cin＝1－exp(－kr)该方法得出动力学常数，因此还可用于非等温熄灭室的设计熄灭实际熄灭法设计〔1〕爆炸极限的思索〔见下页图〕〔2〕物料和能量平衡0＝MG＋MPA＋MBA－ME〔3〕设备尺寸确实定〔4〕思索热回收〔5〕紧急火炬系统不同有机物在空气中的爆炸极限下限值(LELs)有机物名称LEL，空气中的体积%有机物名称LEL，空气中的体积%丙酮2.15异丁烷1.8苯1.4异丙基乙醇2.5正丁烷1.9甲烷5.0正丁醇1.7甲醇6.0环己胺1.3醋酸甲酯4.1乙烷3.2丁酮1.8乙醇3.3丙烷2.4乙酸乙酯2.2甲苯1.3庚烷1.0二甲苯1.0乙烷1.3热回收由于燃料的价钱较高，故希望从熄灭炉里回收热量回收熄灭炉排气能量的一个很普遍的方法是安装一台热交换器热回收方案必需求满足经济性要求，热交换器的费用可经过能量的回收而得以回收(节省的燃料费用要高于风机功率添加的费用)熄灭炉的热回收方式熄灭炉的热回收方式熄灭炉的热回收方式熄灭炉的热回收方式火炬