气态污染物控制技术基础课件

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气态污染物控制技术基础

本章对气体吸收、气体吸附、气体催化转化的基本原理和工艺设备作一概要介绍，为学习气态污染物的控制技术打下基础。*一、气液平衡在一定T、P下，吸收过程的传质速率等于解吸过程的传质速率时，即为动态平衡。（1）气体在液相中的平衡溶解度溶解度是系统的温度，总压和气相组成的函数。§5-1吸收法净化气态污染物*（2）亨利定律

物理吸收；总压不高（5×105Pa）；稀溶液可表示为：式中X-被吸收组分在液相中的摩尔分数；

E、m-亨利系数。

Y*-溶质在气相中的摩尔分数。

*当溶质在溶液中的含量以浓度C(kmol/m3)表示时，亨利定律可以表示为另一种常用形式

或

比例系数H愈大，表明同样分压下的溶解度愈大，因而称H为溶解度系数。*二、吸收原理

1、吸收机理双膜理论

(1)存在相界面：气膜、液膜；(2)吸收过程分为五步；(3)被吸收组分在两相主体中的扩散阻力略而不计；(4)相界面处没有任何传质阻力；(5)吸收过程看作是通过气液膜的稳定扩散。*双膜理论把吸收过程简化成通过气液两层层流膜的分子扩散，通过此两层膜的分子扩散阻力就是吸收过程的总阻力。*2、吸收速率方程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。其中气膜传质速率：NA—被吸收组分A的传质速率，kmol/(m3·s)；

PAi和PA—分别为被吸收组分A在气液相界面和气相主体的分压;kg—气膜传质分系数，kmol/(m2·s·Pa)。DAg—吸收质A在气相内的分子扩散系数，kmol/(m·s·Pa)；Zg—气膜层厚度，m。*液膜传质速率为：DAl—吸收质A在液相内的分子扩散系数，m2/s；Zl—液膜层厚度，m；CAi和CA—分别表示被吸收组分在气液相界面和液相主体中的浓度，kmol/m3；kL—液膜传质分系数，m／s；*在气液相界面上，因吸收组分A通过气膜的传质速率等于通过液膜的传质速率，则稳定吸收过程的总传质速率方程式:式中：—与气相中组分分压成相平衡的液相主体中被吸收组分的摩尔浓度,kmol／m3;

—与液相主体中吸收质浓度成平衡的气相虚拟分压,Pa.*KG和KL——总传质系数；它们与传质分系数的关系分别为

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，总阻力近似等于气膜阻力，这种情况称为气膜控制（如碱或氨吸收SO2）。对于难溶气体，总阻力近似等于液膜阻力，这种情况称为液膜控制（如碱吸收CO2）。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（如水吸收SO2

）。

*三、化学吸收中的气液平衡关系化学吸收过程既服从相平衡关系，也服从化学平衡关系。在这种情况下，亨利定律仅可适用于被溶解气体没有变化的分子的浓度，此浓度决定于溶液中进行反应的平衡条件。被吸收组分A与溶液中所含的组分B发生相互反应：*化学平衡关系式可写成由上式并根据亨利定律求得气相中组分A的平衡分压若已知系统中各组分初始浓度，按此式可计算出气体组分的总浓度CA。*化学吸收过程中有三种常见的情况：①被吸收组分与溶剂相互作用

令其相互作用按下式进行:A+B→M

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组分A在溶液中的总浓度CA，CA=[A]+[M]，因此有由此得

若吸收过程是稀溶液吸收，服从亨利定律，即则

可视为常数，形式上服从亨利定律，但增大了(1+K[B])倍。如用水吸收氨。*②被吸收组分在溶液中离解若上述反应产物M又发生离解，则平衡关系应按离解反应平衡来确定。设离解反应为kk1*离解常数为：

则组分A在溶液中的总浓度CA＝[A]+[M]+[A-]，若溶液中无同离子存在，则[K+]=[A-]则：[M]可以表示为K[A][B]，所以

*解此方程得其中

把[A]代入亨利定律表达式中，得在这种情况下，与CA不呈直线关系。CO2和SO2在水中的溶解即为按上述过程进行的例子。*

③被吸收组分和吸收剂中活性组分相互作用

A+B→M

设溶液中活性组分B的起始浓度为，若平衡时反应率为R，则，由化学平衡关系式得

若物理溶解量忽略不计,由上式得用气液平衡关系式代入上式，得:*四、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,并有合适的操作弹性；

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,要求具有抗腐和防堵能力。最常用的有填料塔、板式塔、文丘里洗涤器*2、吸收设备（1）填料塔常用填料有拉西环、鲍尔环，鞍形和波纹填料等。对填料的基本要求是：单位体积填料所具有的表面积大，气体通过填料时的阻力低*填料塔的优点：生产能力大、分离效率高，压降小，持液量小、操作弹性大。缺点：液体负荷较小时不能有效润湿填料表面，使传质效率低。*（2）板式塔优点：空塔速度较高，生产能力大，塔板效率稳定且造价低，检修、清洗方便。缺点：压损大、操作弹性小*（3）文丘里洗涤器优点：体积小、处理能力大，又可兼作冷却除尘设备，缺点：压损大、能耗高*§5-2吸附法净化气态污染物

一、物理吸附与化学吸附

物理吸附:由分子间范德华力引起，可单层吸附，亦可多层吸附。特征：

①吸附质与吸附剂间不发生化学反应；

②吸附过程快，瞬间即达平衡；

③吸附为放热反应；

④具有可逆性。*化学吸附：由吸附剂与吸附质间的化学键力引起，单层吸附，需要一定的活化能。吸附力较强，特征：

①吸附有很强的选择性；

②吸附速率较慢，达到吸附平衡需相当长的时间；

③升高温度可提高吸附速率。

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二、吸附剂

1．工业吸附剂必需具备的条件

(1)要有巨大的内表面例如，活性炭的内表面1000m2／g以上。

(2)对不同气体具有选择性的吸附作用。例如，木炭吸附S02或NH3的能力较吸附空气大。一般地说，吸附剂对各种吸附组分的吸附能力，随吸附组分沸点的升高而加大，首先被吸附的是高沸点的组分。*

(3)吸附容量大。

(4)较高的机械强度、热稳定性及化学稳定性。

(5)来源广泛，价格低廉。（6）良好的再生性能2．常用工业吸附剂

活性炭、活性氧化铝、硅胶、白土和沸石分子筛活性炭：吸附净化尾气中的有机蒸气、恶臭物质和某些其它有害气体*活性氧化铝：用于气体的干燥，石油气的脱硫以及含氟废气的净化。硅胶：用于气体的干燥和烃类气体回收。白土：分为漂白土和酸性白土。漂白土成分为硅酸铝盐，对各种油类脱色很有效，并可除去油中的臭味；酸性白土是SiO2和Al2O3比值较低的白土经酸处理后得到的，其脱色效率比天然漂白土高。*3、吸附剂的再生(1)加热再生(2)降压或真空解吸(3)置换再生：适用于对温度敏感的物质(4)溶剂萃取

*三、吸附机理1、吸附平衡经多年研究，已观测到6种类型的等温吸附线：微孔填充的特征代表在多相基质上不受限制的多层吸附吸附质与吸附剂相互之间的作用微弱*由于均匀基质上惰性气体分子分阶段多层吸附而引起

具有滞后回线，适用于孔尺寸分布的估算与第四类相似，只是吸附质与吸附剂之间相互作用较弱*相应的等温吸附方程式如下：

（1）弗罗德里希方程

对Ⅰ型等温吸附线提出如下指数方程：XT—被吸附组分的质量与吸附剂质量之比值；p—被吸附组分在气相中的分压，Pa；k和n—经验常数，与吸附剂、吸附质的种类及吸附温度有关，通常n＞1。*该方程只适用于吸附等温线的中压部分，在使用中经常取它的对数形式，即

以

作图，可得一直线，直线斜率为1/n，截距可以求得n和k的值。如果斜率在0.1-0.5之间，表示吸附容易进行，若大于2，则吸附难以进行。*

（2）朗格缪尔等温方程式能较好适用于Ⅰ型吸附等温线

V—气体分压为P时被吸附气体在标态下的体积；

Vm—吸附剂被覆盖满一层时被吸附气体在标态下的体积；B—常数。以P/V对P作图，得一直线。由直线斜率1/Vm和截距(1/BVm)便可计算B与Vm值。

*

3．BET方程勃劳纳尔(Brunauer)、埃麦特(Emmett)及泰勒(Teller)三人提出适合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型吸附等温线的多分子层吸附理论，并建立了等温方程式（其中一种表示方法）：

V—在压力为P、温度为T条件下被吸附气体的体积；

P0—在吸附温度下吸附质的饱和蒸气压，Pa；

C—常数，与吸附质的汽化热有关。重要用途:可测定和计算固体吸附剂的比表面积。根据斜率和截距求出Vm,则可计算出吸附剂的比表面积。*1、吸附工艺及设备（1）固定床吸附流程（2）移动床吸附流程（3）流化床吸附流程四、吸附工艺及设备计算****上节课小结一、新型电袋除尘器串联和混合式两种二、除尘器选择与发展三、吸收法净化气态污染物亨利定律、双膜理论、化学吸收过程四、吸附法净化气态污染物物理吸附与化学吸附的特征工业吸附剂必需具备的条件等温吸附方程式吸附设备****2、固定床吸附器计算（1）固定床吸附器内的浓度分布含有一定浓度污染物的气流，连续通过固定床吸附器，在不同时间内，吸附床不同截面处气流中污染物的浓度分布如图所示。

*从含污染物的气流开始通入吸附床到“穿透点”这段时间称为穿透时间，或保护作用时间*

表示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称为穿透曲线。*

（2）保护作用时间的确定假定：吸附层达到穿透点时全部处于饱和状态，即达到它的平衡吸附容量a；吸附过程按照朗格缪尔等温线的第三段，即气相中P相当大，那么a=Vm，静活度不再与气相浓度有关。在吸附持续时间内，所吸附污染物的量为同时x—在时间τ’内的吸附量，kg；a—静活度值，％；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；v—气体流速m/s；Co—气流中污染物初浓度，kg／m3*实际上τ要比τ’小。曲线2为实际测得的，当L＞Lo(吸附区长度)时，它是直线且与直线1平行，在L＜L0时，是一条通过原点的曲线。由图可以看出即

*式中K称为吸附层保护作用系数，其物理意义是：当浓度分布曲线进入平移阶段后，浓度分布曲线在吸附层中移动单位长度所需要的时间。那么1／K就表示此浓度分布曲线在吸附层中前进的线速度，m／s。代入上式，得此即著名的希洛夫方程式*τ0称为保护作用时间损失。有时人们将上式改写为:h—吸附层中未被利用部分的长度，亦称为“死层”。它与τ0的关系为:

3、移动床吸附器的计算（自学）*3、用希洛夫公式进行固定床设计计算：（1）选定吸附剂和操作条件，如温度、压力、气体流速等。空床流速一般取0.1-0.6m/s，可根据已经处理气量确定。（2）根据排放标准或者净化要求，确定穿透点浓度。在载气流量一定的前提下，选取不同吸附层厚度做实验，测得相应的穿透时间。*（3）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。（4）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。（5）用希洛夫公式计算所需的吸附床层高度，根据求出的高度，确定是否分层布置或者串联吸附床布置。*（6）根据气体流量与空床气速求吸附剂层截面积A，根据求得的截面积，确定是否并联吸附器。根据截面积求出吸附器的直径和边长。（7）求出所需的吸附剂质量。每次吸附剂装填总质量计算：考虑到装填损失，每次新装吸附剂需要的量为（1.05-1.2）m*（8）计算压力损失（9）计算吸附装置的气流分布、连接管口等附件。ε—吸附剂床层的孔隙率；dp—吸附剂颗粒的平均直径，m；ρ----气体密度，kg/m3。*§5-3催化法净化气态污染物一、催化剂和催化作用1．催化剂

凡能够加速化学反应速度，而本身的化学性质在化学反应前后保持不变的物质，称为催化剂。

提高催化剂加速化学反应速度的效能，延长催化剂实际使用的期限，始终是研制工业催化剂和设计催化反应工业装置的基本问题。*（1）催化剂的组成由主活性物质、助催化剂和载体组成。

①主活性物质：能单独对化学反应起催化作用。

②助催化剂：本身没有什么催化性能，但它的少量加入能明显提高主活性物质的催化性能。

③载体：用以承载主活性物质和助催化剂，基本作用在于提供大的比表面以节约主活性物质，并改善催化剂的传热、抗热冲击和机械冲击等物理性能。*

（2）催化剂的性能主要有三项：活性、选择性和稳定性。

①催化剂的活性在工业上，催化剂的活性常用单位体积(或质量)催化剂在一定条件（温度、压力、空速和反应物浓度）下，单位时间内所得到的产品数量来表示：A—催化剂的活性，kg／(h·g)；

m—产品质量，kg；mR—催化剂质量，g；t—反应时间，h。*

②催化剂的选择性选择性的大小通常用反应所得的目的产物摩尔数与某反应物反应了的摩尔数之比来表示。活性表示催化剂对提高产品产量的作用，而选择性表示催化剂对提高原料利用率的作用。

*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。影响催化剂寿命的因素有催化剂老化和催化剂中毒两个方面*

2、催化作用催化作用分为均相和多相两类。均相催化作用：催化剂和反应物同处在一个由溶液或气体混合物组成的均匀体系中。多相催化作用：催化剂与反应物处在不同的相(通常催化剂呈固体，反应物为液体或气体)。催化转化法净化气态污染物，就属于多相催化作用。*（3）催化剂的结构特性催化剂的形状、堆积密度、孔结构、比表面积等结构特征是选择使用催化剂的重要依据。

A.催化剂的比表面积：直接影响催化剂的活性*B.催化剂的孔结构：直接影响催化剂的表面积、寿命、机械强度等性能催化剂的活性随空隙率的增大而升高，压力降随之降低，机械强度随之下降，较理想的孔隙率：0.4-0.6C.催化剂的形状：对催化床的温度分布与控制及压力损失有很大影响。网状、蜂窝状、片状、颗粒状*

催化作用的特征：其一，催化剂只能加速化学反应的速度，而不能使平衡移动，也不能使热力学上不可能发生的反应发生。其二，催化作用有特殊的选择性。催化作用的这两个基本特征是催化反应理论研究的中心问题。*二、气固催化反应动力学

1、气固催化反应过程：(1)反应物从气相主体扩散至催化剂外表面；（外扩散）(2)反应物由催化剂外表面向微孔内扩散；（内扩散）(3)在催化剂内表面上被吸附，反应生成产物，产物脱附离开催化剂内表面（化学动力学控制）；(4)产物从微孔向外表面扩散（内扩散）；(5)产物从外表面进入气相主体（外扩散）。*

2、气固反应动力学方程表面化学反应速率方程对于达到稳定时的气固催化连续体系，其反应速度可由如下公式计算:

VR——催化剂体积，m3；

SR——催化剂表面积，m2；

WR——催化剂质量。*

对催化剂床层，由上式可得到工程上常用的催化反应速度表示式

NA0——反应物A的初始流量，kmol/h；x——转化率，％；A——反应床截面积，m’；L——反应床长度，m；Q——反应气体流量，m3／h；t——反应气体与催化剂表面的接触时间，h。cA0

——反应物的初始浓度，kmol/h*三、气-固相催化反应器的设计1、气固相催化反应器的类型固定床、流化床两大类（1）固定床优点：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得到较高选择性；②催化剂机械损耗小；③结构简单。缺点：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温；②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用。固定床催化反应器分为绝热式和列管式反应器*绝热式反应器