气态污染物控制技术.ppt

大气污染控制工程下册,有害气体的净化,就你所学过的知识，如何去除？,什么是有害气体？与含尘气体有什么区别？,有害气体的控制方法有些？,如何将空气中的有害体去除？,大气污染控制工程,一、颗粒污染物的净化气溶胶,二、有害气体的净化气态污染物,1、气态污染物净化的一般原理,根据蒸气压差异进行净化,根据分子态污染物溶解度的不同,利用分子状物质的选择吸附作用,利用污染物分子与附加物质进行特定的化学反应,燃烧法,2、净化方法,冷凝法(蒸气态污染物)一级处理,液体吸收法,固体吸附法,催化转化法,直接燃烧1000以上 热力燃烧700-800 催化燃烧300-400,大型脱硫设备,有机废气浓缩吸附净化设备,酸碱废气净化塔,第七章 气态污染物控制技术基础,气体在气相中的扩散 气体在液相中的扩散,吸收机理 气液平衡 物理吸收 化学吸收,气体扩散,气体吸收,第一节 气体扩散,流体输送 热量传递 质量传递,气态污染物脱除过程的单元操作,分子扩散分子运动引起 湍流扩散流体质点运动引起,气体扩散,在气相中的扩散（Gilliland 方程）,绝对温度，K,扩散系数，cm2/s,气体的摩尔质量,气体在沸点下呈液态时的摩尔体积， cm3/mol,气体在气相中的扩散,介质的种类 温度 压强 浓度,扩散系数,物质的特性常数之一 影响因素：,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）,扩散系数的测量,Stephan过程,液体A的密度，g/m3,液体的初始高度，cm,液体的最终高度，cm,分别为初始和最终时的空气分压,变化时间，s,气体在液相中的扩散,扩散系数随溶液浓度变化很大 上式只适用于稀溶液,在液相中的扩散系数 估算方程,液体的粘度，cPa,溶剂的缔结因数，水2.6，甲醇1.9。乙醇1.5， 非缔结溶剂如苯、乙醚均为1.0,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）,第二节 气体吸收,吸收机理 1.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 膜内无物质积累,即达稳态.,吸收机理,2.渗透模型 假定:,气液界面上的液体微元不断被液相主体中浓度为CAL的微元置换 每个微表面元与气体接触时间都为 界面上微表面元在暴露时间内的吸收速率是变化的,吸收机理,3.表面更新模型,假定: 各表面微元具有不同的暴露时间,t=0- 各表面元的暴露时间(龄期)符合正态分布,4. 其它模型 表面更新模型的修正 基于流体力学的传质模型 界面效应模型,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,扩散与去除有害气体的相互关系 是什么？,气体在气相中的扩散与液相中的 扩散有什么不同？,思考题,第二节 气体的吸收,吸收设备,吸收设备,填料塔,填料塔,泡沫颗粒滤珠填料（EPS发泡塑料滤珠）,直径50空心球,鲍耳环填料,供应丝网波纹填料,拉西环，矩鞍环，异鞍环，十字环，鲍尔环,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,气液平衡,常见气体的平衡溶解度,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,一、气体在液相中的平衡溶解度,当,不太高5atm时，认为P对溶解度的影响可忽略，,一定时。,A组分在气相中的分压。,即,若以组成在溶液中的浓度为自变量，则,溶解度是系统的温度、总压、气相组成的函数,当温度,1、当溶解达到平衡时，平衡溶解度,（气液平衡）,对于压力不太大的稀溶液，在一定温度下，气体在液体中的溶解度与该气体的平衡分压成正比。,2、享利定律,当溶质含量以,表示（单组分）,溶质含量以浓度,表示时,当溶质含量以,表示（单组分）,吸收质在液相中的摩尔分率,气体在水中的亨利系数值见下表,来说：,对于,物理吸收溶解于液相中的吸收质的量,化学吸收未参加反应的量,享利系数,单位与气相压相同（atm）,气体在水中的亨利系数值,当以气体的摩尔分率,表示时，则又可写成,为溶质在气相中的摩尔分率,推导：,又 ,(为气相总压),则：,相平衡常数,据Dolton定律,溶质含量以浓度,表示时,亨利定律可表示为,溶质在液相中的浓度,物理吸收完全溶解量 化学吸收剩余溶解量,溶解度系数,注： 气体溶解度大小的指标，温度越高，H越小，易溶气体H大，难溶气体H小）,由于,说明,与,存在一定的关系,或,对于稀溶液,溶剂密度，,液体的平均分子量(kg/mol),吸收系数,吸收系数的不同形式,传质阻力,传质阻力吸收系数的倒数,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,常用吸收系数经验式,界面浓度的计算,作图法,解析法 稀溶液亨利定律+传质方程,物理吸收,操作线方程 操作线、平衡线和吸收推动力,物理吸收,最小液气比,（平衡线上凸）,吸收塔的最小液气比,物理吸收,填料塔高度计算,水吸收SO2的平衡线和操作线,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,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,二、化学吸收中的气液平衡关系,1、化学吸收就是吸收质与吸收剂或吸收剂中的某组分发生反应。,气相(A),液相（A）,AB（A被B吸收）,也就是说，化学吸收既服从溶解过程中的相平衡关系，又服从化学平衡关系，所以化学吸收是相平衡和化学平衡的综合。,2、相平衡与化学平衡,（B组分）,（1）一般形式,相平衡,+,化学平衡,K,+,平衡常数为,K,（1）,其中A是未反应的部分，对于相平衡来说在压力不太高的情况下，可用享利定律。,(2),由(1)、(2)式得,又,A,因为大部分都参加了化学反应,当A全部被溶解时，,，所以化学吸收要优于物理吸收,(吸收剂),(溶剂化产物),（2）常见的几种平衡类型,被吸收组分与吸收剂相互作用,相平衡,在液相平衡时，设液相中A总浓度为,则,又,溶解度,若溶液中无同离子存在则,被吸收组分在溶液中离解：,设溶剂化产物全部离解：如,实际过程,相平衡,液相中A组分的总浓度,又,=, 被吸收组分与溶剂中活性组分作用,B为吸收剂中的活性组分,设,为反应开始时B的浓度，,为组分B平衡反应率,K,又,液相中A组分的浓度,B是活性组分,a.若,b.若 K,则,则,c.,受,的影响，,时，,CA,CA,物理吸收,化学吸收,t,化学吸收的气液平衡,平衡浓度计算,结论,化学吸收速率,吸收速率 物理吸收时 化学吸收时,K1未发生化学反应时的液相传质分系数 由于化学反应使吸收速率增强的系数,相当于选取相同的推动力C, 选用不同的传质系数引入增强系数,第二节 伴有化学反应的吸收动力学,一、双膜理论,（1）气液两相接触时存在一个相界面，在相界面两侧各存在着一层稳定的层流薄膜，分别称为气膜和液膜，即使两相流为湍流时，膜内仍为层流。,（2）被吸收组分从气相转入液相的过程依次分为5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边界；在相界面上被吸收组分从气相溶入液相；靠分子扩散从两相界通过液膜，靠湍流扩散从液膜表面到液相主体。,（3）在两相主体中，由于流体的充分湍流而不存在浓度梯度。即被吸收组分在两相主体中的扩散阻力可忽略不计。,（4）不管气液两相主体是否达到平衡，但认为相界面处吸收组分在两相间已达到平衡。即认为相界面处无任何传质阻力。,（5）两层膜的厚度均极薄，在膜中并无吸收组分的积累，所以吸收过程可以看作是通过气液膜的稳定扩散。,扩散速率NA,气膜:,=,液膜:,=,以分压差为推动力的传质系数,以浓度差为推动力的传质系数，,界面上可用享利定律表示为：,组分A以气相分压差为推动力的总传质系数,以液相浓度差为推动力的总传质系数,总传质系数与分传质系数的关系如下：,讨论,（1）对于易溶气体，H很大。,所以传质阻力为气膜阻力，属气膜控制，,即,（2）对于难溶气体 H很小。,所以传质阻力为液膜阻力，属液膜控制,此时,当求得,二、学化吸收过程的吸收速率,1、吸收速率表达式,气相一侧,物理吸收,化学吸收,液相一侧,物理吸收,（扩散）,化学吸收,（扩散反应）,说明：,令,则,是由于有化学反应使液相传质系数增加,倍。,，则根据,就可以求得总传质系数，从而求得,2、增强系数的确定,反应级数为m+n级,为双曲正切函数,其中,R反应速率与扩散速率之比值,级反应速率常数,B和A通过液膜的扩散速率之比值,nb组分的反应级数,其中比较重要的是,的2级反应,此时：,2级反应速率常数,直接利用,因为,所以直接解很困难,（2）用综合关联图求取,常由资料或文献中查得,（1）,求解很困难,1区,0.5,极小，,也很小，液相发生缓慢反应，化学级收由反应控制。,所以近似认为是物理吸收来处理,1,时，扩散与反应相当,此时,即传质分系数,比,大得多,此时化学反应由传质控制。,的区域(,),为极快反应(瞬时完成),可用近似计算公式,1、浓度分布,反应面与界面重合,反应面在液膜内,三、极快(瞬时)不可逆反应的吸收速率方程传质控制,2、吸收速率方程,(1)反应面与界面重合,属气膜控制,(2)反应面在液膜内,当达到稳定状态后，相当于,透过,厚度界面扩散,由于,在界面上,则有,令,则有,将,代入(,),整理得到,即,式中,计算,：,得,当,当,此时，,此时，,结论：,NA与液相组分B浓度有关,当,当,与反应级数无关，吸收为传质控制,四、其它类型的化学吸收过程,1、快速及中速反应反应区,吸收速率取决于传质速率和反应速率,PA,CAi,CBi,PAi,CB,CA,2、缓慢反应,吸收速率取决于反应速率,按物理吸收计算,例：SO2化学吸收计算,主要参数 G1入塔气体的总摩尔流量，kmol/(m2h) 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量，m3/m2h 气相SO2的平衡方程,例：SO2化学吸收计算,边界条件： y(ZT)=y1 各种物质浓度 SO2H2O=KhsP SO2 S HSO3-=KhsKs1PSO2s/H+ SO32-=KhsKs1Ks2PSO2s/H+2,例：SO2化学吸收计算,碱存在时，任意时间 H+M+=OH-+HSO3-+2SO32- 即：H+M+=KW/H+1-KhsKs1PSO2s/H+2KhsKs1Ks2PSO2s/H+2,在塔底（z=ZT）和z之间计算SO2的物料平衡 G1y1+WKhsPSO2s (1+Ks1/H+2Ks1Ks2/H+2) =G1y1-G1(1-y1)y2/(1-y2)+G1(1-y1)y/(1-y),例：SO2化学吸收计算,简化式可写为,小结：,当,时，在液膜内进行,当,时，在界面处进行,此时,例：用稀硫酸吸收氨，采用逆流方式，已知：含NH3气体的流量,=45kmol/h，,NH3的入口处分压P1=0.05atm，NH3的出口处分压P2=0.01atm，稀硫酸的入口,液相传质分系数,，对应的溶解度系数,，求填料塔高度。,浓度C2=0.6kmol/m3,出口浓度C1