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1第七章气态污染物控制技术基础本章主要介绍从气体污染物中脱除SO2等气态污染物的质量传递有关的单元操作过程。包括气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本原理以及气态污染物控制中的一些问题。7.1气体扩散目的要求：了解气体在气相和液相中的扩散过程；重点：无授课方式：讲授、自学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方式。分子扩散：物质在静止的或垂直于浓度梯度方向做层流流动的流体中传递，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质点的运动引起的，称为湍流扩散；扩散的结果，会使气体从浓度高的区域转移到浓度较低的区域；对吸收操作来说，混合气体中气态污染物首先要从气相主体扩散到液相界面，然后才能由界面扩散到液相主体中。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中的扩散系数DAB给出。扩散系数是物质的特性常数之一，同一种物质的扩散系数随介质的种类、温度、压强及浓度的不同而变化；表7-2为若干种物质在空气中的扩散系数。二、气体在液体中的扩散气体在液体中的扩散系数随溶液浓度变化较大。7.2气体吸收目的要求：理解气体吸收的机理；重点：填料层高度的计算；授课方式：讲授、自学一、吸收机理2气体吸收是溶质从气相传递到液相的相际间传质过程，对于吸收机理以双膜理论模型的应用较广。双膜理论模型如图7-2所示（图中pA表示组分气相主体中的分压，pAi表示在界面上的分压，CA及CAi则分别表示组分在液相主体及界面上的浓度），把吸收过程简化为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。吸收质在单位时间内通过单位面积界面而被吸收剂吸收的量称之为吸收速率。根据双膜理论，在稳态吸收操作中，从气相主体传递到界面吸收质的通量等于界面传递到液相主体吸收质的通量，在界面上无吸收质积累和亏损。吸收传质速率方程的一般表达式为：吸收速率=吸收推动力×吸收系数，或者吸收速率=吸收推动力/吸收阻力。吸收系数和吸收阻力互为倒数。吸收推动力表示方法有多种，因而吸收速率方程也有多种表示方法。1、气相分传质速率方程式（7-4）为以摩尔分率表示的吸收推动力的传质速率方程；式（7-5）为以分压表示的吸收推动力的传质速率方程；2、液相分传质速率方程式（7-6）和（7-7）分别表示的以摩尔分率和摩尔浓度为推动力的传质速率方程；3、总传质速率方程以一个相的虚拟浓度与另一个相中该组分平衡浓度的浓度差为总传质过程的推动力，则可以分别得到稳定吸收过程的气相和液相总传质速率方程式。二、气液平衡1、气液相平衡（1）平衡溶解度（2）亨利定律物理吸收时，常用亨利定律来描述气液相间的相平衡关系。当总压不高时，在一定温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比。2、吸收系数各种形式的传质速率方程及吸收系数间的换算关系列于表7-6。传质过程影响因素十分复杂，获取吸收系数的途径有：试验测定、选用适当的经验公式进行计算、选用适当的准数关联式进行计算；33、界面浓度三、物理吸收1、吸收操作线方程通过对逆流操作吸收塔进行物料衡算，可得出吸收操作线。2、吸收剂用量与液气比设计吸收塔时，所处理的气体流量、进出塔气体溶质溶度均由设计任务而定，吸收剂的种类和入塔浓度X2由设计者选定，而吸收剂用量Ls和出塔溶液中吸收质浓度X1需通过计算确定。最小液气比可由全塔的物料平衡计算求得：12min*B12Ls()GYYXX（7-38）若为低浓度气体吸收，且溶液为稀溶液，其气液平衡关系服从亨利定律，最小液气比：1212min*B1212Ls()Gyyyyxxymx（7-39）3、填料层高度计算填料层高度的计算涉及物料衡算、传质速率和相平衡三种关系式的应用。例7-1用水吸收二氧化硫巩固填料层高度的计算过程；四、化学吸收7.3气体吸附目的要求：理解吸附机理及吸附剂的类型重点：无；授课方式：讲授、自学一、概述1、定义气体吸附是用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的一种或数种组分被浓集于固体表面，而与其他组分分离的过程。被吸附到固体表面的物质成为吸附质，附着吸附质的物质为吸附剂。42、分类根据吸附剂表面与被吸附物质之间作用力的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是由于分子间范德华力引起的，可以是单层吸附，也可以是多层吸附。主要特征：（1）吸附质与吸附剂间不发生化学反应；（2）吸附过程极快，参与吸附的各相间常常瞬间即可达到平衡；（3）吸附为放热反应；（4）吸附剂与吸附质间的吸附力不强，当气体中吸附质分压降低或温度升高时，被吸附的气体易从固体表面逸出，而不改变气体原来的性质。化学吸附是由吸附剂与吸附质间的化学键力而引起的，是单层吸附，吸附需要一定的活化能。化学吸附的吸附力较强，主要特征：（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；二、吸附剂1、吸附剂的性质（1）要具有巨大的内表面，而其外表面往往仅占总表面的极小部分，故可看作是一种极其疏松的固态泡沫体。（2）对不同气体具有选择性的吸附作用。（3）较高的机械强度，化学与热稳定性。（4）吸附容量大。吸附容量是指在一定温度和一定的吸附质浓度下，单位质量或单位体积吸附剂所能吸附的最大吸附质质量。（5）来源广泛，造价低廉。（6）良好的再生性能。2、工业常用的吸附剂主要有5类：活性炭、活性氧化铝、硅胶、白土和沸石分子筛。53、影响气体吸附的因素（1）操作条件温度、气相主体分压、气流速度。（2）吸附剂的性质孔隙率、孔径、粒度等影响比表面积，从而影响吸附效果；（3）吸附质的性质与浓度（4）吸附剂的活性吸附剂的活性是吸附剂吸附能力的标志，常以吸附剂上已吸附吸附质的量与所用吸附剂量之比的百分数来表示。其物理意义是单位吸附剂所能吸附吸附质的量。分为动活性和静活性。静活性是在一定温度下，吸附达到饱和时，单位吸附剂所能吸附吸附质的量。动活性是吸附过程还没有达到平衡时单位吸附剂吸附吸附质的量。4、吸附剂的再生再生方法有加热解吸再生、降压或真空解吸再生、溶剂萃取再生、置换再生、化学转化再生等。再生时一般采用逆流吹脱的方式。三、吸附机理1、吸附平衡平衡吸附量是吸附剂对吸附质的极限吸附量，也称静吸附量分数或静活性分数，用XT表示。是设计生产中十分重要的参数。吸附平衡时，吸附质在气、固两相中的浓度关系一般用吸附等温线表示。已观测到的吸附等温线有6种类型。如图7-16所示。相应的等温吸附方程式：（1）弗里德里希方程式：1nTXkP（7-89）主要针对Ⅰ型等温吸附线提出的，适用于吸附等温线的中压部分。（2）朗格谬尔方程式1TABPXABP（7-90）郎氏方程能解释很多试验结果，是目前常用的吸附等温方程式。6（3）BET方程式适合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型吸附等温线的多分子层吸附理论。2、吸附速率外扩散、内扩散和吸附；四、吸附工艺与设备1、吸附工艺吸附工艺按吸附剂在吸附器中的工作状态可分为固定床、流动床及流化床吸附过程。按操作过程的连续与否可分为间歇吸附过程与连续吸附过程。（1）固定床吸附流程（2）流动床吸附流程吸附剂连续吸附和再生，向下移动的吸附剂与待净化气体逆流接触进行吸附；（3）流化床吸附流程2、吸附设备常见的吸附设备及其特点如表7-14所示。3、固定床吸附器计算方法（1）吸附器内的浓度分布（2）穿透时间的确定（3）吸附区长度的确定4、移动床吸附器的计算方法7.4气体催化净化目的要求：了解催化剂及催化动力学原理重点：无；授课方式：讲授、自学催化转化是指含有污染物的气体通过催化剂床层的催化反应，使其中的污染物转化为无害或易于处理与回收利用物质的净化过程。一、催化作用与催化剂1、催化作用7催化剂的存在改变了反应历程，反应历程的改变又加速了整个反应过程。催化作用有两个显著特征：（1）催化剂只能加速化学反应速度，缩短反应达到平衡的时间，不能使平衡移动；（2）催化作用有选择性；2、催化剂（1）催化剂的组成催化剂通常由活性组分、助催化剂和载体组成。（2）催化剂的性能活性：用单位体积或质量的催化剂在一定条件（温度、压力、反应物浓度）下，单位时间内所得到的产品量来表示。选择性：当化学反应在热力学上有几个方向时，一种催化剂在一定条件下只能对其中的一个反应起加速作用的特性；稳定性：化学反应过程中保持活性的能力成为催化剂的稳定性，包括热稳定性、机械稳定性和化学稳定性三个方面，三者共同决定了催化剂在反应装置中的使用寿命，所以常用使用寿命表示催化剂的稳定性；影响催化剂寿命的因素主要有催化剂的老化和中毒两个方面。二、气固催化反应动力学1、气固催化反应过程气固催化反应一般包括下列步骤：（1）反应物从气相主体扩散至催化剂颗粒外表面（外扩散过程）；（2）反应物由催化剂外表面向微孔内扩散（内扩散过程）；（3）在催化剂内表面上被吸附，反应生成产物，产物脱离催化剂内表面（化学动力学控制过程）；（4）产物从微孔向外表面扩散（内扩散）；（5）产物从外表面离开进入气相主体（外扩散）；2、气固催化反应动力学方程三、气固相催化反应器的设计81、设计基础（1）停留时间（2）反应器的流动模型连续式反应器有两种理论流动模型：活塞流反应器和理论混合流反应器；（3）空间速度单位时间内通过单位体积催化床的反应物料体积；空间速度的倒数称为反应物与催化剂的接触时间；2、设计计算经验计算法和数学模型计算法；本章小结：