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理技术基础本章要点了解气态污染物常用的处理技术掌握亨利定律、吸收塔的物料衡算和操作线方程理解并掌握传质理论，包括化学吸收过程的传质速率表达式掌握吸收塔的计算理解吸附等温线以及穿透曲线等概念掌握燃烧法的原理，了解燃烧法的设计了解冷凝法的原理、计算及冷凝设备气态污染物处理技术基础气体吸收气体吸附燃烧法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应，从而将其从气流中分离出来的操作过程。吸收过程物理吸收——溶解化学吸收——化学反应吸收原理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（见下图）xxX1液相中溶剂的摩尔数液相中溶质的摩尔数yyY1气相中惰性组分摩尔数气相中溶质的摩尔数吸收塔的物料衡算和操作线方程因为总的气体流量（或液体流量）在塔顶和塔底是不同的，上面的方程式一般不能进一步简化。这个方程式在y－x图（图4.3a）上作图时，显现出是曲线。11,22,22,11,xLyGxLyGmmmm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操作线为直线则计算更为方便)()(12,12,XXLYYGmsmc对操作线和平衡线图的说明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在塔的任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距离是吸收塔内任意点上的传质推动力。图上M点指明界面的组成。吸收过程的传质传质的理论——双膜理论、渗透模型、表面更新模型双膜理论组分在气相中的分压扩散方向组分在液相中的浓度界面气膜边界液膜边界气膜液膜气相主体PPiCiC双膜理论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：气相主体气膜表面两相界面通过液膜液相主体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：()()LAAiALAiALDNCCkCCZ)())((AiAGAiABMGGAPPkPPPPRTZDNBBiBBiBMPPPPPln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：HkkKLGG111LGLkkHK11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，KGkG，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，KLkL，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=LMxmsOLxaKLH)1(,,(1)cmOGyLMGHKay12,*(1)(1)(1)()XsmLMxLMXLxdxKaxxxx12*))(1()1()1(,yyLMLMymcyyydyyyaKG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OGN总的浓度变化平均推动力12*xxOLxxdxN1212**))(1()1(yyyyLMOGyydyyyydyyN传质单元数的计算方法1、解析法S1：液体量较大，吸收率高，操作线斜率大于平衡线斜率S1：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。12221ln[(1)]1OGYmXNSSSYmX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：**1112221212,ln(/)myyyyyyyyyyymyyOGyyyyydyN21*122、梯级图解法1122**yYOGyYdydYNyyYY3、图解积分法在直角坐标系中将1/(Y－Ｙ*)与的对应关系进行标绘，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12*YOGYdYNYY传质单元高度的计算对于稀溶液，上式简化为：HG和HL的一般公式如下：(1)()()(1)mLmOGGLmLmmGxHHHLy0.5(')(')()mnGGGGHaGLDLmmGOGHLmGHH)(5.0)()/'(LLLqLLDLH气体吸收—例题一般的操作原则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伴有化学反应的气体吸收化学吸收过程的传质速率表达式：NA=kL(△CA+δ)=kL′△CA令增强因子=kL′/kL则NA=kL(cAi-cA)不同反应类型的增强因子表达式（1）不可逆瞬时反应=1+rS扩散系数比r≡DB/D计量浓度比S≡CBL/bCi)()()(反应产物反应物溶质CbBA对增强因子的补充说明扩散系数比r通常接近于1，且难于人为地改变它；计量浓度比S那可以在很大的范围内改变，而为影响的主要因素。当其他条件不变而增大CBL时，则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，因为此时溶质A在液相中的传质阻力为零，所以NA不再随CBL改变当反应物在液相主体中的浓度CBLCBLC时，用CBLC来代替CBLcGBLGLbkCPrk不同反应类型的增强因子表达式（2）快速一级或拟一级反应一级反应的增强系数为对于渗透模型，有当大于5时，也有。双膜模型和渗透模型的结果相同。th21伴有化学反应的吸收设备的计算（1）填料吸收塔的计算当化学反应速率很快时，液相溶质浓度为零。1221ln,ymOGayGydyZHKayy1221lnpmOGGpGpdpZHKappp伴有化学反应的吸收设备的计算当kL’非常大，以至于HkL’kG’则属于完全气膜控制。此时，KGkG，故有：1221lnpmGGpGpdpZHkappp伴有化学反应的吸收设备的计算（2）板式吸收塔示意图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伴有化学反应的吸收设备的计算（2）板式吸收塔的计算气相单板效率因为是伴有快速化学反应的吸收，则所以有nnnnnmvyyyyyE111*11nnnnmvyyyyE01*1nnmxy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中任意两个数值就可以计算出另一个数NmvbNEyy)1(11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：AmXYmXYAANOL2221)1(ln11吸收设备选择的基本原则气液间传质速率加大MA，可有以下几种途径：1）加大传质推动力△P=PA－PA*2）增加气相传质系数KG3）增加气液两相的有效传质面积A）（*AAGAPPAKM气体吸附吸附理论几种常见的吸附剂固定床吸附系统流化床吸附器吸附理论吸附机理物理吸附：气体分子和固体间形成弱键，采用加热和减压的方法可进行再生化学吸附：吸附质和吸附剂之间形成化学键，化学吸附极难可逆，不易再生吸附过程（1）吸附质分子通过气膜扩散到吸附剂外表面（2）吸附质分子在微孔中扩散到达内表面（3）吸附质分子被吸附于那表面活性点上（4）吸附质分子由吸附剂内表面向晶格内扩散（1）、（2）阶段分别成为外扩散和内扩散（3）、（4）阶段统称为动力学过程吸附过程示意图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，吸附与脱附达到动态平衡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吸附等温线有五种基本类型（见下图）基本吸附等温线（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)达到平衡时，吸附速率与脱附速率相同。Freudlich吸附等温线方程2111kpPakknkPa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和恒定吸附质分压的密闭玻璃柱中，吊篮用精密的弹簧挂起。用惰性气体（如氦气，有时用氮气）来稀释吸附质气体。随着吸附的进行，吊篮中吸附质的重量不断增加，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重量成线性关系。连续地记录下吸附质的浓度和吊篮的重量，直到吊篮的重量不再增加时，吸附剂的饱和吸附容量达到此法所提供的数据非常可靠，但所消耗的时间太长。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压缩到饱和蒸汽压Pv时的自由能变化值。吸附剂与吸附质的亲和力系数ln()vadsPGRTP'/'refVV一般为苯其中'refV吸附理论吸附其他吸附质上的相关计算12222111lnlnlnvvPTPPTP''2112/aaVV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广到吸附其他吸附质上去吸附剂吸附剂的特性1）比表面积：单位质量吸附剂所具的总表面积式中：as——吸附剂比表面积（m2/g）at——吸附剂的总表面积（m2）m——吸附剂的质量（g）maats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（r0.002μm）：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）shhVV吸附剂吸附剂的特性4）饱和吸附量：饱和状态下，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状况排放标准出气浓度活性炭渗透区活性炭吸附区