第七章 气态污染物控制技术

大气污染控制工程1/52南通大學第七章气态污染物控制技术气态污染物净化的特点及其净化方法的分类冷凝燃烧吸收法净化气态污染物吸附催化转化气体生物净化气态污染物控制新技术大气污染控制工程2/52南通大學第一节气态污染物净化的特点及其净化方法的分类物质转化相态变化净化吸收法吸附法催化转化法燃烧法冷凝法大气污染控制工程3/52南通大學物理吸收化学吸收单纯的物理溶解过程，溶解度与气体分压成正比。平衡线在一范围内为线性。易取得平衡资料。吸收速率取决于吸收质在气液膜内扩散速率。须考虑化学反应的影响，液相中的纯吸收质浓度降低，增加了吸收的对动力，提高了吸收速率。吸收速率与扩散速率和化学反应速率有关。吸收热较小，约在几百～1,000kcal/kmol。吸收热(包含化学反应热)较大，可至20,000kcal/kmol不易完全去除气体中的溶质成分，较适用于气体分压高时容易移去欲吸收的成分，但依不同的化学反应而异，在气体分压低时亦可能有很好的去除率。大气污染控制工程4/52南通大學第二节冷凝冷凝：温度降低至露点以下，而使污染物由气相变成液相，凝结析出。将蒸气从空气中冷却凝成液体，并将液体收集起来，加以利用。大气污染控制工程5/52南通大學第三节燃烧燃烧法是通过氧化作用，将废气中的可燃有害组分转化为无害，或易于处理和回收的物质的方法。大气污染控制工程6/52南通大學第四节吸收法净化气态污染物吸收：利用气体组分在液体中的溶解度不同而分离气体混合物的操作化学吸收物理吸收吸收大气污染控制工程7/52南通大學一、吸收过程的基本原理气液相平衡关系式平衡——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***/cHpxpEymxSS/()/()HcxEHME大气污染控制工程8/52南通大學二、吸收速率双膜模型（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,即达稳态大气污染控制工程9/52南通大學吸收速率方程双膜理论模型吸收传质速率的一般表达式为：吸收速率＝吸收推动力×吸收系数吸收系数和吸收阻力互为倒数大气污染控制工程10/52南通大學气相分传质速率方程AAAAgAA()()yiiNkyyNkpp气液两相传质过程示意图gAggZDk大气污染控制工程11/52南通大學液相分传质速率方程总传质速率方程lAllZDkAAilAAAixAcckNxxkNAAAlAAAxAAAgAAAAyAccKNxxKNppKNyyKN****大气污染控制工程12/52南通大學吸收系数的不同形式大气污染控制工程13/52南通大學吸收系数——传质阻力的倒数传质总阻力＝气相传质阻力＋液相传质阻力例：11yyxmKkk传质总阻力＝气相传质阻力＋液相传质阻力例：11yyxmKkk大气污染控制工程14/52南通大學气膜控制（，）易溶气体（碱或氨液吸收SO2）1yxmkk11yyKk气膜控制（，）易溶气体（碱或氨液吸收SO2）1yxmkk11yyKk液膜控制（，）难溶气体（稀碱溶液吸收CO2，水吸收O2）1yxmKk1xymkk液膜控制（，）难溶气体（稀碱溶液吸收CO2，水吸收O2）1yxmKk1xymkk总传质阻力等于气相传质阻力和液相传质阻力之和大气污染控制工程15/52南通大學提高吸收效果的措施提高气液相对运动速度选择溶解度大的吸收剂增大供液量增加接触面积大气污染控制工程16/52南通大學三、物理吸收传质计算塔内气体的总量沿塔高不断变化塔内液体的总量沿塔高不断变化G是单位时间通过塔内任一截面单位面积的混合气体流量L是单位时间通过塔内任一截面单位面积的吸收液流量y是任一截面上混合气体中被吸收组分的摩尔分数x是任一截面上吸收液中被吸收组分的摩尔分数GB是单位时间通过塔内任一截面单位面积的惰性气体流量LS是单位时间通过塔内任一截面单位面积的吸收剂流量Y是混合气体中被吸收组分与惰性气体的摩尔比X是吸收液中被吸收组分与吸收剂的摩尔比大气污染控制工程17/52南通大學根据物料平衡有：单位时间吸收量由于在连续操作中GB、LS、y1、x1都是恒定的，所以用摩尔分率表示较方便1.吸收操作线2121LLGG12122211121222111L1L11xxxxxxWyyyGyyyGWAAyyxxXyxLLS1Y11GG1B　　　　　　　　　大气污染控制工程18/52南通大學根据吸收质的物料平衡有由于吸收塔的任一截面上，气相中溶质的浓度均大于与液相平衡的气相溶质浓度，吸收操作线总是位于平衡线上方。对于处理气体浓度较低的操作线可近似为11xGLyxGLY11XGLYXGLYBSBS大气污染控制工程19/52南通大學2.吸收剂用量与液气比减少吸收剂用量时，操作线斜率变小，出塔吸收液浓度增大，当塔底操作点与平衡线相交时，吸收液达到理论最高浓度，此时对应的液气比为最小液气比2*121minXXYYGLBS吸收塔的最小液气比大气污染控制工程20/52南通大學最小液气比2212*121min/xmyyyxxyyGLBS吸收塔的最小液气比2max121minXXYYGLBS对于低浓度气体吸收可近似为大气污染控制工程21/52南通大學3.填料层高度计算填料层高度的计算涉及物料平衡、传质速率与相平衡三种关系dzyyakGydiyyxLLS1GG1B　　　　ydyGydyGyydGGydBB1112由物料平衡大气污染控制工程22/52南通大學填料层高度计算式考虑气相有izyyyyyydyakGdzT1012TzyyiyyyydyakGdz0121考虑液相有：TzxxixxxxdxakGdz0121结合传质速率iyixyyakxxak大气污染控制工程23/52南通大學四、化学吸收传质计算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反应速度快——液膜扩散阻力降低填料表面的停滞层仍为有效湿表面大气污染控制工程24/52南通大學反应在什么位置进行取决于反应速率与扩散速率的相对大小两分子反应中相界面附近液相内A与B的浓度分布大气污染控制工程25/52南通大學PAPAiCAiCABiCBCABPACABiCABCBPACABiCABCB（c）A组分B组分A过剩反应后面后移至NB=bNA时固定此时CB=CA=0CBCKP（a）A组分=B组分反应面固定在相界面上满足NB=bNA此时CBi=CAi=0CB=CKP（b）AB(过剩)反应带与相界重合CAi=0CBi≠0CBCKP反应时：大气污染控制工程26/52南通大學A与B无化学反应。属物理吸收用水吸收SO2或CO2可按物理吸收来处理大气污染控制工程27/52南通大學A与B进行缓慢反应。反应主要在液相中进行。吸收速率主要由反应速率所控制用Na2CO3溶液吸收CO2属于这种类型大气污染控制工程28/52南通大學A与B进行快速反应。反应完全在液膜内进行。吸收速率由扩散速率和反应速率共同控制用NaOH溶液吸收CO2属于这种类型大气污染控制工程29/52南通大學A与B为瞬时反应。反应速率愈大，反应面愈靠近气液界面。吸收速率由A扩散到反应面的速率所控制，气膜控制用NaOH溶液吸收HCl属于这种类型大气污染控制工程30/52南通大學吸收剂的选择在选用吸收剂时，选择要点如下：对气体之溶解性要大。气体溶质在吸收剂内之溶解度越大，则吸收率越大，同时亦可减少吸收剂之用量。挥发性低。选择低挥发性之吸收剂，除可减少吸收剂损失量，并可减少二次污染。化学安定性高。使用安定性较高之吸收剂，可减少在储存或吸收过程中变质之可能性；可能的话，应选择非可燃性溶剂，以减少危害性。无毒性。基于操作安全之考虑，以及吸收液使用后之处理，选择吸收剂时宜注意其毒性问题。大气污染控制工程31/52南通大學吸收设备大气污染控制工程32/52南通大學第五节吸附吸附用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面吸附质－被吸附物质吸附剂－附着吸附质的物质优点：效率高、可回收、设备简单缺点：吸附容量小、设备体积大大气污染控制工程33/52南通大學一、吸附机理大气污染控制工程34/52南通大學物理吸附化学吸附1.吸附力－范德华力；2.不发生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；5.吸附可逆；1.吸附力－化学键力；2.发生化学反应；3.过程慢；4.升高温度有助于提高速率；5.吸附不可逆；大气污染控制工程35/52南通大學同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附大气污染控制工程36/52南通大學等温吸附线：吸附达平衡时，吸附质在气、固两相中的浓度间有一定的函数关系，一般用等温吸附线表示。目前已观测到5种类型的等温吸附线。化学吸附只有I型，物理吸附I~V型都有。相应的等温吸附方程式如下：大气污染控制工程37/52南通大學大气污染控制工程38/52南通大學吸附剂吸附剂的性质吸附剂需具备的特性内表面积大具有选择性吸附作用高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大来源广泛，造价低廉良好的再生性能大气污染控制工程39/52南通大學常用吸附剂特性吸附剂类型活性炭活性氧化铝硅胶沸石分子筛4A5A13x堆积密度/kg·m-3200～600750～1000800800800800热容/kJ(kg·K)-10.836～1.2540.836～1.0450.920.7940.794——操作温度上限/K423773673873873873平均孔径/Å15～2518～48224513再生温度/K373～413473～523393～423473～573473～573473～573比表面积/㎡·g-1600～1600210～360600——————大气污染控制工程40/52南通大學气体吸附的影响因素操作条件低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附增大气相压力利于吸附吸附剂性质孔隙率、孔径、粒度等——比表面积——吸附效果吸附质性质、浓度临界直径——吸附质不易渗入的最大直径吸附质的分子量——沸点、饱和性吸附剂活性单位吸附剂吸附的吸附质的量静活性——吸附达到饱和时的吸附量动活性——未达到平衡时的吸附量大气污染控制工程41/52南通大學吸附剂再生加热再生吸附作用强，再生温度高降压或真空解吸置换再生脱附剂需要再脱附溶剂萃取活性炭吸附SO2，可用水脱附大气污染控制工程42/52南通大學吸附等温线弗罗德里希（Freundlich）方程朗格缪尔（Langmuir）方程nTkPX1Tmm11ABPXBPPPVBVVV－被吸附气体在标态下的体积P－吸附质在气相中的平衡分压Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积B－吸附与解析速率常数之比Tmm11ABPXBPPPVBVVV－被吸附气体在标态下的体积P－吸附质在气相中的平衡分压Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积B－吸附与解析速率常数之比大气污染控制工程43/52南通大學BET方程m000mm0()[1(1)/]1(1)()VCPVPPCPPPCPVPPVCVCPV－被吸附气体在标态下的体积P－吸附质在气相中的平衡分压P0－吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积C－与吸附热有关的常数m000mm0()[1(1)/]1(1)()VCPVPPCPPPCPVPPVC