第七章 气态污染物控制技术基础(1)

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第七章气态污染物控制技术基础教学内容:气体扩散气体吸收气体吸附气体催化净化教学重点掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本原理和过程了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性教学重点初步学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器建议学时数:8学时(自学)第七章气态污染物控制技术基础(1)§1气体扩散气体在气相中的扩散气体在液相中的扩散§2气体吸收吸收机理气液平衡物理吸收化学吸收教学要求:了掌握气体扩散、气体吸收的基本原理、工艺。教学重点掌握物理吸收的机理;掌握化学吸收与吸收计算教学难点掌握填料塔的设计计算,§1气体扩散气态污染物脱除过程的单元操作流体输送热量传递质量传递气体扩散过程分子扩散-分子运动引起湍流扩散-流体质点运动引起§1气体扩散在气相中的扩散(Gilliland方程)0.540.5AAB0.50.52AABAB111.810[][]TMDMMVVTT--绝对温度,绝对温度,KKDDABAB--扩散系数,扩散系数,cmcm22/s/sMM--气体的摩尔质量气体的摩尔质量--气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积,,cmcm33/mol/molAA--气体密度,气体密度,g/cmg/cm33V0.540.5AAB0.50.52AABAB111.810[][]TMDMMVVTT--绝对温度,绝对温度,KKDDABAB--扩散系数,扩散系数,cmcm22/s/sMM--气体的摩尔质量气体的摩尔质量--气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积,,cmcm33/mol/molAA--气体密度,气体密度,g/cmg/cm33VTT--绝对温度,绝对温度,KKDDABAB--扩散系数,扩散系数,cmcm22/s/sMM--气体的摩尔质量气体的摩尔质量--气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积,,cmcm33/mol/molAA--气体密度,气体密度,g/cmg/cm33V一、气体在气相中的扩散扩散系数物质的特性常数之一影响因素:介质的种类温度压强浓度一、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22A121ABB1B2Aln(/)2RTLLDPppMt--液体液体AA的密度,的密度,g/mg/m33LL11--液体的初始高度,液体的初始高度,cmcmLL22--液体的最终高度,液体的最终高度,cmcm、、--分别为分别为LL11、、LL22时空气分压时空气分压tt--变化时间,变化时间,ssA1B1pB2p22A121ABB1B2Aln(/)2RTLLDPppMt--液体液体AA的密度,的密度,g/mg/m33LL11--液体的初始高度,液体的初始高度,cmcmLL22--液体的最终高度,液体的最终高度,cmcm、、--分别为分别为LL11、、LL22时空气分压时空气分压tt--变化时间,变化时间,ssA1B1pB2p二、气体在液相中的扩散在液相中的扩散系数估算方程扩散系数随溶液浓度变化很大上式只适用于稀溶液0.510BAB0.5AB()7.410MTDVBB--液体的粘度,液体的粘度,cPcP--溶剂的缔结因数,水溶剂的缔结因数,水2.62.6,甲醇,甲醇1.91.9,乙醇,乙醇1.51.5,,非缔结如苯、乙醚为非缔结如苯、乙醚为1.01.00.510BAB0.5AB()7.410MTDVBB--液体的粘度,液体的粘度,cPcP--溶剂的缔结因数,水溶剂的缔结因数,水2.62.6,甲醇,甲醇1.91.9,乙醇,乙醇1.51.5,,非缔结如苯、乙醚为非缔结如苯、乙醚为1.01.0二、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)§2气体吸收二、吸收机理双膜理论1.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xALAAAAgAA()()yiiNkyyNkppAAAAlAA()()xiiNkxxNkccAA**AAAAAA**AAgAAAlA()()()()yxNKyyNKxxNKppNKcc2.渗透模型流体微元气液界面液体主相假定: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3.表面更新模型流体微元气液界面液体主相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界面效应模型二、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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***/cHpxpEymxSS/()/()HcxEHME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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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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水吸收氨(易溶气体吸收)G、L-气、液相空塔流量40.90.39g6.0710kaGL水吸收氨(易溶气体吸收)G、L-气、液相空塔流量40.90.39g6.0710kaGL水吸收CO2(难溶气体吸收)U-喷淋密度,m3/(m2·h)0.96l2.57kaU水吸收CO2(难溶气体吸收)U-喷淋密度,m3/(m2·h)0.96l2.57kaU40.70.250.82gl9.8110;kaGLkaaL水吸收SO2(中等溶解气体吸收)40.70.250.82gl9.8110;kaGLkaaL水吸收SO2(中等溶解气体吸收)界面浓度的计算作图法解析法稀溶液亨利定律+传质方程AAAAAAAAA()()yixiixiyNkyykxxyykxxk三、物理吸收操作线方程操作线、平衡线和吸收推动力SS1111BB()()LLLLYXYXXYXGGGG三、物理吸收最小液气比(平衡线上凸)吸收塔的最小液气比S12min*B12()LYYGXXS12minB1max2()LYYGXX三、物理吸收填料塔高度计算水吸收SO2的平衡线和操作线121200dd()(1)()dd()(1)()TTzyyyizxxxiGyzkayyyLxzkaxxx四、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两分子反应中相界面附近液相内A与B的浓度分布化学吸收的气液平衡•平衡浓度计算化学吸收速率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A1AAl()iNKccAAAAl()iNkCC例:SO2化学吸收计算主要参数G1—入塔气体的总摩尔流量,kmol/(m2•h)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/m2·h气相SO2的平衡方程气体进口G0,y0气体出口G1,y1液体进口L1,x1液体出口L0,x0dzzx,y11d1111(1)|(1)|()d11()d()d1(1)zzzyiyiyyyGyGkayyzyykayyyzyGy例:SO2化学吸收计算边界条件:y(ZT)=y1各种物质浓度[SO2·H2O]=KhsPSO2S[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-]+2[SO32-]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)简化后η=[H+];A=KW/[H+]1-[H+]1;B=KhsKs1;C=KhsKs1Ks2;D=G1(1-y1)/W;E=y2/(1-y2)232sWSO2AKPBC简化后η=[H+];A=KW/[H+]1-[H+]1;B=KhsKs1;C=KhsKs1Ks2;D=G1(1-y1)/W;E=y2/(1-y2)232sWSO2AKPBC例:SO2化学吸收计算简化式可写为322Whs2()()();()1()(2)fAKKBCyfEfDBC21d()()dmmz32W1211()d()();()(1)1()(2)dykafAKfmmGyfpBC上式又可写为(1)21d()()dmmz32W1211()d()();()(1)1()(2)dykafAKfmmGyfpBC上式又可写为(1)TT0201()dd()zmzm积分(1)式即可得塔高TT0201()dd()zmzm积分(1)式即可得塔高吸收设备填料塔喷淋塔吸收设备污染气体入口清洁气体出口循环泵搅拌器氧化空气入口去湿器水洗喷管浆液喷嘴多孔板污染气体入口清洁气体出口循环泵搅拌器氧化空气入口去湿器水洗喷管浆液喷嘴多孔板填料塔

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