第九章气态污染物控制技术

第九章气态污染物控制技术基础(1)气体扩散气体在气相中的扩散气体在液相中的扩散气体吸收吸收机理气液平衡物理吸收化学吸收第一节气体扩散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）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溶质渗透模型考虑了膜模型所忽略的、在膜内建立起浓度梯度的过度时间。溶质渗透模型的主要对象为液膜控制的传质。吸收机理3.表面更新模型流体微元气液界面液体主相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xALAAAAgAA()()yiiNkyyNkppAAAAlAA()()xiiNkxxNkccAA**AAAAAA**AAgAAAlA()()()()yxNKyyNKxxNKppNKcc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***/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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xyykmkK11yykK11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物理吸收操作线方程操作线、平衡线和吸收推动力SS1111BB()()LLLLYXYXXYXGGGG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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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的浓度分布化学吸收的气液平衡气体溶于液体中，若发生化学反应，则被吸收组分的浓度应既服从相平衡关系，又应服从化学平衡关系。被吸收组分A进入液相的总浓度CA满足：---------------9.1设设备吸收组分A与溶液中所含的组分B发生相互反应：化学消耗物理平衡AAcAdDcCbBaAaAlg①亨利定律关系式：------------------9.2②化学平衡关系式：------------------9.3*AApHAbadcBADCk------------------9.4将9.4代入9.2得：------------------9.5下面从几种具体的情况来讨论化学吸收的气液平衡关系:1.被吸收组分与溶剂的相互作用反应式表示为：被吸收组分A进入液相的总浓度CA可写成：------------------9.6其化学平衡常数------------------9.7abdckBDCA1abdcAAkBDCHp1*1lklgMBAAMACABAACBAMkA于是有：------------------9.8又若是稀溶液吸收，则遵循亨利定律，即有[A]=HAPA*，代入（9.8），于是有：------------------9.9在稀溶液中，B很大可视为常数，且k不随浓度变化，故1+k[B]可视为常数，此时，即形式上服从亨利定律，但不同的是表明溶解度系数较HA增大了（1+k[B]）倍，结果使过程有利于气体组分A的吸收。代表性的有：用水吸收氨气。BkCAA1BKHCPAAA1*AACp*BkHHAA1'BkHHAA1'2、被吸收组分在溶液中离解设反应产物的解离反应式为：吸收平衡时，离解常数为：-----------------9.10当溶液中无相同离子存在时，[K+]=[A-]，于是有：----------------9.11AKMBAAkklgMkAMAk121被吸收组分A在溶液中的总浓度为物理溶解量与离解溶解量之和，即：------9.12MkMAAMACA1MAKk.1对式（9.7）、（9.11）、（9.12）和组分的物料平衡方程式联解得：---------9.13式中：------------9.14将（9.13）代入亨利定律式，则：---9.15由此可见，对反应产物有解离的化学吸收过程，相平衡方程式与气相组分A在吸收液中总浓度[CA]为非线性关系。BkkCkkCAAAAAA1242BkBkkkA11AAAAAAAkCkkCHBkP42121*3、被吸收组分与溶剂中活性组分作用设反应式为：设溶剂中活性组分B的起始浓度为CB0，反应达平衡后，转化率为R，则溶液中活性组分B的浓度，而生成物M的平衡浓度为。由化学平衡关系得平衡常数：--------9.16又亨利定律[A]=HAPA*，得：------------9.17lllgMBAARCBB10RCMB0RARRCARCBAMkBB11.00RkHRPAA1*若物理溶解量可忽略不计，则由上两式可得：令，于是---------9.18变换为：由此可见：①溶液的吸收能力CA*随PA*增大而增大，也随k增大而增大。②溶液的吸收能力还受活性组分起始浓度CB0的限制，CA*≤CB0（只能趋近于而不能超过）气相中的分压和温度对化学吸收和物理吸收的影响不同:温度增大，压力增大可改善化学吸收过程(化学吸收)；温度降低，压力增大可改善液体中污染物的溶解度（物理吸收）。**00*1AAAABBAkPHkPHCRCMCkHkA1*1*10*1AABAPkPkCC111*10*ABAPkCC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——增强因子，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关于请参考蒋展鹏《环境工程学》（第一版）或《化学反应工程》中“气液反应”部分内容。吸收设备吸收设备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吸收设备填料塔填料塔第九章气态污染物控制技术基础(2)气体吸附吸附剂吸附机理吸附工艺与设备计算第三节气体吸附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、设备体积大吸附机理物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附1.吸附力－范德华力;2.可单层吸附，亦可多层吸附；3.过程快，常常瞬间达到平衡；4.放热反应；5.吸附过程可逆。1.吸附力－化学键力;2.单层吸附；3.有很强的选择性；4.吸附速率慢；5.升高温度有助于提高速率。物理吸附和化学吸附•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，则发生化学吸附。吸附剂吸附剂需具备的特性内表面积大具有选择性吸附作用较高的机械强度、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