内蒙科大大气污染控制工程课件第07章 气态污染物控制技术

第七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7.1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）7.2气体吸收一.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–假定:流体微元气液界面液体主相气液界面上的液体微元不断被液相主体中浓度为CAL的微元置换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吸收机理•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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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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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•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填料塔填料塔第七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7.3气体吸附一.概述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.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；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，发生化学吸附二.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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——————常用吸附剂特性分