大气污染控制工程 第六章 气态污染物控制技术基础

第六章气态污染物控制技术基础26.1基本原理6.2吸收法6.3吸附法6.4催化净化法6.5冷凝法6.6燃烧法6.7生物法6.8其他方法OUTLINE3质量传递热量传递动量传递6.1基本原理4传递过程对于任何处于不平衡状态的体系，一定会有分布不均匀的物理量由高强度区向低强度区转移的过程。质量传递一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。热量传递热量由高温区向低温区的转移。动量传递体系中动量由高速流体层向低速流体层的转移。5质量传递一、气态污染物控制中常见的传质过程吸收与吹脱（气提）吸附催化净化冷凝等6二、传质的方式1．分子传质2．对流传质运动着的流体与相界面之间发生的传质过程称为对流传质。由分子的微观运动引起的物质的传递，符合费克定律。物质在静止流体及固体中的传递依靠分子扩散。分子扩散的速率很慢，对于气体约为每分钟10cm，对于液体约为0.05cm，固体中仅为0.00001cm。7对流扩散受到流体性质、流动状态（层流还是湍流）以及流场几何特性等的影响。层流下的扩散称为层流扩散，湍流下的扩散称为湍流扩散。（1）层流扩散分子扩散，界面与流体间扩散通量仍依据费克定律。（2）湍流扩散式中D——涡流扩散系数，m2/s。ycDJADABAdd)(8三、气体在气相中的扩散气体污染物A通过惰性气体组分B的运动,A在B中的扩散系数DAB0.540.50.50.52111.810[][]AABAABABMTDMMVVT：温度，K；DAB：扩散系数，cm2/s；M：气体的摩尔质量；:气体在沸点下呈液态时的摩尔体积，cm3/mol；ρA：气体密度，g/cm3。V9H214.3O225.6N231.2空气29.9CO30.7CO234.0NO23.6SO244.8NH325.8H2O18.9H2S32.9Cl248.4沸点温度下部分气体的液态分子体积（cm3/mol）10扩散物质扩散系数扩散物质扩散系数H20.611H2O0.220N20.132C6H60.077O20.178C7H80.076CO20.138CH3OH0.132HCl0.130C2H5OH0.102SO20.103CS20.089SO30.095C2H5OC2H50.078NH30.170气体在空气中的扩散系数（0℃，101.33kPa，cm2/s）11四、气体在液相中的扩散气体污染物A通过液体B的扩散系数DAB：0.5100.67.410ABATDVＢＢ（Ｍ）T：温度，K；DAB：扩散系数，cm2/s；MB：液体B的摩尔质量；:气体在沸点下呈液态时的摩尔体积，cm3/mol；μB：溶液的粘度，cP。VＡ12扩散物质扩散系数H25.13N21.64O21.80CO21.50HCl2.64C2H21.56H2S1.41H2SO41.73HNO32.60N2O1.51Cl21.22Br21.20气体在水中的扩散系数（20℃，稀溶液，10-9cm2/s）13热量传递涉及到的传热过程主要有两种情况：强化传热过程，如各种热交换设备中的传热；削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少热量的损失。根据传热机理的不同，热的传递主要有三种方式：热传导热对流辐射传热14蛇管式换热器15套管式换热器16列管式换热器——管壳式换热器固定管板式换热器1—折流挡板；2—管束；3—壳体；4—封头；5—接管；6－管板17动量传递传递过程大多是在流体流动的状态下进行的，流体的动量传递与热量和质量的传递具有非常密切的关系，因此动量传递的理论是研究热量传递和质量传递的基础。18概述物理吸收化学吸收吸收设备的主要工艺计算6.2吸收法19概述一、吸收的定义•依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中物理溶解度（或化学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操作过程。•本质上是混合气体组分从气相到液相的相间传质过程。•液体溶剂——吸收剂,S•混合气体中能显著溶于液体的组分——溶质,A•几乎不溶解的组分——惰性组分,B•吸收后得到的溶液——吸收液•吸收后的气体——净化气20在环境领域中的应用：•净化有害气体，如SO2、NOX、HCN等。•也可以转化为有用物质：如用吸收法净化石油炼制尾气中的硫化氢的同时，还可以回收有用的元素硫。吸收法净化气态污染物的特点（与化工相比）：•处理气体量大，成份复杂；•吸收组分浓度低；•吸收效率和吸收速率要求高；•多采用化学吸收。21二、吸收的类型按溶质和吸收剂之间发生的反应：物理吸收：洗油吸收粗苯等化学吸收：硫酸吸收氨，碱液吸收CO2等。按混合气体中被吸收组分数目：单组分吸收：如用水吸收HCl气体多组分吸收：用液态烃吸收乙烯、丙烯等按体系温度是否变化：如果液相温度明显升高——称为非等温吸收如果液相温度基本保持不变——称为等温吸收22（一）气液平衡和亨利定律1.气液平衡液体气体溶质A溶解速度溶质挥发速度相际动态平衡平衡分压,pA*摩尔分数,yA摩尔比，Y…….饱和浓度摩尔分数，xA摩尔浓度，cA摩尔比，X质量….如果温度和总压一定，溶质在液体中的溶解度只取决于溶质在气相的组成。物理吸收一、物理吸收的热力学基础23二氧化硫在水中的相平衡曲线0102030405060708090100020406080100二氧化硫液相浓度（g/kg水）二氧化硫气相平衡分压（kPa）0℃10℃20℃通常情况下，同一种气体在同一种液体中的溶解度随分压的增大而增大，随温度的升高而减小。242.亨利（Henry）定律在稀溶液条件下，温度一定，总压不大时，气体溶质的平衡分压和溶解度成正比：*AApExp*A——溶质在气相中的平衡分压，PaxA——溶质在液相中的摩尔分数E——亨利系数，Pa。亨利系数取决于物系的特性和体系的温度。亨利系数越大，说明气体越难以溶解于溶剂。气体在溶剂中的溶解度随着温度的升高是降低的，因此，亨利系数是增大的。气体在各种条件下的亨利系数可以在手册中查到。25如果溶质的溶解度用摩尔浓度表示，则亨利定律可写为：*AAcHpp*A——溶质在气相中的平衡分压，kPacA——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3H——溶解度系数，kmol/(m3kPa)注意：亨利定律的不同表示方式和亨利系数的单位、换算方法。如果溶质在气液两相中的组成均以摩尔分数表示：*AAymxm——亨利系数，有时也称为溶质的相平衡常数。26（二）相平衡关系在吸收过程中的应用相平衡是气液两相接触传质的极限状态。1.判断传质的方向根据相平衡，计算平衡时溶质在气相或液相中的组成。与实际的组成比较，可以判断传质方向。实际液相组成平衡组成，溶质从气相液相用气、液两相平衡图来判断更加直观。yAxA吸收解吸272.计算传质的推动力实际组成与平衡组成之间的差距——推动力有不同的表示方法：*yyy*ppp……气相xxx*ccc*……液相（摩尔分数）（气体分压、摩尔浓度）283.确定传质过程的极限溶质在气液两相间的传质过程不是无限制地进行的，传质过程的极限状态就是平衡状态。在治理废气污染时，希望通过吸收操作使出塔气体的废气浓度尽可能地低。可以通过增加塔高，减少处理气体的量，增加吸收剂的量来实现。29*222yymx但是出塔气体的最低浓度（y2）只能达到与入塔吸收剂浓度（x2）相平衡的浓度：尾气y2吸收剂x2混合气y1吸收液x130二、物理吸收的动力学基础（一）吸收过程机理吸收过程是一种典型的物质从一相向另一相的传质过程，一般可分解为三个基本步骤：(1)溶质由气相主体传递至两相界面，即气相内的传递；(2)溶质在两相界面由气相溶解于液相，即相间传递；(3)溶质由界面传递至液相主体，即液相内的传递。311.分子扩散与涡流扩散无论是液相还是气相，物质在单相内的传递机理都是通过扩散的作用。扩散可分为：分子扩散：由于流体中分子的热运动使物质从高浓度区向低浓度区传递。涡流扩散：指在湍流流动的流体中，由于湍动和涡流等宏观运动，使物质沿浓度降低方向传递。32（1）分子扩散当一相中存在浓度差时，分子由于无规则的热运动，会从高浓度区向低浓度区扩散。对于两组分物系，某种组分的分子扩散通量，与该组分扩散方向上的浓度梯度成正比（费克,Fick定律)：对于组分B：BBBAdcJDdZ如果系统宏观上是静止的,没有整体流动，各处的温度和总压力相等，则：ABJJAAABdcJDdZ对于组分A：33在计算溶质的传递通量时，除了分子扩散之外，有时还需要考虑扩散本身引起的在扩散方向上的物质流挟带，即通常所说的总体流动所产生的传递。0AAAmcNJNc分子扩散通量整体流动的传递通量溶质传递通量34在吸收过程中：组分A是溶质，从气相——液相传递组分B是惰性气体，不溶于溶剂，因此没有组分B净传质。一种组分的传质——称为单向传质液相气相界面(2)0ZcA1cB1JAcA2cB2NANB=0JB0AmcNc0BmcNcNm=NA+NBNB=0Nm=NA0AAAmcNJNc常数00BBBmcNJNc35对于组分A的传递通量：0AAAAdccNDNdZc在稳态条件下，NA和c0是常数，将上式积分：Z=0时，cA=cA1；Z=Z时，cA=cA2，可得：02001()ln()AAAccDNcZcc36整理得：012()AAABmDcNccZc2121lnBBBmBBccCccB组分在停滞气膜两侧摩尔浓度的对数平均值。上式为组分A通过停滞组分B的传质速率方程，对气相和液相都适用。37如果气相可以看作理想气体，则还可以推出以下关系：)(21AABmAppppRTZDN2121lnBBBmBBppppp停滞组分B在气膜两侧分压的对数平均值p——气相的总压，PaBmpp0Bmcc——漂流因子，反映了组分B在相内的分子扩散而引起的气相整体流动，对组分A传质通量的增大作用。……(10.2-26)38分子扩散系数D是物质重要的传递物性，表示物质扩散速率的大小。扩散系数大，表示分子扩散快。扩散系数的影响因素很多，主要包括物质本身的属性、扩散介质的特性（种类、浓度等）以及扩散系统的温度、压力等。物质在具体条件下的扩散系数可以通过实验测定，也可查阅相关的手册和文献，或者应用一些半经验的公式估算。39（2）涡流扩散涡流扩散就是湍流流体中借质点的脉动和涡流混合作用从高浓度向低浓度扩散的现象。对于涡流扩散，可以给出与分子扩散的费克定律相似的表达形式：AAedcJDdZ涡流扩散系数取决于流体湍动程度，不是物性参数，与分子扩散系数有本质的区别。在湍流流体中，总的扩散通量是分子扩散通量和涡流扩散通量之和。()AAedcJDDdZ402.对流传质和传质速率方程流动流体与相界面之间的传质称为对流传质。对流传质的过程非常复杂。相界面层流底层过渡区湍流区相界面层流底层虚拟停滞膜G简化传质模型41因此，气体与相界面的对流传质方程可写为：()GAiGBmDpNppRTpδG——虚拟停滞气膜厚度，mp，pi——溶质在气相主体和相界面处的分压，PaDG——溶质在气相中的扩散系数，m2/sBmpp——气相漂流因子42同样，液相与相界面的对流传质也可以表示为：0()LAiLBmDcNcccδL——虚拟停滞液膜厚度，mc，ci——溶质在液相主体和相界面处的浓度，mol/m3DL——溶质在液相中的扩散系数，m2/s0Bmcc——液相漂流因子43停滞膜厚度不能由理论计算得到，也难以直接测定。因此，可以定义一个对流传质系数来包含虚拟膜厚度和其他的影响因素。GGGBmDpkRTp……气膜传质系数kG—以分压差为推动力的气膜传质系数，mol/(m2•s•Pa)0LLLBmDckc……液膜传质系数kL—以浓度差为推动力的液膜传质系数，m/s44则：()AGiNkpp……气膜传质速率方程……液膜传质速率方程()ALiNkcc传质系数推动力传质系数包含了对流传质速率的影响因素，是计算传质速率的关键。传质系数的影响因素：物性参数（扩