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第七章气态污染物控制技术基础第一节吸收法净化气态污染物第二节吸附法净化气态污染物第三节催化法净化气态污染物第一节吸收法净化气态污染物•主要内容一、气态污染物种类二、含气态污染物废气净化方法三、吸收法分类四、气体吸收五、物理吸收传质计算六、化学吸收的特点七、化学吸收基本原理八、吸收能力的计算九、化学反应对吸收的影响十、吸收设备十一、吸收方案的确定•重点:化学吸收的特点、化学反应对吸收的影响•难点:化学吸收基本原理、吸收能力的计算•学时:2一、气态污染物种类有害气体(常温常压下)如:SO2、NOx、CO等无机污染物如:SO2有机污染物如:硫醇、硫醚以化学分类划分以沸点高低划分有害蒸气(常温常压下)如:汞蒸气、Pb蒸气、苯蒸气二、含气态污染物废气净化方法1.冷凝法2.吸收法3.吸附法4.催化转化法5.燃烧法三、吸收法分类•吸收法利用吸收剂将混合气体中一种或数种组分(吸收质)有选择的吸收分离过程称作吸收。三、吸收法分类•物理吸收:被吸收气体组分单纯溶解于液体,如水吸收HCl气体特点:无选择,吸收量少化学吸收:被吸收气体组分与吸收剂或已溶解于吸收剂中的某些活性组分发生明显化学反应的吸收过程。如NaOH溶液吸收SO2。特点:有选择,吸收量大三、吸收法分类•化学吸收四、气体吸收一)、双膜理论(双阻力理论,有效膜理论)•基本点:1)相互接触的气液两流体间存在着稳定的相界面,界面两侧各有一个很薄的有效滞流膜层,吸收质以扩散方式通过此二膜层;2)在相界面处,气液两相达于平衡,传质阻力为零,传质阻力集中于气液二膜层内:3)在膜层以外的气液两相中心区,由于液体充分湍动,吸收质浓度是均匀的,即两相中心区内浓度梯度皆为零,全部浓度变化集中在两个有效膜层内。一)、双膜理论(双阻力理论,有效膜理论)•基本点:1)相互接触的气液两流体间存在着稳定的相界面,界面两侧各有一个很薄的有效滞流膜层,吸收质以扩散方式通过此二膜层;2)在相界面处,气液两相达于平衡,传质阻力为零,传质阻力集中于气液二膜层内;3)在膜层以外的气液两相中心区,由于液体充分湍动,吸收质浓度是均匀的,即两相中心区内浓度梯度皆为零,全部浓度变化集中在两个有效膜层内。四、气体吸收一)、双膜理论(双阻力理论,有效膜理论)•从气相主体传递到界面的量=从界面传递到液相主体的量•气体吸收质在单位时间内通过单位面积相界面而被吸收的量称为吸收速率。•吸收速率=吸收系数×吸收推动力•气相分传质速率方程为:)(iGAppkN式中:NA:吸收质A的吸收速率,kmol/m2·hkG:气膜传质分系数,kmol/m2·h·Pap,pi:吸收质A在气相主体流及相界面上的分压,Pa四、气体吸收一)、双膜理论(双阻力理论,有效膜理论)•液相分传质速率方程为:•在稳态吸收操作中,从气相主体流传递到相界面吸收质的通量等于从界面传递到液相主体的吸收质通量。)(cckNiLA)()(cckppkNiLiGA式中:NA:吸收质A的吸收速率,kmol/m2·hKL:液膜传质分系数,m/hC,Ci:吸收质A在液相主体流及相界面上的浓度,kmol/m3四、气体吸收一)、双膜理论(双阻力理论,有效膜理论)•由于相界面浓度难以确定,利用上两式计算吸收速率较为困难,而平衡分压、平衡浓度易得。为避免测定界面浓度,实际应用的吸收速率方程,即总传质速率方程为:式中:KG,KL-分别以p-p﹡和c﹡-c为推动力的气相、液相的总传质吸收系数。)()(**ccKppKNLGA四、气体吸收二)、气液系统的相平衡•气、液相相接触,气、液相之间存在物质传递现象。气相组分溶于液相中去,液相组分逃逸至气体中来,这是一个动态过程。在一定温度和压力下,两相物质传递将达到一个动态平衡。•在动态平衡时,两相中组分浓度之间将遵从一定的比例关系。1、相平衡常数2、享利定律四、气体吸收二)、气液系统的相平衡1、相平衡常数•溶解平衡时,两相中组分浓度的比例系数,将是一个常数,这个常数就叫相平衡常数。•用m表示,m单位随浓度单位变化而变化。xym四、气体吸收2、享利定律①享利定律:对于大多数气体的稀溶液,气液之间的平衡关系可用享利定律来表示:式中E——享利系数,单位与相同。②享利定律的又一形式,当组分浓度以C,而不以x表示时。H——溶解度系数,Kmol·m-3·atm-1•在享利定律的适用范围内,H是温度的函数。H=f(T)T↑H↓•H值反应了气体组分溶解的难易程度。易溶气,H大,难溶气,H小。ExpPpHc四、气体吸收2、享利定律•享利定律示意图四、气体吸收3、相平衡常数与享利系数的关系•对于稀溶液,E、H有如下关系:•M0:溶剂分子量;ρ0:溶液密度。HcExPxcHE1ooMH1四、气体吸收4、总吸收速率与分吸收速率系数方程关系由于气液相在气液界面上处于平衡,有:*HpcHcp*iiHpc)()(cHpkppkNiLiGAHkkckpkpLGLGiLGLLGLGLGGAHkkckpHkkHkkckpkpkN)(四、气体吸收4、总吸收速率与分吸收速率系数方程关系与总传质方程式比较∴orLGLLGLGLGGAHkkckpHkkHkkckpkpkN)()(111)()(***ppkHkppHkkHkkHkkpHkpHkkGLLGLGLGLLG)(*ppKNGAGLGkHkK111LGLkkHK11四、气体吸收4、总吸收速率与分吸收速率系数方程关系∵or•(1)对于易溶气体∴H很大,气液相总传质速度由气膜控制•(2)对于难溶气体很大∴H很小,总传质速率由液膜控制。GLGkHkK111LGLkkHK110*/*PHCPGGkKHCP/**PLLkK四、气体吸收•5、各种系统的控制膜四、气体吸收6.吸收系数求取①由生产设备,中间试验装置直接测得总吸收系数②由相似理论的实验所得出的经验公式计算。例如:水吸收SO2,用直径25mm填料环的塔中,气流速度在320-4150kg/m2.hr,液体喷淋速度4400-58500kg/m2.h的条件下实验,提供下列经验方程式a-系数,是温度的函数,见表7-4;kGa-气膜体积吸收系数,kmol/(m3·h·kPa);G-气相空塔速度,kg/(m2·h);W-液相空塔速度,kg/(m2·h)。25.07.041018.9WGakG82.0aWakL四、气体吸收6.吸收系数求取•水吸收SO2•表7-4四、气体吸收7、界面浓度根据双膜理论,两膜内的传质为稳态过程,则有可用图解法求得pi和ci,如上图所示。AiLiAGAcckppkNGLiAiAkkccpp由于假定在相界上,气液达到平衡得:iicfp五、物理吸收传质计算如图,对吸收塔下段作物料衡算。此式为操作线方程一般,GB,LS,Y1,X1是给定的。11XLYGXLYGSBSB11XGLYXGLYBSBS五、物理吸收传质计算•最小液气比讨论若气体浓度较低(摩尔分数小于10%)时,所形成溶液浓度也较低,则则操作线方程SBLLGGxXyY,,,11xGLyxGLy五、物理吸收传质计算•最小液气比讨论当L下降,L/G亦下降,表示塔底出口浓度x1上升。当L/G↓此时的液气比称为最小液气比低浓度气体吸收,气液相服从:∴x1与塔底进气组成y1相平衡,即*1x2*121minxxyyGL2121minxmyyyGLmyx1*1一般来讲,min)0.21.1(GLGL五、物理吸收传质计算•填料层高度基本计算式对截面积为Ω,高为dZ的微元填料层作物料衡算得:•从传质速率考虑,单位时间传质量=•从气体浓度变化,气体中A的传质量•从两方面考虑的单位时间传质量应相等。dxLdyGdxxLyGdyyGxLadZNA1skmol12smkmol322mmmm1skmoldyGdyaNGdZdyGadZNAA五、物理吸收传质计算•填料层高度基本计算式iyiyAyydyakGdZyykN12yyiyyydyakGZ**yydyaKGdZyyKNyyA12*yyyyydyaKGZ五、物理吸收传质计算•填料层高度基本计算式同理:12xxixxxdxakLZ12*xxxxxdxaKLZ五、物理吸收传质计算•传质单元高度与单元数•其中称为传质单元高度,用Hy(m)表示。•的单位是无因数的纯数,称为传质单元数,用Ny表示。•所以:即12*yyyyydyaKGZaKGy12*yyyydyyyNHZ填料层高度=传质单元高度×传质单元数五、物理吸收传质计算•传质单元高度与单元数•传质单元数Ny=作—y图Ny即图中阴影面积12*yyyydy*1yyyy1yAB*1yy2011年案例••例7-1(自学)•用水吸收SO2在填料塔中,用清水吸收尾气中的SO2,进塔气体的SO2摩尔分数为10%,要求出塔气体的摩尔分数不大于0.5%。水的流量为1.5倍最小流量,入塔气体流量(不含SO2)为500kg/m2·h,操作条件为1atm、303K,求所需的填料层高度Z。在303K时水吸收SO2的吸收系数方程式为:Kxa=0.663W0.82Kya=0.09944W0.25G0.7式中:W、G—水和气体的质量流量kg/m3·hKxa、Kya单位为kg/m3·h。第七章气态污染物控制技术基础•第一节气体扩散•第二节气体吸收•第三节气体吸附•第四节气体催化净化六、化学吸收的特点•化学吸收是被吸收的气体吸收质与吸收剂中的一种组分或多个组分发生化学反应的过程。•化学吸收的特点吸收中包括化学反应和物理吸收发生反应的各种组分在溶液中应遵守化学反应平衡关系。吸附剂中各组分的游离浓度与气相中组分浓度间应遵从相平衡关系,与物理吸收一致。七、化学吸收基本原理•化学吸收过程的相平衡与化学平衡的关系该吸收反应在吸收液中先应遵守化学平衡关系,故反应的平衡常数K吸收组分A在液相中的游离浓度[A],应服从相平衡关系——享利定律。nNmMcCbBaAcbanmCBANMK][][][][][AacbnmAAHCBKNMHAp1][][][][][1*七、化学吸收基本原理•化学吸收过程的相平衡与化学平衡的关系该反应的吸收能力=反应量+游离量化学平衡关系求得相平衡关系求得AAHAp][*cbanmCBANMK][][][][][八、吸收能力的计算•讨论化学吸收具体的相平衡与化学平衡之间的关系及其吸收能力计算(1)被吸收组分与吸收剂的相互作用被吸收组分A在吸收液中的总浓度CA可写成:因化学平衡关系由相平衡可得][][MAcA]][[][]][[][BAAcBAMKA][1][BKcAA][11][*BKcHHApAAAALKLGMBAA八、吸收能力的计算(1)被吸收组分与吸收剂的相互作用因为化学反应,与物理吸收相平衡关系比较:因此,与纯物理吸收相比,该化学吸收使气体组分的溶解度增大了(1+K[B])倍。水吸收氨就是这种类型H2O+NH3NH3.H2O][11][*BKcHHApAAAA*][AApHA])[1(*BKpHcAAA八、吸收能力的计算(2)被吸收组分与吸收剂的相互作用,并存在电离。如果此时,被吸收组分在液相中的总浓度:cA=[A]+[M]+[A-]①若溶液中无同离子存在,由离解平衡得:[K+]=[A-]②由化学反应平衡关系,得:∴][][][]][[2MAMAKKL][][MKAL]][[]
本文标题:第七章-气态污染物控制技术基础
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