第07章气态污染物控制技术201315

第七章气态污染物控制技术基础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气体吸附吸附剂吸附机理吸附工艺与设备气体催化净化催化作用和催化剂气固催化反应动力学气－固相催化反应器的设计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——气体吸收、吸附、催化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）第一节气体吸收吸收机理双膜模型（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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）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的浓度分布吸收设备吸收设备喷淋塔吸收设备填料塔第二节气体吸附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.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——————气体吸附的影响因素操作条件低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附增大气相压力利于吸附吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）m0322.410fVWNAf－－比表面积，比表面积，mm22/g/gff－－单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积,,mm22//mLmLNN00－－阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数AA－－吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积,,mm22VVmm－－吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mLmLWW－－吸附剂的重量，吸附剂的重量，ggm0322.410fVWNAf－－比表面积，比表面积，mm22/g/gff－－单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积,,mm22//mLmLNN00－－阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数AA－－吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积,,mm22VVmm－－吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mLmLWW－－吸附剂的重量，吸附剂的重量，gg－－比表面积，比表面积，mm22/g/gff－－单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积,,mm22//mLmLNN00－－阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数AA－－吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积,,mm22VVmm－－吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mLmLWW－－吸附剂的重量，吸附剂的重量，gg气体吸附的影响因素典型吸附质分子的横截面积气体吸附的影响因素吸附质性质、浓度临界直径－吸附质不易渗入的最大直径吸附质的分子量、沸点、饱和性吸附剂活性单位吸附剂吸附的吸附质的量静活性－吸附达到饱和时的吸附量动活性－未达到平衡时的吸附量常见分子的临界直径分子临界直径/Å分子临界直径/Å氦氢乙炔氧一氧化碳二氧化碳氮水氨氩甲烷乙烯环氧乙烷乙烷甲醇乙醇环丙烷丙烷正丁烷-正二十二烷2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.44.754.894.9丙烯1-丁烯2-反丁烯1,3-丁二烯二氟-氯甲烷(CFC-22)噻吩异丁烷-异二十二烷二氟二氯甲烷(CFC-12)环己烷甲苯对二甲苯苯四氯化碳氯仿新戊烷间二甲苯邻二甲苯三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4气体吸附的影响因素吸附剂再生溶剂萃取活性炭吸附SO2，可用水脱附置换再生脱附剂需要再脱附降压或真空解吸吸附作用大，再生温度高加热再生吸附平衡当吸附速度＝脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值极限吸附量受气体压力和温度的影响吸附等温线NH3在活性炭上的吸附等温线吸附等温线吸附速率吸附过程吸附外扩散（气流主体外表面）内扩散（外表面内表面）吸附速率外扩散速率内扩散速率总吸附速率方程*APAAd()dyMKYYt*APAAd()dxMKXXt**APAAPAAPPPPPPd()()d11111;yxyyxxxyMKYYKXXtmKkkKkkm吸附工艺固定床含污染物的气体吸附工艺移动床吸附工艺流化床第三节气体催化净化含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理的物质应用工业尾气和烟气去除SO2和NOx有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化汽车尾气的催化净化催化净化工艺段间冷却的四层催化床第二级催化床预除尘和水分填充床吸收塔填充床吸收塔来自冶炼厂或硫磺燃烧的富含SO2的尾气水含有约为初始进气SO2浓度3%的尾气含有约为初始进气SO2浓度0.3%的尾气水单级吸收工艺二级吸收工艺SO2单级和二级净化工艺的流程图催化反应：420～550℃223SO1/2OSOVanadium3224SOHOHSO催化净化工艺催化剂：Pt(Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3等VOCs的催化氧化催化净化工艺NOxNH3filterCombustorMixerReactorNOx的选择性催化还原（SCR）32228NH6NO7N12HO3224NH6NO5N6HO催化剂200～300℃：Pt(Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3(TiO2,V2O5)32228NH6NO7N12HO3224NH6NO5N6HO催化剂200～300℃：Pt(Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3(TiO2,V2O5)催化净化工艺车用催化转化器气体催化净化催化作用改变反应历程，降低活化能提高反应速率（阿累尼乌斯方程）显著特征对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡选择性exp()EKART催化剂加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后保持不变的物质组成活性组分＋助催化剂＋载体催化剂的性能活性W－产品质量WR－催化剂质量t－反应时间RWAtW100B反应所得目的产物摩尔数％通过催化剂床层后反应了的反应物摩尔