第七章气态污染物控制4教案

第1页第7章气态污染物控制（4学时）本章教学内容：气态污染物的种类与特点，气态污染物的吸收净化技术、吸附净化技术本章教学要求：(1)了解气态污染物的特点，熟悉气态污染物的种类；(2)掌握净化吸收法的原理与设备，了解其设计过程；掌握吸附净化法的原理与装置，了解其设计过程。本章教学重点：气态污染物的吸收净化法和吸附净化法的净化原理与装置本章习题:P4561,3,4气态污染物的净化，就是利用化学、物理及生物等方法，将污染物从废气中分离或转化。气态污染物的净化有多种方法，广泛采用的吸收法、吸附法、燃烧及催化转化法，其他的方法还有冷凝、生物净化、膜分离及电子辐射-化学净化等。吸收法是通过扩散方式将废气中气态污染物转移到液相，形成溶解的水合物或某种新化合物。吸附法是通过分子力作用使废气中某些组分向多孔固体介质(吸附剂)的表面聚集，以达到分离的目的。燃烧法是通过燃烧将可燃性气态污染物转变为无害物质。催化转化法是在催化剂的作用下，将废气中气态污染物化为非污染物或其他易于清除的物质。冷凝法是利用气体沸点不同，通过冷凝将气态污染物分离。生物法主要依靠微生物的生化降解作用分解污染物。膜分离法利用不同气体透过特殊薄膜的不同速度，使某种气体组分得以分离。电子辐射-化学净化法则是利用高能电子射线激活、电离、裂解废气中的各组分，从而发生氧化等一系列化学反应，将污染物转化为非污染物。气态污染物的净化可采用一种净化方法，或多种方法联合使用。下面介绍几种主要的净化方法。第一节气态污染物的吸收净化方法吸收是利用气态污染物对某种液体的可溶性，将气态污染物（溶质）溶入液相(吸收剂或溶剂)，又称湿式净化。吸收分为物理吸收和化学吸收，前者是简单的物理溶解过程，后者在吸收过程中气体组分与吸收剂还发生化学反应。由于工业废气往往是气量大、气态污染物含量低、净化要求高，物理吸收难于满足要求，化学吸收常常成为首选的方案。（一）气体的溶解与平衡在一定的温度与压力下，混合气体与吸收剂接触时，混合气体中的A组分向液相迁移而被吸收，同时，液相中的A组分也会从液体逸出而被解吸，当气液之间的吸收与解吸速度相等时，达到动态平衡状态。此时吸收剂所能溶解的气体量称为平衡溶解度，它是吸收过程的极限。对于非理想溶液，吸收溶液中被第2页吸收组分A浓度较低的情况，平衡状态时气相A组分的分压(平衡或饱和分压)与液相中A组分的浓度(平衡或饱和浓度)之间的关系可用亨利定律来描述，即：*AAApEx(7－1)式中*Ap—组分A在气相中的平衡分压，MPa；EA—亨利系数，MPa；xA—组分A在液相中的摩尔分数。难溶解气体的EA值较大，而易溶解气体的EA值较小。亨利系数基本不受压力的影响，但随温度的提高而增加，变化较大。亨利定律也可表示为：*AAAcHp(7－2)式中cA—组分A在液相中的溶解度，kmo1/m3；HA—溶解度系数，也称亨利系数，kmol／(MPa·m3)。难溶气体的HA值较小，易溶气体的HA值大。亨利定律是吸收工艺计算的重要依据和定律，它说明了在一定温度和压力下溶质在两相平衡中的关系，指出传质方向和限度。其适用范围为：①常压或低压(0.5MPa以下)下的稀溶液；②溶质在气相和溶液中的分子状态相同，即液相的溶质均以分子状态存在，没有离解成离子形态或与其他物质发生化学反应。若发生了离解或者化学反应后，要对亨利定律进行修正。（二）气液传质的基本原理1.双膜理论吸收过程的实质是物质由气相转入液相的传质过程。气液间的传质理论主要有双膜理论(又称滞留膜理论)、表面更新理论和溶质渗透理论等，目前仍以双膜理论为基础来解释吸收过程机理。双膜理论是惠特曼(Whitman)在1923年提出的一个描述气液两相的物质传递理论，其模型如图4-18所示。它假定：①在气、液两相接触处有一随时保持平衡状态的相界面；②在气液相界面附近，分别存在一个无对流作用非常稳定的层流（滞流）薄膜，即气膜和液膜，薄膜内存在浓度梯度，物质传递主要依靠分子扩散；③薄膜外气液两相各自的主体为湍流，不存在浓度梯度，物质主要通过对流传递；④传质过程只在气液薄膜中有分子扩散阻力，相界面上和湍流主体中不存在传质阻力，因此传递速质取决于两膜的阻力大小。传质过程是，被吸收组分从气相主体对流扩散到气膜表面，再以分子扩散通过气膜到达相界面，进入液膜后又以分子扩散通过液膜，最后通过对流扩散进入液相主体，直到气液两相完全平衡后传质停止。如果此时再增加被吸收组分的气相分压增加，或降低液相中该组分的浓度，传质继续进行。2．传质速率传质速率是指被吸收气体组分在单位时间，通过相界面单位面积传递的物质量，也称为吸收速率。根据质量守恒定律，稳定条件下，通过相界面气液两侧的物质量相等。对于被吸收组分A，其传质速率为：第3页AgAAilAiANkppkcc(7－3)式中NA—组分A在单位时间，通过相界面单位面积的传质速率，kmol/(m2·s)；kg、kl—分别为气膜及液膜的传质分系数，kmol/(m2·s·kPa)及m/s；pA、pAi—分别为组分A在气相主体及相界面上的分压，Pa；cAi、cA—分别为组分A在相界面上及液相主体的浓度，kmol/m3；如果吸收气体服从亨利定律，则在平衡时根据式(7－3)，在相界面上有AiAAicHp；在流体主体中有*AAAcHp及*AAAcHp，将这三个关系式代入式(7－3)中消去pAi和cAi，整理后得：**AgAAlAANKppKcc(7－4)式中*Ap—与液相主体中组分A浓度cA相对应的气相平衡分压，Pa；*Ac—与气相主体中的组分A分压pA相对应的液相平衡浓度，kmol/m3；Kg、Kl—分别为以气相分压差表示的气膜总传质系数及以液相浓度差表示的液膜总传质系数，kmol/(m2·s·kPa)及m/s。其倒数分别为以气相分压差表示的总阻力及以液相浓度差表示的总阻力，表示为：111ggAlKkHk(7－5)11AlglHKkk(7－6)可见，两个总传质系数可用气膜及液膜的传质分系数和溶解度系数表示，他们之间的关系为：Kg＝HAKl。如果传质方程式以总传质量MA(即组分A在t时间内通过F界面的量)来表示时，则(7－3)改写为：**AgAAlAAMKFtppKFtcc(7－7)分析上式可知，强化传质过程的因素有：①提高可吸收组分A的分压pA或降低溶液中组分A的浓度cA，均可增加传质动力；②增大传质界面F可增加质量传递，如细化喷淋的吸收液液滴以增大总传质面积；③延长气液的接触时间t，如通过控制气流速度来确定；④增大总传质系数K，即减小传质阻力，可以明显强化传质过程。如果是HA值很大的易溶气体，由式(7－5)可见，传质总阻力几乎等于气相传质阻力，即传质阻力主要在气相，此种情况称为气膜控制，其特点是只要气相组分分压略为增加，则液相中相应的平衡浓度就会增加很多，如水对HCl、NH3的吸收；对HA值很小的难溶气体，由式(7－4)可见，传质总阻力几乎等于液相传质阻力，即传质阻力主要在液相，称为液膜控制，这种情况即使气相组分分压有较大的变化，液相的浓度变化也很小，如用水吸收CO2、O2，N2、CO、H2S等；而中等溶解度气体，气膜阻力与液膜阻力均不能忽略，称为两膜控制，如水对SO2的吸收。第4页当吸收过程为气膜控制时，应增大气相湍动程度；当吸收为液膜控制时，应增加液相湍流程度，均可增加传质速率。通常，使气体处于分散相，如采用孔板的板式塔，则液体流动减小液膜阻力，适用于难溶气体吸收的液膜控制过程；而使液体成为分散相，如喷淋塔将液体高度雾化喷入气相，则液滴周围流动气体的扩散阻力较小，更适合于易溶气体吸收的气膜控制过程。（三）化学吸收1．化学平衡与相平衡化学吸收是指溶质被吸收时，选择溶剂中某些活性组分进行明显的化学反应，如用碱溶液吸收CO2、SO2、H2S或用各种酸溶液吸收NH3等。化学吸收过程既服从上述的气、液相平衡关系，同时也服从化学平衡关系。它的吸收速率除了与物理吸收过程中被吸收组分在气膜和液膜中的扩散速率有关外，还与化学反应速率有关。由于化学吸收中的溶质A在溶剂中与活性组分发生化学反应，减少了溶剂中纯溶质浓度cA，增大了液相的传质动力*AAcc，使得吸收速率增大。尤其对于溶剂处于停滞状态的液膜控制物理吸收过程，其传质表面基本无效，但对化学吸收可能仍然有效，相当于增加了传质表面，有利于吸收过程。同时，气液两相界面上溶质A的平衡分压*Ap大为下降，相应增大了气相的传质动力*AApp，从而提高了吸收速率。这些结论可从物质的化学平衡与溶解平衡中得到。设被气体溶质组分A与液相溶剂中B发生化学反应，生成物质M和N，对于理想溶液有：aAbBmMnN(7－8)化学平衡常数为：/mnabMNABKcccc(7－9)式中，cM，cN，cA，cB和m，n，a，b分别为组分M，N，A，B的浓度和计量系数。由上式可确定组分A未发生反应部分的浓度1/(/)mnbaAMNBcccKc，并由亨利定律得到组分A在气相中的平衡分压：*1//(/)/mnbaAAMNBApcHccKcH(7－10)由于气体组分A的一部分在溶剂中生成了化学反应产物，显然溶剂中游离A的浓度较物理吸收时低。因而在H相同时，液面上气体组分A的平衡压力低于单纯的物理吸收过程。或者说当气相分压相同时，化学吸收使组分A的溶解度增大，即化学反应提高了吸收率。常见的有以下三种化学平衡：（1）溶质与溶剂相互作用。液相中的溶质A与溶剂B相互作用生成溶剂化产物M，即ABM，如NH3-H2O体系中生成NH40H，则M的浓度为A在溶液中的总浓度与未溶剂化的A的浓度之差，即cM＝cA,t－cA，得到化学平衡常数：,/()/MABAtAABKccccccc(7－11)第5页,/(1)AAtBccKc(7－12)对于常压或低压下的稀溶液，如果未溶剂化的A服从亨利定律，则有：*,(1)AtBAAcKcHp(7－13)在稀溶液中溶剂，cB可视作常数，K也不随浓度而变，故1+KcB可视为常数。表观上看，亨利定律仍适用，但表观溶解度系数是纯物理吸收时的1+KcB倍，即化学吸收增大了组分A在溶剂中的溶解度cA,t。（2）溶质在溶液中离解。溶质A在溶液中的离解的反应为NMA，如用水吸收SO2，SO2溶于水后生成H2SO3，又离解为H＋与HSO－3的过程。离解平衡常数为：/AMNKccc(7－14)当溶液中没有同离子存在时，NMcc，上式变为AMcKc，汽液平衡时服从亨利定律，则溶液中组分A的总浓度为：**,AtAAAAAAAMcccckcHpkHp(7－15)可见，溶质A在溶液中离解后，其溶解度为物理溶解量与离解溶解量之和。（3）溶质与溶剂中的活性组分作用。液相中的溶质A与溶剂中的活性组分B作用生成M，反应式为MBA，如NaOH吸收SO2生成Na2SO4和H2O。设溶剂中B的初始浓度为cB,0，平衡转化率为R，则溶液中B的平衡浓度为cB＝(1－R)cB,0，生成物M的平衡浓度cM＝RcB,0，化学平衡常数为：//1MABAKcccRRc(7－16)上式变为/(1)AARKcKc，其中，A组分未发生化学反应的浓度满足亨利定律*AAAcHp，则溶液中组分A的总浓度为cA,t＝cA＋cM，若忽略物理溶解量，则：**,,0,0/(1)AtMBBAAccRccpp(7－17)式中，ε＝KHA。由式(4－45)可见，溶质A的溶解度cA,t分别随ε和平衡分压*Ap增加而增大，但cA,t只能趋近于cB,0，而不能达到cB,0。此外，由式(7－15)和式(7－17)还可以看出，溶质在吸收剂中的浓度与其气相分压不再是线性关系，这也是化学吸收与物理吸收在汽液平衡关系上的一个重要区别。2.化学吸收的传质速率第6页化学吸收与物理吸收相比较，气相一侧两者均可用物理吸收的传质速率方程式(7－2)表示，而化学吸收相当于增大了液相的传质动力和传质分系数，因此提高了传质速率。此时传质速率的表示有两种方法：一是采用增