第5章气态污染物控制技术基础(1)

第五章气态污染物控制技术基础教学内容:气体吸收气体吸附气体催化净化教学重点掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本原理和过程了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性教学重点初步学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器建议学时数：8学时（自学）§1气体吸收、吸收机理一、基本原理(1)概念：利用吸收剂将混合气体中的一种或多种组成有选择的分离过程称作吸收。具有吸收作用的物质称为吸收剂。被吸收的组分称为吸附质物理吸收（HCl和水）化学吸收（SO2和NaOH溶液）利用：混合气体中各成分在吸收剂中的溶解度不同吸收剂中的组分发生选择性化学反应。(2)、吸收平衡平衡－吸收过程的传质速率等于解吸过程（同一时间内溶解于液体中的气体分子数等于从液体中解脱出来的气体分子数）溶解度每100kg水中溶解气体的kg数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；经验公式计算物理吸收吸收过程中不发生明显的化学反应，单纯是被吸收组分溶解于液体的过程化学吸收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两分子反应中相界面附近液相内A与B的浓度分布(3)、吸收流程逆流操作：被吸收气体由下向上流动，而吸收剂由上向下并流操作：气体和吸收剂同时由上部向下流动错流操作：气体和吸收剂呈交叉方向流动在实际吸收工艺流程中一般采用逆流操作二、吸收剂（1）水：SO2FHNH3HCl碱金属，碱土金属的盐类，铵盐：SO2HFHClNOX（2）吸收剂的选择适宜的物理性质:粘度小，较低的凝固点，适宜的沸点，比热容不大,不起泡等；良好的化学性质：不易燃，热稳定性高，无毒性；价格低，易再生有利于有害物质的回收利用（3）常用的吸收设备：表面吸收器：填料塔（逆流传质推动力大）鼓泡式吸收器：鼓泡吸收塔，筛板吸收塔喷洒式吸收器废气由塔底进入塔体，自下向上穿过填料层最后由塔顶排出。吸收剂由塔顶通过分布器均匀地喷淋到填料层中，并沿着填料层向下流动，从塔底排出塔外。在废气沿塔上升的同时，与吸收剂在填料层中充分接触，污染物浓度逐渐降低，而塔顶喷淋的总是新鲜的吸收液，因而吸收传质的平均推动力大，吸收效果好。填料塔的优点是：①吸收效果比较可靠；②对气体变动的适用性强；③可用耐腐蚀材料制作，结构简单制作容易，④压力损失较小(490Pa／m塔高)。填料塔的缺点主要是：①当气流过大时发生液泛而不易操作；②吸收液中含固体或吸收过程中产生沉淀时，使操作发生困难；③填料数量多，质量大，检修不方便。鼓泡式吸收器鼓泡式吸收器内均有液相连续的鼓泡层，分散的气泡在穿过鼓泡层时有害组分被吸收。常见的设备有鼓泡塔、湍球塔和各种板式吸收塔。净化气态污染物中应用较多的是鼓泡塔和筛板塔。气体由下面的多孔板进入，通过支撑板上面的液体时形成鼓泡层。鼓泡塔的优点是：①塔不易堵塞，②压力损失小。缺点是受气流速度影响大，当气流速度过小时，不能发挥应有的效能；当气流速度过大时，吸收效率降低。图5—6所示的是筛板式吸收塔示意图。沿塔高装有塔板，两相在每块塔板上接触。塔板分为错流式、穿流式、气液并流式等几种。(3)喷洒式吸收器用喷嘴将液体喷射成为许多细小的液滴，以增大气—液相的接触面，完成传质过程。比较典型的设备是空心喷洒吸收器和文丘里吸收器。图5—7所示是几种空心喷洒吸收器示意图。在吸收器中，气体通常是自下而上流动，而液体则是由装在塔顶的喷射器呈喇叭状喷洒。空心喷洒吸收器结构简单，造价低廉，阻力小，但吸收效率不是很高，因此应用受到了极大的限制。吸收设备填料塔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填料塔§2气体吸附吸附概念：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，发生化学吸附一、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分子筛特性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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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，再生温度加热再生吸附剂再生(a)吸附(b)解吸吸附速率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二、吸附机理吸附等温线3常用的吸附设备目前所使用的吸附净化设备主要有固定床吸附器、移动床吸附器和流化床吸附器三种类型。（1）固定床吸附器按照吸附器矗立的方式，可将固定床吸附器分为立式、卧式两种；按照吸附器的形状可将其分为方形、圆形两种。固定床吸附器的特点是结构简单，价格低廉，特别适合于小型、分散、间歇性污染源排放气体的净化。固定床吸附器的缺点是间歇操作，为保证操作正常运行，在设计流程时应根据其特点，设计多台吸附器互相切换使用。图5-9是方形立式吸附器示意图。吸附剂床层高度在0.5-2.0m的范围内，吸附剂填充在栅板上。为了防止吸附剂漏到栅板的下面，在栅板上放置两层不锈钢网。吸附剂再生的常用方法是：从栅板的下方将饱和蒸汽通入床层。为了防止吸附剂颗粒被带出，在床层上方用钢丝网覆盖。在处理腐蚀性流体混合物时可采用由耐火砖和陶瓷等防腐蚀材料制成的具有内衬的吸附器。图5-10是卧式吸附器示意图。其壳体为圆柱形，封头为椭圆形，一般用不锈钢或碳钢制成。吸附剂床层高度为0.5-1.0m。卧式吸附器的优点是流体阻力小，从而减少动力消耗。其缺点是由于吸附剂床层横截面积大，易产生气流分配不均匀现象。（2）移动床吸附器在移动床吸附器中，固体吸附剂在吸附床中不断移动，固体吸附剂由上向下移动，而气体则由下向上流动，形成逆流操作。移动床吸附器的结构如图5-11所示。移动床吸附的工作原理是：吸附剂从设备顶部进入冷却器，降温后经分配板进入吸附段，借重力作用不断下降，并通过整个吸附器。净化气体从分配板下面引入，自下而上通过吸附段，与吸附剂逆流接触，净化后的气体从顶部排出。当吸附剂下降到汽提段时，由底部上来的脱附气与其接触进一步吸附，将较难脱附的气体置换出来，最后进入脱附器对吸附剂进行再生。吸附工艺移动床（3）流化床吸附器在设备中流体以不同的流速通过细颗粒固定床层时，就出现如图5-15所示的流化状态。当气体以很小的流速从下向上穿过吸附剂床层时，固体颗粒静止不动。随着气体流速的逐渐增大，固体颗粒会慢慢地松动，但仍然保持互相接触，床层高度也没有变化，这种情况便是固定床操作。随着气速的继续增大，颗粒作一定程度的移动，床层膨胀，高度增加，称为临界流化态。当气速大于临界气速时，颗粒便悬浮于气体之中．并上下浮沉．这便是流化状态。吸附过程的计算吸附传质方程α=k△ctα吸附量△c浓度差t吸附时间k质量传递系数保护作用时间与希洛夫方程从吸附开始到流出的气体中刚刚出现吸附剂的这一段时间，称为保护时间。t=kL-t0K保护作用系数L吸附层厚度t0保护作用时间损失K=αρ/(uc0)α平均净活度值ρ吸附剂的堆积密度u气体速度C0吸附质初始浓度t0=kL0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流化床吸附工艺§3气体催化净化概念：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CO和CH化合物催化净化工