第七章 气态污染物控制技术基础ppt课件.ppt

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1、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

2、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

3、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

4、，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：,式中：NA：吸收质A的吸收速率，kmol/m2hkG:气膜传质分系数，kmol/m2hPap,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

5、传递到液相主体的吸收质通量。,式中：NA：吸收质A的吸收速率，kmol/m2hKL: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。,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

6、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。,四、气体吸收,2、享利定律享利定律：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。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，Kmolm-3 atm-1在享利定律的适用范围内，H是温度的函数。 H=f（T） THH值反应了气体组

7、分溶解的难易程度。易溶气，H大，难溶气，H小。,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; 0:溶液密度。,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：,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 or,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。,四、气体吸收,5、各种系统的控制膜,四、气体吸收,6吸

8、收系数求取 由生产设备，中间试验装置直接测得总吸收系数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/(m3hkPa);G-气相空塔速度，kg/(m2h);W-液相空塔速度，kg/(m2h)。,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。,由于假定在相界上

9、，气液达到平衡得：,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。,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,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,一般来讲，,五、物理吸收传质计算,填料层高度基本计算式 对截面积为，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，气体中的传

10、质量从两方面考虑的单位时间传质量应相等。,五、物理吸收传质计算,填料层高度基本计算式,五、物理吸收传质计算,填料层高度基本计算式 同理：,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,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,2011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，

11、入塔气体流量（不含SO2）为500kg/m2h，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： Kxa0.663W0.82 Kya=0.09944W0.25G0.7式中：W、G水和气体的质量流量kg/m3h Kxa、 Kya单位为kg/m3h。,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

12、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。,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,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,八、吸收能力的计算,（1）被吸收组分与吸

13、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+KB）倍。水吸收氨就是这种类型 H2O+NH3 NH3.H2O,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- 若溶液中无同离子存在，由离解平衡得： K+=A 由化学反应平衡关系，得：,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。其中： 又因物理吸收服从相平衡关系CO2、SO2溶于水可用上式计算显然总吸收浓度大于物理吸收浓度A,八、吸收能力的计算,（3）被吸收组分和吸收剂中活

14、性组分的相互作用A+B MB为吸收剂中的活性组分，设它的起始浓度为 ，若平衡时反应率为R，则：化学平衡关系 组分游离浓度A服从相平衡关系 若忽略物理吸收量，则溶液吸收能力为：,八、吸收能力的计算,（3）被吸收组分和吸收剂中活性组分的相互作用从上式可见， 随 而 直至趋向于,注意：此类型，在环境工程中应用最为广泛，如：用含（NH4）2SO3，NH4HSO3，Na2CO3，Na2SO3等活性组分吸收净化SO2的方法就属于这种类型。,八、吸收能力的计算,伴有化学反应的吸收能力计算总结吸收同时服从 + 吸收能力= 反应量 + 游离量,化学平衡关系,相平衡关系,八、吸收能力的计算,例7-2在20下，用水

15、吸收空气中的SO2，达到吸收平衡时，SO2的平衡分压为5.05kPa,如果只考虑SO2在水中的一级电离，求此时水中SO2的溶解度。已知该条件下SO2溶解度系数H=1.5610-2 kmol/(kPam3), 一级解离常数为K1=1.710-2kmol/m3。,八、吸收能力的计算,例7-2解：考虑解离情况下SO2的吸收情况可表示为两个过程：扩散传质过程 解离过程由传质平衡可以求得吸收液中SO2的浓度：,八、吸收能力的计算,例7-2由吸收液中SO2的浓度，根据离解平衡，求得HSO3-浓度：所以溶液中溶解的SO2总的浓度为：即溶液中溶解的SO2的总浓度为0.1154kmol/m3,九、化学反应对吸收

16、的影响,化学反应对吸收的影响无反应或极慢反应用水吸收SO2和CO2可按物理吸收处理,cAi,cBL,cAL,zL,c,o,z,九、化学反应对吸收的影响,化学反应对吸收的影响缓慢反应如用Na2CO3溶液吸收CO2,cAi,cBL,cAL,zL,c,o,z,九、化学反应对吸收的影响,化学反应对吸收的影响快速反应如NaOH吸收CO2,发烟硫酸吸收SO3,cAi,cBL,cAL,zL,c,o,z,九、化学反应对吸收的影响,化学反应对吸收的影响瞬时反应如：稀酸吸收氨碱液吸收SO2碱液吸收HCl,c,cBL,cAi,zL,z,o,九、化学反应对吸收的影响,伴有化学反应的吸收速率 化学吸收比物理吸收具有更快

17、的吸收速率，这是由于化学反应降低了被吸收气体组分在液相中的游离浓度，相应地增大了传质推动力和传质系数，从而加快了吸收过程的速率。,九、化学反应对吸收的影响,十、吸收设备,气液相接触吸收器：鼓泡吸收器、喷洒吸收器、塔板式吸收器、填料塔等。1、设备的基本要求 气液间接触面积大，并有一定接触时间； 气液间绕动大，阻力、效率高； 操作稳定； 结构简单，维修方便； 具有防堵，防腐能力。,十、吸收设备,鼓泡吸收器,十、吸收设备,喷洒吸收器,十、吸收设备,喷洒吸收器,十、吸收设备,湍球塔,十、吸收设备,填料塔,Packed Tower,十、吸收设备,十一、吸收方案的确定,六、吸收方案的确定 结合实际反应选择

18、适当的吸收剂是否需解吸，还是吸收得产品。 选择和设计出经济合理，结构简单，效率高的吸收装置。 确定吸收装置的最佳工艺参数。 与吸收装置配套的其他设施设计。,十一、吸收方案的确定,注意事项 集气效率高低； 是否需在吸收设备前除尘；是否需除雾，一般对吸收器来说，由于吸收器出来的气体中易夹带雾沫，往往需在吸收器后增加除雾器，防止废气夹带雾沫排入大气； 需几级吸收； 解吸流程（如氨吸收SO2后得到的NH4HSO3加热分解后，得到氨重复使用）； 吸收后生产产品流程（如吸收SO2可生产石膏）； 吸收液是否会产生二次污染，怎样处置（如柴油吸收有机蒸汽后，送去焚烧）。,十一、应用1-电厂低浓度二氧化硫烟气处理,思考题,1、P320习题 7.2；2、解释吸收法。3、P320习题 7-4(1)4、解释增强系数。,