气态污染物控制技术课件.ppt

1、大气污染控制工程下册大气污染控制工程下册l就你所学过的知识，如何去除？就你所学过的知识，如何去除？l什么是有害气体？与含尘气体有什么区别？什么是有害气体？与含尘气体有什么区别？l有害气体的控制方法有些？有害气体的控制方法有些？l如何将空气中的有害体去除？如何将空气中的有害体去除？大气污染控制工程一、颗粒污染物的净化一、颗粒污染物的净化气溶胶气溶胶二、有害气体的净化二、有害气体的净化气态污染物气态污染物1、气态污染物净化的一般原理、气态污染物净化的一般原理根据蒸气压差异进行净化根据蒸气压差异进行净化根据分子态污染物溶解度的不同根据分子态污染物溶解度的不同利用分子状物质的选择吸附作用利用分子状物质

2、的选择吸附作用利用污染物分子与附加物质进行特定的化利用污染物分子与附加物质进行特定的化学反应学反应燃烧法燃烧法2 2、净化方法、净化方法冷凝法冷凝法(蒸气态污染物蒸气态污染物)一级处理一级处理液体吸收法液体吸收法固体吸附法固体吸附法催化转化法催化转化法直接燃烧直接燃烧1000以上以上热力燃烧热力燃烧700-800催化燃烧催化燃烧300-400大型脱硫设备 有有机机废废气气浓浓缩缩吸吸附附净净化化设设备备 酸碱废气净化塔酸碱废气净化塔 第七章第七章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础l气体在气相中的扩散气体在气相中的扩散l气体在液相中的扩散气体在液相中的扩散l吸收机理吸收机理l气液平衡

3、气液平衡l物理吸收物理吸收l化学吸收化学吸收l气体扩散气体扩散l气体吸收气体吸收第一节第一节 气体扩散气体扩散流体输送p热量传递p质量传递l 气体扩散过程气体扩散过程l气态污染物脱除过程的单元操作气态污染物脱除过程的单元操作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气体扩散n在气相中的扩散（Gilliland 方程）0.50.540.50.5 2111.8 10AABABAAAMTDVVMMT绝对温度，绝对温度，KABD扩散系数，扩散系数，cm2/sM气体的摩尔质量气体的摩尔质量V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， cm3/mol气体在气相中的扩散气体在

4、气相中的扩散l介质的种类l温度l压强l浓度l扩散系数扩散系数物质的特性常数之一物质的特性常数之一影响因素：影响因素：气体在气相中的扩散气体在气相中的扩散n部分气体在空气中的扩散系数（0oC，101.33kPa）扩散系数的测量扩散系数的测量nStephan过程222112ln(/)2AlABBBALLRTDPPPMtAl液体液体A的密度，的密度，g/m31L液体的初始高度，液体的初始高度，cm2L液体的最终高度，液体的最终高度，cm12,BBPP分别为初始和最终时的空气分压分别为初始和最终时的空气分压t变化时间，变化时间，s气体在液相中的扩散气体在液相中的扩散n扩散系数随溶液浓度变化很大n上式只

5、适用于稀溶液l在液相中的扩散系数估算方程B液体的粘度，液体的粘度，cPa溶剂的缔结因数，水溶剂的缔结因数，水2.6，甲醇，甲醇1.9。乙醇。乙醇1.5， 非缔结溶剂如苯、乙醚均为非缔结溶剂如苯、乙醚均为1.00.5100.6()7.4 10BABBAMTDV气体在液相中的扩散气体在液相中的扩散n某些物质在水中的扩散系数（20oC，稀溶液）第二节第二节 气体吸收气体吸收n吸收机理 1.双膜模型（应用最广）假定假定:l界面两侧存在气膜和液膜界面两侧存在气膜和液膜,膜内膜内为层流为层流, 传质阻力只在膜内传质阻力只在膜内l气膜和液膜外湍流流动气膜和液膜外湍流流动,无浓度无浓度梯度梯度, 即无扩散阻力

6、即无扩散阻力l气液界面上气液界面上,气液达溶解平衡气液达溶解平衡 即即:CAi=HPAil膜内无物质积累膜内无物质积累,即达稳态即达稳态.吸收机理吸收机理n2.渗透模型p假定:流体微元气液界面液体主相l气液界面上的液体微元不断被液相主气液界面上的液体微元不断被液相主体中浓度为体中浓度为CAL的微元置换的微元置换l每个微表面元与气体接触时间都为每个微表面元与气体接触时间都为 l界面上微表面元在暴露时间界面上微表面元在暴露时间 内的吸收内的吸收速率是变化的速率是变化的吸收机理吸收机理n3.表面更新模型流体微元气液界面液体主相假定:l各表面微元具有不同的暴露时间各表面微元具有不同的暴露时间,t=0-

7、 l各表面元的暴露时间各表面元的暴露时间(龄期龄期)符合正态分布符合正态分布l 4. 其它模型其它模型表面更新模型的修正基于流体力学的传质模型界面效应模型双膜理论双膜理论n双膜模型p气相分传质速率p液相分传质速率p总传质速率方程xALAAAAgAA()()yiiNkyyNkppAAAAlAA()()xiiNkxxNk ccAA*AAAAAA*AAgAAAlA() () () ()yxNKyyNKxxNKppNKccl扩散与去除有害气体的相互关系扩散与去除有害气体的相互关系是什么？是什么？l气体在气相中的扩散与液相中的气体在气相中的扩散与液相中的扩散有什么不同？扩散有什么不同？思考题思考题第二节

8、气体的吸收第二节气体的吸收吸收设备吸收设备污染气体污染气体入口入口清洁气体清洁气体出口出口循环泵循环泵搅拌器搅拌器氧化氧化空气空气入口入口去湿器去湿器水洗喷管水洗喷管浆液喷嘴浆液喷嘴多孔板多孔板污染气体污染气体入口入口清洁气体清洁气体出口出口循环泵循环泵搅拌器搅拌器氧化氧化空气空气入口入口去湿器去湿器水洗喷管水洗喷管浆液喷嘴浆液喷嘴多孔板多孔板吸收设备吸收设备n填料塔填料塔填料塔泡沫颗粒滤珠填料（EPS发泡塑料滤珠） 直径直径50空心球空心球鲍耳环填料 供应丝网波纹填料供应丝网波纹填料拉西环，矩鞍环，异鞍环，十字环，鲍尔环 气液平衡气液平衡n平衡吸收过程的传质速率等于解吸过程n溶解度p每100

9、kg水中溶解气体的kg数气液平衡气液平衡n常见气体的平衡溶解度亨利定律亨利定律n亨利定律p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n参数换算*/cH pxpEym xSS/()/()Hcx EHME一、气体在液相中的平衡溶解度, ,AACt P P当当P不太高不太高5atm5atm时，认为时，认为P对溶解度的影响可忽略，对溶解度的影响可忽略，t一定时。一定时。AACf PAPA组分在气相中的分压。组分在气相中的分压。即即若以组成在溶液中的浓度为自变量，则若以组成在溶液中的浓度为自变量，则*AAPF C溶解度是系统的温度、总压、气相组成的函数溶解度是系统的温度、总压、气相组成

10、的函数当温度当温度1 1、当溶解达到平衡时，平衡溶解度、当溶解达到平衡时，平衡溶解度*AC（气液平衡）（气液平衡）*AACf P*AAPF C 对于压力不太大的稀溶液，在一定温度下，气体在液对于压力不太大的稀溶液，在一定温度下，气体在液体中的溶解度与该气体的平衡分压成正比。体中的溶解度与该气体的平衡分压成正比。2、享利定律、享利定律当溶质含量以当溶质含量以X表示（单组分）表示（单组分）溶质含量以浓度溶质含量以浓度C 表示时表示时33(mol/m ,kmol/m )当溶质含量以当溶质含量以X表示（单组分）表示（单组分）PEXX吸收质在液相中的摩尔分率吸收质在液相中的摩尔分率E气体在水中的亨利系数

11、值见下表气体在水中的亨利系数值见下表X来说来说：对对于于物理吸收物理吸收溶解于液相中的吸收质的量溶解于液相中的吸收质的量化学吸收化学吸收未参加反应的量未参加反应的量享利系数享利系数, ,单位与气相压相同（单位与气相压相同（atmatm）气体在水中的亨利系数值气体气体E10-4，（，（atm）273K278K283K288K293K298K303K308K313K323K333K353K373K氦氦12.912.612.5 12.412.111.5氢氢5.796.086.366.616.837.077.297.247.517.657.657.557.45氮氮5.295.976.687.388.0

12、48.659.249.8510.411.312.012.612.6空气空气4.324.885.496.076.647.207.718.238.709.4610.110.710.7一氧化碳一氧化碳3.523.964.424.895.365.806.206.596.967.618.218.458.46氧氧2.552.913.273.644.014.384.755.075.355.886.296.877.01甲烷甲烷2.242.592.973.373.764.134.494.865.205.776.266.827.01一氧化氮一氧化氮1.691.932.182.422.642.873.103.313

13、.523.904.184.484.54乙烷乙烷1.261.551.892.262.633.023.423.834.235.005.656.616.92乙烯乙烯0.5520.6530.7680.8951.021.141.27臭氧臭氧0.1940.2180.2480.2880.3760.4570.5980.8181.202.74COS0.0920.1170.1480.1280.2190.2590.304氧化亚氮氧化亚氮0.1170.1410.1660.1980.2250.2590.302二氧化碳二氧化碳0.07280.08760.1040.1220.1420.1640.1860.2090.2330

14、.2830.341乙炔乙炔0.0720.0840.0960.1080.1210.1330.146硫化氢硫化氢0.02680.03150.03670.04230.05450.06090.06760.07450.08840.1030.1030.1350.148溴溴0.002130.002750.003660.004660.005930.007370.009050.01330.01910.02510.0404Y*YmXY当以气体的摩尔分率当以气体的摩尔分率表示时，则又可写成表示时，则又可写成为溶质在气相中的摩尔分率为溶质在气相中的摩尔分率推导：推导：*TPPY *TPYP又又 *PEX*TEYXmX

15、Pm(为气相总压为气相总压)TP则：则：相平衡常数相平衡常数据据Dolton定律定律C33(mol/m ,kmol/m ) */PC H C3kmol/m溶质含量以浓度溶质含量以浓度表示时表示时,亨利定律可表示为亨利定律可表示为溶质在液相中的浓度溶质在液相中的浓度H3kmol/matm Hf t物理吸收物理吸收完全溶解量完全溶解量化学吸收化学吸收剩余溶解量剩余溶解量溶解度系数溶解度系数注： 气体溶解度大小的指标，温度越高，H越小，易溶气体H大，难溶气体H小）*PEX*/PC HEH由于由于说明说明与与存在一定的关系存在一定的关系*CP H或或001EH M03kg/m0M对于稀溶液对于稀溶液溶

16、剂密度，溶剂密度，液体的平均分子量液体的平均分子量(kg/mol)吸收系数吸收系数p吸收系数的不同形式传质阻力传质阻力p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l例：例：11yyxmKkk传质总阻力气相传质阻力液相传质阻力l例：例：11yyxmKkk液膜控制（，）l难溶气体（稀碱溶液吸收难溶气体（稀碱溶液吸收CO2，水吸收水吸收O2）1yxmKk1xymkk液膜控制（，）l难溶气体（稀碱溶液吸收难溶气体（稀碱溶液吸收CO2，水吸收水吸收O2）1yxmKk1xymkk气膜控制（，）l易溶气体（碱或氨液吸收易溶气体（碱或氨液吸收SO2）1yxmkk11yyKk气膜控制（，）l易溶气

17、体（碱或氨液吸收易溶气体（碱或氨液吸收SO2）1yxmkk11yyKk传质过程传质过程n吸收系数的影响因素p吸收质与吸收剂p设备、填料类型p流动状况、操作条件n吸收系数的获取p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常用吸收系数经验式l水吸收氨（易溶气体吸收）水吸收氨（易溶气体吸收）G、L气、液相空塔流量气、液相空塔流量40.90.39g6.07 10k aGLl水吸收氨（易溶气体吸收）水吸收氨（易溶气体吸收）G、L气、液相空塔流量气、液相空塔流量40.90.39g6.07 10k aGLl水吸收水吸收CO2（难溶气体吸收）难溶气体吸收）U喷淋密度，喷淋密度，m3/(m2h)0.

18、96l2.57k aUl水吸收水吸收CO2（难溶气体吸收）难溶气体吸收）U喷淋密度，喷淋密度，m3/(m2h)0.96l2.57k aU40.70.250.82gl9.81 10;k aGLk aaLl水吸收水吸收SO2（中等溶解气体吸收）中等溶解气体吸收）40.70.250.82gl9.81 10;k aGLk aaLl水吸收水吸收SO2（中等溶解气体吸收）中等溶解气体吸收）界面浓度的计算界面浓度的计算n作图法l 解析法解析法稀溶液亨利定律+传质方程AAAAAAAAA()()yixiixiyNkyykxxyykxxk 物理吸收物理吸收n操作线方程n操作线、平衡线和吸收推动力SS1111BB(

19、)()LLLLYXYXXYXGGGG物理吸收物理吸收n最小液气比吸收塔的最小液气比吸收塔的最小液气比S12min*B12()LYYGXXS12minB1max2()LYYGXX物理吸收物理吸收n填料塔高度计算水吸收水吸收SO2的平衡线和操作线的平衡线和操作线121200dd()(1)()dd()(1)()TTzyyyizxxxiGyzk ayyyLxzk axxx化学吸收化学吸收n化学吸收的优点p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p液膜扩散阻力降低p填料表面的停滞层仍为有效湿表面化学吸收化学吸收两分子反应中相界面附近液相内两分子反应中相界面附近液相内A与与B的浓度分布的浓度分

20、布 溶解相平衡化学反应化学平衡二、化学吸收中的气液平衡关系二、化学吸收中的气液平衡关系1、化学吸收就是吸收质与吸收剂或吸收剂中的某组分发生反应。、化学吸收就是吸收质与吸收剂或吸收剂中的某组分发生反应。气相气相(A)液相（液相（A）AB（A被被B吸收）吸收）也就是说，化学吸收既服从溶解过程中的也就是说，化学吸收既服从溶解过程中的相平衡相平衡关系，又服从关系，又服从化学平衡化学平衡关系，所以化学吸收是关系，所以化学吸收是相平衡相平衡和和化学平衡化学平衡的综合。的综合。2、相平衡与化学平衡、相平衡与化学平衡（B组分）组分）(g)A laA lbBmMnN（1）一般形式）一般形式相平衡相平衡+化学平衡

21、化学平衡K+ banmBANM平衡常数为平衡常数为K（1） 其中其中A是未反应的部分，对于相平衡来说在压力不太高的情况是未反应的部分，对于相平衡来说在压力不太高的情况下，可用享利定律。下，可用享利定律。 AAHPA*(2)由由(1)、(2)式得式得又又 abnmAABKNMHP11*AC0APA的区域的区域()为极快反应为极快反应(瞬时完成瞬时完成)11021011001011031021022242224444441000666666650088888310233320033.350.066.71001436.6710.014.320.02.03.335.00.51.0R010 141122

22、RMM可用近似计算公式可用近似计算公式 *CA1、浓度分布、浓度分布反应面与界面重合反应面与界面重合气相主体气相主体APACCCCi液相主体液相主体ZgZl液液膜膜气气膜膜相相界界面面CBPA反应面在液膜内反应面在液膜内CbBA三、极快三、极快(瞬时瞬时)不可逆反应的吸收速率方程不可逆反应的吸收速率方程传质控制传质控制2、吸收速率方程、吸收速率方程(1)反应面与界面重合反应面与界面重合AGAPkN 属气膜控制属气膜控制AiAGAPPkN(2)反应面在液膜内反应面在液膜内AN1Z当达到稳定状态后，相当于当达到稳定状态后，相当于透过透过厚度界面扩散厚度界面扩散气相主体气相主体APAPAiCCiCA

23、i液相主体液相主体Z1Z2液液膜膜气气膜膜相相界界面面CBCCRSZ01AiAACZDN02BBBCZDNABbNNAiAAiPHC由于由于在界面上在界面上则有则有0ZZ011BBAiACDCZbDAAiABBAiAAiAANCDZCDCDNCbDAAiABBANCDZCDbNBBAiAACDCbDZbNABBAiAAbDCDCZDN011AiAiBABACCCDDbZD011AiAiBABLCCCDDbkAiABBCbDCD10AiLACkN0AiLCk01AiAACZDN02BBBCZDNABbNN 令则有ABBAiAAbDCDCZDN iAAAiPHCABBAiAAbDCDCZDN将代入

24、()ABBGAAAAAbDCDkNPHZDNABBiAAAbDCDPHZDNAAiAGAPPkNALGABABAAGABABAAAHkkbHCDDPDZkHbCDDPHN11整理得到GABABAAKbHCDDPN1BAGrCPKAABbHDDr1atmkoml/m3溶解度系数HA在气相中的分压气体ApA即式中ApAiAGAPPkNAiPHkkbHCDDPNLGABABAA11AiPALGBLABAGHkkCkDDbPk1时，在液膜内进行0iAP时，在界面进行0iAP计算计算：得得气相主体气相主体APAPAiCCiCAi液相主体液相主体Z1Z2液液膜膜气气膜膜相相界界面面CBCCRSZ当当当当B

25、LABAGCkDDbPk1BALAGBDDkPbkC组分存在明界面处无临界浓度说A CKPAGAGPkPk0NA的浓度组分的浓度时，液相中活性吸收质在吸收过程中界面上无BACkP此时，此时，此时，此时，阻力时反应在气、液膜内有kPBCCBAGArCPKN界面，属气膜控制时，反应面由液膜移向KPBCC0AGAPkN 结论：结论：NA与液相组分与液相组分B浓度有关浓度有关当当当当AN与反应级数无关，吸收为传质控制与反应级数无关，吸收为传质控制四、其它类型的化学吸收过程四、其它类型的化学吸收过程1、快速及中速反应、快速及中速反应反应区反应区吸收速率取决于传质速率和反应速率吸收速率取决于传质速率和反应

26、速率PACAiCBiPAiCBCA2、缓慢反应、缓慢反应吸收速率取决于反应速率吸收速率取决于反应速率按物理吸收计算按物理吸收计算PAPAiCBiCBCACAi例：例：SO2化学吸收计算化学吸收计算n主要参数pG1入塔气体的总摩尔流量，kmol/(m2h)py1、y2入塔、出塔气体的SO2摩尔分率ppH1浆液的初始pH值pW单位时间通过塔任一截面单位面积的吸收剂体积流量，m3/m2hn气相SO2的平衡方程 气体进口G0,y0气体出口G1,y1液体进口L1,x1液体出口L0,x0dzzx, y11d1111(1)|(1)|()d11()d()d1(1)zzzyiyiyyy Gy Gk a yyzy

27、yk a yyyzyGy例：例：SO2化学吸收计算化学吸收计算n边界条件： y(ZT)=y1n各种物质浓度 SO2H2O=KhsP SO2 S HSO3-=KhsKs1PSO2s/H+ SO32-=KhsKs1Ks2PSO2s/H+2 例：例：SO2化学吸收计算化学吸收计算n碱存在时，任意时间 H+M+=OH-+HSO3-+2SO32- 即：H+M+=KW/H+1-KhsKs1PSO2s/H+2KhsKs1Ks2PSO2s/H+2 l 在塔底（在塔底（z=ZT）和）和z之间计算之间计算SO2的物料平衡的物料平衡 G1y1+WKhsPSO2s (1+Ks1/H+2Ks1Ks2/H+2) =G1y

28、1-G1(1-y1)y2/(1-y2)+G1(1-y1)y/(1-y)l简化后简化后=H+ ；A=KW/H+1-H+1；B=KhsKs1；C=KhsKs1Ks2；D=G1(1-y1)/W；E=y2/(1-y2)232sWSO2AKPBCl简化后简化后=H+ ；A=KW/H+1-H+1；B=KhsKs1；C=KhsKs1Ks2；D=G1(1-y1)/W；E=y2/(1-y2)232sWSO2AKPBC例：例：SO2化学吸收计算化学吸收计算n简化式可写为322Whs2( )()();( )1( )(2 )fAKKBCyfEfDBC21d( )( )dmmz32W1211( )d ( )( );(

29、)(1) 1( )(2 )dyk afAKfmmGyfp BCl上式又可写为上式又可写为（1）21d( )( )dmmz32W1211( )d ( )( );( )(1) 1( )(2 )dyk afAKfmmGyfp BCl上式又可写为上式又可写为（1）TT0201( )dd( )zmzml积分（积分（1）式即可得塔高）式即可得塔高TT0201( )dd( )zmzml积分（积分（1）式即可得塔高）式即可得塔高BAGArCPKN ABADDbHr1ALGBLABAGAiHkkCkDDbPkP10AiP0AiPBLABAGCkDDbPk1BALAGBDDkPbkC临界浓度CKP小结：小结：当当

30、时，在液膜内进行时，在液膜内进行当当时，在界面处进行时，在界面处进行此时此时3NHQatm)hkmol/(m3502 .kGm/h0050.kLatm)kmol/(m753Hatm1P例：用稀硫酸吸收氨，采用逆流方式，已知：含例：用稀硫酸吸收氨，采用逆流方式，已知：含NH3气体的流量气体的流量=45kmol/h，NH3的入口处分压的入口处分压P1=0.05atm，NH3的出口处分压的出口处分压P2=0.01atm，稀硫酸的入口，稀硫酸的入口液相传质分系数液相传质分系数，对应的溶解度系数，对应的溶解度系数，求填料塔高度。，求填料塔高度。浓度浓度C2=0.6kmol/m3,出口浓度出口浓度C1=0

31、.5kmol/m3,气相传质分系数气相传质分系数，总压总压NH30.01atmH2SO40.5kmol/m3NH30.05atmH2SO40.6kmol/m3h界面界面解：三种情况：解：三种情况：3210m/ma ，ALGBAKPPkkDDbC AGAPkN11BkpCC22BkpCC1AGABBAANkPCDH b D11BkpCC22BkpCC11BkpCC22BkpCC塔顶塔顶塔底塔底界面反应界面反应塔顶塔顶塔底塔底液膜内发生液膜内发生塔顶塔顶塔底塔底存在一个转折面，上部为界面反应，存在一个转折面，上部为界面反应，气膜控制气膜控制下部为膜内反应，则反应分段计算。下部为膜内反应，则反应分段

32、计算。44423)SO(NHSOH21NHALGBAKPPkkDDbCAP35005. 035. 02133kmol/m60kmol/m35001035.Ckpkmol/m50kmol/m7510503533.Ckp)()(2112-CCL-YYQ5060201005045.L.39mL 由由上部：在气体出口处上部：在气体出口处在界面在界面下部：在气体入口处下部：在气体入口处在液膜内在液膜内由物料恒算由物料恒算APKPC对于此吸收，上部属气膜控制，下部属双膜控制对于此吸收，上部属气膜控制，下部属双膜控制求转折面求转折面(界面界面)，设转折面处气体对应的分压为，设转折面处气体对应的分压为，液体的

33、浓度为，液体的浓度为则有则有5092050.CP.QkpAAkpPC35atm016670453518050455018.PA30.585kmol/mBC 2121145AAAAPPAGAPPAAaPKdPaNdPPGh016700101035045.AAPdP. m.ln.ln.596010016701035045对于上段对于上段52575005013501111G.HKkKLGatmkmkmol/ 1802 .KGAKPP.C526250BAGArCPKN10.0267BAADrH b DAAP.P.5262500267018001668750958280180.P.A对于下段对于下段05001670P01668750958280180145PGA.AAPAA.P.dPaNdPrAr m.979总填料高度总填料高度m.hhh5616979596下上h下下吸收设备吸收设备吸收设备吸收设备n喷淋塔吸收设备吸收设备污染气体污染气体入口入口清洁气体清洁气体出口出口循环泵循环泵搅拌器搅拌器氧化氧化空气空气入口入口去湿器去湿器水洗喷管水洗喷管浆液喷嘴浆液喷嘴多孔板多孔板污染气体污染气体入口入口清洁气体清洁气体出口出口循环泵循环泵搅拌器搅拌器氧化氧化空气空气入口入口去湿器去湿器水洗喷管水洗喷管浆液喷嘴浆液喷嘴多孔板多孔板吸收设备吸收设备n填料塔填料塔填料塔