沈阳农业大学土地与环境学院大气污染控制工程课件第六章.pptx

《沈阳农业大学土地与环境学院大气污染控制工程课件第六章.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《沈阳农业大学土地与环境学院大气污染控制工程课件第六章.pptx（94页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、物理吸收：较简单，可看成是单纯的物理溶解过程。吸收限度取决于气体在液体中的平衡浓度；吸收速率主要取决于污染物从气相转入液相的扩散速度。化学吸收：吸收过程中组分与吸收剂发生化学反应。吸收限度同时取决于气液平衡和液相反应的平衡条件；吸收速率同时取决于扩散速度和反应速度。第1页/共94页（二）吸收过程的（二）吸收过程的气液平衡气液平衡l1.吸收过程：混合气体中（气相中）的吸收质向吸收剂中进行质量传递。（气液）l2.解吸过程：液相中吸收质向气相逸出的质量传递过程。（液气）l3.相平衡：在一定的温度、压力条件下，吸收的传质数率=解吸的传质数率气液两相达到动态平衡，简称相平衡。l4.平衡分压：气相中的吸收

2、质组分的分压。l5.溶解度：液相吸收剂所溶解吸收质组分的浓度。l（每100kg水中溶解气体的kg数）第2页/共94页常见气体的平衡溶解度特点：不同性质的气体在同温、同压下的溶解度不同多数气体的溶解度随温度升高而下降当温度一定时溶解度随吸收质分压的升高而增大第3页/共94页亨利定律（物理吸收）1.总压力小于5105Pa时，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P*=Ex P*溶质组分在气相中的平衡分压,Pax溶质组分在液相中的摩尔分数n质/(n质+n剂)E亨利系数亨利系数E值较大表示溶解度较小。一般E值随温度的升高而增大。（三）吸收的基本理论第4页/共94页亨利定律的其它形

3、式2.气相用平衡分压，液相用物质的量浓度表示P*=c/Hc液相中溶质的平衡摩尔浓度,mol/m3H亨利系数,mol/m3P在亨利定律适用的范围内,H是温度的函数,而与P*或c无关。对于一定的溶质和溶剂，H值一般随温度升高减小。易溶气体H值较大，难溶气体H值较小。第5页/共94页3.溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率x、y表示y*=mxx溶质在液相中的摩尔分数y*与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分数m亨利系数，又相平衡常数,无因次m=E/PP系统总压，值越大，表示溶解度越小。第6页/共94页现以一传质设备来说明传质过程的进行气液两相在传质设备中相接触，就会发生质量传递，系统将会自发地向平衡状

4、态变化。若测得yyi*，则该组分将被溶液吸收吸收过程；若测得yyi*，则该组分将从溶液中解吸出来解吸过程同理：xxi*解吸过程。第7页/共94页例1已知在101.3kPa及20OC时，氨在水中的溶解度数据如下：气相中氨的分压气相中氨的分压P*/kPa00.40.81.21.62.02.433.324.236.679.28水中氨的溶解度水中氨的溶解度 00.51.01.52.02.53457.510计算亨利系数E，指出该溶液服从亨利定律的浓度范围。P*/kpa00.40.81.21.62.02.433.324.236.679.28x/10200.5261.0481.5632.0722.5773.

5、0774.0615.0257.3529.569E76.0576.376.877.277.67981.884.290.797第8页/共94页二、吸收过程的物料平衡G表示单位时间通过塔任一截面单位面积的混合气体摩尔流量，kmol/(m2s)L表示单位时间通过塔任一截面单位面积的吸收液摩尔流量，kmol/(m2s)GB表示单位时间通过塔任一截面单位面积的惰性气体摩尔流量，kmol/(m2s)LS表示单位时间通过塔任一截面单位面积的吸收剂尔流量,kmol/(m2s)y表示通过塔任一截面的混合气体中溶质的摩尔分数,kmol(溶质)/kmol(混合气)x表示通过塔任一截面的吸收液中溶质的摩尔分数,kmol

6、(溶质)/kmol(吸收液)X通过塔任一截面吸收液中吸收质与吸收剂的摩尔比,kmol(溶质)/kmol(吸收剂)Y通过塔任一截面混合气体中吸收质与惰性气体的摩尔比，kmol(溶质)/kmol(惰性气体)第9页/共94页对非挥发性吸收剂，气体混合物经过吸收塔后，吸收质的减少量等于液相中吸收质的增加量，即：G1-G2=L1-L2吸收时从气相传递到液相的组分量，即单位时间吸收的组分量WA等于气相中的组分减少量，并等于液相组分的增加量：WA=G1y1-G2y2=L1x1-L2x2任一截面与塔顶之间溶质的物料平衡式为GBY-GBY2=LSX-LSX2GBY=LSX+GBY2-LSX2第10页/共94页（

7、一）吸收操作线方程由于吸收塔的任一界截面上，气相中溶质浓度恒液相的平衡气相溶质浓度，故吸收操作线总是位于平衡线的上方。任一截面与塔底之间溶质的物料平衡式为第11页/共94页操作线与平衡线间的关系，要掌握以下三个方面：(1)在YX图上，吸收操作线必须处于平衡线之上；(2)操作线与平衡线之间的距离反映了吸收推动力的大小操作线上任一点代表某截面上气、液组成（Y,X），该点到平衡线的垂直距离（Y-Y*）和水平距离（X*-X）分别代表该截面上的吸收推动力。(3)平衡线与操作线不能相交或相切第12页/共94页低浓度气体吸收操作线方程式若处理的气体浓度较低，即y198%）的氢气，实现废物资源化。第46页/共

8、94页二、吸附机理（1 1）外扩散（气膜扩散）：吸附质从气流主体穿过颗粒周围气膜扩散至外表面。）外扩散（气膜扩散）：吸附质从气流主体穿过颗粒周围气膜扩散至外表面。（2 2）内扩散（微孔扩散）：吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂微孔表面。）内扩散（微孔扩散）：吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂微孔表面。（3 3）吸附：到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附。）吸附：到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附。第47页/共94页一般吸附过程：(1)物理吸附：内外扩散控制；(2)化学吸附：既有表面动力学控制，亦有内外扩散控制一般来说，外扩散控制的情况较少。（一）外扩散速率吸附质A的外扩散传质速率计算式为：式中：dMAd

9、t时间内吸附质从气相扩散至固体表面的质量，kg/m3；kY外扩散吸附分系数，kg/(m2.s)；ap单位体积吸附剂的吸附表面积，m2/m3；YA，YAi分别为A在气相中及吸附剂外表面的浓度，质量分数。第48页/共94页（二）内扩散速率式中：kX内扩散吸附分系数，kg/(m2.s)；XA，XAi分别为A在固相内表面及外表面的浓度，质量分数（三）总吸附速率方程式由于表面浓度不易测定，吸附速率常用吸附总系数表示式中：KY，KX分别为气相及吸附相吸附总系数，kg/(m2.s)；分别为吸附平衡时气相及吸附相中A的浓度，质量分数第49页/共94页设吸附过程中吸附质在吸附剂上达到平衡时，流动相中的浓度与吸附

10、剂上的吸附量成简单的关系：式中：m平衡曲线的斜率。由此得：可见：显然：分吸附系数与总吸附系数间的关系与吸收类似。第50页/共94页（四）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第51页/共94页三、物理吸附和化学吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附1.吸附力范德华力，可是单层吸附力范德华力，可是单层或多层吸附；或多层吸附；2.吸附质与吸附剂之间不发生化吸附质与吸附剂之间不发生化学反应；学反应；3.吸附过程快，瞬间达到平衡；吸附过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；放热反应；5.吸附剂与吸附质间的吸附力不吸附

11、剂与吸附质间的吸附力不强，吸附可逆。强，吸附可逆。1.吸附力化学键力，单层吸附吸附力化学键力，单层吸附2.吸附有很强的选择性；吸附有很强的选择性；3.吸附速率较慢，达到吸附平衡吸附速率较慢，达到吸附平衡需相当长时间；需相当长时间；4.升高温度可提高吸附速率；升高温度可提高吸附速率；5.吸附不可逆。吸附不可逆。第52页/共94页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，发生化学吸附第53页/共94页四、吸附剂及再生（一）吸收剂1、工业用吸附剂应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第54页/共

12、94页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/m3)200-600750-1000800800800800热容(KJ/KgK)0.836-1.2540.836-1.0450.920.7940.794操作温度上限（K）423773673873873873平 均 孔 径（）15-2518-48224513再 生 温 度（K）373-413473-523393-423473-573473-573473-573比 表 面 积（/g）600-1600210-360600第55页/共94页活性炭：疏水性，常用于空气中有机溶剂，催化脱除尾气中SO2、NOX等

13、恶臭物质的净化；优点：性能稳定、抗腐蚀。缺点：可燃性，因此使用温度不能超过200，在惰性气流掩护下，操作温度可达500。活性氧化铝：用于气体干燥，石油气脱硫，含氟废气净化（对水有强吸附能力）。硅胶：亲水性，从水中吸附水份量可达硅胶自身质量的50%，而难于吸附非极性物质。常用于处理含湿量较高的气体干燥，烃类物质回收等。（二）工业常用吸附剂第56页/共94页沸石分子筛：是一种人工合成沸石，为微孔型、具有立方晶体的硅酸盐。通式为：Mex/n(Al2O3)x(SiO2)ymH2O特点：孔径整齐均一，因而具有筛分性能，一种离子型吸附剂，对极性分子，不饱和有机物具有选择吸附能力。吸附树脂：最初为酚、醛类缩

14、合高聚物，以后出现一系列的交联共聚物，如聚苯乙烯等。大孔吸附树脂除了价格较贵外，比起活性炭，物理化学性能稳定，品种较多，能用于废水处理，维生素的分离及H2O2的精制等。第57页/共94页（三）气体吸附的影响因素1.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气流速度：对固定床为0.20.6m/s比表面积，比表面积，mm2 2/g/gf f 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,m,m2 2/mL/mLN N0 0阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数A A 吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积,m,m2 2V Vmm吸附剂表面被单分子铺满时的气体体积，吸附剂表

15、面被单分子铺满时的气体体积，mLmLWW吸附剂的重量，吸附剂的重量，g gl2.吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）第58页/共94页3.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4.吸附剂活性定义：以被吸附物质的重量对吸附剂的重量或体积分数表示，是吸附剂吸附能力的标志。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第59页/共94页（四）吸附剂再生溶剂萃取再生l活性炭吸附SO2，可用水脱附置换再生l脱附剂需要再脱附降压或真空解吸再生l吸附作用，再生温度加热解吸再生第60页/共94页吸附剂再生(a)吸附(b)解吸第61页/共94页 五、吸附过程与

16、工艺流程五、吸附过程与工艺流程（一）（一）工艺流程分类工艺流程分类11、按吸附剂在吸附器中的工作状态分为：、按吸附剂在吸附器中的工作状态分为：固定床、流化床、移动床（超吸附）。固定床、流化床、移动床（超吸附）。穿床速度：气体通过床层的速度是划分反应床类型的穿床速度：气体通过床层的速度是划分反应床类型的主要依据。主要依据。穿床速度穿床速度吸附剂的悬浮速度吸附剂的悬浮速度22、按操作过程的连续与否分为：间歇式、连续式。、按操作过程的连续与否分为：间歇式、连续式。33、按吸附床再生的方法分：升温解吸循环再生（变温吸附）、按吸附床再生的方法分：升温解吸循环再生（变温吸附）、减压循环再生（变压吸附）、溶

17、剂置换再生等。、减压循环再生（变压吸附）、溶剂置换再生等。固定床固定床远远远远流化床流化床移动床移动床第62页/共94页1 1、固定床吸附流程、固定床吸附流程特点特点：设备结构简单，制造容易，设备结构简单，制造容易，价格低廉；价格低廉；适用于小型、分散、间歇性适用于小型、分散、间歇性的污染源治理；的污染源治理；吸附和解吸交替进行、间歇吸附和解吸交替进行、间歇操作；操作；应用广泛应用广泛缺点缺点：间歇操作，操作必须周期性间歇操作，操作必须周期性地变换，因而操作复杂，劳动地变换，因而操作复杂，劳动强度高；强度高；设备庞大，生产强度低；设备庞大，生产强度低；吸附剂导热性差，因而升温吸附剂导热性差，因

18、而升温及变温再生困难。及变温再生困难。（二）常见的几种吸附流程（二）常见的几种吸附流程第63页/共94页第64页/共94页2 2、移动床吸附流程、移动床吸附流程控制吸附剂在床层控制吸附剂在床层中的移动速度，使净化中的移动速度，使净化后的气体达到排放标准。后的气体达到排放标准。特点：特点：固体吸附剂在固体吸附剂在吸附床中不断移动，固吸附床中不断移动，固体和气体都以恒定的速体和气体都以恒定的速度流过吸附器；度流过吸附器；处理处理气量大，吸附剂可循环气量大，吸附剂可循环使用，适用于稳定、连使用，适用于稳定、连续、量大的气体净化；续、量大的气体净化；吸附和脱附连续完成；吸附和脱附连续完成；动力和热量消

19、耗较大，动力和热量消耗较大，吸附剂磨损较为严重。吸附剂磨损较为严重。料斗料斗吸附器吸附器风机风机传送带传送带第65页/共94页第66页/共94页3 3、流化床吸附流程、流化床吸附流程控制吸附剂在床层控制吸附剂在床层中的移动速度，使净化中的移动速度，使净化后的气体达到排放标准。后的气体达到排放标准。特点：特点：气体于固体接气体于固体接触相当充分，气速是固触相当充分，气速是固定床的定床的3434倍以上；倍以上；生产能力大，适合治理生产能力大，适合治理连续性、大气量的污染连续性、大气量的污染源；源；由于吸附剂和容由于吸附剂和容器的磨损严重，流化床器的磨损严重，流化床吸附器的排除气体中常吸附器的排除气

20、体中常带有吸附剂粉末，故后带有吸附剂粉末，故后面必须加除尘设备。面必须加除尘设备。第67页/共94页（三）吸附负荷曲线在流动状态下，气相中的吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线，或在一定温度下吸附剂种吸附的吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线称为吸附负荷曲线。横轴Z吸附剂床层高度；横轴X吸附剂的吸附负荷；X0吸附剂原始浓度（或反复再生过的吸附剂中残留的吸附质浓度）；Xe吸附剂达到饱和时的负荷；0床层开始吸附的时间；b达到破点的时间；e全床达到吸附平衡（饱和）的时间。第68页/共94页0+吸附剂原始浓度吸附剂达到饱和时的负荷吸附剂达到饱和时的负荷床层开始吸附的时间第69页/共94页bbe达到破点的时

21、间全床达到吸附平衡（饱和）的时间第70页/共94页吸附剂床层中各区分布示意图未用区未用区传质区传质区(传质带传质带)饱和区饱和区(平衡区平衡区)Y YY Y0 0第71页/共94页穿透曲线（透过曲线）在一定时间内，分析床层中流出气体的浓度，即从研究流出物浓度随时间的变化关系来达到研究吸附床层中浓度变化的情况穿透曲线（透过曲线）。第72页/共94页第三节 气体催化净化（一）定义：催化转化是指废气通过催化床层发生催化反应，使其中的污染物转化为无害或易于处理与回收利用物质的净化（二）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一、气体催化净化第73

22、页/共94页（三）优 点对不同浓度的污染物具有很高转化率；污染物与主气流不需要分离，避免了可能产生的第二次污染；操作过程简化。（四）缺点催化剂较贵，且废气预热需耗一定能量，这样使净化处理的费用增加。第74页/共94页二、气体催化机理（一）催化作用化学反应速度因加入某种物质而改变，而被加入物质的数量和性质，在反应终了时不变的作用改变反应历程，降低活化能提高反应速率 （多位活化络合物理论）l（二）显著特征只能加速化学反应速度，对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡具有特殊的选择性（阿累尼乌斯方程）第75页/共94页三、催化剂（一）定义：加速化学反应，而本身的化学性质在反应前后保持不变的物质。（二）

23、组成活性组分助催剂载体第76页/共94页第77页/共94页（三）催化剂的性能1.活性WW产品质量产品质量WWR R催化剂质量催化剂质量t t反应时间反应时间衡量催化剂效能大小的标准。l工业中，常把产品量换算为转化率X表示第78页/共94页2.选择性:是指若化学反应在热力学上有几个反应方向时，一种催化剂在一定条件下只对其中的一个反应起加速作用的特征，表示为：活性-催化剂对提高产品产量的作用；选择性-表示催化剂对提高原料利用率的作用；第79页/共94页3.稳定性定义：催化剂在化学反应过程中保持活性的能力。定义：催化剂在化学反应过程中保持活性的能力。包括：（包括：（1）热稳定性；（）热稳定性；（2）

24、机械稳定性：（）机械稳定性：（3）抗毒稳）抗毒稳定性。定性。影响催化剂寿命的因素主要有：催化剂的老化和中毒。催化剂的老化：是指催化剂在正常工作条件逐步失去活性过程。催化剂的中毒：是指反应物中少量杂质使催化活性迅速下降的现象。老化老化活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等中毒中毒对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb第80页/共94页四、气固催化反应动力学l（一）反应过程l气固催化反应一般经历如下五个步骤：l外扩散过程：反应物从气相主体到催化剂外表面；l内扩散过程：催化剂外表面到微孔内颗粒内表面吸附反应；l化学动力学控制过程：颗粒内表面吸附反应产物离开内表面；l内扩散：产

25、物微孔到外表面；l外扩散：外表面到气相主体主气流微孔固相催化剂粒子示意图第81页/共94页l吸附过程：反应物在催化剂表面上被吸附；l表面过程：吸附的反应物在催化剂表面上发生化学反应（表面反应过程）；l脱附过程：反应产物从催化剂表面上脱附下来。l上述几步速度最慢（阻力最大）者决定整个过程的总反应浓度，这一步称为控制步骤第82页/共94页（二）催化剂中的浓度分布气流主体中的浓度催化剂外表面浓度颗粒中心处的浓度第83页/共94页五、催化净化工艺催化法治理废气的一般工艺过程包括：1.废气预处理去除催化剂毒物及固体颗粒物（避免催化剂中毒）；2.废气预热到要求的反应温度（如选择性催化还原去除NOX废气的预

26、热温度须达200220OC以上）；3.催化反应4.废热和副产品的回收利用第84页/共94页（一）固定床反应器l最主要的气固相催化反应器优点:l流体接近于平推流，返混小，反应速度较快l固定床中催化剂不易磨损，可长期使用l停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，高选择性和转化率缺点:l传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点)l催化剂更换需停产进行六、气固催化反应器及设备第85页/共94页l一般原则：l根据催化剂反应热的大小及催化剂的活性温度范围，选择合适的结构类型，保证床层温度控制在许可的范围内。l床层阻力应尽可能的小。l在满足温度条件下，应尽量使催化剂装填系数大，以提高设备利用率。l反应器应结

27、构简单，便于操作，且造价低廉，安全可靠。第86页/共94页l1.单层绝热反应器结构简单，造价低廉，气流阻力小内部温度分布不均适用于反应热效应不大的放热反应，反应过程允许温度有较宽变动范围的反应；热效应较大的，但对反应温度不很敏感或是反应速率非常快的过程也可适用。第87页/共94页l2.多段绝热反应器根据段间反应气体的冷却或加热方式，多段绝热床又分为中间直接换热式和冷激式。(a)直接换热 中间直接换热式特点：催化剂床层的温度波动小。缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难应用：适用于放热反应废气净化气第88页/共94页(b)间接换热冷激式特点：反应器结构简单，便于装卸催化剂，催化剂床层的温度波动小。缺

28、点：操作要求较高应用：适用于放热反应，能做成大型催化反应器废气净化气第89页/共94页l3.列管式反应器用于对反应温度要求高，或反应热效应很大的场合，以各种载热体为换热介质的对外换热式反应器多为列管式结构换热式固定床反应器 特点：传热面积大，传热效果好，易控制催化剂床层温度，反应速率快，选择性高。缺点：结构较复杂，设备费用高。应用：能适用于热效应大的反应。第90页/共94页第91页/共94页径向反应器：是近年来发展的一种固定床反应器。由于反应气流是径向穿过催化剂，它与轴向反应器相比，气流流程短，阻力将低小，减低了动力消耗，因而可采用较细粒的催化剂，提高催化剂有效系数。催化剂废气净化气第92页/共94页（二）反应器类型的选择根据反应热的大小和对温度的要求，选择反应器的结构类型尽量降低反应器阻力反应器应易于操作，安全可靠结构简单，造价低廉，运行与维护费用经济第93页/共94页感谢您的观看！第94页/共94页