四川大学考研复习笔记-大气污染控制工程考研笔记(DOC)

大气污染控制工程大气污染控制工程 四川大学考研复习笔记 主要考点分布 第 3 章 基础知识 第 4 章 机械式除尘器 第 5 章 电除尘器 第 6 章 过滤式除尘器 第 8 章 吸收法净化气态污染物 第 9 章 吸附法净化气态污染物 第 10 章催化法净化气态污染物 题目分布 章 只出计算题 4 5 只出简答题 3 6 11 15 计算和简答 8 9 10 重点章节 4 1 5 4 8 3 9 4 10 3 难点章节 8 2 8 3 9 4 复习大纲 全面掌握大气污染的来源 途径和机理 包括基本概念 基本 理论 基本技能 大气污染控制的原理 方法 掌握颗粒物的粒径分布及其他物理性质 净化装置的性能指标 了解除尘器的类型 包括各种干式和湿式除尘器 掌握机械 湿式 电除尘器作原理及区别 掌握物理吸收的机理 掌握化学吸收与吸收计算 重点掌握双膜 理论传质计算及填料塔的设计计算 气态污染物的催化净化 理解和掌握全球气候变化 臭氧层破坏和酸雨污染问题 往往会出一道全面型论述题 要求全面把握书本及实践知识 要求至少全面阅读教材两遍 笔记正文 第三章 出简答题或公式推导 第三章 出简答题或公式推导 粒径分布的表示方法有表格法 图形法和函数法 重点 粉尘的粒径和粒径分布 频率分布 筛上频度分布 筛下累计统计 粉尘的物 理性质 粉尘的真密度 堆积密度 除尘装置的性能 除尘效率 总效率 分级效率 粉尘粒径和粒径分布粉尘粒径和粒径分布 一 粉尘粒径 1 一般分为两类 单一粒径 单个粒子的 球形颗粒 d 直径 平均粒径 粒子群的 一 单一粒径 单一粒径分成 投影径 非球形颗粒 几何当量径 物理当量径 1 投影径 指颗粒在显微镜下观察到的粒径 a 面积等分径 martine 指颗粒的投影面积二等分的直线长度 其与所取的方向有关 常采用与底边平行的线作为粒径 b 定向径 feret 指颗粒投影面上两平行切线间的距离 c d a b c 长径 不考虑方向的最长径 d 短径 不考虑方向的最短径 2 几何当量径 取颗粒的某一几何量 面积 体积等 相同时的球形颗粒的直径 a 等投影面积径 dA 与颗粒投影面积相同的某一圆面积的直径 一下雷同 b 等体积径 dV c 等表面积径 dS d 体积表面积平均径 de 3 物理当量径 取颗粒某一物理量相同时的球形颗粒粒径 a 自由沉降 dt 特定气体中 在重力作用下 密度相同的颗粒因自由沉降而达到的末速 度与球形颗粒所达到的末速度相同时的球形颗粒的直径 b 空气动力径 da 在静止的空气中颗粒的沉降速度与密度为 1g cm3的圆球的沉降速度相 同时的圆球的直径 单位 代表mAcmgm 2 1 3 c 斯托克斯径 Stokes dst 重点考点 在层流区内 对颗粒的雷诺数 Re 则有 6 3 sm gd u pp s 18 2 由上式可见 Vt 若 dp 小 则 Vt 就小 故小颗粒就难分离 2 p d 若将雷诺数 Rep 1 代入 可求出尘粒沉降时的临界粒径 dc 得 1 cp ep ud R p c d u 代入 6 2 得 6 4 3 2 63 2 g d p c 一般说来方程式 6 3 应用于粒径小于 50 m 的球形尘粒 小于 100 m 得尘粒误差也不 大 工业粉尘粒径大致为 1 100 m 粒径小于 5 m 的尘粒实际沉降速度要比 Stocks 定律 预示的大 需修正 故 dp 5 m 的尘粒 us c us Stocks c 为修正系数 在空气中温度为 20 压强为 1atm 时 p d c 172 0 1 dp 为 m 在其它温度下 Kc 值就变化 p c d T K 4 10021 6 1 二 重力沉降室的设计 假设通过重力沉降室断面的水平气流的速度 V 分布式均匀的 呈层流状态 入口断面上粉 尘分布均匀 即每个颗粒以自己的沉降末端速度沉降 互不影响 在气流流动方向上尘粒 和气流速度相等 就可得到除尘设计的简单模式 1 沉降时间和 最小粒径时的 沉降速度 尘粒的沉降速度为 Vt 沉降室的长 宽 高分别为 L W H 要使沉降速度为 Vt 的尘粒 在沉降室内全部去除 气流在沉降室内的停留时间 t 应大于或等于尘粒从顶部沉降到灰斗的时间 即 V L t t c V H t t V H V L L H V s W L Vts V W H 净气 将 代入上式 可求出沉降室能 100 捕集的最小粒径 dmin 18 2 gd V pp t 2 1 min 1818 LWg Q gL Hu d pp 上式是在理想状况下得到的 实际中常出现反混现象 工程上常用 36 代替式中的 18 这 样理论和实践更接近 室内的气流速度 u 应根据尘粒的密度和粒径确定 常取 0 3 0 5m s 一般取 0 2 2m s 沉降室的设计 概括 1 沉降时间 2 沉降速度 按要求沉降的最小颗粒 V L t 2 沉降室尺寸 先按算出捕集尘粒的沉降速度 us 在假设沉降室内的气流速度 V 和沉降 18 2 gd u pp s 室高度 H 或宽度 W 而后求沉降室的长度和宽度 或高度 Q WHV WLVt 沉降室长度 V V H L t 沉降室宽度 Q 为处理气流量 m3 s HV Q W 三 沉降室的结构 重力除尘一般是让气流慢慢地通过结构简单而体积较大的除尘室 这样可为颗粒提供 落入底部灰斗的机会 颗粒需要降落的距离可通过在除尘室中放置一些水平隔板而缩短 类型 重力沉降室可放置导流板 以改变气流的方向 以产生惯性作用 也可利用鱼 鳞板 百叶窗以产生惯性作用 有单层沉降室 有多层沉降式 平行的放置一些隔板 折 流板式沉降室 垂直的折流板安装在沉降室的顶部 惯性作用力会增强颗粒的重力作用 当气流被绕过折流板底部的时候 由于气流路径上这段弯曲部分的惯性作用 颗粒被分离 下来 四 实际性能和测试 沉降式的实际性能几乎从不进行实验测量或测试 在最好的情况下 这种装置也只能 作为气体的初级净化 除去最大和最重的颗粒 沉降室的除尘效率约为 40 70 仅用于 分离 dp 50 m 的尘粒 穿过沉降室的颗粒物必须用其它的装置继续捕集 优点 结构简单 投资少 易维护管理 压损小 50 130Pa 缺点 占地面积大 除尘效率低 1 设计要求 1 保证粉尘能沉降 L 足够长 2 气流在沉降室的停留时间要大于尘粒沉降所需的时间 t V H V L 3 能 100 沉降的最小粒径 重点 2 1 min min 1818 gLg HV g V d p t p t 2 设计的主要内容 根据粒径 dp 算出 1 Vt 2 初始确定 V H 根据求长度 L V V H L t 3 根据进气量 Q 求宽度 B Q VBH 电除尘器 出计算题 电除尘器 出计算题 5 4 粒子的捕集 只在本节出题 粒子的捕集 只在本节出题 一 驱进速度 在电场中粉尘的运动主要受静电力和空气动力支配 静电力 Ep 粒子所处位置的集尘电场强度 V m p qEF 1 空气动力主要是由于粉尘和气体之间的相对运动所引起的阻力按斯托克斯公式计算 二力相等时 即 F1 F2时 尘粒就达到一个极限速度或终末速度 p dF3 2 p p d qE 3 称为尘粒的驱进速度 从式中可看出 驱进速度 与尘粒的荷电量 粒径 电场强度及 气体的粘性有关 其方向与电场方向一致 垂直于集尘电极表面 因尘粒的荷电量取决于 两种荷电机制 故可根据粒径大小确定以哪种荷电方式为主 可得以下驱进速度公式 较大尘粒 场荷电的饱和电荷值代入即得 2 00 p ppp EEd 小于 0 2 m 的尘粒以扩散荷电方式为主 按怀特公式计算掂量 但这时的空气阻力 Fa 因分子减产生滑移而减小 需用肯宁输 斯托克斯修正系数 c 加以修正 得下式 按此式计算的驱进速度仅是尘粒的平均驱进速度的近似值 因为电场中各 p p d cqE 3 点的场强并不相同 荷电量的计算值是近似的 此外 气流 粉尘特性等的影响也未考虑 进去 二 捕集效率方程式 多依奇方程式 重点 电除尘器捕集效率与粉尘性质 场强 气流速度 气体性质及除尘器结构等因素有关 所以严格地从理论上推导捕集效率方程式是困难的 必须作一定的假设 关于捕集效率方 程式由许多专家从理论上进行了研究 并推导出了计算式 下面我们介绍两个 1 多依奇 Deutsch 方程式 于 1922 年提出 他在推导过程中作了一系列假设 主要有 电除尘器中的气流为紊流状态 通过除尘器任一横断面的粉尘浓度是均匀分 布的 进入除尘器的粉尘立刻达到了饱和荷电 忽略电风 气流分布不均匀 二次扬尘等的影响 在此介绍一下紊流状态 在工业生产中应用的电除尘器皆处于紊流区域内 在紊流状 态下 较小尘粒运动主要取决于空气动力特性 它们的运动轨道无法准确预计 但在集尘 极板附近的边界层中 由于摩擦使紊流减弱了 每一尘粒都有一垂直于集尘极板的速度分 量 其大小与气流速度 v 具有相同的数量集 因而在时间间隔 t 内 在离极板为 t 的气 流层内的粉尘皆能尘降到长度为 L 的集尘极表面上 气流 紊流区 电晕线 集尘板 L v Vr 推导过程如下 含尘气流 Ci 入口 出口 清洁气流 C0 V C C dL x dx 设气体流向为 x 气体和粒子的流速皆为 v m s 气体流量 Q m3 s 粒子浓度为 c g m3 流动方向上每单位长度的集尘板面积 a m2 m 总集尘极板面积 Ac m2 极板长度为 L m 流动方向上的横截面积为 A m2 粒子驱进速度为 m s 则在 dt 时间内于 dx 空间捕 集的粒子质量为 由于 vdt dx 代入上式得 dcdxFdtcdxadm 将其从除尘器入口 浓度为 Ci 到出口 浓度为 C0 进行积分 并 c dc dx Fv a 考虑 Fv Q 对上式积分 则得到理论捕集方程式 L Fv a cc c c L Fv a c dc dx Fv a i i Lc ci exp ln 0 0 0 0 因为 Fv Q aL A 代入上式得 Q A cc iexp0 多依奇方程式 重点 Q A c c c cc ii i exp11 00 线板式电除尘器 sv L exp1 L 电场长度 S 电晕线与集尘板距离 V 气流速度 对半径为 b 的圆管式电除尘器 bv L2 exp1 多依奇方程式概括地描述了效率与集尘极板表面积 气体流量和粉尘驱进速度之间的 关系 指明了提高电除尘器捕集效率的途径 因而被广泛应用在电除尘器的性能分析和设 计中 如果粒子比电阻过低 即导电能力强 则带负电的粒子到达集尘极后 不但未将负离 子转移到集尘极上进行电性中和而被捕集 反而立刻放出所带负电荷 获得正电荷 若正 电荷形成的斥力大于粒子的粘附力 则沉积的粒子又被排斥到气流中 形成重返气流 造 成粒子沿着极板表面跳动着前进 最后被气流带出除尘器 石墨 炭黑和金属粉末等都属 于这种低阻型粉尘 反之 若粒子比电阻过高 即导电性差 如水泥 铅 锌等 则称高阻型粉尘 这种 粉尘到达集尘极后释放电荷很慢 并残留着部分电荷 这不但会排斥随后而至的带有同性 电荷的粒子 影响其沉降 而且引起粉尘层空隙中的气体被电离 发生电晕放电 这种在 集尘极上产生电晕放电的现象称为反电晕 另外 电晕产生正离子和负电子 正离子穿过 极间区域向电晕极运动 会使集尘场强减弱 粒子所带负电荷部分被正离子中和 粒子电 荷减少 因而削弱了粒子的沉降 捕集效率显著降低 09 年简答题 第 6 章 过滤式除尘器 只在前两节出简答题 袋式除尘器捕集尘粒的过程一般可分为两个阶段 最初是含尘气体通过清洁滤布 这 时主要靠滤布纤维捕集尘粒 由于清洁滤布的空隙相对较大 故除尘效率较低 其后 随 着捕集粉尘量的不断增加 部分尘粒嵌入滤布空隙 部分粉尘覆盖在滤布表面形成粉尘初 层 此时 含尘气体的过滤主要靠粉尘层进行 除尘效率大大提高 随着粉尘层的累积 加厚 滤袋两侧压差会逐步加大 通流面积缩小 流速提高 甚至带走部分已沉积颗粒 使分离效率反而下降 因此待粉尘层达到一定厚度时 必须进行清灰 以保证除尘器的长 期稳定运行 袋式除尘器捕集粉尘时 主要是靠粉尘通过布袋时产生的筛分 碰撞 粘附 扩散 静电 重力等效应来捕集的 01 年考点 过滤速度及过滤比负荷是表示袋式除尘器捕集尘粒的重要技术经济指标 若过滤速度过高 积在滤料上的粉尘层会被压实 阻力损失急剧增加 由于滤料两侧 的压差增加 使粉尘压入滤料内部 甚至穿过滤料混入排出气体 导致出口含尘浓度增加 这种情况在滤料刚清完灰时最为明显 过滤速度过高还会导致滤料上粉尘层的迅速形成 使清灰频率增加 当过滤速度较低时 阻力损失相对较低 捕集效率相应提高 但过滤面积随之增大 占地面积和一次性投资都会增加 因此 过滤速度的选择要综合粉尘的性质 滤料种类及清灰方式等因素来确定 一般而言 当过滤的粉尘较细时 过滤风速应取较小值 反之则应取较大值 此外 当含尘浓度较大时 滤速应取小些 反之则应取大些 03 年考点 对粒径为 0 2 0 4um 的粉尘 滤料在不同积尘状态下 其过滤效率都最低 这是因为 这一粒径范围的尘粒刚好处于惯性与拦截捕集作用的下限 扩散捕集作用的上限 因此 该粒径的尘粒是最难捕集的 06 年考点 第七章 本章大致了解即可 第七章 本章大致了解即可 湿式除尘湿式除尘是利用洗涤液来捕集粉尘 利用粉尘与液滴 的碰撞及其它作用来使气体净化的方法 特点 优点 不仅可除粉尘 还可净化气体 效率较高 粉尘粒径较小 体积小 占地面积小 能处理高温 高湿的气流 缺点 有泥渣 防冻设备 冬天 易腐蚀设备 动力消耗大 第 8 章 吸收法净化气态污染物 重点 本章前三节全部是重点 第二节是难点 要整体全面把握 第 9 章 吸附法净化气态污染物 重点 气体在固体表面上的吸附分为物理吸附和化学吸附 两者的吸 附机理是完全不同的 物理吸附的原因是分子间的引力 特征为 1 固体表面与被吸 附的气体之间不发生化学反应 2 对吸附的气体没有选择性 可吸 附一切气体 3 既可以是单分子层吸附 也可以形成多分子层吸附 4 吸附过程为放热过程 因此低温有利于物理吸附 化学吸附的原因是化学键力 体征为 1 具有明显的选择性 2 单分子层吸附 3 吸附热量大 4 被吸附分子的结构发生变化 而活性升高 5 吸附速率随温度升高而增加 6 是不可逆吸附 注 另外本章有一个重点就是 179 页 2 固定床穿透时间的计算 曾在 02 年 03 年 06 年都考过 书上这部分都要好好看 重点 第 10 章催化法净化气态污染物 重点 催化净化法选用催化剂的原则是 应根据污染气体的成分和确 定的化学反应来选择恰当的催化剂 催化剂要求有很好的活性和选 择性 足够的机械强度 良好的热稳定性和化学稳定性 另外还要 考虑其经济性 催化剂的加入 诱发了原反应所没有的中间反应 使化学反应 沿着新的途径进行 新的反应历程往往包括一系列的基元反应 而 在每个基原反应中 由于反应分子与催化剂生成了不稳定的活化络 合物 反应分子的化学键发生松弛 使得其活化能大大低于原反应 活化能 因而化学方应速度明显加快 催化剂的作用除能加快化学反应速度外 还具有以下两个特征 1 催化剂只能缩短反应达到平衡的时间 而不能使平衡移动 更不 能是热力学上不可能发生的反应发生 2 催化剂作用具有特殊的选择性 对同种催化剂而言 在不同的化 学反应中可以表现出明显不同的活性 而对相同的反应物来说 选 择不同的催化剂可以得到不同的产物 气固相催化反应的过程分为以下七个步骤 1 反应物从气流主 体向催化剂外表面扩散 外扩散过程 2 反应物由催化剂外表面 沿微孔方向向催化剂内部扩散 内扩散过程 3 反应物在催化剂 的表面上被吸附 吸附过程 4 吸附的反应物发生化学反应 转 化成反应生成物 表面反应过程 5 反应生成物从催化剂表面上 脱附 脱附过程 6 脱附的生成物从微孔向外扩散到催化剂的外 表面 内扩散过程 7 生成物从催化剂表面扩散到主气流中被带 走 外扩散过程 上述 7 个步骤可以归纳成三个过程 1 7 为外扩散过程 主要 受气流状况的影响 2 6 为内扩散过程 主要受微孔结构的影响 3 4 5 都与表面化学有关 统称为表面化学反应过程 主要受化 学反应和催化剂性质 温度 气体压强等因素的影响 显然 催化反应的速度由这 7 步中最慢的一步决定 这一步称 为速度控制步骤 弄清了反应过程的控制步骤 对选择催化剂的宏观结构 颗粒 度 比表面 孔径分布等 及反应条件有很大帮助 对于外扩散和 内扩散控制过程 只能从传质的角度考虑改善过程的速度 如改变 多孔催化剂的内部结构或改变主气流的速度和床层高度等 对于化 学动力学控制过程 则只能用改变温度等办法来提高反应速度 本章第 3 节催化反应器及其设计出计算题 重点看会习题第 8 题 补充内容 补充内容 大气污染的分类 按照大气污染的范围来分 大致可分为四类 局部地区污 染 指局限于小范围的大气污染 如受到某些烟囱排气的直接影响 地区性污染 指涉及一个地区的大气污染 如工业区及其附近地 区或整个城市大气受到污染 广域污染 指涉及比一个地区或大 城市更广泛地区的大气污染 全球性污染 指涉及全球范围 或国 际性 的大气污染 我国大气污