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PPT课件

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：气相中的吸收质组分的分压。l5.

2、 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/m3 H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*=mx x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/P P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

4、量传递，系统将会自发地向平衡状态变化。 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20 O C时，氨在水中的溶解度数据如下：气相中氨的分气相中氨的分压压P*/kPa 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.43 3.32 4.23 6.67 9.28 水中氨的溶解水中氨的溶解度度 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3 4 5 7.5 10 计算亨利系数E，指出该溶液服从亨利定律的浓度范围。 P */kpa 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0

5、 2.43 3.32 4.23 6.67 9.28 x/102 0 0.526 1.048 1.563 2.072 2.577 3.077 4.061 5.025 7.352 9.569 E 76.05 76.3 76.8 77.2 77.6 79 81.8 84.2 90.7 97 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

6、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(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

7、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-LSX2121222111)(1)(yyyGyyyGWA121222111)(1)(xxxLxxxLWA22XGLYXGLYBSBS第10页/共94页 （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。1111()()SSBBLLLLYXYXXYXGGGG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

8、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94页二、吸附机理第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：

9、dMAdt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。AiApYAYYakdtdM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 )(A

10、AipXAXXakdtdM)()(AApXAApYAXXaKYYaKdtdMAAXY ，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。AAmXYpXpYpYakmakaK11makakaKpYpXpX111YXKmK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

11、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

12、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

13、 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

14、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

15、力利于吸附 气流速度：对固定床为0.20.6m/s0322.4 10mfVWNAfl 2. 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%100 所用吸附剂量已吸附吸附质的质量吸附剂的活性第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

16、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页第62页/共94页 含含污污染染物物的的气气体体 第63页/共94页第64页/共94页第65页/共94页第66页/共94页第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。

17、第68页/共94页 0 + 吸附剂原始浓度床层开始吸附的时间第69页/共94页 b b e 达到破点的时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

18、的催化净化一、气体催化净化第73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） exp()EKARTl （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

19、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）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RWAtW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%100物摩尔数通过催化剂床层的反应反应物反应了的摩尔数X第78页/共94页100B 反应所得目的产物摩尔数通过催化剂床层后反应了的反应物摩尔数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/

20、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）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

21、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

22、/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