第九章气态污染物控制技术

1、第九章第九章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础(1)l气体扩散气体扩散气体在气相中的扩散气体在液相中的扩散l气体吸收气体吸收吸收机理气液平衡物理吸收化学吸收第一节第一节 气体扩散气体扩散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流体输送热量传递质量传递l 气体扩散过程气体扩散过程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l在在气相中的扩散（气相中的扩散（Gilliland 方程）方程）气体在气相中的扩散气体在气相中的扩散l扩散系数扩散系数物质的特性常数之一影响因素：l介质的种类介质的种类l温度温度l压强压强l浓度浓度气体在气相中的扩散气体在气相中的

2、扩散l部分气体在空气中的扩散系数（部分气体在空气中的扩散系数（0oC，101.33kPa）气体在液相中的扩散气体在液相中的扩散l在液相中的扩散系数在液相中的扩散系数估算方程扩散系数随溶液浓度变化很大上式只适用于稀溶液气体在液相中的扩散气体在液相中的扩散l某些物质在水中的扩散系数（某些物质在水中的扩散系数（20oC，稀溶液）稀溶液）第二节第二节 气体吸收气体吸收l吸收机理吸收机理 1.双膜模型（应用最广）双膜模型（应用最广）假定假定:l界面两侧存在气膜和液膜，膜界面两侧存在气膜和液膜，膜内为层流，传质阻力只在膜内。内为层流，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

3、度梯度梯度, 即无扩散阻力。即无扩散阻力。l气液界面上，气液达溶解平衡气液界面上，气液达溶解平衡 即：即：CAi=HPAil膜内无物质积累，即达稳态。膜内无物质积累，即达稳态。*APA Ad()dyMKYYt吸收机理吸收机理l2.渗透模型渗透模型l溶质渗透模型考虑了膜模型所忽略的溶质渗透模型考虑了膜模型所忽略的 、在膜内、在膜内建立起浓度梯度的过度时间。建立起浓度梯度的过度时间。l溶质渗透模型的主要对象为液膜控制的传质。溶质渗透模型的主要对象为液膜控制的传质。吸收机理吸收机理l3.表面更新模型表面更新模型流体微元气液界面液体主相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

4、界面效应模型双膜理论双膜理论l双膜模型双膜模型气相分传质速率液相分传质速率总传质速率方程xALSS/()/()Hcx EHME*APAAd()dxMKXXt气液平衡气液平衡l平衡平衡吸收过程的传质速率等于解吸过程吸收过程的传质速率等于解吸过程l溶解度溶解度每100kg水中溶解气体的kg数气液平衡气液平衡l常见气体的平衡溶解度常见气体的平衡溶解度亨利定律亨利定律l亨利定律亨利定律一定温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比l参数换算参数换算*APAAPA APPP PPPd( ) ()d1 11 1 1;yxyyxxxyMKYYKXXtmK k k K k km SS/()/()

5、Hcx EHME吸收系数吸收系数吸收系数的不同形式传质阻力传质阻力传质阻力吸收系数的倒数S12min*B12()LYYGXXS12minB1max2()LYYGXX0.540.5AAB0.50.52AABAB111.8 10TMDMMVVT T绝绝对对温温度度，绝绝对对温温度度，KKD DABAB扩扩散散系系数数，扩扩散散系系数数，cmcm2 2/s /sMM气气体体的的摩摩尔尔质质量量气气体体的的摩摩尔尔质质量量气气体体在在沸沸点点下下呈呈液液态态时时的的摩摩尔尔体体积积气气体体在在沸沸点点下下呈呈液液态态时时的的摩摩尔尔体体积积, ,cmcm3 3/mol/mol A A气气体体密密度度，

6、气气体体密密度度，g/cmg/cm3 3V0.540.5AAB0.50.52AABAB111.8 10TMDMMVVT T绝绝对对温温度度，绝绝对对温温度度，KKD DABAB扩扩散散系系数数，扩扩散散系系数数，cmcm2 2/s /sMM气气体体的的摩摩尔尔质质量量气气体体的的摩摩尔尔质质量量气气体体在在沸沸点点下下呈呈液液态态时时的的摩摩尔尔体体积积气气体体在在沸沸点点下下呈呈液液态态时时的的摩摩尔尔体体积积, ,cmcm3 3/mol/mol A A气气体体密密度度，气气体体密密度度，g/cmg/cm3 3VT T绝绝对对温温度度，绝绝对对温温度度，KKD DABAB扩扩散散系系数数，扩

7、扩散散系系数数，cmcm2 2/s /sMM气气体体的的摩摩尔尔质质量量气气体体的的摩摩尔尔质质量量气气体体在在沸沸点点下下呈呈液液态态时时的的摩摩尔尔体体积积气气体体在在沸沸点点下下呈呈液液态态时时的的摩摩尔尔体体积积, ,cmcm3 3/mol/mol A A气气体体密密度度，气气体体密密度度，g/cmg/cm3 3VyykK11传质过程传质过程l吸收系数的影响因素吸收系数的影响因素吸收质与吸收剂设备、填料类型流动状况、操作条件l吸收系数的获取吸收系数的获取实验测定；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sss1)tan(13n40.70.250.82gl9.811

8、0;k aGLk aaLl水水吸吸收收SO2（中中等等溶溶解解气气体体吸吸收收）40.70.250.82gl9.8110;k aGLk aaLl水水吸吸收收SO2（中中等等溶溶解解气气体体吸吸收收）界面浓度的计算界面浓度的计算l作图法作图法l 解析法解析法稀溶液亨利定律+传质方程eff1AsssDCkRnSS1111BB()()LLLLYX YXX YXGGGG 物理吸收物理吸收l操作线方程操作线方程l操作线、平衡线和吸收推动力操作线、平衡线和吸收推动力m000m m0( ) 1(1 )/1(1 )( )V C PVPP CP PPCPV PPV CV C P V 被被 吸吸 附附 气气 体体

9、 在在 标标 态态 下下 的的 体体 积积P 吸吸 附附 质质 在在 气气 相相 中中 的的 平平 衡衡 分分 压压P0 吸吸 附附 温温 度度 下下 吸吸 附附 质质 的的 饱饱 和和 蒸蒸 汽汽 压压Vm 吸吸 附附 剂剂 被被 覆覆 盖盖 满满 一一 层层 时时 吸吸 附附 气气 体体 在在 标标 态态 下下 的的 体体 积积C 与与 吸吸 附附 热热 有有 关关 的的 常常 数数m000m m0( ) 1(1 )/1(1 )( )V C PVPP CP PPCPV PPV CV C P V 被被 吸吸 附附 气气 体体 在在 标标 态态 下下 的的 体体 积积P 吸吸 附附 质质 在在

10、 气气 相相 中中 的的 平平 衡衡 分分 压压P0 吸吸 附附 温温 度度 下下 吸吸 附附 质质 的的 饱饱 和和 蒸蒸 汽汽 压压Vm 吸吸 附附 剂剂 被被 覆覆 盖盖 满满 一一 层层 时时 吸吸 附附 气气 体体 在在 标标 态态 下下 的的 体体 积积C 与与 吸吸 附附 热热 有有 关关 的的 常常 数数*/cHpxpEymxxyykmkK11物理吸收物理吸收l最小液气比最小液气比吸收塔的最小液气比吸收塔的最小液气比121200dd()(1)()dd()(1)()TTzyyyizxxxiGyzk ay y yLxzkax xx物理吸收物理吸收l填料塔高度计算填料塔高度计算0 .

11、51 0BA B0 .5AB( )7 .41 0MTDV B B 液液 体体 的的 粘粘 度度 ，液液 体体 的的 粘粘 度度 ， c P c P 溶溶 剂剂 的的 缔缔 结结 因因 数数 ， 水水溶溶 剂剂 的的 缔缔 结结 因因 数数 ， 水水 2 .6 2 .6 ， 甲甲 醇醇， 甲甲 醇醇 1 .9 1 .9 ， 乙乙 醇醇， 乙乙 醇醇 1 .5 1 .5 ，非非 缔缔 结结 如如 苯苯 、 乙乙 醚醚 为为非非 缔缔 结结 如如 苯苯 、 乙乙 醚醚 为为 1 .0 1 .00 .51 0BA B0 .5AB( )7 .41 0MTDV B B 液液 体体 的的 粘粘 度度 ，液液

12、 体体 的的 粘粘 度度 ， c P c P 溶溶 剂剂 的的 缔缔 结结 因因 数数 ， 水水溶溶 剂剂 的的 缔缔 结结 因因 数数 ， 水水 2 .6 2 .6 ， 甲甲 醇醇， 甲甲 醇醇 1 .9 1 .9 ， 乙乙 醇醇， 乙乙 醇醇 1 .5 1 .5 ，非非 缔缔 结结 如如 苯苯 、 乙乙 醚醚 为为非非 缔缔 结结 如如 苯苯 、 乙乙 醚醚 为为 1 .0 1 .0水吸收水吸收SO2的平衡线和操作线的平衡线和操作线A1AA l()iNK ccAAAA l()iNk CC化学吸收化学吸收l化学吸收的优点化学吸收的优点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液膜扩

13、散阻力降低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布化学吸收的气液平衡化学吸收的气液平衡 气体溶于液体中，若发生化学反应，则被吸收组分的浓度应既服从相平衡关系，又应服从化学平衡关系。被吸收组分A进入液相的总浓度CA满足： -9.1设设备吸收组分A与溶液中所含的组分B发生相互反应：l水水 吸吸 收收 氨氨 （ 易易 溶溶 气气 体体 吸吸 收收 ）G、 L 气气 、 液液 相相 空空 塔塔 流流 量量40.90.39g6.0710k aGLl水水 吸吸 收收 氨氨 （ 易易 溶溶 气气 体体 吸吸 收收 ）G

14、、 L 气气 、 液液 相相 空空 塔塔 流流 量量40.90.39g6.0710k aGLlglglgnmkPmknP亨利定律关系式： -9.2化学平衡关系式： -9.3SS/()/()Hcx EHME -9.4将9.4代入9.2得： -9.5下面从几种具体的情况来讨论化学吸收的气液平衡关系:1. 被吸收组分与溶剂的相互作用被吸收组分与溶剂的相互作用 反应式表示为：被吸收组分A进入液相的总浓度CA可写成： -9.6 其化学平衡常数 -9.7R/tVQV VR R催催化化剂剂体体积积催催化化剂剂体体积积, ,mm3 3Q Q反反应应气气体体的的实实际际体体积积流流量量反反应应气气体体的的实实际

15、际体体积积流流量量, ,mm3 3/h/h催催化化床床空空隙隙率率催催化化床床空空隙隙率率,%,%R/tVQV VR R催催化化剂剂体体积积催催化化剂剂体体积积, ,mm3 3Q Q反反应应气气体体的的实实际际体体积积流流量量反反应应气气体体的的实实际际体体积积流流量量, ,mm3 3/h/h催催化化床床空空隙隙率率催催化化床床空空隙隙率率,%,%SS/()/()Hcx EHMEBAACBAMkABkCAA1 于是有： -9.8 又若是稀溶液吸收，则遵循亨利定律，即有A=HAPA*，代入（9.8），于是有： -9.9 在稀溶液中，B很大可视为常数，且k不随浓度变化，故1+kB可视为常数，此时

16、，即形式上服从亨利定律，但不同的是 表明溶解度系数较HA增大了（1+kB）倍，结果使过程有利于气体组分A的吸收。代表性的有：用水吸收氨气。 BKHCPAAA1*AACp*BkHHAA 1BkHHAA 1AKMBAAkklg2、被吸收组分在溶液中离解、被吸收组分在溶液中离解设反应产物的解离反应式为：吸收平衡时，离解常数为： -9.10当溶液中无相同离子存在时，K+=A-，于是有： -9.11 MkAMAk121 MkMAAMACA1被吸收组分A在溶液中的总浓度为物理溶解量与离解溶解量之和，即： -9.12MAKk.1BkkCkkCAAAAAA1242对式（9.7）、（9.11）、（9.12）和组

17、分的物料平衡方程式联解得： -9.13 式中： -9.14 将（9.13）代入亨利定律式，则： -9.15由此可见，对反应产物有解离的化学吸收过程，相平衡方程式与气相组分A在吸收液中总浓度CA为非线性关系。BkBkkkA11 AAAAAAAkCkkCHBkP421 21*lllgMBAA3、被吸收组分与溶剂中活性组分作用、被吸收组分与溶剂中活性组分作用 设反应式为： 设溶剂中活性组分B的起始浓度为CB0，反应达平衡后，转化率为R，则溶液中活性组分B的浓度 ，而生成物M的平衡浓度为 。由化学平衡关系得平衡常数： -9.16 又亨利定律A=HAPA*，得： -9.17 RCBB 10RCMB0 R

18、ARRCARCBAMkBB11.00RkHRPAA1* *00*1AAAABBAkPHkPHCRCMC若物理溶解量可忽略不计，则由上两式可得： 令 ，于是 -9.18 变换为： 由此可见： 溶液的吸收能力CA*随PA*增大而增大，也随k增大而增大。溶液的吸收能力还受活性组分起始浓度CB0的限制，CA*CB0（只能趋近于而不能超过） 气相中的分压和温度对化学吸收和物理吸收的影响不同: 温度增大，压力增大可改善化学吸收过程(化学吸收化学吸收)； 温度降低，压力增大可改善液体中污染物的溶解度（物物理吸收理吸收）。 kHkA1*1*10*1AABAPkPkCC111*10*ABAPkCCNoImage

19、化学吸收速率化学吸收速率l吸收速率吸收速率物理吸收时化学吸收时 相当于选取相同的推动力C，选用不同的传质系数引入增强系数关于吸收设备吸收设备吸收设备吸收设备l喷淋塔喷淋塔吸收设备吸收设备吸收设备吸收设备l填料塔填料塔AA AAl A A()()xiiN kx xN kc c填料塔填料塔第九章第九章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础(2)l气体吸附气体吸附吸附剂吸附机理吸附工艺与设备计算第三节第三节 气体吸附气体吸附l吸附吸附用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面吸附质被吸附物质吸附剂附着吸附质的物质l优点：效率高、可回收、设备简单优点：效率高、可回收、设备简单

20、l缺点：吸附容量小、设备体积大缺点：吸附容量小、设备体积大吸附机理吸附机理AAAAAAAAA()()yixiixiyN k y yk x xy ykx xk物理吸附和化学吸附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.吸附力范德华力吸附力范德华力;2.可单层吸附，亦可多层吸附；可单层吸附，亦可多层吸附；3.过程快，常常瞬间达到平衡；过程快，常常瞬间达到平衡；4.放热反应；放热反应；5.吸附过程可逆。吸附过程可逆。1.吸附力化学键力吸附力化学键力;2.单层吸附；单层吸附；3.有很强的选择性；有很强的选择性；4.吸附速率慢；吸附速率慢；5.升高温度有助于提高速率。升高温度有助于提高速率。

21、物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附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，则发生化学吸附。吸附剂具备足够高的活化能时，则发生化学吸附。液膜控制（， ）l难难溶溶气气体体（稀稀碱碱溶溶液液吸吸收收C O2，水水吸吸收收O2）1y xmK k1x ymkk 液膜控制（， ）l难难溶溶气气体体（稀稀碱碱溶溶液液吸吸收收C O2，水水吸吸收收O2）1y xmK k1x ymkk 吸附剂吸附剂l吸附剂需具备的特性吸附剂需具备的特性内表面积大具有选择性吸附作用较高的机械强度、化学和热稳定性吸附容量大来源广泛，造价

22、低廉良好的再生性能常用吸附剂特性常用吸附剂特性吸附剂类型吸附剂类型活性炭活性炭活性氧化活性氧化铝铝硅胶硅胶沸石分子筛沸石分子筛4A5A13x堆 积 密 度堆 积 密 度 /kg/kgm m-3-32006007501000800800800800热容热容/kJ(kgK)-1-10.8361.2540.8361.0450.920.7940.794操作温度上操作温度上限限/K423773673873873873平均孔径平均孔径/15251848224513再 生 温 度再 生 温 度 /K373413473523393423473573473573473573比表面积比表面积 / /g-16001

23、600210360600注：注：1 =10-10米米常用吸附剂特性常用吸附剂特性l分子筛特性分子筛特性m0322.4 10fVWNAf比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g /gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积, ,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附

24、附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g gm0322.4 10fVWNAf比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g /gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积, ,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺

25、满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g g比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g /gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积, ,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子

26、铺铺满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g g气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l操作条件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有利于吸附l 吸附剂性质吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l典型吸附质分子的横截面积典型吸附质分子的横截面积322232224N H 4N O O4N 6HO8N H 6N O7N 12HO 气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l吸附质性质、浓度吸附质性质、浓度临界直径临界直

27、径吸附质能够渗入的最小直径吸附质的分子量、沸点等l吸附剂活性吸附剂活性单位吸附剂吸附的吸附质的量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常见分子的临界直径常见分子的临界直径分子分子临界直径临界直径/ /分子分子临界直径临界直径/ /氦氦氢氢乙炔乙炔氧氧一氧化碳一氧化碳二氧化碳二氧化碳氮氮水水氨氨氩氩甲烷甲烷乙烯乙烯环氧乙烷环氧乙烷乙烷乙烷甲醇甲醇乙醇乙醇环丙烷环丙烷丙烷丙烷正丁烷正丁烷-正二十二烷正二十二烷2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.44.754.894.9 丙烯丙烯1-丁烯丁烯2-反丁烯反丁烯1,3-丁二烯

28、丁二烯二氟二氟- -氯甲烷氯甲烷( (CFC-22)-22)噻吩噻吩异丁烷异丁烷- -异二十二烷异二十二烷二氟二氯甲烷二氟二氯甲烷(CFC-12)-12)环己烷环己烷甲苯甲苯对二甲苯对二甲苯苯苯四氯化碳四氯化碳氯仿氯仿新戊烷新戊烷间二甲苯间二甲苯邻二甲苯邻二甲苯三乙胺三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l吸附剂再生吸附剂再生 溶剂萃取l活性炭吸附活性炭吸附SO2，可用水脱附可用水脱附 置换再生l脱附剂需要再脱附脱附剂需要再脱附 降压或真空解吸 吸附作用越强，再生时温度越高吸附作

29、用越强，再生时温度越高 加热再生吸附剂再生吸附剂再生*AApHA吸附平衡吸附平衡l当当吸附速度脱附速度吸附速度脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值到极限值l极限吸附量受气体压力和温度的影响极限吸附量受气体压力和温度的影响l吸附等温线吸附等温线 化学消耗物理平衡AAcA吸附等温线吸附等温线图图7-17 6种类型吸附等温线种类型吸附等温线 型等温线：型等温线：Langmuir 等温线等温线 相应于朗格缪单层可逆吸附过程，是窄孔进行吸附，而对于微孔来说，可相应于朗格缪单层可逆吸附过程，是窄孔进行吸附，而对于微孔来说，可以说是体积充填的结果。样品的外表面积比孔内表面积小

30、很多，吸附容量以说是体积充填的结果。样品的外表面积比孔内表面积小很多，吸附容量受孔体积控制。平台转折点对应吸附剂的小孔完全被凝聚液充满。微孔硅受孔体积控制。平台转折点对应吸附剂的小孔完全被凝聚液充满。微孔硅胶、沸石、炭分子筛等出现这类等温线。这类等温线在接近饱和蒸气压时，胶、沸石、炭分子筛等出现这类等温线。这类等温线在接近饱和蒸气压时，由于微粒之间存在缝隙，会发生类似于大孔的吸附，等温线会迅速上升。由于微粒之间存在缝隙，会发生类似于大孔的吸附，等温线会迅速上升。注：注：大孔吸附树脂是一类不含交换基团且有大孔结构的高分子吸附树脂，具有良好大孔吸附树脂是一类不含交换基团且有大孔结构的高分子吸附树脂

31、，具有良好的大孔网状结构和较大的比表面积，可以通过物理吸附从水溶液中有选择地吸附的大孔网状结构和较大的比表面积，可以通过物理吸附从水溶液中有选择地吸附有机物，是有机物，是2020世纪世纪6060年代发展起来的新型有机高聚物吸附剂年代发展起来的新型有机高聚物吸附剂 。 型等温线：型等温线：S 型等温线型等温线 相应于发生在非多孔性固体表面或大孔固体上自由的单一多层可逆吸附过相应于发生在非多孔性固体表面或大孔固体上自由的单一多层可逆吸附过程。在低压力处有拐点程。在低压力处有拐点B，是等温线的第一个陡峭部，它指示单分子层的，是等温线的第一个陡峭部，它指示单分子层的饱和吸附量，相当于单分子层吸附的完成

32、。随着相对压力的增加，开始形饱和吸附量，相当于单分子层吸附的完成。随着相对压力的增加，开始形成第二层，在饱和蒸气压时，吸附层数无限大。成第二层，在饱和蒸气压时，吸附层数无限大。 型等温线：型等温线： 在整个压力范围内凸向下，曲线没有拐点在整个压力范围内凸向下，曲线没有拐点 B ，在憎液性表面发生多分子层，在憎液性表面发生多分子层，或固体和吸附质的吸附相互作用小于吸附质之间的相互作用时，呈现这种类型。或固体和吸附质的吸附相互作用小于吸附质之间的相互作用时，呈现这种类型。例如水蒸气在石墨表面上吸附或在进行过憎水处理的非多孔性金属氧化物上的例如水蒸气在石墨表面上吸附或在进行过憎水处理的非多孔性金属氧

33、化物上的吸附。在低压区的吸附量少，且不出现吸附。在低压区的吸附量少，且不出现 B 点，表明吸附剂和吸附质之间的作点，表明吸附剂和吸附质之间的作用力相当弱。相对压力越高，吸附量越多，表现出有孔充填。用力相当弱。相对压力越高，吸附量越多，表现出有孔充填。型等温线：型等温线： 低压力区曲线凸向上，与低压力区曲线凸向上，与型等温线类似。在较高压力区，吸附质发生毛细型等温线类似。在较高压力区，吸附质发生毛细管凝聚，等温线迅速上升。当所有孔均发生凝聚后，吸附只在远小于内表面积管凝聚，等温线迅速上升。当所有孔均发生凝聚后，吸附只在远小于内表面积的外表面上发生，曲线平坦。在相对压力接近的外表面上发生，曲线平坦

34、。在相对压力接近1时，在大孔上吸附，曲线上升。时，在大孔上吸附，曲线上升。 由于发生毛细管凝聚，在这个区内可观察到滞后现象，即在脱附时得到的等温由于发生毛细管凝聚，在这个区内可观察到滞后现象，即在脱附时得到的等温线与吸附时得到的等温线不重合，脱附等温线在吸附等温线的上方，产生吸附线与吸附时得到的等温线不重合，脱附等温线在吸附等温线的上方，产生吸附滞后滞后(adsorption hysteresis)，呈现滞后环。这种吸附滞后现象与孔的形状及其，呈现滞后环。这种吸附滞后现象与孔的形状及其大小有关，因此通过分析吸脱附等温线能知道孔的大小及其分布。大小有关，因此通过分析吸脱附等温线能知道孔的大小及其

35、分布。 V型等温线：型等温线： 特征是向相对压力轴凸起。与特征是向相对压力轴凸起。与III型等温线不型等温线不同，在更高相对压力下存在一个拐点。同，在更高相对压力下存在一个拐点。V型等型等温线来源于微孔和介孔固体上的弱气固相互温线来源于微孔和介孔固体上的弱气固相互作用，微孔材料的水蒸汽吸附常见此类线型。作用，微孔材料的水蒸汽吸附常见此类线型。 VI型等温线：型等温线： 以其吸附过程的台阶状特性而著称。这些台以其吸附过程的台阶状特性而著称。这些台阶来源于均匀非孔表面的依次多层吸附。液氮阶来源于均匀非孔表面的依次多层吸附。液氮温度下的氮气吸附不能获得这种等温线的完整温度下的氮气吸附不能获得这种等温

36、线的完整形式，而液氩下的氩吸附则可以实现。形式，而液氩下的氩吸附则可以实现。m单位吸附剂的吸附量单位吸附剂的吸附量P吸附质在气相中的平衡分压吸附质在气相中的平衡分压K，n经验常数，实验确定经验常数，实验确定.吸附方程式吸附方程式l弗罗德里希弗罗德里希（Freundlich）方程（方程（I型等温线中压部分）型等温线中压部分）lgm对lgP作图为直线dDcCbBaAaAlgAAAAgAA()()yiiNkyyNkpp吸附方程式吸附方程式l朗格缪尔（朗格缪尔（Langmuir）方程（方程（I型等温线）型等温线）dDcCbBaAaAlg B=k1/k2 是吸附与解吸速率常数之比是吸附与解吸速率常数之比

37、吸附方程式吸附方程式lBET方程（方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）型等温线，多分子层吸附）dDcCbBaAaAlg吸附速率吸附速率l吸附过程吸附过程 吸附 微孔表面的的吸附质被吸附。 外扩散（气流主体 外表面） 内扩散（外表面 内表面）吸附速率吸附速率l外扩散速率外扩散速率l内扩散速率内扩散速率l总吸附速率方程总吸附速率方程AA*AAAAAA*AAgAAAlA() () () ()yxNK yyNK xxNKppNK ccSS/()/()HcxEHMEp单位体积吸附剂的吸附表面积，m2/m3Y质量分数，kg吸附质/kg惰性组分X质量分数，kg吸附质/kg吸附剂吸附工艺吸附工艺l固

38、定床固定床12O G*dYYYNYY吸附工艺吸附工艺l移动床移动床吸附工艺吸附工艺l流化流化床床SS/( )/( )HcxEH ME 固定床吸附计算固定床吸附计算固定床吸附计算固定床吸附计算固定床吸附计算固定床吸附计算图图7-22固定床吸附计算固定床吸附计算l保护作用时间保护作用时间S S/( )/( )HcxEH M E L实际曲线与理论曲线的比较1理论线 2实际曲线SS/()/()H c xEHM Eb0Lvt （假定吸附速率无穷大、吸附层完全饱和假定吸附速率无穷大、吸附层完全饱和）0bLvat在在t t 时间内吸附的污染物的量时间内吸附的污染物的量 x = aSL b = vS 0t t

39、，故有：，故有：吸附器的压力损失吸附器的压力损失1）图解计算）图解计算污污 染染 气气 体体入入 口口清清 洁洁 气气 体体出出 口口循循 环环 泵泵搅搅 拌拌 器器氧氧 化化 空空 气气入入 口口去去 湿湿 器器水水 洗洗 喷喷 管管浆浆 液液 喷喷 嘴嘴多多 孔孔 板板污污 染染 气气 体体入入 口口清清 洁洁 气气 体体出出 口口循循 环环 泵泵搅搅 拌拌 器器氧氧 化化 空空 气气入入 口口去去 湿湿 器器水水 洗洗 喷喷 管管浆浆 液液 喷喷 嘴嘴多多 孔孔 板板2）公式计算（欧根公式）公式计算（欧根公式） 请参见教材请参见教材 PP. 297， 式（式（7 104）移动床计算移动床

40、计算l操作线操作线l吸附速率方程吸附速率方程SS2SS 2(/)(/)Y L G X Y L G X SPd(* )dyGYKaYYL12S*PdYyYGYLKaYY传传质质单单元元高高度度传传质质单单元元数数（图图解解积积分分法法）12S*PdYyYGYLKaYY传传质质单单元元高高度度传传质质单单元元数数（图图解解积积分分法法）11950.036305Y 例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含H2S的空气。吸附剂为分子的空气。吸附剂为分子筛。空气中筛。空气中 H2S 的浓度为的浓度为 3（重量），气相流速为（重量），气相流速为 6500kg/h，假定假

41、定操作在操作在 293K 和和 1atm下进行，下进行，H2S 的净化率要求为的净化率要求为 95，试确定：，试确定： (1) 分子筛的需要量（按最小需要量的分子筛的需要量（按最小需要量的1.5倍计）；倍计）； (2) 吸附到需要再生时分子筛中吸附到需要再生时分子筛中 H2S 的含量；的含量； (3) 需要的传质单元数。需要的传质单元数。解：解：(1) 吸附器进口气相组成：吸附器进口气相组成： H2S的流量的流量0.036500195kg/h 空气的流量空气的流量65001956305kg/h 吸附器出口气相组成：吸附器出口气相组成： H2S0.05(195)9.75 kg/h 空气空气630

42、5 kg/h 移动床计算移动床计算329.751.55 106305Y移动床计算移动床计算实验得到的平衡关系如右图实验得到的平衡关系如右图假定假定X20，从图得（从图得（X1）最大最大0.1147所以实际需要的分子筛所以实际需要的分子筛 0.37263052345.5kg/h(2)SSSS(/)1 . 5 (/)1 . 5 0 . 2 8 4 0 . 3 7 2L G L G 最小实际SS0 . 0 3 0 . 0 0 1 5 5(/)0 . 2 8 40 . 1 1 4 7 0 . 0 0 0 0L G最小分子筛吸收分子筛吸收H H2 2S S的平衡数据的平衡数据11959.75()0.07

43、92345.5X实际0.2481.50.248 =0.372 移动床计算移动床计算(3)图解积分法计算图解积分法计算NOGNOG3.127YY*0.00155 0.00 6450.00500 0.00 2000.010 0.0001 1010.015 0.0005 690.020 0.0018 550.025 0.0043 48.30.030 0.0078 45.0*1YYYY*0.00155 0.00 6450.00500 0.00 2000.010 0.0001 1010.015 0.0005 690.020 0.0018 550.025 0.0043 48.30.030 0.0078 4

44、5.0*1YY2 23S O 1 /2 O S OV a n a d i u m 23se mse m( 1 )1 5 0 /1 .7 5( 1 )HvPfdfRdvR P P 床床 层层 阻阻 力力床床 层层 阻阻 力力 , ,P a P aH H 床床床床 高高高高 , ,mmv v 空空 床床 流流 速速空空 床床 流流 速速 , ,m /sm /s 气气 体体 粘粘 度度气气 体体 粘粘 度度 , ,P a P a s s 气气 体体 密密 度度气气 体体 密密 度度 , ,k g /mk g /m3 3d ds s 颗颗 粒粒 体体 积积 表表 面面 积积 平平 均均 直直 径径颗颗

45、 粒粒 体体 积积 表表 面面 积积 平平 均均 直直 径径 , , mm 空空 床床 孔孔 隙隙 率率空空 床床 孔孔 隙隙 率率 ,%,%23se mse m( 1 )1 5 0 /1 .7 5( 1 )HvPfdfRdvR P P 床床 层层 阻阻 力力床床 层层 阻阻 力力 , ,P a P aH H 床床床床 高高高高 , ,mmv v 空空 床床 流流 速速空空 床床 流流 速速 , ,m /sm /s 气气 体体 粘粘 度度气气 体体 粘粘 度度 , ,P a P a s s 气气 体体 密密 度度气气 体体 密密 度度 , ,k g /mk g /m3 3d ds s 颗颗 粒

46、粒 体体 积积 表表 面面 积积 平平 均均 直直 径径颗颗 粒粒 体体 积积 表表 面面 积积 平平 均均 直直 径径 , , mm 空空 床床 孔孔 隙隙 率率空空 床床 孔孔 隙隙 率率 ,%,%思考题思考题1. 什么叫穿透时间或保护作用时间？什么叫穿透时间或保护作用时间？2. 什么叫穿透曲线？什么叫穿透曲线？3. 希洛夫方程推导过程做了哪些假设？希洛夫方程推导过程做了哪些假设？4. 物理吸附和化学吸附有什么区别？物理吸附和化学吸附有什么区别？5. 什么叫吸附剂的活性什么叫吸附剂的活性?6. 什么叫静活性？什么叫动活性？什么叫静活性？什么叫动活性？7. 吸附剂应具备什么特性？吸附剂应具备

47、什么特性？第九章第九章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础(3)l气体催化净化气体催化净化催化作用和催化剂气固催化反应动力学气固相催化反应器的设计第四节第四节 气体催化净化气体催化净化l含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理的物质物转化为无害或易于处理的物质l应用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催化净化工艺催化净化工艺段间冷却的四层催化床第二级催化床预除尘和水分填充床吸收塔填充床吸收塔来自冶炼厂或硫磺 燃 烧 的 富 含SO2的尾气水含 有 约 为 初始进气

48、SO2浓度3%的尾气含有约为初始进气SO2浓度0.3%的尾气水单级吸收工艺二级吸收工艺SO2单级和二级净化工艺的流程图催化反应：4205503224SOH OH SO催化净化工艺催化净化工艺催化剂：Pt (Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3 等计算的反应速率和催化剂内表面积按外表面的反应物浓度速率催化床层内的实际反应iASCs催化净化工艺催化净化工艺NOxNH3 filter Combustor MixerReactorNOx的选择性催化还原（的选择性催化还原（SCR）气体催化净化气体催化净化l催化作用催化作用改变反应历程，降低活化能提高反应速率 （阿累尼乌斯方程）l 显著特征显著特征对于正逆

49、反应的影响相同，不改变化学平衡选择性SS/()/()Hcx EHME催化剂催化剂l加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后保持不变的物质保持不变的物质l组成组成活性组分 助催化剂 载体 abdcAAkBDCHp1*1催化剂的性能催化剂的性能l活性活性1 0 0B 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l选选 择择 性性1 0 0B 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l选选 择择 性性催化剂的性能催化剂的性

50、能l稳定性稳定性热稳定性、机械稳定性和化学稳定性表示方法：寿命老化催化剂逐渐失去活性。l活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等中毒杂质使催化剂活性迅速下降。l对大多数催化剂，毒物：对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb气固催化反应动力学气固催化反应动力学l反应过程反应过程(1)反应物从气流主体-催化剂外表面(2) 进一步向催化剂的微孔内扩散(3)反应物在催化剂的表面上被吸附(4)吸附的反应物转为为生成物(5)生成物从催化剂表面脱附下来(6)脱附生成物从微孔向外表面扩散(7)生成物从外表面扩散到气流主体(1),(7)外扩散；外扩散

51、；(2),(6)内扩散内扩散 (3),(4),(5)：动力学过程：动力学过程主气流微孔固相催化剂粒子示意图催化剂反应动力学催化剂反应动力学l催化剂中的催化剂中的浓度分布浓度分布催化剂反应动力学催化剂反应动力学催化剂反应动力学催化剂反应动力学AARddNrV 催化反应动力学方程催化反应动力学方程l表面化学反应速率表面化学反应速率l对于催化床对于催化床AGeaAGAS()vKSCCK KGG扩扩散散系系数数，扩扩散散系系数数，m/ hm/ hS Se e单单位位体体积积催催化化剂剂的的外外表表面面积积，单单位位体体积积催催化化剂剂的的外外表表面面积积，mm2 2/ m/ m3 3a a催催化化剂剂

52、的的有有效效表表面面系系数数；球球形形催催化化剂剂的的有有效效表表面面系系数数；球球形形a a1 1C CAGAG主主气气流流中中反反应应物物主主气气流流中中反反应应物物A A的的浓浓度度，的的浓浓度度，mo l / mmo l / m3 3C CASAS催催化化剂剂外外表表面面上上催催化化剂剂外外表表面面上上A A的的浓浓度度，的的浓浓度度，mo l / mmo l / m3 3AGeaAGAS()vKSCCK KGG扩扩散散系系数数，扩扩散散系系数数，m/ hm/ hS Se e单单位位体体积积催催化化剂剂的的外外表表面面积积，单单位位体体积积催催化化剂剂的的外外表表面面积积，mm2 2/

53、 m/ m3 3a a催催化化剂剂的的有有效效表表面面系系数数；球球形形催催化化剂剂的的有有效效表表面面系系数数；球球形形a a1 1C CAGAG主主气气流流中中反反应应物物主主气气流流中中反反应应物物A A的的浓浓度度，的的浓浓度度，mo l / mmo l / m3 3C CASAS催催化化剂剂外外表表面面上上催催化化剂剂外外表表面面上上A A的的浓浓度度，的的浓浓度度，mo l / mmo l / m3 3A 0A 0A A 0A 0Rd d d dd d d dxNxNx xrNcVA LQ tt 催化反应动力学方程催化反应动力学方程l宏观动力学方程宏观动力学方程外扩散的传质速率SS

54、/()/()Hc x EHMEKGSea(CAGCAS)催化反应动力学方程催化反应动力学方程l宏观动力学方程宏观动力学方程l考虑内扩散影响时，反应速率为：考虑内扩散影响时，反应速率为：rA反应速率；反应速率； 催化剂有效系数；催化剂有效系数；ks反应速率常数；反应速率常数；Si单位床层体积催化剂的内表面积单位床层体积催化剂的内表面积iss0s)(d)(iScfkScfkAsA催化反应动力学方程催化反应动力学方程lklgMBAAl催化剂有效系数催化剂有效系数 ：反映催化剂微孔内浓度分布对反应速率的影响。反映催化剂微孔内浓度分布对反应速率的影响。若是内扩散控制，则：若是内扩散控制，则：1. 催化剂

55、微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平衡浓度；催化剂微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平衡浓度；2. 催化剂内表面积并未充分利用；催化剂内表面积并未充分利用；3. 值较小。值较小。催化反应动力学方程催化反应动力学方程l l水水 吸吸 收收 C O2（ 难难 溶溶 气气 体体 吸吸 收收 ）U 喷喷 淋淋 密密 度度 ， m3/(m2 h )0 .9 6l2 .5 7kaU l水水 吸吸 收收 C O2（ 难难 溶溶 气气 体体 吸吸 收收 ）U 喷喷 淋淋 密密 度度 ， m3/(m2 h )0 .9 6l2 .5 7kaU l催化剂有效系数催化剂有效系数 的确定：的确定：l1. 实验测

56、定 2. 公式计算 对等温一级不可逆反应，催化剂为球形颗粒，则有：iAssA)( Sc f kr若若 s很小，很小， 1，说明内扩散的影响可以忽略。，说明内扩散的影响可以忽略。s齐勒模数；R催化剂的特征尺寸，对球体即为半径；Deff有效扩散系数；Ks反应速率常数；n反应级数附注：附注：双曲正切：双曲正切： tan(x)=exp(x)-exp(-x)/exp(x)+exp(-x) 催化反应动力学方程催化反应动力学方程l催化剂有效系数催化剂有效系数 一级不可逆反应exp()EKART内外扩散的影响内外扩散的影响l外扩散控制外扩散控制降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：KG消除方法l

57、提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度l气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影响消除响消除下限流速下限流速内外扩散的影响内外扩散的影响l内扩散控制内扩散控制降低催化剂内反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：消除方法l尽量减小催化剂颗粒大小尽量减小催化剂颗粒大小l粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影响消除响消除催化反应器的设计催化反应器的设计l设计基础设计基础停留时间l决定反应的转化率决定反应的转化率l由催化床的空间体积、物料的体积流量和流由催化床的空间

58、体积、物料的体积流量和流动方式决定动方式决定spNR/W Q V催化反应器的设计催化反应器的设计l设计基础设计基础反应器的流动模型l活塞流、全混流活塞流、全混流l实际流态介于两者之间实际流态介于两者之间l反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异l不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相应的统计分布应的统计分布停留时间分布函数停留时间分布函数l工业上，连续釜式反应器工业上，连续釜式反应器接近接近理想混合反应器；理想混合反应器；径高比大的固定床径高比大的固定床接近接近活塞流反应器活塞流反应器催化反应器的设计催化

59、反应器的设计l设计基础设计基础空间速度l单位时间通过单位体积催化床的反应物料体单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积积spRN1/WVQt V VR R催催化化剂剂体体积积催催化化剂剂体体积积, ,mm3 3Q QN N标标态态下下反反应应气气体体体体积积流流量量标标态态下下反反应应气气体体体体积积流流量量, ,mm3 3/h/hl接接触触时时间间空空间间速速度度的的倒倒数数spRN1/WVQt V VR R催催化化剂剂体体积积催催化化剂剂体体积积, ,mm3 3Q QN N标标态态下下反反应应气气体体体体积积流流量量标标态态下下反反应应气气体体体体积积流流量量, ,mm3 3/h/hl接接

60、触触时时间间空空间间速速度度的的倒倒数数Rsp/VQWV VR R 催催 化化 剂剂 体体 积积催催 化化 剂剂 体体 积积 , ,mm3 3Q Q 反反 应应 气气 体体 体体 积积 流流 量量反反 应应 气气 体体 体体 积积 流流 量量 , ,mm3 3/h/hWWS PS P 空空 间间 速速 度度 ，空空 间间 速速 度度 ， 1 /1 /h hl催催 化化 剂剂 装装 量量Rsp/VQWV VR R 催催 化化 剂剂 体体 积积催催 化化 剂剂 体体 积积 , ,mm3 3Q Q 反反 应应 气气 体体 体体 积积 流流 量量反反 应应 气气 体体 体体 积积 流流 量量 , ,m