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学习教案

1、会计学1沈阳农业大学土地与环境沈阳农业大学土地与环境(hunjng)学院学院大气污染控制工程课件大气污染控制工程课件 第六章第六章第一页，共94页。第1页/共94页第二页，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(zhling)传递。（气液）l2. 解吸过程：液相中吸收质向气相逸出的质量(zhling)传递过程。l （液气）l3. 相平衡：在一定的温度、压力条件下，l吸收的传质数率=解吸的传质数率l 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. 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

2、数）第2页/共94页第三页，共94页。 常见气体(qt)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(xshu)质分压的升高而增大第3页/共94页第四页，共94页。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(xsh)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(jbn)理论第4页/共94页第五页，共94页。 亨利定律的其它形式2. 气相用平衡分压，液相用物质的量浓度(nngd)表示 P*=c/Hc液相中溶质的平衡摩尔浓度,

3、 mol/m3 H亨利系数, mol/m3P 在亨利(hngl)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页第六页，共94页。3. 溶质在液相和气相中的浓度分别(fnbi)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(xtng)总压，值越大，表示溶解度越小。 第6页/共94页第七页，共94页。第7页/共94页第八页，共94页。例1 已知在101.3kPa及20 O C时，氨在水中的溶

4、解度数据(shj)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(nngd)范围。 P */kpa 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 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

5、.8 77.2 77.6 79 81.8 84.2 90.7 97 第8页/共94页第九页，共94页。第9页/共94页第十页，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(rngzh)的物料平衡式为GBY-GBY2=LSX-LSX2GBY=LSX+GBY2-LSX2121222111)(1)(yyyGyyyGWA121222111)(1)(xxxL

6、xxxLWA22XGLYXGLYBSBS第10页/共94页第十一页，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(zn sh)位于平衡线的上方。1111()()SSBBLLLLYXYXXYXGGGG任一截面(jimin)与塔底之间溶质的物料平衡式为第11页/共94页第十二页，共94页。上的吸收推动力。n(3)平衡线与操作线不能相交或相切第12页/共94页第十三页，共94页。22xGLyxGLy第13页/共94页第十四页，共94页。GB属已知条件，因而可通过确定操作线斜率Ls/GB（液气比）来确定Ls。第14页/共94页第十

7、五页，共94页。12min*12()SBLYYGXX1111()()SSBBLLLLYXYXXYXGGGG第15页/共94页第十六页，共94页。21212*121min/)(xmyyyxxyyGL第16页/共94页第十七页，共94页。第17页/共94页第十八页，共94页。10. 1012. 106. 0001. 006. 0)(2121minxmyyyGL)/(59410. 13008 . 1)(8 . 12minhmkmolGLGL%0 . 3030. 0010. 18 . 1001. 006. 02211xGLyyx第18页/共94页第十九页，共94页。2max121minXXYYGLBs

8、第19页/共94页第二十页，共94页。在气液两相接触时，两相间有一个(y )相界面，在相界面两侧分别存在一层稳定的滞留膜层，分别称作气膜和液膜，气膜厚度Zg，液膜厚度为Zl。气液两个膜层分别将各相主体流与相界面隔开，气液相质量(zhling)传递过程是气相主体流中的吸收质先以湍流扩散到气膜表面，然后再以分子扩散流通过气膜到相界面，继而进入液膜，吸收质仍以分子扩散方式通过液膜再进入液相主体流中。在吸收质量(zhling)传递的同时，也存在着相反的质量(zhling)传递（解吸），两个不同方向的质量(zhling)传递一直达到动平衡状态时为止。在两相质量传递过程中，只有通过气液膜时，发生分子扩散阻

9、力；在气液两相主体流中由于湍流不存在浓度梯度，因而也就不存在传质阻力。在相界面上，气液两相随时都处于平衡状态。相界面第20页/共94页第二十一页，共94页。（二）吸收传质速率方程 吸收速率：气体吸收质在单位时间内通过单位界面而被吸收剂吸收的量。 根据(gnj)双膜理论，在稳定吸收操作中，吸收质的通量（从气相主体传递到界面）等于吸收质的通量（从界面传递到液相主体）。即：吸收速率（吸收质通过气膜）=吸收速率（吸收质通过液膜） 1吸收传质速率方程 一般表达式：传质速率=传质推动力传质系数(xsh) 或 传质速率=传质推动力/传质阻力 显然： 传质系数(xsh)=1/传质阻力CCkPPkNiLiGA第

10、21页/共94页第二十二页，共94页。（1）分传质速率方程式 描述(mio sh)从一相主体流至气液两相接触表面或从两相接触表面至另一相主体流的传质方程式。 气相分传质速率方程 设组分是浓度为yA的气相传递到浓度为xA的液相中。 若以PA-PAi或yA-yAi为气相传质推动力，则气相分传质速率方程式为： AiAyAyykNAiAGAPPkN第22页/共94页第二十三页，共94页。PA、PAi分别表示吸收质A在气相主体和相界面上的 分压，Pa； yA、yAi 分别表示吸收质A在气相主体和相界面上的 摩尔分数； ky以 为推动力的气相分传质系数， Kmol/(m2s); kG以 为推动力的气相分传

11、质系数， Kmol/(m2sPa) kG=DAG/ZG其中(qzhng)： ZG 气膜厚度，m DAG吸收质A在气相中的分子扩散系数， Kmol/(mspa) AiAyy AiAPP 第23页/共94页第二十四页，共94页。AAixAxxkNAAiLACCkN第24页/共94页第二十五页，共94页。*AAyAyykN*AAAGAPPkNAAxAxxkN*AAALACCkN*第25页/共94页第二十六页，共94页。 2传质系数 对前面(qin mian)公式和气液界面上平衡关系式yAi=mxAi进行数学联解，即可得到气相总传质系数与气液相传质分系数的关系式，即： 其中： xyykmkK11xxy

12、yxxxmxmmAiAiAiAiAi* 同理可得液相总传质系数(xsh)与气、液相传质分系数(xsh)的关系式，即： 其中： xyxkmkK111AiAiAiAiAixxyymymyyym*0第26页/共94页第二十七页，共94页。第27页/共94页第二十八页，共94页。（xA，yA）AiAAiAyxxxyykkAAixAiAyAxxkyykN第28页/共94页第二十九页，共94页。（2）解析法 联立方程(lin l fn chn)组： 求解可得xA、yA。 AiAiAiAiAAiAyxxmyxxyykk第29页/共94页第三十页，共94页。率系数。（3）液相总传质速率系数。第30页/共94页

13、第三十一页，共94页。iiixiymxyxxkyyk)()(0156. 00129. 021. 10129. 010512. 110610505. 010601. 04343iiyxyximxymkkykxkx（2）总传质阻力kmolsmkkmKyxy/2202105110621. 111243气相总传质(chun zh)系数 K y =1/2202=4.5410 -4 kmol/(m 2 s)（1）第31页/共94页第三十二页，共94页。kmolsmmkkKyxx/182010521. 111061111243第32页/共94页第三十三页，共94页。（三）化学(huxu)吸收l化学吸收的优点

14、l溶质进入溶剂(rngj)后因化学反应消耗掉，溶剂(rngj)容纳的溶质量增多l液膜扩散阻力降低l填料表面的停滞层仍为有效湿表面第33页/共94页第三十四页，共94页。l吸收(xshu)速率l物理吸收(xshu)时l化学吸收(xshu)时1()AAiAlNK cc()AAAiAlNkCC 相当于选取相同的推动力C, 选用(xunyng)不同的传质系数引入增强系数第34页/共94页第三十五页，共94页。5.化学稳定性高，腐蚀性小、无毒性、不易燃；6.价廉易得、易于解吸(jix)再生或产生的富液易于综合利用。第35页/共94页第三十六页，共94页。第36页/共94页第三十七页，共94页。变为硫酸铵

15、化肥。第37页/共94页第三十八页，共94页。五、吸收(xshu)设备（一）吸收(xshu)设备 为了强化吸收过程，降低设备的投资和运行费用，要求吸收设备满足以下基本要求： （1）气液之间应有较大的接触面积和一定的接触时间； （2）气液之间扰动强烈，吸收阻力低，吸收效率高； （3）气流通过时的压力损失小，操作稳定； （4）结构简单，制作维修方便，造价低廉； （5）应具有相应的抗腐蚀和防堵塞能力。 所以，正确地选择吸收设备的型式是保证经济有效地分离或净化废气的关键。 分类：目前，工业(gngy)上常用的吸收设备的类型主要有表面吸收器、鼓泡式吸收器、喷洒吸收器三大类。第38页/共94页第三十九页，

16、共94页。 1表面吸收器：凡能使气液两相在接触(jich)表面（静止液面或流动的液膜表面）上进行吸收操作的设备均属表面吸收器。有水平液面的表面吸收器、液膜吸收器、填料吸收器和机械膜式吸收器。 2鼓泡式吸收器：鼓泡式吸收器中气体以气泡形式分散于液体吸收剂中。形式很多，基本上分为以下几类：连续鼓泡式吸收器、板式吸收器、活动（浮动）填料吸收器（湍球塔）、液体机械搅拌吸收器。主要吸收设备有板式塔（如泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等），湍球塔（即活动填料塔）等。 3喷洒吸收器：该吸收器中液体以液滴形式分散于气体中。分为三类：空心（喷嘴式）喷洒吸收器、高气速并流喷洒吸收器、机械喷洒吸收器。主要吸收设备有喷洒吸收塔

17、、喷射吸收塔和文丘里吸收塔等。第39页/共94页第四十页，共94页。第40页/共94页第四十一页，共94页。第41页/共94页第四十二页，共94页。l喷淋塔第42页/共94页第四十三页，共94页。l填料(tinlio)塔第43页/共94页第四十四页，共94页。第44页/共94页第四十五页，共94页。一、吸附净化的概念 多孔性固体物质具有选择性吸附废气中的一种或多种有害组分的特点。 吸附净化是利用多孔性固体物质的这一特点，实现净化废气的一种方法。（一）吸附净化法的特点1. 适用范围 常用于浓度低，毒性大的有害气体的净化，但处理(chl)的气体量不宜过大； 对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率； 当处

18、理(chl)的气体量较小时，用吸附法灵活方便。第45页/共94页第四十六页，共94页。2. 优点：净化效率高，可回收有用组分，设备简单，易实现自动化控制。3. 缺点：吸附容量小，设备体积大；吸附剂容量往往有限，需频繁再生，间歇吸附过程(guchng)的再生操作麻烦且设备利用率低。4. 应用：广泛应用于有机化工、石油化工等部门。 环境治理方面：废气治理中，脱除水分、有机蒸汽、恶臭、HF 、SO2、NOX等。 成功的例子：用变压吸附法来处理合成氨放气，可回收纯度很高（98%）的氢气，实现废物资源化。第46页/共94页第四十七页，共94页。第47页/共94页第四十八页，共94页。一般吸附(xf)过程

19、：(1) 物理吸附(xf)：内外扩散控制；(2) 化学吸附(xf)：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(xf)质A的外扩散传质速率计算式为： 式中： dMAdt时间内吸附质从气相扩散至固体(gt)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页第四十九页，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

20、固相内表面及外表面的浓度，质量分数(fnsh)（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(fnsh) )(AAipXAXXakdtdM)()(AApXAApYAXXaKYYaKdtdMAAXY ，第49页/共94页第五十页，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(nngd)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。AAmXYpXpYpYa

21、kmakaK11makakaKpYpXpX111YXKmK第50页/共94页第五十一页，共94页。NH3在活性炭上的吸附等温线第51页/共94页第五十二页，共94页。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

22、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页第五十三页，共94页。第53页/共94页第五十四页，共94页。第54页/共94页第五十五页，共94页。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

23、 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页第五十六页，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(nny

24、)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(gngy)常用吸附剂第56页/共94页第五十七页，共94页。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页第五十八页，共94页。0322.4 10mfVWNAfl 2. 吸附剂性质(xngzh)l比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）第58页/共94页第五十九页，共94页。n静活性吸附达到饱和时的吸附量n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5

25、9页/共94页第六十页，共94页。 溶剂萃取再生(zishng)活性炭吸附SO2，可用水脱附 置换(zhhun)再生脱附剂需要再脱附 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页第六十一页，共94页。(a)吸附(b)解吸第61页/共94页第六十二页，共94页。第62页/共94页第六十三页，共94页。第63页/共94页第六十四页，共94页。第64页/共94页第六十五页，共94页。第65页/共94页第六十六页，共94页。第66页/共94页第六十七页，共94页。第67页/共94页第六十八页，共94页。n Xe吸附剂达到饱和时的负荷；n 0床层开始吸附的时间；n b达到破

26、点的时间；n e全床达到吸附平衡（饱和）的时间。第68页/共94页第六十九页，共94页。 0 + 吸附剂原始(yunsh)浓度床层开始吸附(xf)的时间第69页/共94页第七十页，共94页。 b b e 达到(d do)破点的时间全床达到(d do)吸附平衡（饱和）的时间第70页/共94页第七十一页，共94页。吸附剂床层中各区分布(fnb)示意图第71页/共94页第七十二页，共94页。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页第七十三页，共94页。n汽车尾气的催化净化一、气体催化(cu hu)净化第73页/共94页第七十四页，共94页。一定能量，这样使净化处理的费用

27、增加。第74页/共94页第七十五页，共94页。exp()EKARTl （二）显著特征l只能加速化学反应(huxu fnyng)速度，对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡l具有特殊的选择性（阿累尼乌斯方程）第75页/共94页第七十六页，共94页。第76页/共94页第七十七页，共94页。第77页/共94页第七十八页，共94页。RWAtW衡量催化剂效能大小(dxio)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页第七十九页，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

28、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(zuyng)的特征，表示为：活性-催化剂对提高(t go)产品产量的作用；选择性-表示催化剂对提高(t go)原料利用率的作用；第79页/共94页第八十页，共94页。第80页/共94页第八十一页，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(kusn)过程：反应物从气相主体到催化剂外表面；l内扩散(kusn)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(kusn)：产物微孔到外表面；l外扩散(k

29、usn)：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页第八十二页，共94页。l 吸附过程：反应(fnyng)物在催化剂表面上被吸附；l 表面过程：吸附的反应(fnyng)物在催化剂表面上发生化学反应(fnyng)（表面反应(fnyng)过程）；l脱附过程：反应(fnyng)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(fnyng)浓度，这一步称为控制步骤 第82页/共94页第八十三页，共94页。（二）催化剂中的浓度(nngd)分布气流主体(zht)中的浓度催化剂外表面浓度颗粒(kl)中心处的浓度第83页/共94页第八十四页，共94页。第84页/共94页第八十五页，共94页。（一）固定床反应器l最主要的气固相催化反应器l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(b y)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l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(shbi)第85页/共94页第八十六页，共94页。l 一般原则：l根据催化剂反应热的大小及催化