第07章 气态污染物控制技术-2013-15

1、第七章第七章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础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l气体吸附气体吸附吸附剂吸附机理吸附工艺与设备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气体吸收、吸附、催化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在气相中的扩散（在气相中的扩散（Gilliland 方程）方程）0.540.5AAB0.50.52AABAB111.8

2、 10TMDMMVVT T绝对温度，绝对温度，绝对温度，绝对温度，KKD DABAB扩散系数，扩散系数，扩散系数，扩散系数，cmcm2 2/s /sMM气体的摩尔质量气体的摩尔质量气体的摩尔质量气体的摩尔质量气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积, ,cmcm3 3/mol/mol A A气体密度，气体密度，气体密度，气体密度，g/cmg/cm3 3V0.540.5AAB0.50.52AABAB111.8 10TMDMMVVT T绝对温度，绝对温度，绝对温度，绝对温度，KKD DABAB扩散系数，扩散系数，扩散系

3、数，扩散系数，cmcm2 2/s /sMM气体的摩尔质量气体的摩尔质量气体的摩尔质量气体的摩尔质量气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积, ,cmcm3 3/mol/mol A A气体密度，气体密度，气体密度，气体密度，g/cmg/cm3 3VT T绝对温度，绝对温度，绝对温度，绝对温度，KKD DABAB扩散系数，扩散系数，扩散系数，扩散系数，cmcm2 2/s /sMM气体的摩尔质量气体的摩尔质量气体的摩尔质量气体的摩尔质量气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔

4、体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积, ,cmcm3 3/mol/mol A A气体密度，气体密度，气体密度，气体密度，g/cmg/cm3 3V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0.510BAB0.5AB()7.4 10MTDV B B液液体体的的粘粘度

5、度，液液体体的的粘粘度度，cPcP 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2.62.6，甲甲醇醇，甲甲醇醇1.91.9，乙乙醇醇，乙乙醇醇1.51.5，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1.01.00.510BAB0.5AB()7.4 10MTDV B B液液体体的的粘粘度度，液液体体的的粘粘度度，cPcP 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2.62.6，甲甲醇醇，甲甲醇醇1.91.9，乙乙醇醇，乙乙醇醇1.51.5，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1.01.0

6、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）第一节第一节 气体吸收气体吸收l吸收机理吸收机理 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界面两侧存在气膜和液膜,膜内膜内为层流为层流, 传质阻力只在膜内传质阻力只在膜内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气液界面上气液界面上,气液达溶解平衡气液达溶解平衡 即即:CAi=HPAi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xALAAAAgAA()()yii

7、NkyyNkppAAAAlAA()()xiiNkxxNk ccAA*AAAAAA*AAgAAAlA() () () ()yxNKyyNKxxNKppNKcc气液平衡气液平衡l平衡吸收过程的传质速率等于解吸过程平衡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*/cH pxpEym xSS/()/()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传质总阻力气

8、相传质阻力液相传质阻力l例例：11yyxmKkk传质总阻力气相传质阻力液相传质阻力l例例：11yyxmKkk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CO2，水水吸吸收收O2）1yxmKk1xymkk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CO2，水水吸吸收收O2）1yxmKk1xymkk气膜控制（，）l易易溶溶气气体体（碱碱或或氨氨液液吸吸收收SO2）1yxmkk11yyKk气膜控制（，）l易易溶溶气气体体（碱碱或或氨氨液液吸吸收收SO2）1yxmkk11yyKk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

9、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40.90.39g6.07 10k aGLl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40.90.39g6.07 10k aGLl水吸收水吸收CO2（难溶气体吸收）难溶气体吸收）U喷淋密度，喷淋密度，m3/(m2h)0.96l2.57k aUl水吸收水吸收CO2（难溶气体吸收）难溶气体吸收）U喷淋密度，喷淋密度，m3/(m2h)0.96l2.57k aU40.70.250

10、.82gl9.81 10;k aGLk aaLl水吸收水吸收SO2（中等溶解气体吸收）中等溶解气体吸收）40.70.250.82gl9.81 10;k aGLk aaLl水吸收水吸收SO2（中等溶解气体吸收）中等溶解气体吸收）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l填料塔填料塔第二节第二节 气体吸附气体吸附l吸附吸附用多孔固体吸附

11、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.不发生化学反应；不发生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡；过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；放热反应；5.吸附可逆；吸附可逆；1.吸附力化学键力；吸附力化学键力；2.发生化学反应；发生化学反应；3.过程慢；过程慢；4.升高温度有助于提高速率；升高温度有助于提高速率；5.

12、吸附不可逆；吸附不可逆；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-3-3200600750100080080

13、0800800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-16001600210360600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）m0322.4 10fVWNAf比比表表面

14、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 gm03

15、22.4 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

16、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

17、，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典型吸附质分子的横截面积典型吸附质分子的横截面积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、浓度临界直径吸附质不易渗入的最大直径吸附质的分子量、沸点、饱和性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

18、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

19、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l 吸附作用大，再生温度高吸附作用大，再生温度高 加热再生吸附平衡吸附平衡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 NH3在活性炭上的吸附等温线在活性炭上的吸附等温线吸附等温线吸附等温线吸附速率吸附速率l吸附过程吸附过程 吸附 外扩散（气流主体 外表面） 内扩散（外表面 内表面

20、）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*APAAd()dyMKYYt*APAAd()dxMKXXt*APAAPAAPPPPPPd()()d11111;yxyyxxxyMKYYKXXtmKkkKkkm吸附工艺吸附工艺l固定床固定床 含污染物的气含污染物的气体体 吸附工艺吸附工艺l移动床移动床吸附工艺吸附工艺l流化床流化床第三节第三节 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

21、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：420550223SO1/2OSOVanadium 3224SOH 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VOCs的催化氧化催化净化工艺催化净化工艺NOxNH3 filter Combustor Mixe

22、rReactorNOx的选择性催化还原（的选择性催化还原（SCR）32228NH6NO7N12H O3224NH6NO5N6H O催化剂200300：Pt (Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3(TiO2,V2O5)32228NH6NO7N12H O3224NH6NO5N6H O催化剂200300：Pt (Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3(TiO2,V2O5)催化净化工艺催化净化工艺l车用催化转化器车用催化转化器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） 显著特征显著特征对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡选择性exp()EKART

23、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 载体催化剂的性能催化剂的性能l活性活性RWAtW100B 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l选选择择性性催化剂的性能催化剂的性能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l对大多数催化剂，毒物：对大多数催化剂，毒物：HCN、CO

24、、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；(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，从而降低反应速度消除方法l提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度提高气速

25、，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，外扩散影响消除下限流速响消除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动方由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方式决定式决定R/

26、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,%,%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,%,%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、混合流活塞流、混合流l实

27、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，连续釜式反应器理想混合反应器；径工业上，连续釜式反应器理想混合反应器；径高比大的固定床活塞流反应器高比大的固定床活塞流反应器催化反应器的设计催化反应器的设计l设计基础设计基础空间速度l单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积spNR/WQVspRN1/WVQV VR R催催化化剂剂体