大气污染控制工程课件：7 气态污染物控制技术基础

1、第七章 气态污染物控制技术基础气体吸收气体吸附气体的催化净化本章主要内容21、吸收原理2、物理吸收传质计算3、化学吸收传质计算4、吸收设备3一、气体吸收1、吸收原理4吸收机理、气液平衡吸收速率：吸收质在单位时间内通过单位面积界面而被吸收剂吸收的量一、气体吸收吸收速率吸收推动力吸收系数吸收速率吸收推动力吸收阻力用一相主体与界面的浓度差表示推动力用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力气膜控制(易溶气体)液膜控制(难溶气体)气、液膜控制 1. 水或氨水吸收氨 2. 浓硫酸吸收三氧化硫 3. 水或稀盐酸吸收氯化氢 4. 酸吸收5%氨 5. 碱或氨水吸收二氧化硫 6. 氢氧化钠溶液吸收硫化氢 7.

2、液体的蒸发或冷凝1. 水或弱碱吸收二氧化碳2. 水吸收氧气3. 水吸收氯气 1. 水吸收二氧化碳2. 水吸收丙酮3. 浓硫酸吸收二氧化氮4. 碱吸收硫化氢吸收过程的控制步骤一、气体吸收1、吸收原理吸收速率：5一、气体吸收1、吸收原理界面浓度的计算：作图法气液相平衡时, 气液界面两侧气相传质速率与液相传质速率相等界面浓度(xi, yi)就是通过点(x, y)斜率为-kx/ky的直线与气液平衡线的交点yxAIxiyi6一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收操作线方程：塔内任一截面上气液两相组成:在吸收塔任何断面上，气相中污染物减少的量等于液相中增加的量在整个吸收过程中，吸收剂和混合气体中惰性成分的总

3、量不变物料恒算：7一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收操作线方程：逆流吸收塔的操作线并流吸收塔的操作线是怎样的？吸收推动力8一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收剂用量：当出塔吸收液浓度X1和进塔气相中吸收质浓度Y1成平衡，X1 =X1*吸收液的吸收能力得到充分发挥 ，对应液气比为最小液气比：9一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收塔设计：（1）吸收塔的塔径：根据空塔气速确定（2）吸收塔的塔高：Hy气相总传质单元高度，反映了吸收设备传质效能的高低Ny气相总传质单元数，反映了吸收过程的难易程度10一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收塔设计：（3）传质单元数的求取： 对数平均法：在相平衡线近似为直线的

4、情况下，YXABY=Y-Y*Y1Y211一、气体吸收2、物理吸收传质计算吸收塔设计：（3）传质单元数的求取： 图解积分法：12一、气体吸收3、化学吸收传质计算化学反应对吸收的影响极慢反应水吸收SO2缓慢反应Na2CO3吸收CO2 较快反应 NaOH吸收CO2 瞬时反应 碱液吸收SO2 13一、气体吸收3、化学吸收传质计算化学吸收速率物理吸收时：化学吸收时，由于液相发生化学反应，传质分系数和传质推动力增大：化学吸收速率：由于化学反应使吸收速率增强的系数14一、气体吸收3、化学吸收传质计算气液平衡平衡浓度计算平衡分压与平衡溶解度之间的关系溶于液相的溶质量： CA=A物理平衡+A化学消耗 被吸收组分

5、的气液平衡关系取决于相平衡，又服从化学平衡一般化学反应被吸收组分与溶剂相互作用被吸收组分在溶液中离解被吸收组分与溶剂中活性组分作用 15一、气体吸收3、化学吸收传质计算气液平衡一般化学反应亨利定律：A=HApA* 化学平衡：得到：16一、气体吸收3、化学吸收传质计算气液平衡被吸收组分A与溶剂B的相互作用：水吸收氨 被吸收组分A在溶液中解离：水吸收CO2、SO2被吸收组分A与溶剂中活性组分B作用：若物理溶解量可忽略不计： k1=kHA17k:化学反应平衡常数主要参数G1 、 G2入塔、出塔气体的总摩尔流率，kmol/(m2h)y1、y2入塔、出塔气体的SO2摩尔分率pH1浆液的初始pH值W单位时

6、间通过塔任一截面单位面积的吸收剂体积流率，m3/m2h气体进口G1,y1气体出口G2,y2液体进口W2,x2液体出口W1,x1dzzx, yW一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算18(1) 气相SO2的物料衡算气体进口G1,y1气体出口G2,y2液体进口W2,x2液体出口W1,x1dzzx, yW一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算19(2) 化学反应平衡 20水吸收SO2的平衡常数一、气体吸收SO2溶于水形成的各种物质浓度(pSO2S为液体上方SO2分压) SO2H2O=KhspSO2SHSO3-=KhsKs1pSO2s/H+SO32-=KhsKs1Ks2pSO2

7、s/H+23、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算(2) 化学反应平衡 一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算如吸收剂中活性组分为碱MOH，离解： MOH=M+1+OH-1水的离解平衡常数： KW =OH-1H+1任意时间溶液的电荷守恒： H+M+=OH-+HSO3-+2SO32- 即：H+M+=KW/H+1-KhsKs1pSO2s/H+2KhsKs1Ks2pSO2s/H+2 2122(3) 在塔底（z=ZT）和z之间计算SO2的物料平衡 气体进口G1,y1气体出口G2,y2液体进口W2,x2液体出口W1,x1dzzx, yW由塔底随气相进入的SO2 + z处随液相进入的SO2 =塔

8、底随液相流出的SO2+ z处随气相流出的SO2z处随气相流出的SO2=G1(1-y1)y/(1-y)塔底随液相流出的SO2=G1y1-G1(1-y1)y2/(1-y2)z处随液相进入的SO2=W(SO2H2O+HSO3-+SO32-)将化学平衡关系SO2H2O=KhspSO2S HSO3-=KhsKs1pSO2s/H+ SO32-=KhsKs1Ks2pSO2s/H+2代入一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算23(3) 在塔底（z=ZT）和z之间计算SO2的物料平衡 一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算得到：G1y1+WKhspSO2s(1+Ks1/H+2Ks1Ks2

9、/H+2) =G1y1-G1(1-y1)y2/(1-y2)+G1(1-y1)y/(1-y) 令=H+ ；A=KW/H+1-H+1；B=KhsKs1； C=KhsKs1Ks2；D=G1(1-y1)/W；E=y2/(1-y2) 则质量守恒关系简化为：24(4) 计算吸收塔高度 一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算 质量守恒关系： 电荷守恒关系： 两式联立，得： 积分即可得塔高：上式又可写为： 边界条件：25一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算y1=0.2，y2=0.01，pH1=11，气体摩尔流量在0.0060.015kmol/(m2s)之间变化，水的体积流量为2030

10、m3/(m2h)。利用例7-1的吸收系数方程式计算填料层高度zT。26一、气体吸收3、化学吸收传质计算SO2化学吸收计算不同气体流量下填料层高度随浆液初始pH的变化27一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收剂的选择常见气态污染物与适宜的吸收剂污染物适宜的吸收剂污染物适宜的吸收剂氯化氢水、氢氧化钙氨水、硫酸、硝酸氟化氢水、碳酸钠苯酚氢氧化钠二氧化硫氢氧化钠、亚硫酸钠、氢氧化钙、碳酸钙有机酸氢氧化钠硫化氢二乙醇胺、氨水、碳酸钠硫醇次氯酸钠氯气氢氧化钠、亚硫酸钠(a)填料塔；(b)板式塔；(c)降膜塔；(d)喷雾塔；(e)鼓泡塔；(f)搅拌鼓泡塔；(g)文丘里洗涤器一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收设备

11、28一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收工艺流程除尘在吸收塔前增设预洗涤塔，采取将吸收置于预洗涤塔之上，两塔合为一体，下段为预洗段，上段为吸收段采用文丘里类型的洗涤器，既除尘，又吸收气态污染物 烟气的预冷却一般将高温烟气冷却到333K 左右冷却烟气的方法：在低温省煤器中间接冷却、直接增湿冷却、用预洗涤塔(或预洗涤段)除尘增湿降温29一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收工艺流程结垢和堵塞控制溶液或料浆中水分的蒸发量控制溶液pH值控制溶液中易于结晶物质不要过饱和保持溶液有一定的晶种严格除尘，控制进入吸收系统的尘量 设备结构上设计或选择不易结垢和堵塞的吸收器 30一、气体吸收4、吸收设备和工艺吸收工艺流

12、程除雾雾气中所含液滴的直径主要在1060m之间，工艺上要对吸收设备提出除雾的要求气体再加热烟气在洗涤中被冷却增湿，如果排入大气后，在一定的气象条件下，将发生“白烟”白烟没有充分稀释之前如果回到地面，容易出现较高浓度的污染防止发生白烟的措施？31气体吸收气体吸附气体的催化净化本章主要内容321、吸附原理2、吸附剂3、吸附速率4、吸附工艺与设备计算二、气体吸附33常见吸附剂的性能二、气体吸附342、吸附剂静活性：在一定温度下，与气体中吸附质的初始浓度达到平衡时单位吸附剂上可能吸附的最大吸附量吸附剂的活性动活性：吸附床发生泄漏时，单位质量吸附剂的平均吸附量二、气体吸附352、吸附剂初选：吸附质极性、

13、分子大小、气体浓度、净化要求吸附剂可获得性、价格活性试验：吸附剂的性质寿命实验：使用寿命和脱附性能全面评估：活性、使用寿命、脱附状况、价格、运费吸附质吸附剂分子量大的有机物/非极性分子极性分子大分子物质小分子物质活性炭分子筛/硅胶/活性氧化铝大孔径的活性炭和硅胶分子筛二、气体吸附36吸附剂的选择2、吸附剂加热、降压、置换、溶剂萃取再生剂：水蒸汽、空气适合用水蒸汽再生的吸附质丙酮苯粗苯溴氯甲烷丁醇四氯化碳二硫化碳二氧化碳汽油碳卤化合物庚烷己烷脂族烃芳族烃异丙醇酮类醋酸乙酯乙醇二氯化乙烯氟代烃丁酮二氯甲烷二乙醚甲醇氯苯全氯乙烯甲苯粗甲苯三氯乙烷三氯乙烯二甲苯混合二甲苯四氢呋喃二、气体吸附37吸附剂

14、的再生2、吸附剂3、吸附速率吸附过程二、气体吸附38物理吸附速率方程二、气体吸附393、吸附速率二、气体吸附40物理吸附速率方程3、吸附速率二、气体吸附41物理吸附速率方程3、吸附速率式中： K化学平衡常数M系统平衡时的吸附量，kg/m3动力学过程控制：二、气体吸附42化学吸附速率方程3、吸附速率活性炭吸附二氧化硫、二硫化碳、甲苯及氨的吸附速率: k, n常数对上式积分，可得4、吸附工艺与设备计算固定床吸附器立式环式卧式二、气体吸附43吸附设备与工艺4、吸附工艺与设备计算旋转床吸附器二、气体吸附44吸附设备与工艺4、吸附工艺与设备计算移动床吸附器二、气体吸附45吸附设备与工艺4、吸附工艺与设备

15、计算流化床吸附器分置在筛孔板上的吸附剂颗粒，在高速含污染物气体的作用下，强烈搅动，上下浮沉，保持悬浮的流化状态。气体流速是固定床的34倍传热传质速率快，温度均匀适于连续性、大气量的污染源吸附剂磨损严重，排出气体含有吸附剂粉末，需要加装除尘设备二、气体吸附46吸附设备与工艺吸附流程与设备选择气态污染物的排放特征：连续/间歇排气量大小：大流化床/移动床小旋转床/薄层床允许的压力损失：大流化床/厚层固定床小旋转床/薄层床净化要求：高多级流动床吸附器/厚床吸附器二、气体吸附474、吸附工艺与设备计算吸附设备与工艺吸附流程要求二、气体吸附484、吸附工艺与设备计算吸附设备与工艺除雾：活性炭要求气体相对湿

16、度15mm。催化剂的颗粒直径不得超过管内径的1/8，一般为26 mm的颗粒。优点：传热效果好缺点：结构比较复杂，不易在高压下操作97三、气体催化净化固定床反应器3、气固相催化反应器的设计列管式反应器98三、气体催化净化流化床催化反应器3、气固相催化反应器的设计自由床流化床内除分布板和旋风分离器外，没有其它构件床中催化剂被反应气体密相流化，例如乙炔与醋酸生成醋酸乙烯利用气体自下而上通过团体颗粒层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气团相反应的装置。99三、气体催化净化流化床催化反应器3、气固相催化反应器的设计设有内部构件的流化床床内设有换热管、挡板的流化床应用最广泛，例如丙烯睛合成优点：可以使用

17、粒度很小的固体颗粒，有利于消除内扩散阻力，充分发挥催化剂表面利用率；传热系数比固定床大得多，当大量反应热放出时，能够很快传出；在催化剂必须定期再生，特别是催化剂活性消失很快而需及时进行再生的情况下，具有优越性。100三、气体催化净化流化床催化反应器3、气固相催化反应器的设计缺点：气固接触严重不均，导致转化率低；固体颗粒间以及颗粒和器壁间的磨损产生大量细粉，被气体夹带而出，必须设置除尘装置；流化床反应器的放大远较固定床反应器困难。调查核实所处理废气的组成、浓度、温度、湿度、含氧量、含尘量等，特别要注意引起催化剂中毒物质的含量选择催化剂根据反应热的大小、反应对温度的敏感程度、催化剂的活性温度范围，

18、选择反应器的结构类型根据催化剂性能及催化反应确定预热温度、压力、空速等反应条件及催化剂用量；尽量降低反应器阻力反应器应易于操作，安全可靠结构简单，造价低廉，运行与维护费用低101三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计催化反应器的设计步骤停留时间：反应物通过催化床的时间对于薄层床以外的其他固定床反应器，简化为活塞流反应器102VR催化剂体积,m3 催化床空隙率,%Q反应气体的实际体积流量, m3/h 三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计催化反应器的设计基础103三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计催化反应器的设计基础空间速度：单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积VR催化剂体积

19、,m3qN标态下反应气体体积流量,m3/h接触时间：空间速度的倒数，表征气体在催化反应器中的停留时间，= 1 / Wsp =VR / qN将催化床作为一个整体利用实验或工厂现有装置所得的经验参数设计通过中间实验确定最佳工艺条件104VR催化剂体积， m3qN标态下反应气体体积流量，m3/hWSP空间速度，1/h 催化剂装量三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计催化剂装量的经验计算105三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计催化剂装量的经验计算催化床层高 其中空隙率 s，p-催化堆积密度与颗粒密度，kg/m3106三、气体催化净化3、气固相催化反应器的设计催化剂装量的数学模型计算绝热固定床或反应热效应小的催化床，轴向温差可忽略不计，以化学动力学为控制步骤WR催化剂装量 Q气体体积流量,m3/h反应体系中各种气体分子