2009第四章气态污染物控制环境工程概论10.ppt

1、第四章 气态污染物控制,第一节 吸收净化 吸收：利用气体混合物中不同组分在吸收剂中溶解度不同，或者与吸收剂发生选择性化学反应，从而将有害组分从气流中分离出来的过程。 在一定的温度与压力下，混合气体中的A组分向液相迁移而被吸收，同时，液相中的A组分也会从液体逸出而被解吸，当气液之间的吸收与解吸速度相等时，达到动态平衡状态。 吸收分为物理吸收和化学吸收。 一 吸收平衡 物理吸收时，常用亨利定律来描述气液相间的平衡，即,Ci溶液中吸收质的含量（kmol/m3）,适用条件：适用于常压或低压下的稀溶液，溶质在气相及液相中的分子状态相同,二 双膜理论,（一 ） 基本理论假设： 第一，气液两相接触时存在一个

2、相界面，两侧各存在着一层稳定的层流薄膜，分别称为气膜和液膜，即使气、液两相主体都呈湍流时，这两层薄膜内仍呈滞流态（层流态，即理解为分子运动稳定即可）； 第二，气膜和液膜内的物质传递主要靠分子扩散，分子扩散阻力是物质传递的阻力。 第三，气、液主体和相界面上物质传递主要通过对流传递。 因此，总的来说，认为气体从气相到液相的溶解（物质传递）取决于两膜的阻力大小。,（二 ）传质过程 被吸收组分从气相主体对流扩散到气膜表面，再以分子扩散通过气膜到达相界面，进入液膜后又以分子扩散通过液膜，最后通过对流扩散进入液相主体，直到气液两相完全平衡后传质停止。如果此时再增加被吸收组分的气相分压增加，或降低液相中该组

3、分的浓度，传质继续进行。,（三 ）传质速率 传质速率是指被吸收气体组分在单位时间，通过相界面单位面积传递的物质量，也称为吸收速率。根据质量守恒定律，稳定条件下，通过相界面气液两侧的物质量相等。对于被吸收组分A，其传质速率为： NA组分A在单位时间，通过相界面单位面积的传质速率，kmol/(m2s)；,根据上面的公式，消去CAi和PAi后，整理得：,组分A在气相主体中保持平衡状态， 即已平衡，不能再吸收到液相中了：,组分A在液相主体中保持平衡状态， 即已平衡，不能再解吸到气相中了,L,G,他们的倒数分别为以气相分压差表示的总阻力及以液相浓度差表示的总阻力，表示为：,HA值大的易溶气体，气膜控制；

4、HA值小的难溶气体，液膜控制；介于中间，双膜控制。,（四）化学吸收（从相平衡、化学平衡讨论气液平衡关系） 化学吸收是指溶质被吸收时，选择溶剂中某些活性组分进行明显的化学反应。 化学吸收过程既服从上述的气、液相平衡关系，同时也服从化学平衡关系。它的吸收速率除了与物理吸收过程中被吸收组分在气膜和液膜中的扩散速率有关外，还与化学反应速率有关。,有化学反应存在时，溶解于溶剂的溶质量为,被吸收组分A与溶液中所含的组分B、C发生相互反应：,=,1、被吸收组分A与溶剂的相互作用,吸收前M=0，则,吸收过程仍然服从亨利定律，但溶解度系数增大了 （1KB）倍，使过程有利于对A的吸收,2、被吸收组分在溶液中的离解

5、,3、被吸收组分与溶剂中活性组分的相互作用,设溶剂中活性组分B的初始浓度为CB0，若平衡转化率为x，则溶液中组分B的浓度为BCB0(1-x) ,而生成M的平衡浓度为MCB0 x,若物理溶解量与化学溶解量相比可以忽赂不计，则由上式可得,在此种反应类型情况下，对纯粹的化学吸收而言，A组分的溶解度的最大值不超过吸收活性组分的初始浓度CB0值,（五）吸收设备概述,要求：气液有效接触面积大，气流湍动程度高，设备压力损失小，结构简单，易于操作和维修，投资少，操作费用低等。 常用设备：板式塔、喷雾塔、填料塔、文丘里洗涤器、旋转喷雾塔等 当吸收过程为气膜控制时，传质阻力在气相，应增加气相湍流程度，这时，尽量使

6、液体成为分散相，例如喷雾塔将液体高度雾化喷入气相，则液滴周围流动气体的扩散阻力较小，适合于易溶气体吸收的气膜控制过程，如氨气的吸收。 当吸收过程为液膜控制时，传质阻力在液相，应增加液相湍流程度，这时，尽量使气体处于分散相，例如采用孔板的板式塔，则液体流动减小液膜阻力，适用于难溶气体吸收的液膜控制过程，如氮氧化物的吸收。,第二节、吸附净化,吸附净化是利用多孔固体表面的微孔捕集废气中的气态污染物，可用于分离水分、有机蒸气（如甲苯蒸气、氯乙烯、含汞蒸气等）、恶臭、HF、SO2 、NOx 等，尤其能有效地捕集浓度很低的气态污染物。 吸附现象也分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附是由固体吸附剂分子与气体

7、分子间的静电力或范德华力引起的，两者之间不发生化学作用，是一种可逆过程。化学吸附是由于固体表面与被吸附分子间的化学键力所引起，两者之间结合牢固，不易脱附。该吸附需要一定的活化能，故又称活化吸附。 气体吸附：气体混合物与适当的多孔性固体接触时，利用固体表面存在的未平衡的分子引力或化学键力，把混合物中某一组分或某些组分吸留在固体表面上。 吸附剂：具有吸附作用的固体 吸附质：被吸附的物质,（一）吸附概述 1、物理吸附和化学吸附 物理吸附：主要是靠分子间的范德华引力产生的，它可以是单分子层吸附，也可以是多分子层吸附，较低温度下发生。 化学吸附：靠吸附剂与吸附质之间的化学键力产生的，只能单分子层吸附，较

8、高温度下发生。,工业上广泛应用的吸附剂：活性炭、木炭、硅胶、沸石分子筛等等。,（1）活性炭。活性炭是常用的吸附剂。由于它的疏水性，主要用于吸附湿空气中的有机溶剂、恶臭物质，以及烟气中的S02、NOx或其它有害气体。具有比表面积大、吸附及脱附快，性能稳定，耐腐蚀等优点，但具有可燃性，使用温度一般不超过200。 （2）硅胶。硅胶具有很强的亲水性，它吸附的水分量可达自身质量的50，吸湿后吸附能力下降，因此常用于含湿量较高气体的干燥脱水、烃类气体回收，以及吸附干燥后的有害废气。硅胶是将硅酸钠溶液（水玻璃）用酸处理后得到硅酸凝胶，再经水洗、干燥脱水制得的坚硬多孔的粒状无晶形氧化硅。 （3）分子筛。分子筛

9、被广用于废气治理中的脱硫、脱氮、含汞蒸气净化及其他有害气体的吸附。它是一种人工合成沸石，具有立方晶体的硅酸盐，属于离子型吸附剂。因其孔径整齐均匀，能选择性地吸附直径小于某个尺寸的分子，故有很强的吸附选择性。由于分子筛内表面积大，因此吸附能力较强。,2、吸附剂及其再生,与水处理中用的吸附剂要求相仿，作为气体净化吸附剂应满足如下要求： (1)有大的比表面积； (2)选择性要好，有利于混合气体的分离； (3)具有一定的粒度、较高的机械强度、化学稳定性和热稳定性； (4)大的吸附容量； (5)来源广泛，价格低廉。,再生：当吸附剂达到吸附饱和后需要再生，即清除被吸附的物质，恢复吸附剂的吸附能力，以便重复

10、使用。 目的：为了重复使用吸附剂或回收有效成分。 常用的再生方法 （1）加热解吸再生：利用吸附剂的吸附容量在等压下随温度升高而降低的特点，在低温下吸附，然后再提高温度加热下脱附，这样的循环方法又称作变温吸附； （2）降压或真空解吸：利用吸附容量在恒温下随压力的降低而降低的特点，在加压下吸附，在降压或真空下解吸，这种循环操作称为变压吸附； （3）置换再生法：对某些热敏性吸附质，如不饱和烃，因在较高温度下容易聚合，可先采用合适的气体（解吸剂）将原吸附质置换出来，使吸附质脱附，这时解吸剂成了吸附质，故可用加热方法再予以脱附，此法又称为变浓度吸附。,（二）吸附装置（介绍固定床和流动床）,轮换、间歇使用

11、,吸 附 剂 再 生 后 输 送,第三节 催化转化,一 催化原理概述（从反应速率说起） 1. 反应速率的两个理论 消除汽车尾气的污染, 可采用如下的反应: 反应的可能性足够大, 只是反应速率不够快, 不能在尾气管中完成, 以致散到大气中, 造成污染. 若能寻找催化剂, 使上述反应达足够快的速率, 是不小的成就. 有些反应, 如橡胶的老化, 人们又常常希望它慢一些。,A碰撞理论,化学反应的发生, 总要以反应物之间的接触为前提, 即反应物分子之间的碰撞是先决条件，有两个影响因素：能量和方位。 对于能量来讲，能够发生反应的碰撞称为有效碰撞，只有这时，较高能量的分子在碰撞时才能克服原子间电子云的排斥作

12、用而打破原有化学键，生成新的分子。 将有足够能量，能发生有效碰撞的分子称为活化分子。 反应物浓度越高，温度越高，活化分子所占比例就越大，反应速率就越快，,范特霍夫理论，温度增加10K，反应速率增加2-4倍 Arrhenius方程的建立的 初衷就是为了解释反应 速率常数和温度的关系。,仅有足够能量只是发生有效碰撞的必要条件，只有碰撞到适当的方位加上足够能量才能发生有效碰撞。,B 过渡状态理论 当反应物分子接近到一定程度时, 分子的键连关系将发生变化, 形成一中间过渡状态, 即生成活化配合物，其特点是能量高、不稳定，形成之后又很快分解（双向）。用以下图示解释。,a点是反应物的平均能量，c点为活化物

13、的最低能量，b点是生成物的平均能量，Ea和Ea分别是正、逆反应的活化能，相减即反应热。 理解为：反应的活化能越大，c点就越高，那么，能达到该能量的反应物分子或活化物分子数就越少，反应速率就越慢。,C,a,b,2. 催化剂对反应速率的影响 应用活化能观点，催化剂降低了反应的活化能，又由Arrhenius公式，反应速率是随活化能的降低而呈指数增大的。 应用活化配合观点，催化剂的表面上的活性中心，能对反应物分子进行化学吸附形成活化配合物，是原分子结构化学结构松弛，从而降低了活化能。,二 催化转化方法 使气态污染物通过催化剂床层，经历催化反应，转化为无害物质或易于处理和回收利用的物质的方法。 1、催化

14、作用 催化作用：化学反应速度因加入某种物质而改变，而加入物质的数量和性质在反应终了时却不变的作用。 加入的物质称为催化剂。 正催化作用：能加快反应速度的催化作用。 负催化作用：减慢反应速度的催化作用。 均相催化：反应物和催化剂同为一相时。 多相催化：反应物和催化剂不同相时。,一个催化过程的简化描述,有化学反应 当受催化剂作用时,A 催化剂的特性 改变化学反应速度。 只能缩短反应达到平衡的时间，而不能使平衡移动，更不可能使热力学上不可发生的反应进行。 具有选择性。 每一种催化剂都有活性温度范围。 中毒、衰老特性。,2、催化剂,B 组成：主活性物质、载体和助催剂 主活性物质一般附着在惰性载体上。

15、载体的作用：一是提供大的比表面积，节约主活性物质，提高催化剂活性，二是增大催化剂的机械强度、导热性及热稳定性，延长催化剂的寿命。 助催剂的作用：本身无催化性能，但少量加人可以改善催化剂性能。 助催剂和主活性物质都附于载体上，做成球状、圆柱状、片状、丝状、网状和蜂窝状等 选用催化剂的原则：应有很好的活性和选择性、足够的机械强度、良好的热稳定性和化学稳定性以及经济性。,三 气固催化反应器简介（固定床）,分类：固定床、移动床及流化床 1、单层绝热反应器 适用条件：适用于反应热效应较小，对温度变化不敏感以及副反应较少的情况。 2、多段绝热反应器 适用条件：适宜中等热效应的反应。 3、列管式反应器 适用

16、条件：适用于床温分布要求很严、反应热特别大的情况。,间接换热 直接换热,管内催化剂，管间热载体传热,四 催化转化的优缺点及其应用,优点：无需使污染物与主气流分离； 避免了其它方法可能产生的二次污染； 使操作过程得到简化； 对不同浓度的污染物都具有很高的转化率。 缺点：催化剂价格高，废气预热要耗一定的能量 应用：氮氧化物转化成氮，二氧化 硫转化成三氧化硫而加以回收利用； 有机废气和臭气的催化燃烧； 汽车尾气的催化净化等。,第四节 燃烧转化,通过热氧化作用将废气中的可燃有害成分转化为无害或易于进一步处理和回收物质的方法。燃烧反应是一种放热的化学反应，可用普通的热化学反应方程式来表示,一 燃烧所需理

17、论空气量的计算,（1）理论空气量,定义：单位质量的燃料按燃烧反应方程式 完全燃烧所需要的空气量称为理论 空气量，以 表示。它取决于燃料 的组成，可由燃烧反应方程式计算。,建立燃烧反应方程式的假定： 空气仅由氮和氧组成，其体积分数为79213.78； 燃料中的固定态氧参与燃烧反应； 燃料中的硫主要被氧化为二氧化硫； 计算理论空气量时，忽略NOx的生成量； 燃料的化学组成式为CxHySzOw，其中x、y、z、w分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。,理论空气量 为：,空燃比 ：,空燃比是指单位质量燃料完全燃烧所需要的空气质量，可由燃烧方程式直接求得。例如甲烷在理论空气下完全燃烧：,则空燃比,其空燃比AF

18、为17.16,二 燃烧及爆炸极限浓度范围,当混合气体中的氧和可燃组分在一定浓度范围内，某一点被燃着时产生的热量，可以继续引燃周围可燃的混合气体，此浓度范围就称为燃烧极限浓度范围。 可燃混合气体在某一点着火后，传播开来，在有控制的条件下，就形成火焰而维持燃烧，若在一有限空间内迅速蔓延，则形成气体爆炸，则此燃烧极限浓度范围就称为爆炸极限浓度范围。 可燃组分低于爆炸下限时，燃烧产生热量不足以引燃周围混合体因而不会继续燃烧，也不会引起爆炸；可燃组分高于爆炸上限时，但由于氧气不足也不能引起燃烧爆炸。 在燃烧转化中，废气中可燃物质的浓度常用爆炸下限浓度的百分数来表示，简写LEL(Lower Explosive Limit) 一般将废气中可燃物质的浓度控制在25LEL以下，以防止爆炸或回火。,三 燃烧类型,（1）直接燃烧 当可燃性气体浓度高于爆炸下限时，燃烧放热可使燃烧温度达1100以上，这样的气体可用明火点燃。 （2）热力燃烧 工业废气中可燃成分的浓度一般低于爆炸下限，燃烧放热达不到600，明火点燃不起来，需将废气预热到600以上，才可进行燃烧反应。 （3）催化燃烧 如果废气中可燃成分浓度低于爆炸下限，但在催化剂参