沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院環(huán)境工程概論課件第四章PPT課件

1、l（一）物理吸收l 較簡單，可看成是單純的物理溶解過程；l 吸收限度取決于氣體在液體中的平衡濃度；l 吸收速率主要取決于污染物從氣相轉入液相的擴散速度。l（二）化學吸收l 吸收過程中組分與吸收劑發(fā)生化學反應；l 吸收限度同時取決于氣液平衡和液相反應的平衡條件；l 吸收速率同時取決于擴散速度和反應速度。第1頁/共49頁 二、吸收機理（一）雙膜理論（應用最廣）在氣液兩相接觸時，兩相間有一個相界面，在相界面兩側分別存在一層穩(wěn)定的滯留膜層，分別稱作氣膜和液膜，氣膜厚度Zg，液膜厚度為Zl。氣液兩個膜層分別將各相主體流與相界面隔開，氣液相質(zhì)量傳遞過程是氣相主體流中的吸收質(zhì)先以湍流擴散到氣膜表面，然后再以

2、分子擴散流通過氣膜到相界面，繼而進入液膜，吸收質(zhì)仍以分子擴散方式通過液膜再進入液相主體流中。在吸收質(zhì)量傳遞的同時，也存在著相反的質(zhì)量傳遞（解吸），兩個不同方向的質(zhì)量傳遞一直達到動平衡狀態(tài)時為止。在兩相質(zhì)量傳遞過程中，只有通過氣液膜時，發(fā)生分子擴散阻力；在氣液兩相主體流中由于湍流不存在濃度梯度，因而也就不存在傳質(zhì)阻力。在相界面上，氣液兩相隨時都處于平衡狀態(tài)。相界面第2頁/共49頁l1. 吸收過程：混合氣體中（氣相中）的吸收質(zhì)向吸收劑中進行質(zhì)量傳遞。（氣液）l2. 解吸過程：液相中吸收質(zhì)向氣相逸出的質(zhì)量傳遞過程。 （液氣）l3. 相平衡：在一定的溫度、壓力條件下，吸收的傳質(zhì)數(shù)率=解吸的傳質(zhì)數(shù)率 氣

3、液兩相達到動態(tài)平衡，簡稱相平衡。l4. 平衡分壓：氣相中的吸收質(zhì)組分的分壓。l5. 溶解度：液相吸收劑所溶解吸收質(zhì)組分的濃度。l（每100kg水中溶解氣體的kg數(shù)）第3頁/共49頁 常見氣體的平衡溶解度特點：不同性質(zhì)的氣體在同溫、同壓下的溶解度不同 多數(shù)氣體的溶解度隨溫度升高而下降當溫度一定時溶解度隨吸收質(zhì)分壓的升高而增大第4頁/共49頁 物理吸收時，常亨利定律來描述氣液相間的相平衡關系。 總壓小于5105Pa時，一定溫度下，稀溶液中溶質(zhì)的溶解度與氣相中溶質(zhì)的平衡分壓成正比，即P*=Ex P*溶質(zhì)組分在氣相中的平衡分壓, Pa；x溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分數(shù)n質(zhì)/(n質(zhì)+n劑) E亨利系數(shù)第5頁

4、/共49頁氣相用平衡分壓，液相用物質(zhì)的量濃度表示: P*=C/HC液相中溶質(zhì)的摩爾濃度, mol/m3 ; H溶解度系數(shù), mol/mP; 溶質(zhì)在液相和氣相中的濃度分別用摩爾分率x、y表示:y*=mx x溶質(zhì)在液相中的摩爾分數(shù)； y*與該液相成平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分數(shù)；m相平衡常數(shù),無因次。 第6頁/共49頁（四）化學吸收l化學吸收的優(yōu)點溶質(zhì)進入溶劑后因化學反應消耗掉，溶劑容納的溶質(zhì)量增多液膜擴散阻力降低填料表面的停滯層仍為有效濕表面第7頁/共49頁三、吸收劑的選擇 （一）吸收劑的選擇原則1.吸收劑應對混合氣體中被吸收組分具有良好的選擇性和較大的吸收能力。 2.飽和蒸氣壓低，以減少揮發(fā)損失，

5、避免吸收液成分進入氣相，造成浪費和新的污染。 3.沸點高，熱穩(wěn)定性高，不易起泡。 4.油性小，能改善吸收塔內(nèi)的流動狀況，提高吸收速率，降低泵的功耗，減小個阻力； 5.化學穩(wěn)定性高，腐蝕性小、無毒性、不易燃； 6.價廉易得、易于解吸再生或產(chǎn)生的富液易于綜合利用。 第8頁/共49頁 （二）吸收劑的選擇方法 1.對于物理吸收，要求溶解度大，可按照相似相溶規(guī)律選擇吸收劑，即從與吸收質(zhì)結構相近的物質(zhì)中篩選吸收劑。 2.對于化學吸收過程，可以選擇容易與被吸收組分發(fā)生化學反應的物質(zhì)作吸收。 3.在水中溶解度較大的氣體，用水作吸收劑是首選對象，優(yōu)點是價廉易得、吸收流程、設備和操作都比較簡單；缺點是設備龐大、凈

6、化效率低、動力消耗大。 4.堿金屬鈉、鉀、鉸或堿土金屬鈣、鎂等的溶液，是另一類常用吸收劑。由于這類吸收劑能與被吸收的氣態(tài)污染物如 SO2、HCI、HF、NO2等之間發(fā)生化學反應，因而使吸收能力大大增加。 5.吸收堿性氣體常用各種酸液作為吸收劑；對于酸性氣體，則優(yōu)先選用堿性或堿性鹽溶液吸收。 第9頁/共49頁 （三）吸收劑的再生 吸收劑使用到一定程度，需要處理后再使用，處理的方式：一是通過再生回收副產(chǎn)品后重新利用，如亞硫酸鈉法吸收SO2氣體，吸收液中的亞硫酸氫鈉經(jīng)加熱再生，回收SO2后變?yōu)閬喠蛩徕c重新使用；二是直接把吸收液加工成副產(chǎn)品，如用氨水吸收SO2得到的亞硫酸銨經(jīng)氧化變?yōu)榱蛩徜@化肥。 第1

7、0頁/共49頁四、吸收設備第11頁/共49頁噴淋塔第12頁/共49頁填料塔除霧器液體噴霧填料液體出口第13頁/共49頁第14頁/共49頁第二節(jié) 氣體吸附 吸附 用多孔固體吸附劑將氣體（或液體）混合物中的組分濃集于固體表面 吸附質(zhì)被吸附物質(zhì) 吸附劑附著吸附質(zhì)的物質(zhì)第15頁/共49頁一、吸附凈化的概念 多孔性固體物質(zhì)具有選擇性吸附廢氣中的一種或多種有害組分的特點。 吸附凈化是利用多孔性固體物質(zhì)的這一特點，實現(xiàn)凈化廢氣的一種方法。（一）吸附凈化法的特點 1. 適用范圍 常用于濃度低，毒性大的有害氣體的凈化，但處理的氣體量不宜過大； 對有機溶劑蒸汽具有較高的凈化效率； 當處理的氣體量較小時，用吸附法靈

8、活方便。第16頁/共49頁2. 優(yōu)點：凈化效率高，可回收有用組分，設備簡單，易實現(xiàn)自動化控制。3. 缺點：吸附容量小，設備體積大；吸附劑容量往往有限，需頻繁再生，間歇吸附過程的再生操作麻煩且設備利用率低。4. 應用：廣泛應用于有機化工、石油化工等部門。 環(huán)境治理方面：廢氣治理中，脫除水分、有機蒸汽、惡臭、HF 、SO2、NOX等。第17頁/共49頁二、吸附機理第18頁/共49頁三、物理吸附和化學吸附物理吸附物理吸附化學吸附化學吸附1.吸附力范德華力，可是單層吸附力范德華力，可是單層或多層吸附；或多層吸附；2.吸附質(zhì)與吸附劑之間不發(fā)生化吸附質(zhì)與吸附劑之間不發(fā)生化學反應；學反應；3.吸附過程快，瞬

9、間達到平衡；吸附過程快，瞬間達到平衡；4.放熱反應；放熱反應；5.吸附劑與吸附質(zhì)間的吸附力不吸附劑與吸附質(zhì)間的吸附力不強，吸附可逆。強，吸附可逆。1.吸附力化學鍵力，單層吸附吸附力化學鍵力，單層吸附2.吸附有很強的選擇性；吸附有很強的選擇性；3.吸附速率較慢，達到吸附平衡吸附速率較慢，達到吸附平衡需相當長時間；需相當長時間；4.升高溫度可提高吸附速率；升高溫度可提高吸附速率；5.吸附不可逆。吸附不可逆。第19頁/共49頁同一污染物可能在較低溫度下發(fā)生物理吸附若溫度升高到吸附劑具備足夠高的活化能時，發(fā)生化學吸附第20頁/共49頁四、吸附劑 吸附劑應具備的特性： 內(nèi)表面積大 具有選擇性吸附作用 高

10、機械強度、化學和熱穩(wěn)定性 吸附容量大 來源廣泛，造價低廉 良好的再生性能第21頁/共49頁常用吸附劑特性吸附劑類型活性炭活性氧化鋁硅膠沸石分子篩4A5A13x堆 積 密 度 (kg/m3)200 -600750 -1000800800800800熱容(KJ/KgK)0.836 -1.2540.836 -1.0450.920.7940.794操作溫度上限 （K）423773673873873873平 均 孔 徑 （）15 -2518 - 48224513再 生 溫 度 （K）373 -413473 -523393 -423473 -573473 -573473 -573比 表 面 積 （/g）6

11、00-1600210-360600第22頁/共49頁 活性炭：疏水性，常用于空氣中有機溶劑，催化脫除尾氣中SO2、NOX等惡臭物質(zhì)的凈化；優(yōu)點：性能穩(wěn)定、抗腐蝕。缺點：可燃性，因此使用溫度不能超過200，在惰性氣流掩護下，操作溫度可達500。 活性氧化鋁：用于氣體干燥，石油氣脫硫，含氟廢氣凈化（對水有強吸附能力）。 硅膠：親水性，從水中吸附水份量可達硅膠自身質(zhì)量的50%，而難于吸附非極性物質(zhì)。常用于處理含濕量較高的氣體干燥，烴類物質(zhì)回收等。 沸石分子篩：是一種人工合成沸石，為微孔型、具有立方晶體的硅酸鹽。 通式為：Mex/n(Al2O3)x(SiO2)ymH2O 特點：孔徑整齊均一，因而具有篩

12、分性能，一種離子型吸附劑，對極性分子，不飽和有機物具有選擇吸附能力。 吸附樹脂：最初為酚、醛類縮合高聚物，以后出現(xiàn)一系列的交聯(lián)共聚物，如聚苯乙烯等。大孔吸附樹脂除了價格較貴外，比起活性炭，物理化學性能穩(wěn)定，品種較多，能用于廢水處理，維生素的分離及H2O2的精制等。第23頁/共49頁五、氣體吸附的影響因素（一）操作條件 低溫有利于物理吸附；高溫利于化學吸附 增大氣相壓力利于吸附0322.4 10mfVWNAf（二）吸附劑性質(zhì)比表面積（孔隙率、孔徑、粒度等）第24頁/共49頁（三）吸附質(zhì)性質(zhì)、濃度 臨界直徑吸附質(zhì)不易滲入的最大直徑 吸附質(zhì)的分子量、沸點、飽和性（四）吸附劑活性 單位吸附劑吸附的吸附

13、質(zhì)的量 靜活性吸附達到飽和時的吸附量 動活性未達到平衡時的吸附量第25頁/共49頁六、吸附劑再生 溶劑萃取l活性炭吸附SO2，可用水脫附 置換再生l脫附劑需要再脫附 降壓或真空解吸l 吸附作用 ，再生溫度 加熱解吸再生第26頁/共49頁第27頁/共49頁含含污污染染物物的的氣氣體體 第28頁/共49頁第29頁/共49頁第30頁/共49頁第三節(jié) 氣體催化凈化 （一）定義：催化轉化是指廢氣通過催化床層發(fā)生催化反應，使其中的污染物轉化為無害或易于處理與回收利用物質(zhì)的凈化 （二）應用 工業(yè)尾氣和煙氣去除SO2和NOx 有機揮發(fā)性氣體VOCs和臭氣的催化燃燒凈化 汽車尾氣的催化凈化一、氣體催化凈化第31

14、頁/共49頁 （三）優(yōu)點 1. 對不同濃度的污染物具有很高轉化率； 2. 污染物與主氣流不需要分離，避免了可能產(chǎn)生的第二次污染； 3. 操作過程簡化。 （四）缺點 催化劑較貴，且廢氣預熱需耗一定能量，這樣使凈化處理的費用增加。第32頁/共49頁 （一）催化作用 化學反應速度因加入某種物質(zhì)而改變，而被加入物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，在反應終了時不變的作用。 改變反應歷程，降低活化能 提高反應速率 （多位活化絡合物理論） exp()EKART（二）顯著特征只能加速化學反應速度，對于正逆反應的影響相同，不改變化學平衡具有特殊的選擇性（阿累尼烏斯方程）二、催化機理第33頁/共49頁三、催化劑（一）定義：加速化學

15、反應，而本身的化學性質(zhì)在反應前后保持不變的物質(zhì)。（二）組成 活性組分 助催劑 載體l活性組分：催化劑主體，可單獨作為催化劑；l助催化劑：(1)本身無活性(2)具有提高活性組分活性的作用；l載體：起支撐活性組分的作用，使催化劑具有合適形狀與粒度，從而有大的比表面積，增大催化劑活性，節(jié)約活性組分用量，并有傳熱、稀釋和增強機械強度作用，可增加延長催化劑使用壽命。第34頁/共49頁第35頁/共49頁（三）催化劑的性能1. 活性RWAtW衡量催化劑效能大小的標準。l工業(yè)中，常把產(chǎn)品量換算為轉化率X表示%100物摩爾數(shù)通過催化劑床層的反應反應物反應了的摩爾數(shù)X第36頁/共49頁100B 反應所得目的產(chǎn)物摩

16、爾數(shù)通過催化劑床層后反應了的反應物摩爾數(shù)2. 選擇性: 是指若化學反應在熱力學上有幾個反應方向時，一種催化劑在一定條件下只對其中的一個反應起加速作用的特征，表示為：活性-催化劑對提高產(chǎn)品產(chǎn)量的作用；選擇性-表示催化劑對提高原料利用率的作用；第37頁/共49頁 3. 穩(wěn)定性 定義：催化劑在化學反應過程中保持活性的能力。定義：催化劑在化學反應過程中保持活性的能力。 包括：包括：(1)熱穩(wěn)定性；熱穩(wěn)定性；(2)機械穩(wěn)定性；機械穩(wěn)定性；(3)抗毒穩(wěn)定性?？苟痉€(wěn)定性。影響催化劑壽命的因素主要有：催化劑的老化和中毒。催化劑的老化：是指催化劑在正常工作條件逐步失去活性過程。催化劑的中毒：是指反應物中少量雜質(zhì)

17、使催化活性迅速下降的現(xiàn)象。 老化老化 活性組分的流失、燒結、積炭結焦、機械粉碎等 中毒中毒 對大多數(shù)催化劑，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb第38頁/共49頁四、氣固催化反應動力學l（一）反應過程l氣固催化反應一般經(jīng)歷如下五個步驟：l外擴散過程：反應物從氣相主體到催化劑外表面；l內(nèi)擴散過程：催化劑外表面到微孔內(nèi)顆粒內(nèi)表面吸附反應；l化學動力學控制過程：顆粒內(nèi)表面吸附反應產(chǎn)物離開內(nèi)表面；l內(nèi)擴散：產(chǎn)物微孔到外表面；l外擴散：外表面到氣相主體主氣流微孔固相催化劑粒子示意圖第39頁/共49頁l 吸附過程：反應物在催化劑表面上被吸附；l 表面過程：吸附的反應物在催化劑表面上發(fā)生化學反應（表面

18、反應過程）；l脫附過程：反應產(chǎn)物從催化劑表面上脫附下來。l上述幾步速度最慢（阻力最大）者決定整個過程的總反應濃度，這一步稱為控制步驟 第40頁/共49頁（二）催化劑中的濃度分布氣流主體中的濃度催化劑外表面濃度顆粒中心處的濃度第41頁/共49頁（一）固定床反應器l最主要的氣固相催化反應器優(yōu)點: l流體接近于平推流，返混小，反應速度較快l固定床中催化劑不易磨損，可長期使用l停留時間可嚴格控制，溫度分布可適當調(diào)節(jié)，高選擇性和轉化率缺點:l傳熱差(熱效應大的反應，傳熱和溫控是難點)l催化劑更換需停產(chǎn)進行五、氣固催化反應器及設備第42頁/共49頁l1. 單層絕熱反應器結構簡單，造價低廉，氣流阻力小內(nèi)部溫度分布不均適用于反應熱效應不大的放熱反應，反應過程允許溫度有較寬變動范圍的反應；熱效應較大的，但對反應溫度不很敏感或是反應速率非?？斓倪^程也可適用。 固定床反應器的結構型式主要分為絕熱式和換熱式兩類，以適應不同的傳熱要求和傳熱方式。 第43頁/共49頁l2. 多段絕熱反應器根據(jù)段間反應氣體的冷卻或加熱方式，多段絕熱床又分為中間間接換熱式和冷