大氣污染控制工程課件：7 氣態(tài)污染物控制技術基礎

1、第七章 氣態(tài)污染物控制技術基礎氣體吸收氣體吸附氣體的催化凈化本章主要內(nèi)容21、吸收原理2、物理吸收傳質(zhì)計算3、化學吸收傳質(zhì)計算4、吸收設備3一、氣體吸收1、吸收原理4吸收機理、氣液平衡吸收速率：吸收質(zhì)在單位時間內(nèi)通過單位面積界面而被吸收劑吸收的量一、氣體吸收吸收速率吸收推動力吸收系數(shù)吸收速率吸收推動力吸收阻力用一相主體與界面的濃度差表示推動力用一相主體的濃度與其平衡濃度之差表示推動力氣膜控制(易溶氣體)液膜控制(難溶氣體)氣、液膜控制 1. 水或氨水吸收氨 2. 濃硫酸吸收三氧化硫 3. 水或稀鹽酸吸收氯化氫 4. 酸吸收5%氨 5. 堿或氨水吸收二氧化硫 6. 氫氧化鈉溶液吸收硫化氫 7.

2、液體的蒸發(fā)或冷凝1. 水或弱堿吸收二氧化碳2. 水吸收氧氣3. 水吸收氯氣 1. 水吸收二氧化碳2. 水吸收丙酮3. 濃硫酸吸收二氧化氮4. 堿吸收硫化氫吸收過程的控制步驟一、氣體吸收1、吸收原理吸收速率：5一、氣體吸收1、吸收原理界面濃度的計算：作圖法氣液相平衡時, 氣液界面兩側(cè)氣相傳質(zhì)速率與液相傳質(zhì)速率相等界面濃度(xi, yi)就是通過點(x, y)斜率為-kx/ky的直線與氣液平衡線的交點yxAIxiyi6一、氣體吸收2、物理吸收傳質(zhì)計算吸收操作線方程：塔內(nèi)任一截面上氣液兩相組成:在吸收塔任何斷面上，氣相中污染物減少的量等于液相中增加的量在整個吸收過程中，吸收劑和混合氣體中惰性成分的總

3、量不變物料恒算：7一、氣體吸收2、物理吸收傳質(zhì)計算吸收操作線方程：逆流吸收塔的操作線并流吸收塔的操作線是怎樣的？吸收推動力8一、氣體吸收2、物理吸收傳質(zhì)計算吸收劑用量：當出塔吸收液濃度X1和進塔氣相中吸收質(zhì)濃度Y1成平衡，X1 =X1*吸收液的吸收能力得到充分發(fā)揮 ，對應液氣比為最小液氣比：9一、氣體吸收2、物理吸收傳質(zhì)計算吸收塔設計：（1）吸收塔的塔徑：根據(jù)空塔氣速確定（2）吸收塔的塔高：Hy氣相總傳質(zhì)單元高度，反映了吸收設備傳質(zhì)效能的高低Ny氣相總傳質(zhì)單元數(shù)，反映了吸收過程的難易程度10一、氣體吸收2、物理吸收傳質(zhì)計算吸收塔設計：（3）傳質(zhì)單元數(shù)的求?。?對數(shù)平均法：在相平衡線近似為直線的

4、情況下，YXABY=Y-Y*Y1Y211一、氣體吸收2、物理吸收傳質(zhì)計算吸收塔設計：（3）傳質(zhì)單元數(shù)的求?。?圖解積分法：12一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算化學反應對吸收的影響極慢反應水吸收SO2緩慢反應Na2CO3吸收CO2 較快反應 NaOH吸收CO2 瞬時反應 堿液吸收SO2 13一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算化學吸收速率物理吸收時：化學吸收時，由于液相發(fā)生化學反應，傳質(zhì)分系數(shù)和傳質(zhì)推動力增大：化學吸收速率：由于化學反應使吸收速率增強的系數(shù)14一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算氣液平衡平衡濃度計算平衡分壓與平衡溶解度之間的關系溶于液相的溶質(zhì)量： CA=A物理平衡+A化學消耗 被吸收組分

5、的氣液平衡關系取決于相平衡，又服從化學平衡一般化學反應被吸收組分與溶劑相互作用被吸收組分在溶液中離解被吸收組分與溶劑中活性組分作用 15一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算氣液平衡一般化學反應亨利定律：A=HApA* 化學平衡：得到：16一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算氣液平衡被吸收組分A與溶劑B的相互作用：水吸收氨 被吸收組分A在溶液中解離：水吸收CO2、SO2被吸收組分A與溶劑中活性組分B作用：若物理溶解量可忽略不計： k1=kHA17k:化學反應平衡常數(shù)主要參數(shù)G1 、 G2入塔、出塔氣體的總摩爾流率，kmol/(m2h)y1、y2入塔、出塔氣體的SO2摩爾分率pH1漿液的初始pH值W單位時

6、間通過塔任一截面單位面積的吸收劑體積流率，m3/m2h氣體進口G1,y1氣體出口G2,y2液體進口W2,x2液體出口W1,x1dzzx, yW一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算SO2化學吸收計算18(1) 氣相SO2的物料衡算氣體進口G1,y1氣體出口G2,y2液體進口W2,x2液體出口W1,x1dzzx, yW一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算SO2化學吸收計算19(2) 化學反應平衡 20水吸收SO2的平衡常數(shù)一、氣體吸收SO2溶于水形成的各種物質(zhì)濃度(pSO2S為液體上方SO2分壓) SO2H2O=KhspSO2SHSO3-=KhsKs1pSO2s/H+SO32-=KhsKs1Ks2pSO2

7、s/H+23、化學吸收傳質(zhì)計算SO2化學吸收計算(2) 化學反應平衡 一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算SO2化學吸收計算如吸收劑中活性組分為堿MOH，離解： MOH=M+1+OH-1水的離解平衡常數(shù)： KW =OH-1H+1任意時間溶液的電荷守恒： 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之間計算SO2的物料平衡 氣體進口G1,y1氣體出口G2,y2液體進口W2,x2液體出口W1,x1dzzx, yW由塔底隨氣相進入的SO2 + z處隨液相進入的SO2 =塔

8、底隨液相流出的SO2+ z處隨氣相流出的SO2z處隨氣相流出的SO2=G1(1-y1)y/(1-y)塔底隨液相流出的SO2=G1y1-G1(1-y1)y2/(1-y2)z處隨液相進入的SO2=W(SO2H2O+HSO3-+SO32-)將化學平衡關系SO2H2O=KhspSO2S HSO3-=KhsKs1pSO2s/H+ SO32-=KhsKs1Ks2pSO2s/H+2代入一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算SO2化學吸收計算23(3) 在塔底（z=ZT）和z之間計算SO2的物料平衡 一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算SO2化學吸收計算得到：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) 則質(zhì)量守恒關系簡化為：24(4) 計算吸收塔高度 一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算SO2化學吸收計算 質(zhì)量守恒關系： 電荷守恒關系： 兩式聯(lián)立，得： 積分即可得塔高：上式又可寫為： 邊界條件：25一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算SO2化學吸收計算y1=0.2，y2=0.01，pH1=11，氣體摩爾流量在0.0060.015kmol/(m2s)之間變化，水的體積流量為2030

10、m3/(m2h)。利用例7-1的吸收系數(shù)方程式計算填料層高度zT。26一、氣體吸收3、化學吸收傳質(zhì)計算SO2化學吸收計算不同氣體流量下填料層高度隨漿液初始pH的變化27一、氣體吸收4、吸收設備和工藝吸收劑的選擇常見氣態(tài)污染物與適宜的吸收劑污染物適宜的吸收劑污染物適宜的吸收劑氯化氫水、氫氧化鈣氨水、硫酸、硝酸氟化氫水、碳酸鈉苯酚氫氧化鈉二氧化硫氫氧化鈉、亞硫酸鈉、氫氧化鈣、碳酸鈣有機酸氫氧化鈉硫化氫二乙醇胺、氨水、碳酸鈉硫醇次氯酸鈉氯氣氫氧化鈉、亞硫酸鈉(a)填料塔；(b)板式塔；(c)降膜塔；(d)噴霧塔；(e)鼓泡塔；(f)攪拌鼓泡塔；(g)文丘里洗滌器一、氣體吸收4、吸收設備和工藝吸收設備

11、28一、氣體吸收4、吸收設備和工藝吸收工藝流程除塵在吸收塔前增設預洗滌塔，采取將吸收置于預洗滌塔之上，兩塔合為一體，下段為預洗段，上段為吸收段采用文丘里類型的洗滌器，既除塵，又吸收氣態(tài)污染物 煙氣的預冷卻一般將高溫煙氣冷卻到333K 左右冷卻煙氣的方法：在低溫省煤器中間接冷卻、直接增濕冷卻、用預洗滌塔(或預洗滌段)除塵增濕降溫29一、氣體吸收4、吸收設備和工藝吸收工藝流程結(jié)垢和堵塞控制溶液或料漿中水分的蒸發(fā)量控制溶液pH值控制溶液中易于結(jié)晶物質(zhì)不要過飽和保持溶液有一定的晶種嚴格除塵，控制進入吸收系統(tǒng)的塵量 設備結(jié)構(gòu)上設計或選擇不易結(jié)垢和堵塞的吸收器 30一、氣體吸收4、吸收設備和工藝吸收工藝流

12、程除霧霧氣中所含液滴的直徑主要在1060m之間，工藝上要對吸收設備提出除霧的要求氣體再加熱煙氣在洗滌中被冷卻增濕，如果排入大氣后，在一定的氣象條件下，將發(fā)生“白煙”白煙沒有充分稀釋之前如果回到地面，容易出現(xiàn)較高濃度的污染防止發(fā)生白煙的措施？31氣體吸收氣體吸附氣體的催化凈化本章主要內(nèi)容321、吸附原理2、吸附劑3、吸附速率4、吸附工藝與設備計算二、氣體吸附33常見吸附劑的性能二、氣體吸附342、吸附劑靜活性：在一定溫度下，與氣體中吸附質(zhì)的初始濃度達到平衡時單位吸附劑上可能吸附的最大吸附量吸附劑的活性動活性：吸附床發(fā)生泄漏時，單位質(zhì)量吸附劑的平均吸附量二、氣體吸附352、吸附劑初選：吸附質(zhì)極性、

13、分子大小、氣體濃度、凈化要求吸附劑可獲得性、價格活性試驗：吸附劑的性質(zhì)壽命實驗：使用壽命和脫附性能全面評估：活性、使用壽命、脫附狀況、價格、運費吸附質(zhì)吸附劑分子量大的有機物/非極性分子極性分子大分子物質(zhì)小分子物質(zhì)活性炭分子篩/硅膠/活性氧化鋁大孔徑的活性炭和硅膠分子篩二、氣體吸附36吸附劑的選擇2、吸附劑加熱、降壓、置換、溶劑萃取再生劑：水蒸汽、空氣適合用水蒸汽再生的吸附質(zhì)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鹵化合物庚烷己烷脂族烴芳族烴異丙醇酮類醋酸乙酯乙醇二氯化乙烯氟代烴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氫呋喃二、氣體吸附37吸附劑

14、的再生2、吸附劑3、吸附速率吸附過程二、氣體吸附38物理吸附速率方程二、氣體吸附393、吸附速率二、氣體吸附40物理吸附速率方程3、吸附速率二、氣體吸附41物理吸附速率方程3、吸附速率式中： K化學平衡常數(shù)M系統(tǒng)平衡時的吸附量，kg/m3動力學過程控制：二、氣體吸附42化學吸附速率方程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常數(shù)對上式積分，可得4、吸附工藝與設備計算固定床吸附器立式環(huán)式臥式二、氣體吸附43吸附設備與工藝4、吸附工藝與設備計算旋轉(zhuǎn)床吸附器二、氣體吸附44吸附設備與工藝4、吸附工藝與設備計算移動床吸附器二、氣體吸附45吸附設備與工藝4、吸附工藝與設備

15、計算流化床吸附器分置在篩孔板上的吸附劑顆粒，在高速含污染物氣體的作用下，強烈攪動，上下浮沉，保持懸浮的流化狀態(tài)。氣體流速是固定床的34倍傳熱傳質(zhì)速率快，溫度均勻適于連續(xù)性、大氣量的污染源吸附劑磨損嚴重，排出氣體含有吸附劑粉末，需要加裝除塵設備二、氣體吸附46吸附設備與工藝吸附流程與設備選擇氣態(tài)污染物的排放特征：連續(xù)/間歇排氣量大?。捍罅骰?移動床小旋轉(zhuǎn)床/薄層床允許的壓力損失：大流化床/厚層固定床小旋轉(zhuǎn)床/薄層床凈化要求：高多級流動床吸附器/厚床吸附器二、氣體吸附474、吸附工藝與設備計算吸附設備與工藝吸附流程要求二、氣體吸附484、吸附工藝與設備計算吸附設備與工藝除霧：活性炭要求氣體相對濕

16、度15mm。催化劑的顆粒直徑不得超過管內(nèi)徑的1/8，一般為26 mm的顆粒。優(yōu)點：傳熱效果好缺點：結(jié)構(gòu)比較復雜，不易在高壓下操作97三、氣體催化凈化固定床反應器3、氣固相催化反應器的設計列管式反應器98三、氣體催化凈化流化床催化反應器3、氣固相催化反應器的設計自由床流化床內(nèi)除分布板和旋風分離器外，沒有其它構(gòu)件床中催化劑被反應氣體密相流化，例如乙炔與醋酸生成醋酸乙烯利用氣體自下而上通過團體顆粒層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態(tài)，并進行氣團相反應的裝置。99三、氣體催化凈化流化床催化反應器3、氣固相催化反應器的設計設有內(nèi)部構(gòu)件的流化床床內(nèi)設有換熱管、擋板的流化床應用最廣泛，例如丙烯睛合成優(yōu)點：可以使用

17、粒度很小的固體顆粒，有利于消除內(nèi)擴散阻力，充分發(fā)揮催化劑表面利用率；傳熱系數(shù)比固定床大得多，當大量反應熱放出時，能夠很快傳出；在催化劑必須定期再生，特別是催化劑活性消失很快而需及時進行再生的情況下，具有優(yōu)越性。100三、氣體催化凈化流化床催化反應器3、氣固相催化反應器的設計缺點：氣固接觸嚴重不均，導致轉(zhuǎn)化率低；固體顆粒間以及顆粒和器壁間的磨損產(chǎn)生大量細粉，被氣體夾帶而出，必須設置除塵裝置；流化床反應器的放大遠較固定床反應器困難。調(diào)查核實所處理廢氣的組成、濃度、溫度、濕度、含氧量、含塵量等，特別要注意引起催化劑中毒物質(zhì)的含量選擇催化劑根據(jù)反應熱的大小、反應對溫度的敏感程度、催化劑的活性溫度范圍，

18、選擇反應器的結(jié)構(gòu)類型根據(jù)催化劑性能及催化反應確定預熱溫度、壓力、空速等反應條件及催化劑用量；盡量降低反應器阻力反應器應易于操作，安全可靠結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，運行與維護費用低101三、氣體催化凈化3、氣固相催化反應器的設計催化反應器的設計步驟停留時間：反應物通過催化床的時間對于薄層床以外的其他固定床反應器，簡化為活塞流反應器102VR催化劑體積,m3 催化床空隙率,%Q反應氣體的實際體積流量, m3/h 三、氣體催化凈化3、氣固相催化反應器的設計催化反應器的設計基礎103三、氣體催化凈化3、氣固相催化反應器的設計催化反應器的設計基礎空間速度：單位時間通過單位體積催化床的反應物料體積VR催化劑體積

19、,m3qN標態(tài)下反應氣體體積流量,m3/h接觸時間：空間速度的倒數(shù)，表征氣體在催化反應器中的停留時間，= 1 / Wsp =VR / qN將催化床作為一個整體利用實驗或工廠現(xiàn)有裝置所得的經(jīng)驗參數(shù)設計通過中間實驗確定最佳工藝條件104VR催化劑體積， m3qN標態(tài)下反應氣體體積流量，m3/hWSP空間速度，1/h 催化劑裝量三、氣體催化凈化3、氣固相催化反應器的設計催化劑裝量的經(jīng)驗計算105三、氣體催化凈化3、氣固相催化反應器的設計催化劑裝量的經(jīng)驗計算催化床層高 其中空隙率 s，p-催化堆積密度與顆粒密度，kg/m3106三、氣體催化凈化3、氣固相催化反應器的設計催化劑裝量的數(shù)學模型計算絕熱固定床或反應熱效應小的催化床，軸向溫差可忽略不計，以化學動力學為控制步驟WR催化劑裝量 Q氣體體積流量,m3/h反應體系中各種氣體分子