大氣污染控制工程課件：7 氣態(tài)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)

1、第七章 氣態(tài)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)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(jì)算3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算4、吸收設(shè)備3一、氣體吸收1、吸收原理4吸收機(jī)理、氣液平衡吸收速率：吸收質(zhì)在單位時(shí)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(dòng)力吸收系數(shù)吸收速率吸收推動(dòng)力吸收阻力用一相主體與界面的濃度差表示推動(dòng)力用一相主體的濃度與其平衡濃度之差表示推動(dòng)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(jì)算：作圖法氣液相平衡時(shí), 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(diǎn)(x, y)斜率為-kx/ky的直線與氣液平衡線的交點(diǎn)yxAIxiyi6一、氣體吸收2、物理吸收傳質(zhì)計(jì)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(gè)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(jì)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(dòng)力8一、氣體吸收2、物理吸收傳質(zhì)計(jì)算吸收劑用量：當(dāng)出塔吸收液濃度X1和進(jìn)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(duì)應(yīng)液氣比為最小液氣比：9一、氣體吸收2、物理吸收傳質(zhì)計(jì)算吸收塔設(shè)計(jì)：（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(shè)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(jì)算吸收塔設(shè)計(jì)：（3）傳質(zhì)單元數(shù)的求?。?對(duì)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(jì)算吸收塔設(shè)計(jì)：（3）傳質(zhì)單元數(shù)的求?。?圖解積分法：12一、氣體吸收3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)對(duì)吸收的影響極慢反應(yīng)水吸收SO2緩慢反應(yīng)Na2CO3吸收CO2 較快反應(yīng) NaOH吸收CO2 瞬時(shí)反應(yīng) 堿液吸收SO2 13一、氣體吸收3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算化學(xué)吸收速率物理吸收時(shí)：化學(xué)吸收時(shí)，由于液相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，傳質(zhì)分系數(shù)和傳質(zhì)推動(dòng)力增大：化學(xué)吸收速率：由于化學(xué)反應(yīng)使吸收速率增強(qiáng)的系數(shù)14一、氣體吸收3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算氣液平衡平衡濃度計(jì)算平衡分壓與平衡溶解度之間的關(guān)系溶于液相的溶質(zhì)量： CA=A物理平衡+A化學(xué)消耗 被吸收組分

5、的氣液平衡關(guān)系取決于相平衡，又服從化學(xué)平衡一般化學(xué)反應(yīng)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(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算氣液平衡一般化學(xué)反應(yīng)亨利定律：A=HApA* 化學(xué)平衡：得到：16一、氣體吸收3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)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(jì)： k1=kHA17k:化學(xué)反應(yīng)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(shí)

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(jìn)口G1,y1氣體出口G2,y2液體進(jìn)口W2,x2液體出口W1,x1dzzx, yW一、氣體吸收3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算SO2化學(xué)吸收計(jì)算18(1) 氣相SO2的物料衡算氣體進(jìn)口G1,y1氣體出口G2,y2液體進(jìn)口W2,x2液體出口W1,x1dzzx, yW一、氣體吸收3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算SO2化學(xué)吸收計(jì)算19(2) 化學(xué)反應(yīng)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(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算SO2化學(xué)吸收計(jì)算(2) 化學(xué)反應(yīng)平衡 一、氣體吸收3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算SO2化學(xué)吸收計(jì)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(shí)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(jì)算SO2的物料平衡 氣體進(jìn)口G1,y1氣體出口G2,y2液體進(jìn)口W2,x2液體出口W1,x1dzzx, yW由塔底隨氣相進(jìn)入的SO2 + z處隨液相進(jìn)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(jìn)入的SO2=W(SO2H2O+HSO3-+SO32-)將化學(xué)平衡關(guān)系SO2H2O=KhspSO2S HSO3-=KhsKs1pSO2s/H+ SO32-=KhsKs1Ks2pSO2s/H+2代入一、氣體吸收3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算SO2化學(xué)吸收計(jì)算23(3) 在塔底（z=ZT）和z之間計(jì)算SO2的物料平衡 一、氣體吸收3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算SO2化學(xué)吸收計(jì)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(guān)系簡化為：24(4) 計(jì)算吸收塔高度 一、氣體吸收3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算SO2化學(xué)吸收計(jì)算 質(zhì)量守恒關(guān)系： 電荷守恒關(guān)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(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算SO2化學(xué)吸收計(jì)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(jì)算填料層高度zT。26一、氣體吸收3、化學(xué)吸收傳質(zhì)計(jì)算SO2化學(xué)吸收計(jì)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(shè)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(jī)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(shè)備和工藝吸收設(shè)備

11、28一、氣體吸收4、吸收設(shè)備和工藝吸收工藝流程除塵在吸收塔前增設(shè)預(yù)洗滌塔，采取將吸收置于預(yù)洗滌塔之上，兩塔合為一體，下段為預(yù)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(yù)冷卻一般將高溫?zé)煔饫鋮s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(yù)洗滌塔(或預(yù)洗滌段)除塵增濕降溫29一、氣體吸收4、吸收設(shè)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(yán)格除塵，控制進(jìn)入吸收系統(tǒng)的塵量 設(shè)備結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)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(shè)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(duì)吸收設(shè)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(shè)備計(jì)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(dá)到平衡時(shí)單位吸附劑上可能吸附的最大吸附量吸附劑的活性動(dòng)活性：吸附床發(fā)生泄漏時(shí)，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(jià)格活性試驗(yàn)：吸附劑的性質(zhì)壽命實(shí)驗(yàn)：使用壽命和脫附性能全面評(píng)估：活性、使用壽命、脫附狀況、價(jià)格、運(yùn)費(fèi)吸附質(zhì)吸附劑分子量大的有機(jī)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(xué)平衡常數(shù)M系統(tǒng)平衡時(shí)的吸附量，kg/m3動(dòng)力學(xué)過程控制：二、氣體吸附42化學(xué)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(duì)上式積分，可得4、吸附工藝與設(shè)備計(jì)算固定床吸附器立式環(huán)式臥式二、氣體吸附43吸附設(shè)備與工藝4、吸附工藝與設(shè)備計(jì)算旋轉(zhuǎn)床吸附器二、氣體吸附44吸附設(shè)備與工藝4、吸附工藝與設(shè)備計(jì)算移動(dòng)床吸附器二、氣體吸附45吸附設(shè)備與工藝4、吸附工藝與設(shè)備

15、計(jì)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(qiáng)烈攪動(dòng)，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(yán)重，排出氣體含有吸附劑粉末，需要加裝除塵設(shè)備二、氣體吸附46吸附設(shè)備與工藝吸附流程與設(shè)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(dòng)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(jí)流動(dòng)床吸附器/厚床吸附器二、氣體吸附474、吸附工藝與設(shè)備計(jì)算吸附設(shè)備與工藝吸附流程要求二、氣體吸附484、吸附工藝與設(shè)備計(jì)算吸附設(shè)備與工藝除霧：活性炭要求氣體相對(duì)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(diǎn)：傳熱效果好缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易在高壓下操作97三、氣體催化凈化固定床反應(yīng)器3、氣固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)列管式反應(yīng)器98三、氣體催化凈化流化床催化反應(yīng)器3、氣固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)自由床流化床內(nèi)除分布板和旋風(fēng)分離器外，沒有其它構(gòu)件床中催化劑被反應(yīng)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(tuán)體顆粒層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行氣團(tuán)相反應(yīng)的裝置。99三、氣體催化凈化流化床催化反應(yīng)器3、氣固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)設(shè)有內(nèi)部構(gòu)件的流化床床內(nèi)設(shè)有換熱管、擋板的流化床應(yīng)用最廣泛，例如丙烯睛合成優(yōu)點(diǎn)：可以使用

17、粒度很小的固體顆粒，有利于消除內(nèi)擴(kuò)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(dāng)大量反應(yīng)熱放出時(shí)，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(shí)進(jìn)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(yīng)器3、氣固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)：氣固接觸嚴(yán)重不均，導(dǎo)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(xì)粉，被氣體夾帶而出，必須設(shè)置除塵裝置；流化床反應(yīng)器的放大遠(yuǎn)較固定床反應(yīng)器困難。調(diào)查核實(shí)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(yīng)熱的大小、反應(yīng)對(duì)溫度的敏感程度、催化劑的活性溫度范圍，

18、選擇反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型根據(jù)催化劑性能及催化反應(yīng)確定預(yù)熱溫度、壓力、空速等反應(yīng)條件及催化劑用量；盡量降低反應(yīng)器阻力反應(yīng)器應(yīng)易于操作，安全可靠結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用低101三、氣體催化凈化3、氣固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)步驟停留時(shí)間：反應(yīng)物通過催化床的時(shí)間對(duì)于薄層床以外的其他固定床反應(yīng)器，簡化為活塞流反應(yīng)器102VR催化劑體積,m3 催化床空隙率,%Q反應(yīng)氣體的實(shí)際體積流量, m3/h 三、氣體催化凈化3、氣固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)103三、氣體催化凈化3、氣固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)空間速度：單位時(shí)間通過單位體積催化床的反應(yīng)物料體積VR催化劑體積

19、,m3qN標(biāo)態(tài)下反應(yīng)氣體體積流量,m3/h接觸時(shí)間：空間速度的倒數(shù)，表征氣體在催化反應(yīng)器中的停留時(shí)間，= 1 / Wsp =VR / qN將催化床作為一個(gè)整體利用實(shí)驗(yàn)或工廠現(xiàn)有裝置所得的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)通過中間實(shí)驗(yàn)確定最佳工藝條件104VR催化劑體積， m3qN標(biāo)態(tài)下反應(yīng)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(yīng)器的設(shè)計(jì)催化劑裝量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算105三、氣體催化凈化3、氣固相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)催化劑裝量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)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(yīng)器的設(shè)計(jì)催化劑裝量的數(shù)學(xué)模型計(jì)算絕熱固定床或反應(yīng)熱效應(yīng)小的催化床，軸向溫差可忽略不計(jì)，以化學(xué)動(dòng)力學(xué)為控制步驟WR催化劑裝量 Q氣體體積流量,m3/h反應(yīng)體系中各種氣體分子