大氣污染控制工程第四章氣態(tài)污染物處理技術(shù)基礎(chǔ)

第四章氣態(tài)污染物處置技術(shù)根底本章要點了解氣態(tài)污染物常用的處置技術(shù)掌握亨利定律、吸收塔的物料衡算和操作線方程了解并掌握傳質(zhì)實際，包括化學(xué)吸收過程的傳質(zhì)速率表達式掌握吸收塔的計算了解吸附等溫線以及穿透曲線等概念掌握熄滅法的原理，了解熄滅法的設(shè)計了解冷凝法的原理、計算及冷凝設(shè)備氣態(tài)污染物處置技術(shù)根底氣體吸收氣體吸附熄滅法冷凝法氣體吸收概念：吸收是氣體混合物中的一種或多種組分溶解于選定的液體吸收劑中〔通常為水溶液〕，或者與吸收劑中的組分發(fā)生選擇性化學(xué)反響，從而將其從氣流中分別出來的操作過程。吸收過程物理吸收——溶解化學(xué)吸收——化學(xué)反響吸收原理物理吸收(見書)吸收過程的氣液平衡亨利定律：p*=Exy*=mxc*=Hp化學(xué)吸收吸收過程滿足相平衡和化學(xué)平衡關(guān)系吸收塔的物料衡算和操作線方程操作線方程〔符號意義見p203〕Gm,1y1+Lm,2x2=Gm,2y2+Lm,1x1Gc,m(Y2–Y1)=Ls,m(X2–X1)操作線和平衡線圖〔見以下圖〕吸收塔的物料衡算和操作線方程由于總的氣體流量〔或液體流量〕在塔頂和塔底是不同的，上面的方程式普通不能進一步簡化。這個方程式在y－x圖〔圖4.3a〕上作圖時，顯現(xiàn)出是曲線。吸收塔的物料衡算和操作線方程上式在X－Y坐標(biāo)〔圖4.3b〕上是直線方程，直線的斜率是Ls,m/Gc,m操作線為直線那么計算更為方便對操作線和平衡線圖的闡明圖4.3的〔a〕和〔b〕分別都劃有平衡線和操作線。每個圖上的操作線上的P點代表組分A在塔的恣意位置上的氣相和液相濃度。在圖4.3a上操作線和平衡線之間的垂直間隔是吸收塔內(nèi)恣意點上的傳質(zhì)推進力。圖上M點指明界面的組成。吸收過程的傳質(zhì)傳質(zhì)的實際——雙膜實際、浸透模型、外表更新模型雙膜實際組分在氣相中的分壓分散方向組分在液相中的濃度界面氣膜邊境液膜邊境氣膜液膜氣相主體PPiCiC雙膜實際氣液相界面兩側(cè)各存在一薄膜，分別為氣膜和液膜，并且膜內(nèi)呈層流被吸收組分從氣相到液相的過程：氣相主體氣膜外表兩相界面經(jīng)過液膜液相主體氣液兩相主體不存在濃度梯度，即傳質(zhì)阻力集中在氣膜和液膜上相界面處沒有任何傳質(zhì)阻力膜的厚度很薄，忽略膜內(nèi)吸收組分的積累。傳質(zhì)速率方程氣膜傳質(zhì)速率為：

其中液膜傳質(zhì)速率為：傳質(zhì)速率方程在氣液相界面上cAi=H?pAi穩(wěn)定吸收過程的總傳質(zhì)速率方程：NA=KG〔pA–pA*)=KL(cA*–cA)總傳質(zhì)系數(shù)和分傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系：

傳質(zhì)系數(shù)總傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系：KG=HKL氣膜阻力和液膜阻力的大小取決于組分A的溶解度系數(shù)H。1)對于易溶氣體，H很大，KGkG，即總阻力近似等于氣膜阻力，這種情況稱為氣膜控制。2)對于難溶氣體，H很小，KLkL，即總阻力近似等于液膜阻力，這種情況稱為液膜控制。3)對于中等溶解度的氣體，氣膜阻力與液膜阻力處于同一數(shù)量級，兩者皆不能忽略。吸收塔填料高度的計算氣相總傳質(zhì)單元高度塔高Z=HOGNOG=液相傳質(zhì)單元塔高Z=HOLNOL=吸收塔填料高度的計算當(dāng)溶質(zhì)氣體組分在氣相或液相中的濃度很低時，總傳質(zhì)單元高度可以表示為HOG=Gc,m/KyaHOL=Gs,m/Kxa傳質(zhì)單元數(shù)的計算傳質(zhì)單元數(shù)的定義為:液相總傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元數(shù)的計算方法1、解析法

S<1：液體量較大，吸收率高，操作線斜率大于平衡線斜率S>1：液體量小，操作線斜率小于平衡線斜率比較經(jīng)濟的數(shù)值是S=0.7～0.8。解析法圖解解析法對于低濃度氣體，操作線和平衡線都為直線，也可用另一種方法求得：2、梯級圖解法

3、圖解積分法在直角坐標(biāo)系中將1/(Y－Ｙ*)與的對應(yīng)關(guān)系進展標(biāo)繪，所得的曲線與Y=Y1、Y=Y2及1/(Y－Ｙ*)=0三條直線之間所包圍的面積，便是積分傳質(zhì)單元高度的計算對于稀溶液，上式簡化為：HG和HL的普通公式如下：

氣體吸收—例題普通的操作原那么是選擇吸收塔的液氣比為1.2~1.6(ＬS/ＧC)min。見P215圖4-7見P215例4-1，4-2伴有化學(xué)反響的氣體吸收化學(xué)吸收過程的傳質(zhì)速率表達式：NA=kL(△CA+δ)=kL′△CA令加強因子=kL′/kL那么NA=kL(cAi-cA)不同反響類型的加強因子表達式〔1〕不可逆瞬時反響

=1+rS分散系數(shù)比r≡DB/D計量濃度比S≡CBL/bCi對加強因子的補充闡明分散系數(shù)比r通常接近于1，且難于人為地改動它；計量濃度比S那可以在很大的范圍內(nèi)改動，而為影響的主要要素。當(dāng)其他條件不變而增大CBL時，那么變大，其極限條件是：當(dāng)CBL達某一臨界濃度CBLc，液相對溶質(zhì)無傳質(zhì)阻力臨界濃度臨界濃度定義當(dāng)CBL進一步增大到比臨界濃度CBLC更大時，由于此時溶質(zhì)A在液相中的傳質(zhì)阻力為零，所以NA不再隨CBL改動當(dāng)反響物在液相主體中的濃度CBL>CBLC時，用CBLC來替代CBL不同反響類型的加強因子表達式〔2〕快速一級或擬一級反響一級反響的加強系數(shù)為對于浸透模型，有當(dāng)大于5時，也有。雙膜模型和浸透模型的結(jié)果一樣。伴有化學(xué)反響的吸收設(shè)備的計算〔1〕填料吸收塔的計算當(dāng)化學(xué)反響速率很快時，液相溶質(zhì)濃度為零。伴有化學(xué)反響的吸收設(shè)備的計算當(dāng)kL’非常大，以致于HkL’kG’那么屬于完全氣膜控制。此時，KGkG，故有：

伴有化學(xué)反響的吸收設(shè)備的計算〔2〕板式吸收塔表示圖塔板由下往上數(shù)yn、yn+1分別為進出第n+1塊塔板的氣相組成xn+1、xn分別為進出第n+1塊塔板的液相組成Xn+1ynyn+1Xn伴有化學(xué)反響的吸收設(shè)備的計算〔2〕板式吸收塔的計算氣相單板效率由于是伴有快速化學(xué)反響的吸收，那么所以有板式吸收塔的計算對于各層塔板，Emv均相等總板效率給定、Emv、N中恣意兩個數(shù)值就可以計算出另一個數(shù)解吸〔脫吸〕氣體吸收過程吸收解吸熱解吸惰性氣流解吸減壓解吸化學(xué)解吸解吸〔脫吸〕解吸操作計算：吸收設(shè)備選擇的根本原那么氣液間傳質(zhì)速率加大MA，可有以下幾種途徑：1〕加大傳質(zhì)推進力△P=PA－PA*2〕添加氣相傳質(zhì)系數(shù)KG3〕添加氣液兩相的有效傳質(zhì)面積A氣體吸附吸附實際幾種常見的吸附劑固定床吸附系統(tǒng)流化床吸附器

吸附實際吸附機理物理吸附：氣體分子和固體間構(gòu)成弱鍵，采用加熱和減壓的方法可進展再生化學(xué)吸附：吸附質(zhì)和吸附劑之間構(gòu)成化學(xué)鍵，化學(xué)吸附極難可逆，不易再生吸附過程〔1〕吸附質(zhì)分子經(jīng)過氣膜分散到吸附劑外外表〔2〕吸附質(zhì)分子在微孔中分散到達內(nèi)外表〔3〕吸附質(zhì)分子被吸附于那外表活性點上〔4〕吸附質(zhì)分子由吸附劑內(nèi)外表向晶格內(nèi)分散〔1〕、〔2〕階段分別成為外分散和內(nèi)分散〔3〕、〔4〕階段統(tǒng)稱為動力學(xué)過程吸附過程表示圖通常氣相吸附質(zhì)濃度高，過程受固相控制；氣相吸附質(zhì)濃度低，過程受氣膜控制吸附平衡氣固兩相長時間接觸，吸附與脫附到達動態(tài)平衡吸附等溫線在一定溫度下，吸附量與吸附質(zhì)平衡分壓之間的關(guān)系曲線被稱為吸附等溫線吸附等溫線有五種根本類型〔見以下圖〕根本吸附等溫線〔1〕型：Langmuir等溫吸附〔2〕、〔3〕型：多分子層吸附〔4〕、〔5〕型：多分子層吸附，并且吸附質(zhì)在吸附劑微孔和毛細(xì)管中凝結(jié)吸附等溫線Langmuir吸附等溫線方程兩個假設(shè)：1)吸附相是單分子層的；2)到達平衡時，吸附速率與脫附速率一樣。Freudlich吸附等溫線方程吸附等溫線的實驗測定兩種方法：靜態(tài)和動態(tài)常用的方法：將一只裝有少量〔約數(shù)毫克〕吸附劑的小吊籃放進常溫暖恒定吸附質(zhì)分壓的密閉玻璃柱中，吊籃用精細(xì)的彈簧掛起。用惰性氣體〔如氦氣，有時用氮氣〕來稀釋吸附質(zhì)氣體。隨著吸附的進展，吊籃中吸附質(zhì)的分量不斷添加，彈簧被拉長。根據(jù)虎克定律，彈簧伸長的長度與吊籃中物質(zhì)的分量成線性關(guān)系。延續(xù)地記錄下吸附質(zhì)的濃度和吊籃的分量，直到吊籃的分量不再添加時，吸附劑的飽和吸附容量到達此法所提供的數(shù)據(jù)非?？煽浚馁M的時間太長。吸附勢吸附勢定義為一摩爾的〔有機〕蒸汽在吸附溫度T下從平衡分壓P緊縮到飽和蒸汽壓Pv時的自在能變化值。吸附劑與吸附質(zhì)的親和力系數(shù)

普通為苯其中吸附實際吸附其他吸附質(zhì)上的相關(guān)計算采用親和力系數(shù)，可以將吸附劑吸附一種吸附質(zhì)的平衡數(shù)據(jù)推行到吸附其他吸附質(zhì)上去吸附劑吸附劑的特性1〕比外表積：單位質(zhì)量吸附劑所具的總外表積

式中：as——吸附劑比外表積〔m2/g〕at——吸附劑的總外表積〔m2〕m——吸附劑的質(zhì)量〔g〕吸附劑吸附劑的特性2〕孔半徑：通常用孔半徑來表示微孔大小大孔〔r＝0.1～1.0μm〕：吸附液體分子較有效中孔〔r＝0.002～0.1μm〕：吸附蒸氣分子較有效小孔〔r<0.002μm〕：吸附氣體分子較有效吸附劑吸附劑的特性3〕孔隙率：吸附劑內(nèi)部微孔的容積與吸附劑個體體積之比

式中：Vh——吸附劑內(nèi)部微孔的總?cè)莘e〔m3〕Vs——吸附劑個體的體積〔m3〕吸附劑吸附劑的特性4〕飽和吸附量：飽和形狀下，單位質(zhì)量吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的質(zhì)量，又稱為靜活性

不同吸附劑在不同條件下，對不同吸附質(zhì)的飽和吸附量不同常用吸附劑活性炭活性氧化鋁硅膠人工沸石硅藻土吸附劑的物理性質(zhì)組分內(nèi)部空隙率，%表面空隙率，%堆積密度，kg/m3比表面積，m2/g酸處理粘土3040560－880100－300活性氧化鋁/活性鐵礬土30－4040－50720－880200－300硅酸鋁分子篩45－5535660－700600－700骨炭50－5518－20640100碳55－7535－40160－480600－1400漂白土50－5540480－640130－250氧化鐵2237144020氧化鎂7545400200硅膠7040400320固定床吸附系統(tǒng)上圖表示了固定床從最初的吸附到最終被吸附質(zhì)穿透三個不同時期的情況固定床吸附系統(tǒng)——穿透曲線C0Cs進氣濃度排放規(guī)范出氣濃度穿透曲線穿透點時間t1t2tBt3吸附器內(nèi)的變化與穿透曲線固定床吸附系統(tǒng)固定床床層的壓力損失應(yīng)實測，在缺乏實測數(shù)據(jù)的情況下，床層壓降由下式估算固定床吸附系統(tǒng)吸附劑再生對大多數(shù)處置的溶劑廢氣來說，蒸汽再生要比惰性氣體再生更有效。變壓吸附通常用在工藝廢氣具有一定壓力的情況下。而對常規(guī)的常壓處置廢氣時往往是不經(jīng)濟的。用低壓蒸汽再生用高溫惰性氣體再生將整個吸附器減壓再生蒸汽的總耗費量D加熱蒸汽耗費量D1：普通來說，加熱蒸汽全部冷凝在吸附器中。動力蒸汽耗費量D2；此蒸汽耗費量普通用實驗方法得到，與被吹脫的溶劑性質(zhì)有關(guān)。在缺乏實驗數(shù)據(jù)時，可取2.5kg/kg溶劑。用以補償活性炭被水潤濕時的潤濕熱的蒸汽耗費量D3：普通取飽和水蒸氣在吸附器內(nèi)壓力下的冷凝熱與該溫度下活性炭吸附水蒸氣的吸附熱之差。平安性思索絕大多數(shù)的工業(yè)溶劑都是可燃的，其爆炸極限下限的〔LEL〕范圍在體積百分比1～2%。有關(guān)平安規(guī)范要求廢氣處置設(shè)備的進口廢氣濃度不能超越LEL的25%。床層自燃原因1〕污染物的積累，放熱反響使得部分到達自燃溫度。措施是在床層中注水或充惰性氣體2〕靜電積累。措施是防止產(chǎn)生靜電，對已產(chǎn)生的靜電應(yīng)盡快走漏或中和固定床吸附系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計者應(yīng)該掌握如下信息：(1〕處置系統(tǒng)的目的；(2)溶劑的類型，溶劑的價錢，決議溶劑能否要回用；(3)操作系統(tǒng)的類型，操作方法〔延續(xù)、間歇或其它〕；(4)氣流的組成、溫度、壓力和濕度；(5)處置氣量；(6)可供的冷卻水水量、壓力和溫度；(7)可供的電力容量；(8)可供的再生蒸汽量、壓力。固定床吸附系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計者應(yīng)向購買者提供的內(nèi)容有：(1)系統(tǒng)詳細(xì)的操作內(nèi)容；(2)設(shè)備的資料；(3)循環(huán)周期〔吸附、再生等〕；(4)設(shè)備的操作條件〔適宜的氣體流量范圍、廢氣濃度范圍、以及允許操作壓力和溫度等〕；(5)吸附器的尺寸；(6)活性炭的特性〔由消費廠商提供〕；(7)溶劑的回收率；(8)所需的安裝位置尺寸〔平面布置圖〕；(9)系統(tǒng)設(shè)備的總分量〔操作分量〕；(10)電力配備要求；(11)蒸汽需求；(12)冷卻水需求；(13)自控儀表所需的緊縮空氣量；(14)儀器、儀表的成套性闡明；(15)所需的費用及交貨期；(16)污染控制的保證闡明。固定床吸附系統(tǒng)操作的經(jīng)濟性固定床吸附系統(tǒng)的經(jīng)濟性包括的投資費用及運轉(zhuǎn)費用運用者往往需思索的是設(shè)備的運轉(zhuǎn)費用假設(shè)溶劑濃度很高，且廢氣溫度又不高〔低于40℃〕，用吸附法回收是可行的選擇何種方法處置廢氣，應(yīng)根據(jù)詳細(xì)情況分析，主要還是在于需求一定的設(shè)計閱歷流化床吸附器優(yōu)點：1〕氣固接觸好2〕無需循環(huán)加熱要求：吸附劑的硬度要高，耐磨擦熄滅法主要用于治理VOCs優(yōu)點：高效缺陷：費用高，易產(chǎn)生二次污染熄滅實際氧化化學(xué)熄滅反響模型：速率方程熄滅實際三T的關(guān)系三T是指溫度、時間和擾動，與三個特征時間有關(guān)：化學(xué)時間、停留時間和混合時間熄滅實際VOC動力學(xué)的預(yù)測方法一〔簡單〕T99。9＝594－12.2W1＋117.0W2＋71.6W3＋80.2W4＋0.592W5－20.2W6－420.3W7＋87.1W8－66.8W9－62.8W10－75.3W11T99＝577－10.0W1＋110.2W2＋67.1W3＋72.6W4＋0.586W5－23.4W6－430.9W7＋85.2W8－82.9W9－65.5W10－76.1W11各種有機物質(zhì)在空氣中的自燃溫度物質(zhì)名稱自燃溫度，℃自燃溫度，℉物質(zhì)名稱自燃溫度，℃自燃溫度，℉丙酮5381000二氯乙烷413775丙烯醛234453氫5801076丙烯腈481898氫氰酸5381000氨6491200硫化氫260500苯5791075異丁烷510950異丁烷480896甲烷5379991-丁烯384723甲醇470878異丁醇367693氯甲烷6321170一氧化碳6521205丁酮515960氯苯6741245苯酚7151319環(huán)己胺268514丙烷466871乙烷530986丙烯455851乙醇426799苯乙烯491915乙酸乙酯486907甲苯5521026乙苯466870氯乙烯472882氯乙烷518965二甲苯496924乙烯450842熄滅實際方法二〔復(fù)雜〕940～1140K溫度范圍內(nèi)速度常數(shù)kk＝Aexp(－E/RT〕碳?xì)浠衔锏膬艋剩?－Cout/Cin＝1－exp(－kr)該方法得出動力學(xué)常數(shù)，因此還可用于非等溫熄滅室的設(shè)計熄滅實際熄滅法設(shè)計〔1〕爆炸極限的思索〔見下頁圖〕〔2〕物料和能量平衡0＝MG＋MPA＋MBA－ME〔3〕設(shè)備尺寸確實定〔4〕思索熱回收〔5〕緊急火炬系統(tǒng)不同有機物在空氣中的爆炸極限下限值(LELs)有機物名稱LEL，空氣中的體積%有機物名稱LEL，空氣中的體積%丙酮2.15異丁烷1.8苯1.4異丙基乙醇2.5正丁烷1.9甲烷5.0正丁醇1.7甲醇6.0環(huán)己胺1.3醋酸甲酯4.1乙烷3.2丁酮1.8乙醇3.3丙烷2.4乙酸乙酯2.2甲苯1.3庚烷1.0二甲苯1.0乙烷1.3熱回收由于燃料的價錢較高，故希望從熄滅爐里回收熱量回收熄滅爐排氣能量的一個很普遍的方法是安裝一臺熱交換器熱回收方案必需求滿足經(jīng)濟性要求，熱交換器的費用可經(jīng)過能量的回收而得以回收(節(jié)省的燃料費用要高于風(fēng)機功率添加的費用)熄滅爐的熱回收方式熄滅爐的熱回收方式熄滅爐的熱回收方式熄滅爐的熱回收方式火炬