气态污染物控制技术基础课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章,气态污染物控制技术基础,第七章,7.1,气体扩散,7.2,气体吸收,7.3,气体吸附,7.4,气体催化净化,7.1 气体扩散,2,7.1 气体扩散,气体扩散过程包括,分子扩散,和,湍流扩散,，总称为,对流扩散,；,物质在静止的或垂直于浓度梯度方向作层流流动的流体中传递，是由分子运动引起的，称为分子扩散；,物质在湍流流体中的传递，主要由于流体中质点的运动而引起的，称为湍流扩散；,扩散将会导致气体从浓度较高的区域转移到浓度较低的区域。,7.1 气体扩散,7.1.1 气体在气相中的扩散,常用,扩散系数,来表征气体扩散的能力。扩散系数是物质的特性常数之一，同一物质的扩散系数随介质的种类、温度、压强及浓度的不同而变化。,1）气体A在气体B中的扩散系数,3,3,2,5,.,0,2,5,.,0,5,.,0,5,.,0,4,/,g,/,/,cm,1,1,10,8,.,1,cm,mol,cm,V,M,s,D,K,T,M,M,M,V,V,T,D,A,AB,B,A,A,A,B,A,AB,气体密度，,的摩尔体积，,气体在沸点下呈液态时,气体的摩尔质量,扩散系数，,绝对温度，,-,-,-,-,-,+,+,=,-,7.1.1 气体在气相中的扩散3325.025.05.0,2）液体A在气体B中的扩散系数,(,),s,t,L,L,p,p,cm,L,cm,L,cm,g,A,t,L,L,M,p,p,P,RT,D,B,B,A,A,A,B,B,AB,变化时间，,时空气分压,、,分别为,、,液体的最终高度，,液体的初始高度，,的密度，,液体,-,-,-,-,-,-,=,2,1,2,1,2,1,3,1,1,1,2,2,1,2,1,/,2,/,ln,r,r,2）液体A在气体B中的扩散系数()stLLppcmLcmLc,7.1.2 气体在液相中的扩散,气体在液体中的扩散系数随溶液浓度变化很大，下面给出适于气体在较稀溶液中扩散系数的计算公式：,(,),6,.,0,5,.,0,10,10,4,.,7,A,B,B,AB,V,T,M,D,m,b,-,=,7.1.2 气体在液相中的扩散()6.05.010104.7,7.2 气体吸收,7.2.1 吸收机理,7.2.1.1 双膜模型,假定:,界面两侧存在气膜和液膜,膜内为层流,传质阻力只在膜内,气膜和液膜外湍流流动,无浓度梯度,即无扩散阻力,气液界面上,气液达溶解平衡 即:,C,A,i,=,HP,A,i,膜内无物质积累,即达稳态.,7.2 气体吸收7.2.1 吸收机理 7.2.1.,7.2.1.2 渗透模型,假定:,流体微元,气液界面,液体主相,气液界面上的液体微元不断被液相主体中浓度为,C,AL,的微元置换,每个微表面元与气体接触时间都为,界面上微表面元在暴露时间,内的吸收速率是变化的,7.2.1.2 渗透模型流体微元气液界面液体主相气液界面上的,7.2.1.3 表面更新模型,假定:,各表面微元具有不同的暴露时间,t,=0-,各表面元的暴露时间(龄期)符合正态分布,其它模型,表面更新模型的修正,基于流体力学的传质模型,界面效应模型,7.2.1.3 表面更新模型假定:其它模型,7.2.2 双膜理论,双膜模型,气相分传质速率,液相分传质速率,总传质速率方程,x,AL,7.2.2 双膜理论双膜模型xAL,7.2.3 气液平衡,1）气液平衡关系式,2）吸收系数,3）界面浓度,7.2.4 物理吸收,1）吸收操作线方程,2）吸收剂用量与液气比,3）填料层高度计算,7.2.5 化学吸收,1）化学反应对吸收的影响,2）化学吸收的气液平衡,3）伴有化学反应的吸收速率,4）SO,2,的化学吸收,7.2.3 气液平衡,吸收工艺,吸收工艺,7.3 气体吸附,气体吸附,是用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中一种或数种组分浓集于固体表面，与气体组分分离的过程。,吸附过程能有效脱除一般方法难于分离的低浓度有害物质，具有净化效率高、可回收有用组分、设备简单、易实现自动化控制等优点，其缺点是吸附容量较小、设备体积大。,根据吸附剂表面与吸附质之间作用力的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附。,7.3 气体吸附,7.3.1 物理吸附,物理吸附,是由于分子间范德华力引起的，可以是单层吸附或多层吸附。其吸附特征有：,1）吸附质与吸附剂之间不发生化学反应；,2）吸附过程极快，参与吸附的各相间常常瞬间即达平衡；,3）吸附为放热反应；,4）吸附剂与吸附质之间的吸附力不强，当气体中吸附质分压较低或温度升高时，被吸附的气体易于从固体表面逸出，而不改变气体原来性质。,7.3.1 物理吸附,7.3.2 化学吸附,化学吸附,是由于吸附剂与吸附质之间的化学键力而引起的，是单层吸附，吸附需要一定的活化能。化学吸附的吸附力较强，其主要特征如下：,1）吸附有很强的选择性；,2）吸附速率较慢，达到吸附平衡需相当长的时间；,3）升高温度可以提高吸附速率。,7.3.2 化学吸附,物理吸附和化学吸附关系,同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附,若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附,物理吸附和化学吸附关系同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附,7.3.3 吸附剂,7.3.3.1 吸附剂的性质,吸附剂必须具备的条件：,1）要具有巨大的内表面；,2）对不同气体具有选择性的吸附作用；,3）较高的机械强度、化学与热稳定性；,4）吸附容量大；,5）来源广泛、造价低廉；,6）良好的再生性能。,7.3.3 吸附剂,常用吸附剂特性,吸附剂类型,活性炭,活性氧化铝,硅胶,沸石分子筛,4A,5A,13x,堆积密度/kgm,-3,200600,7501000,800,800,800,800,热容/kJ(kgK),-1,0.8361.254,0.8361.045,0.92,0.794,0.794,操作温度上限/K,423,773,673,873,873,873,平均孔径/,1525,1848,22,4,5,13,再生温度/K,373413,473523,393423,473573,473573,473573,比表面积/g,-1,6001600,210360,600,常用吸附剂特性吸附剂类型活性炭活性氧化铝硅胶沸石分子筛4A5,7.3.3.2 常用的工业吸附剂,1）白土；,2）活性氧化铝；,3）硅胶；,4）活性炭；,5）沸石分子筛,7.3.3.2 常用的工业吸附剂,7.3.3.3 影响气体吸附的因素,操作条件,包括温度、气体压力和气流速度等操作条件。,吸附剂的性质,吸附剂比表面积的计算公式：,吸附质的性质与浓度,吸附剂的活性,7.3.3.3 影响气体吸附的因素,7.3.3.4 吸附剂的再生,加热再生,降压或真空解析,置换再生,溶剂萃取,7.3.3.4 吸附剂的再生,7.3.4 吸附机理,7.3.4.1 吸附平衡,平衡吸附量：吸附剂对吸附质的极限吸附量；,吸附等温线：吸附达平衡后，吸附质在气、固两相中的,浓度关系:,1）Freundlich方程式,2）Langmuir方程式,7.3.4 吸附机理,3）BET方程式,7.3.4.2 吸附速率,1）吸附速率理论公式,外扩散速率,3）BET方程式,内扩散速率,总吸附速率方程式,2）活性炭吸附速率计算公式,内扩散速率,7.3.5 吸附工艺与设备计算,7.3.5.1 吸附工艺及设备,固定床吸附流程,移动床吸附流程,流化床吸附流程,7.3.5 吸附工艺与设备计算,7.3.5.2 固定床吸附器计算方法,固定床吸附器内的浓度分布,保护作用时间,（穿透时间）、,穿透曲线,保护作用时间的确定,吸附区长度的确定,吸附床的饱和度,通过吸附器的压力损失,7.3.5.2 固定床吸附器计算方法,7.3.5.2 固定床吸附器计算方法,固定床吸附器内的浓度分布,保护作用时间,L实际曲线与理论曲线的比较,1理论线2实际曲线,（假定吸附层完全饱和）,b,0,L,v,ar,t,r,=,（假定吸附层完全饱和）,b,0,L,v,ar,t,r,=,a,静活度，,S,吸附层截面积,m,2,L,吸附层厚度,m,吸附剂堆积密度，,kg/m,3,3,v,气体流速，,m/s,污染物浓度，,kg/m,3,3,保护作用时间损失；,h,h,死区长度,b,r,0,r,0,t,希洛夫方程,3,3,3,3,h,h,死区长度,b,r,0,r,0,t,7.3.5.2 固定床吸附器计算方法L实际曲线与理论曲线,同样条件下,定义动力特性,同样条件下,吸附床长度,假定条件,等温吸附,低浓度污染物的吸附,吸附等温线为第三种类型,吸附区长度为常数,吸附床的长度大于吸附区长度,吸附床长度,吸附器的压力损失,1）图解计算,吸附器的压力损失,7.3.5.3 移动床吸附器的计算方法移动床计算,操作线,吸附速率方程,7.3.5.3 移动床吸附器的计算方法移动床计算,7.4 气体催化净化,催化转化,是指含有污染物的气体通过催化剂床层的催化反应，使其中的污染物转化为无害或易于处理与回收利用物质的净化方法。,7.4.1 催化作用与催化剂,7.4.1.1 催化作用,催化作用的特征：,催化剂只能改变化学反应速度，能缩短或延长达到平衡的时间，但不能使平衡移动，也不能使热力学上不可能发生的反应发生。,催化作用有特殊的选择性。,7.4 气体催化净化,催化净化工艺,段间冷却的四层催化床,第二级,催化床,预除尘和水分,填充床吸收塔,填充床吸收塔,来自冶炼厂或硫磺燃烧的富含SO,2,的尾气,水,含有约为初始进气SO,2,浓度3%的尾气,含有约为初始进气SO,2,浓度0.3%的尾气,水,单级吸收工艺,二级吸收工艺,SO,2,单级和二级净化工艺的流程图,催化反应：420550,催化净化工艺段间冷却的四层催化床第二级预除尘和水分填充床吸收,催化净化工艺,NO,x,NH,3,filter,Combustor,Mixer,Reactor,NO,x,的选择性催化还原（SCR）,催化净化工艺NOxNH3 filter Combustor,催化净化工艺,车用催化转化器,催化净化工艺车用催化转化器,7.4.1.2 催化剂,催化剂的组成：,活化组分,、,助催化剂,和,载体,等；,催化剂的性能：包括,活性,、,选择性,和,稳定性,；,催化剂的活性,催化剂的活性以单位体积（或质量）催化剂在一定条件（温度、压力、空速和反应物浓度）下，单位时间所得的产品量来表示。,催化剂的选择性,一种催化剂只对一个反应方向起作用的特性。,催化剂的稳定性,包括热稳定性、机械稳定性和化学稳定性等，常用使用寿命表征催化剂的稳定性，其影响因素主要是催化剂的中毒和老化。,7.4.1.2 催化剂,7.4.2 气固催化反应动力学,反应过程,(1)反应物从气流主体-催化剂外表面,(2)进一步向催化剂的微孔内扩散,(3)反应物在催化剂的表面上被吸附,(4)吸附的反应物转为为生成物,(5)生成物从催化剂表面脱附下来,(6)脱附生成物从微孔向外表面扩散,(7)生成物从外表面扩散到气流主体,(1),(7)为外扩散；(2),(6)内扩散，(3),(4),(5)是动力学过程,7.4.2 气固催化反应动力学,催化剂中的浓度分布,催化剂中的浓度分布,气态污染物控制技术基础课件,催化反应动力学方程,表面化学反应速率,对于催化床,N,A,反应物,A,的流量，kmol/h,N,A0,反应物,A,的初始流量，kmol/h,V,R,反应气体体积，m,3,x,转化率,L,反应床长度，m,A,反应床截面积，m,2,Q,反应气体流量，m,3,t,接触时间，h,c,A0,反应物的初始浓度,kmol/m,3,催化反应动力学方程表面化学反应速率NA反应物A的流量，km,宏观动力学方程,外扩散的传质速率,宏观动力学方程