气态污染物控制技术基础
2020-03-30 16:57:28 0 举报AI智能生成
大气污染控制工程第二章气态污染物控制
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大纲/内容
5.3吸附法净化气态污染物
1吸附的概述
气体吸附
定义
气体吸附是指用多孔固体吸附剂将气体或液体混合物中的一种或数种组分浓集于固体表面，而与其他组分分离的过程
被吸附到固体表面的物质称为吸附质，附着吸附质的物质称为吸附剂
（1）吸附力作用
吸附作用力
吸附质与吸附剂表面的作用力称为吸附作用力
根据吸附剂表面与被吸附物质之间的作用力不同，可以分成物理吸附和化学吸附
1）物理吸附
定义
吸附剂依靠分子间的吸引力(范德华力)将吸附质分子吸附到颗粒表面的过程称为物理吸附
主要特征有
吸附作用力不强，吸附过程具有可逆性
吸附为放热反应，升高温度则吸附平衡向解吸方向移动
吸附过程非常快，参与吸附的各相之间常常瞬时达到平衡
吸附选择性差，可同时吸附多种分子
可以是单层吸附，也可以是多层吸附
2）化学吸附
定义
化学吸附是由吸附剂与吸附质间的化学键力引起的
主要特征
吸附作用力强，产物稳定，吸附过程不可逆
吸附热大，升高温度可以提高吸附速率
吸附速率比较慢，达到吸附平衡需要一段时间
吸附有很强的选择性
同一污染物可能在较低温度下
发生物理吸附
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
高的活化能时，发生化学吸附
2 吸附剂
吸附剂
定义
吸附剂是指能附着吸附质的物质
工业上常用的吸附剂有白土、活性氧化铝、硅胶、活性炭和沸石分子筛
1）吸附剂的性质
具有巨大的内表面
对不同气体具有选择性的吸附作用
较高的机械强度、化学与热稳定性
吸附容量大
来源广、价格低廉
具有良好的再生性能
2）气体吸附的影响因素
操作条件
低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附
增大气相压力利于吸附
增大气相压力利于吸附
吸附剂性质
比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）
吸附质的性质与浓度
临界直径－吸附质不易渗入的最大直径
吸附质的分子量、沸点、饱和性
吸附质的分子量、沸点、饱和性
吸附剂的活性
单位吸附剂吸附的吸附质的量
静活性－吸附达到饱和时的吸附量
动活性－未达到平衡时的吸附量
静活性－吸附达到饱和时的吸附量
动活性－未达到平衡时的吸附量
3）吸附剂的再生
加热再生
吸附作用越强 ，再生温度越高
降压或真空解吸
置换再生
溶剂萃取
3 吸附机理
1）吸附平衡
定义
当吸附速度＝脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值
极限吸附量受气体压力和温度的影响
2）朗格缪尔（Langmuir）方程式
当达到吸附平衡时，吸附速率=解吸速率，那么有
吸附质对吸附剂的表面覆盖率为
令B=k1/k2，则上式可化为
若以 A 代表饱和吸附量，则单位质量吸附剂所吸附的吸附质量 XT 为
气体分压与吸附气体的体积之间的关系可表述为
3）BET方程（多分子层吸附）
4）吸附速率
吸附过程
外扩散：气流主体 → 吸附剂外表面
内扩散：吸附剂外表面 → 吸附剂内表面
吸附：到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附
内扩散：吸附剂外表面 → 吸附剂内表面
吸附：到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附
吸附速率
外扩散速率
内扩散速率
总吸附速率方程
4 吸附工艺
1）固定床
2）移动床
3）流化床
（4）固定床的计算
1）固定床吸附器内的浓度分布
2）保护作用时间
假定
吸附层达到穿透点时，吸收剂全部处于饱和状态，即达到它的平衡吸附容量a
吸附剂经过 时间达到饱和，此时所吸附污染物的量为
联立上两式可得
▲5.4催化法净化气态污染物
1概述
概念
气体通过催化床层发生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理的物质
应用
工业尾气和烟气去除SO2,NOx
有机会挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化
汽车尾气的催化净化
2催化原理与催化剂
（1）催化原理
▲1）催化剂与反应速率
催化作用与化学平衡
对于可逆反应，催化剂不能改变反应物系的自由能和平衡常数
（2）催化剂
1）概念
可以加快反应速率，前后不变
特点
降低反应活化能
2）形态
气态，叶涛，和固态
3）催化剂组成
活性组分+组催化剂+载体
加快反应部分，提高催化剂的某些性能，承担活性组分的作用，增大催化剂比表面积
子主题
子主题
4）催化剂的性能
催化剂活性
衡量催化剂效能大小的标准
催化剂选择性
B=反应所得目的产物的物质的量/通过催化剂床层后以反应的反应物物质的量
催化剂稳定性
定义
子主题
子主题
3.30号
气固催化反应动力学
▲（1）气固催化反应过程
1）反应步骤
2）气固催化反应过程中浓度分布
3）七股催化反应的控制步骤
能看得懂，选择图
▲（2）气固催化反应动力学方程
1)表面化学反应速率
2）化学反应动力学方程
5.1要求
掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本原理和过程
了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性
初步学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器
5.2吸收法净化气态污染物
一、气体扩散
概述
1、扩散概念
扩散是指某种物质的分子通过不规则运动、扩散运动而进入到其他物质里的过程
2、气态污染物脱除过程单元操作
流体输送
热量传递
质量传递
热量传递
质量传递
3、气体扩散过程
按推动力分 - 分子扩散、湍流扩散；
按扩散介质分 – 气相扩散、液相扩散
按扩散介质分 – 气相扩散、液相扩散
4、扩散结果
相内物质浓度达到一致或两相间的浓度达到平衡
1.1气体在气相中的扩散
扩散系数 DAB
影响因素
介质种类
温度
压强
浓度
温度
压强
浓度
T - 绝对温度，K；
M – 摩尔质量，g/mol；
V – 气体在沸点下呈液态时的摩尔体积，cm3/mol；
ρ- 气体的密度，g/cm3
M – 摩尔质量，g/mol；
V – 气体在沸点下呈液态时的摩尔体积，cm3/mol；
ρ- 气体的密度，g/cm3
1.2 气体在液体中的扩散
气体 A 通过液体 B 的扩散系数
µB – 溶液的粘度，cP；
β – 溶液的缔结因素
β – 溶液的缔结因素
二、气体吸收
基本概念
利用吸收剂将混合气体中一种或数种组分（吸收质）的分离的过程称作吸收
气体的吸收是溶质从气相传递到液相的相际间传质过程
吸收质 – 被吸收的物质，常指气态污染物
吸收剂 – 用来吸收气态污染物的溶剂，有气态和液态两种
2.1吸收机理
（1）双膜理论
双膜理论基本特点
气、液相主体内，主要为湍流扩散，不存在浓度梯度，即无扩散阻力
气膜和液膜内，主要为层流，分子扩散存在扩散阻力
气液界面上，气体分子达到溶解平衡，膜内无物质积累，即瞬时达到稳态
▲（2）渗透理论
本理论建立在双膜理论的基础之上，只是强调了形成浓度梯度的过度阶段
因讨论的是从气液界面至液相主体的传质，渗透理论的主要对象为液膜控制的吸收
▲（3）表面更新理论
2.2 气体的溶解与相平衡
平衡 - 吸收过程中溶解速率和解吸速率相等
（1）溶解度曲线
影响气体溶解度的因素：气体性质、溶剂性质、温度和压力条件
（2）亨利定律
p*- 溶质A 在气相中的平衡分压，Pa；
x - 液相中溶质的摩尔分数；
E- 比例系数，称为亨利系数，Pa
x - 液相中溶质的摩尔分数；
E- 比例系数，称为亨利系数，Pa
当总压不高（一般小于500kPa）时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质的摩尔分数成正比
c - 液相中溶质的浓度，kmol/m3；
H - 溶解度系数，kmol/(m3·kPa)
H - 溶解度系数，kmol/(m3·kPa)
当液相组成用溶质的浓度 C 来表示时，亨利定律可表示为
气、液两相组成分别用溶质 A 的摩尔分数 y 和 x 表示
比较三者之间的关系，可得三个比例常数之间的关系为
溶质的浓度 c 和摩尔分数 x 及溶液总浓度 cM 的关系为
当溶液很稀，溶液密度ρL近似用溶剂密度ρS代替，溶液的平均摩尔质量M用溶剂的摩尔质量 Ms 代替
2.3 气体的吸收
（1）吸收速率方程
吸收速率
吸收质在单位时间内通过单位单位面积界面而被吸收剂吸收的量称为吸收速率
吸收传质速率方程一般表达式为
吸收速率 = 吸收推动力× 吸收系数
吸收速率 = 吸收推动力÷吸收阻力
传质速率方程
总传质速率方程
1）气相总传质速率方程
2）液相总传质系数
气相分传质速率方程
组分从浓度为yA的气相传递到与浓度为yA*呈平衡的液相中
以气相主体浓度yA与相界面浓度yA*之差为气相传质推动力
液相分传质速率方程
组分从与浓度为 xA* 呈平衡的气相传递到浓度为 xA 的液相
以相界面浓度 xA* 与液相主体浓度 xA 之差为液相传质推动力
（2）吸收系数
将吸收过程分成气膜控制、液膜控制和气液膜同时控制
传质速率受气膜传质过程控制
易溶性气体在液相的传质阻力可以忽略
传质速率受液膜传质过程控制
难溶性气体在气相的传质阻力可以忽略
传质速率受气、液膜传质过程同时控制
中等溶解度的气体在液相和气相的传质阻力都不可忽略
传质阻力 = 气相传质阻力 + 液相传质阻力
气膜控制
易溶气体
液膜控制
难溶气体
▲
（3） 界面浓度
（4）物理吸收
定义
气体吸收时，若被吸收组分与吸收剂不发生显著的化学反应，称为物理吸收
1）操作线方程
在吸收塔任何断面上，气相中污染物减少的量等于液相中增加的量；
在整个吸收过程中，吸收剂的总量不变，混合气体中惰性成分的总量不变
在整个吸收过程中，吸收剂的总量不变，混合气体中惰性成分的总量不变
2）吸收剂用量
3） 填料层高度的计算
最小液气比
（5）化学吸收
定义
化学吸收是指伴有明显化学反应的吸收过程
由于发生化学反应，气态污染物在吸收剂中的溶解度增加、吸收推动力增大，吸收速率和吸收容量有所提高
1）化学吸收的优点
溶质进入溶剂后因化学反应消耗掉，溶剂容纳的溶质量增多
液膜扩散阻力降低
填料表面的停滞层仍为有效湿表面
2）化学吸收机理
吸收过程
化学吸收的机理仍然可以用双膜理论来研究。但是化学吸收远比单纯的物理吸收复杂，因为化学吸收过程受化学反应速度的强烈影响
根据化学反应速率，可以将化学吸收过程分成极慢反应、缓慢反应、快速反应、瞬时反应四种类型
化学吸收速率
3）化学吸收的气液平衡
只要化学吸收速度与解吸速度相等，即可达到气液平衡
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