,第七章 气态污染物控制技术基础,气体吸收 气体吸附 气体的催化净化,本章主要内容,2,1.吸收原理,3,吸收机理、气液平衡 吸收速率：吸收质在单位时间内通过单位面积界面而被吸收剂吸收的量。,一、气体吸收,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,用一相主体与界面的浓度差表示推动力,用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力,吸收过程的控制步骤,一、气体吸收,1.吸收原理,吸收速率,4,一、气体吸收,1.吸收原理,界面浓度的计算,作图法 气液相平衡时, 气液界面两侧气相传质速率与液相传质速率相等,界面浓度(xi, yi)就是通过点(x, y)斜率为-kx/ky的直线与气液平衡线的交点。,5,一、气体吸收,2.物理吸收传质计算,吸收操作线方程,塔内任一截面上气液两相组成:,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，吸收剂和混合气体中惰性成分的总量不变,6,一、气体吸收,2.物理吸收传质计算,吸收操作线方程,逆流吸收塔的操作线 并流吸收塔的操作线是怎样的？,吸收推动力,7,一、气体吸收,2.物理吸收传质计算,吸收剂用量,当出塔吸收液浓度X1和进塔气相中吸收质浓度Y1成平衡，X1 =X1* 吸收液的吸收能力得到充分发挥 ，对应液气比为最小液气比：,8,一、气体吸收,2.物理吸收传质计算,吸收塔设计,（1）吸收塔的塔径：根据空塔气速确定。 （2）吸收塔的塔高：,式中：Hy气相总传质单元高度，反映了吸收设备传质效能的高低； Ny气相总传质单元数，反映了吸收过程的难易程度。,9,一、气体吸收,2.物理吸收传质计算,吸收塔设计,（3）传质单元数的求取：, 对数平均法：在相平衡线近似为直线的情况下，,10,一、气体吸收,2.物理吸收传质计算,吸收塔设计,（3）传质单元数的求取：, 图解积分法：,11,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,化学反应对吸收的影响,12,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,化学吸收速率,物理吸收时： 化学吸收时，由于液相发生化学反应，传质分系数和传质推动力增大： 化学吸收速率：,式中：由于化学反应使吸收速率增强的系数。,13,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,气液平衡,平衡浓度计算 平衡分压与平衡溶解度之间的关系,溶于液相的溶质量： cA=A物理平衡+A化学消耗 被吸收组分的气液平衡关系取决于相平衡，又服从化学平衡 一般化学反应 被吸收组分与溶剂相互作用 被吸收组分在溶液中离解 被吸收组分与溶剂中活性组分作用,14,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,气液平衡,一般化学反应,化学平衡：,得到：,15,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,气液平衡,被吸收组分A与溶剂B的相互作用：水吸收氨,被吸收组分A在溶液中解离：水吸收CO2、SO2,被吸收组分A与溶剂中活性组分B作用：,16,式中：K化学反应平衡常数。,主要参数 G1 、 G2入塔、出塔气体的总摩尔流量，kmol/(m2h)； y1、y2入塔、出塔气体的SO2摩尔分率数； pH1浆液的初始pH； W单位时间通过塔任一截面单位面积的吸收剂体积流率，m3/(m2h)。,W,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,SO2化学吸收计算,17,(1) 气相SO2的物料衡算,W,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,SO2化学吸收计算,18,(2) 化学反应平衡,19,水吸收SO2的平衡常数,一、气体吸收,SO2溶于水形成的各种物质浓度(pSO2s为液体上方SO2分压) SO2H2O=KhspSO2s HSO3-=KhsKs1pSO2s/H+ SO32-=KhsKs1Ks2pSO2s/H+2,3.化学吸收传质计算,SO2化学吸收计算,(2) 化学反应平衡,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,SO2化学吸收计算,如吸收剂中活性组分为碱MOH，离解： MOH=M+1+OH-1 水的离解平衡常数： KW =OH-1H+1 任意时间溶液的电荷守恒： H+M+=OH-+HSO3-+2SO32- 即：H+M+=KW/H+1-KhsKs1pSO2s/H+2KhsKs1Ks2pSO2s/H+2,20,21,(3) 在塔底（z=ZT）和z之间计算SO2的物料平衡,W,由塔底随气相进入的SO2 + z处随液相进入的SO2 =塔底随液相流出的SO2+ z处随气相流出的SO2,z处随气相流出的SO2=G1(1-y1)y/(1-y) 塔底随液相流出的SO2=G1y1-G1(1-y1)y2/(1-y2) z处随液相进入的SO2=W(SO2H2O+HSO3-+SO32-),将化学平衡关系SO2H2O=KhspSO2s HSO3-=KhsKs1pSO2s/H+ SO32-=KhsKs1Ks2pSO2s/H+2代入,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,SO2化学吸收计算,22,(3) 在塔底（z=ZT）和z之间计算SO2的物料平衡,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,SO2化学吸收计算,得到：G1y1+WKhspSO2s(1+Ks1/H+2Ks1Ks2/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) 则质量守恒关系简化为,23,(4) 计算吸收塔高度,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,SO2化学吸收计算,质量守恒关系： 电荷守恒关系： 两式联立，得：,积分即可得塔高：,上式又可写为：,边界条件：,24,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,SO2化学吸收计算,例题 y1=0.2，y2=0.01，pH1=11，气体摩尔流量在0.0060.015kmol/(m2s)之间变化，水的体积流量为2030m3/(m2h)。利用教材中例7-1的吸收系数方程式计算填料层高度zT。,解：,不同气体流量下填料层高度随水流量的变化,25,一、气体吸收,3.化学吸收传质计算,SO2化学吸收计算,不同气体流量下填料层高度随浆液初始pH的变化,解（续）：,26,一、气体吸收,4.吸收设备和工艺,吸收剂的选择,常见气态污染物与适宜的吸收剂,(a)填料塔；(b)板式塔；(c)降膜塔；(d)喷雾塔； (e)鼓泡塔；(f)搅拌鼓泡塔；(g)文丘里洗涤器,一、气体吸收,4.吸收设备和工艺,吸收设备,27,一、气体吸收,4.吸收设备和工艺,吸收工艺流程,除尘 在吸收塔前增设预洗涤塔，采取将吸收置于预洗涤塔之上，两塔合为一体，下段为预洗段，上段为吸收段。 采用文丘里类型的洗涤器，既除尘，又吸收气态。,烟气的预冷却 一般将高温烟气冷却到333K 左右。 冷却烟气的方法：在低温省煤器中间接冷却、直接增湿冷却、用预洗涤塔(或预洗涤段)除尘增湿降温。,28,一、气体吸收,4、吸收设备和工艺,吸收工艺流程,结垢和堵塞 控制溶液或料浆中水分的蒸发量； 控制溶液pH； 控制溶液中易于结晶物质不要过饱和； 保持溶液有一定的晶种； 严格除尘，控制进入吸收系统的尘量 ； 设备结构上设计或选择不易结垢和堵塞的吸收器 。,29,一、气体吸收,4、吸收设备和工艺,吸收工艺流程,除雾 雾气中所含液滴的直径主要在1060m之间，工艺上要对吸收设备提出除雾的要求。,气体再加热 烟气在洗涤中被冷却增湿，如果排入大气后，在一定的气象条件下，将发生“白烟”。 白烟没有充分稀释之前如果回到地面，容易出现较高浓度的污染。 防止发生白烟的措施？,30,气体吸收 气体吸附 气体的催化净化,本章主要内容,31,用多孔性固体物质将气体混合物中的一种或多种污染物组分浓集于固体表面而使污染物分离的操作,二、气体吸附,34,1.吸附原理,常见吸附剂的性能,二、气体吸附,33,2.吸附剂,静活性：在一定温度下，与气体中吸附质的初始浓度达到平衡时单位吸附剂上可能吸附的最大吸附量。,吸附剂的活性,动活性：吸附床发生泄漏时，单位质量吸附剂的平均吸附量。,二、气体吸附,34,2.吸附剂,初选：吸附质极性、分子大小、气体浓度、净化要求。 吸附剂可获得性、价格。 活性试验：吸附剂的性质。 寿命实验：使用寿命和脱附性能。 全面评估：活性、使用寿命、脱附状况、价格、运费。,二、气体吸附,35,吸附剂的选择,2.吸附剂,加热、降压、置换、溶剂萃取 再生剂：水蒸气、空气 适合用水蒸气再生的吸附质,二、气体吸附,36,吸附剂的再生,2.吸附剂,3.吸附速率,吸附过程,二、气体吸附,37,物理吸附速率方程,二、气体吸附,38,3.吸附速率,二、气体吸附,39,物理吸附速率方程,3、吸附速率,二、气体吸附,40,物理吸附速率方程,3、吸附速率,式中： K化学平衡常数; M系统平衡时的吸附量，kg/m3。,动力学过程控制：,二、气体吸附,41,化学吸附速率方程,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:,式中：k, n常数。,对上式积分，可得,4.吸附工艺与设备计算,（1）固定床吸附器,立式,环式,卧式,二、气体吸附,42,吸附设备与工艺,4.吸附工艺与设备计算,（2）旋转床吸附器,二、气体吸附,43,吸附设备与工艺,4.吸附工艺与设备计算,（3）移动床吸附器,二、气体吸附,44,吸附设备与工艺,4.吸附工艺与设备计算,(4)流化床吸附器 分置在筛孔板上的吸附剂颗粒，在高速含污染物气体的作用下，强烈搅动，上下浮沉，保持悬浮的流化状态。 气体流速是固定床的34倍； 传热传质速率快，温度均匀； 适于连续性、大气量的污染源； 吸附剂磨损严重，排出的气体含有吸附剂粉末,需要加装除尘设备。,二、气体吸附,45,吸附设备与工艺,吸附流程与设备选择 气态污染物的排放特征：连续/间歇 排气量大小： 大流化床/移动床 小旋转床/薄层床 允许的压力损失： 大流化床/厚层固定床 小旋转床/薄层床 净化要求：高多级流动床吸附器/厚床吸附器,二、气体吸附,46,4.吸附工艺与设备计算,吸附设备与工艺,吸附流程要求,二、气体吸附,47,4.吸附工艺与设备计算,吸附设备与工艺,除雾：活性炭要求气体相对湿度50%; 分子筛更低。 除尘：预防堵塞，减少压力损失。 预处理：冷凝、吸收 脱附方法和流程。,(1)固定床吸附器内的浓度分布,二、气体吸附,48,4.吸附工艺与设备计算,固定床吸附器计算,吸附床处理气体量与出口气体中污染物浓度之间关系的曲线,二、气体吸附,49,(2)穿透点与穿透曲线,4.吸附工艺与设备计算,固定床吸附器计算,穿透时间或者保护作用时间：从含污染物的气流开始通入吸附床到产生穿透的时间,二、气体吸附,50,(3)保护作用时间的确定,4.吸附工艺与设备计算,固定床吸附器计算,假定吸附层完全饱和，在吸附持续时间内，所吸附污染物的量为 :,x=a S L b,式中： x在时间内的吸附量，kg； a静活度值，%； S吸附层的截面积，m2； L吸附层厚度，m； b吸附剂的堆积密度，kg/m3;,同时： x=v S c0,v气体流速，m/s； c0气流中污染物初浓度，kg/m3 。,则,实际上，总有部分吸附剂未得到利用(死区)，希洛夫方程,当吸附速率无限大时-L绘图为直线1。,K的物理意义？,K浓度分布曲线在吸附层中移动单位长度所需要的时间。,K /(L-h),如何减少死区长度？,二、气体吸附,51,4.吸附工艺与设备计算,固定床吸附器计算,二、气体吸附,52,（4）固定床吸附器计算流程,4.吸附工艺与设备计算,固定床吸附器计算,选定吸附剂和操作条件，空床流速一般取0.10.6m/s。 根据净化要求确定穿透点浓度，实验测得穿透时间。 以吸附剂床层高度为横坐标，以穿透时间为纵坐标，标出各测定值，作出希洛夫直线。 根据计划采用的脱附方法和脱附再生时间、能耗等因素确定操作周期，从而确定所需要的穿透时间。 用希洛夫公式计算所需的催化剂床层高度。 根据气体流量与空床气速求吸附剂层截面积。根据截面积求出吸附器的直径或者边长。 求出所需的吸附剂质量。考