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1、第七章第七章 气态污染物限制技术基础气态污染物限制技术基础l气体扩散气体扩散l气体在气相中的扩散气体在气相中的扩散l气体在液相中的扩散气体在液相中的扩散l气体吸取气体吸取l吸取机理吸取机理l气液平衡气液平衡l物理吸取物理吸取l化学吸取化学吸取l气体吸附气体吸附吸附剂吸附机理吸附工艺与设备l气体催化净化气体催化净化催化作用和催化剂气固催化反应动力学气固相催化反应器的设计l气态污染物脱除过程的单元操作气态污染物脱除过程的单元操作l流体输送流体输送l热量传递热量传递l质量传递质量传递气体吸取、吸附、催化气体吸取、吸附、催化l气体扩散过程气体扩散过程分子扩散分子运动引起湍流扩散流体质点运动引起气体扩散
2、气体扩散l在气相中的扩散（在气相中的扩散（Gilliland方程）方程）气体在气相中的扩散气体在气相中的扩散l扩散系数扩散系数物质的特性常数之一影响因素：l介质的种类介质的种类l温度温度l压强压强l浓度浓度气体在气相中的扩散气体在气相中的扩散l部分气体在空气中的扩散系数（部分气体在空气中的扩散系数（0oC，101.33kPa）气体在液相中的扩散气体在液相中的扩散l在液相中的扩散系数在液相中的扩散系数l估算方程估算方程l扩散系数随溶液浓度变更很大扩散系数随溶液浓度变更很大l上式只适用于稀溶液上式只适用于稀溶液气体在液相中的扩散气体在液相中的扩散l某些物质在水中的扩散系数（某些物质在水中的扩散系数
3、（20oC，稀溶液），稀溶液）第一节第一节 气体吸取气体吸取l吸取机理吸取机理l双膜模型（应用最广）双膜模型（应用最广）假定假定:界面两侧存在气膜和液膜界面两侧存在气膜和液膜,膜内为膜内为层流层流,传质阻力只在膜内传质阻力只在膜内气膜和液膜外湍流流淌气膜和液膜外湍流流淌,无浓度梯无浓度梯度度,即无扩散阻力即无扩散阻力气液界面上气液界面上,气液达溶解平衡气液达溶解平衡即即:CAi=HPAi双膜理论双膜理论l双膜模型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xAL气液平衡气液平衡l平衡吸取过程的传质速率等于解吸过程平衡吸取过程的传质速率等于解吸过程l溶解度溶解度l每每100kg水中溶解气体
4、的水中溶解气体的kg数数气液平衡气液平衡l常见气体的平衡溶解度常见气体的平衡溶解度亨利定律亨利定律l亨利定律亨利定律l确定温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中确定温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比溶质的平衡分压成正比l参数换算参数换算吸取系数吸取系数吸取系数的不同形式传质阻力传质阻力传质阻力吸取系数的倒数传质过程传质过程l吸取系数的影响因素吸取系数的影响因素l吸取质与吸取剂吸取质与吸取剂l设备、填料类型设备、填料类型l流淌状况、操作条件流淌状况、操作条件l吸取系数的获得吸取系数的获得l试验测定；阅历公式计算；准数关联计算试验测定；阅历公式计算；准数关联计算常用吸取系数阅历
5、式常用吸取系数阅历式化学吸取化学吸取l化学吸取的优点化学吸取的优点l溶质进入溶剂后因化学反应消耗掉，溶剂容纳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的溶质量增多l液膜扩散阻力降低液膜扩散阻力降低l填料表面的停滞层仍为有效湿表面填料表面的停滞层仍为有效湿表面化学吸取化学吸取两分子反应中相界面旁边液相内两分子反应中相界面旁边液相内A与与B的浓度分布的浓度分布吸取设备吸取设备吸取设备吸取设备l喷淋塔喷淋塔吸取设备吸取设备l填料塔填料塔其次节其次节 气体吸附气体吸附l吸附吸附l用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面的组分浓集于固
6、体表面l吸附质被吸附物质吸附质被吸附物质l吸附剂附着吸附质的物质吸附剂附着吸附质的物质l优点：效率高、可回收、设备简洁优点：效率高、可回收、设备简洁l缺点：吸附容量小、设备体积大缺点：吸附容量小、设备体积大吸附机理吸附机理物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附1.吸附力范德华力；吸附力范德华力；2.不发生化学反应；不发生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡；过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；放热反应；5.吸附可逆；吸附可逆；1.吸附力化学键力；吸附力化学键力；2.发生化学反应；发生化学反应；3.过程慢；过程慢；4.升高温度有助于提高速率；升高温度有助于提高速率；5
7、.吸附不可逆；吸附不可逆；物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附若温度上升到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附若温度上升到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附吸附剂吸附剂l吸附剂需具备的特性吸附剂需具备的特性内表面积大具有选择性吸附作用高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大来源广泛，造价低廉良好的再生性能常用吸附剂特性常用吸附剂特性吸附剂类型吸附剂类型活性炭活性炭活性氧化活性氧化铝铝硅胶硅胶沸石分子筛沸石分子筛4A5A13x堆堆积积密密度度 /kg/kgm m-3-320060075010008008008008
8、00热热容容/kJ(kgK)-1-10.8361.2540.8361.0450.920.7940.794操操作作温温度度上上限限/K423773673873873873平均孔径平均孔径/15251848224513再再生生温温度度 /K373413473523393423473573473573473573比比表表面面积积 /g-16001600210360600气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l操作条件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l吸附剂性质吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l典型吸附质分子的横截面积典型吸附
9、质分子的横截面积气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l吸附质性质、浓度吸附质性质、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l吸附剂活性吸附剂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常见分子的临界直径常见分子的临界直径分子分子临界直径临界直径/分子分子临界直径临界直径/氦氦氢氢乙炔乙炔氧氧一氧化碳一氧化碳二氧化碳二氧化碳氮氮水水氨氨氩氩甲烷甲烷乙烯乙烯环氧乙烷环氧乙烷乙烷乙烷甲醇甲醇乙醇乙醇环丙烷环丙烷丙烷丙烷正丁烷正丁烷-正二十二烷正二十二烷2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24
10、.24.44.44.754.894.9丙烯丙烯1-丁烯丁烯2-反丁烯反丁烯1,3-丁二烯丁二烯二氟二氟-氯甲烷氯甲烷(CFC-22)-22)噻吩噻吩异丁烷异丁烷-异二十二烷异二十二烷二氟二氯甲烷二氟二氯甲烷(CFC-12)-12)环己烷环己烷甲苯甲苯对二甲苯对二甲苯苯苯四氯化碳四氯化碳氯仿氯仿新戊烷新戊烷间二甲苯间二甲苯邻二甲苯邻二甲苯三乙胺三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l吸附剂再生吸附剂再生 溶剂萃取l活性炭吸附活性炭吸附SO2，可用水脱附，可用水脱附 置换再生脱附剂须
11、要再脱附 降压或真空解吸l吸附作用大，再生温度高吸附作用大，再生温度高 加热再生吸附平衡吸附平衡l当当吸附速度脱附速度吸附速度脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值到极限值l极限吸附量受气体压力和温度的影响极限吸附量受气体压力和温度的影响l吸附等温线吸附等温线NH3在活性炭上的吸附等温线在活性炭上的吸附等温线吸附等温线吸附等温线吸附速率吸附速率l吸附过程吸附过程 吸附 外扩散（气流主体 外表面）内扩散（外表面 内表面）吸附速率吸附速率l外扩散速率外扩散速率l内扩散速率内扩散速率l总吸附速率方程总吸附速率方程吸附工艺吸附工艺l固定床固定床吸附工艺吸附工艺l移动床移动
12、床吸附工艺吸附工艺l流化床流化床第三节第三节 气体催化净化气体催化净化l含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染含尘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物转化为无害或易于处理的物质l应用应用工业尾气和烟气去除SO2和NOx有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化汽车尾气的催化净化催化净化工艺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SO2的尾气水含有约为初始进气SO2浓度3%的尾气含有约为初始 进 气 SO2浓度0.3%的尾气水单级吸收工艺二级吸收工艺SO2单级和二级净化工艺的流程图催化反应：4205
13、50催化净化工艺催化净化工艺催化剂：Pt(Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3 等VOCs的催化氧化催化净化工艺催化净化工艺NOxNH3 filter Combustor MixerReactorNOx的选择性催化还原（的选择性催化还原（SCR）催化净化工艺催化净化工艺l车用催化转化器车用催化转化器气体催化净化气体催化净化l催化作用催化作用l变更反应历程，降低活化能变更反应历程，降低活化能l提高反应速率提高反应速率l（阿累尼乌斯方程）（阿累尼乌斯方程）显著特征显著特征对于正逆反应的影响相同，不改变更学平衡对于正逆反应的影响相同，不改变更学平衡选择性选择性催化剂催化剂l加速化学反应，而本身的化学组
14、成在反应前后加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后保持不变的物质保持不变的物质l组成组成活性组分 助催化剂 载体催化剂的性能催化剂的性能l活性活性WW产品质量产品质量产品质量产品质量WWR R催化剂质量催化剂质量催化剂质量催化剂质量t t反应时间反应时间反应时间反应时间催化剂的性能催化剂的性能l稳定性稳定性热稳定性、机械稳定性和化学稳定性表示方法：寿命老化l活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等中毒l对大多数催化剂，毒物：对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb气固催化反应动力学气固催化反应动力学l反应过程反应过程(1)反应物从
15、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)：外扩散；：外扩散；(2),(6)内扩散内扩散(3),(4),(5)：动力学过程：动力学过程主气流微孔固相催化剂粒子示意图内外扩散的影响内外扩散的影响l外扩散限制外扩散限制l降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速度降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速度l消退方法消退方法l提高气速，以增加湍流程度，减小边界层厚度提高气速，以增加湍流程度，减小边界层厚度l气速提高
16、到确定程度，转化率趋于定值，外扩散气速提高到确定程度，转化率趋于定值，外扩散影响消退下限流速影响消退下限流速内外扩散的影响内外扩散的影响l内扩散限制内扩散限制l降低催化剂内反应物浓度，从而降低反应速度降低催化剂内反应物浓度，从而降低反应速度l表现因数：表现因数：l消退方法消退方法l尽量减小催化剂颗粒大小尽量减小催化剂颗粒大小l粒径减小到确定程度，转化率趋于定值，内扩散粒径减小到确定程度，转化率趋于定值，内扩散影响消退影响消退催化反应器的设计催化反应器的设计l设计基础设计基础l停留时间停留时间l确定反应的转化率确定反应的转化率l由催化床的空间体积、物料的体积流量和流淌由催化床的空间体积、物料的体
17、积流量和流淌方式确定方式确定催化反应器的设计催化反应器的设计l设计基础设计基础l反应器的流淌模型反应器的流淌模型l活塞流、混合流活塞流、混合流l实际流态介于两者之间实际流态介于两者之间l反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异异l不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相应的统计分布停留时间分布函数相应的统计分布停留时间分布函数l工业上，连续釜式反应器志向混合反应器；工业上，连续釜式反应器志向混合反应器；径高比大的固定床活塞流反应器径高比大的固定床活塞流反应器催化反应器的设计催化反应器的设计l设计基础设计基础空间
18、速度l单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积固定床反应器固定床反应器l最主要的气固相催化反应器最主要的气固相催化反应器l优点优点:l流体接近于平推流，返混小，反应速度较快流体接近于平推流，返混小，反应速度较快l固定床中催化剂不易磨损，可长期运用固定床中催化剂不易磨损，可长期运用l停留时间可严格限制，温度分布可适当调整，高选择性和停留时间可严格限制，温度分布可适当调整，高选择性和转化率转化率l缺点缺点:l传热差传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点热效应大的反应，传热和温控是难点)l催化剂更换需停产进行催化剂更换需停产进行固定床反应器固定床反应器l单层
19、绝热反应器单层绝热反应器l结构简洁，造价低廉，气流阻结构简洁，造价低廉，气流阻力小力小l内部温度分布不均内部温度分布不均l用于化学反应热效应小的场合用于化学反应热效应小的场合固定床反应器固定床反应器l多段绝热反应器多段绝热反应器相邻两段之间引入热交换(a)直接换热直接换热(b)间接换热间接换热固定床反应器固定床反应器l列管式反应器列管式反应器用于对反应温度要求高，或反应热效应很大的场合其他反应器其他反应器径向反应器薄层床反应器自热式反应器反应器类型的选择反应器类型的选择依据反应热的大小和对温度的要求，选择反应器的结构类型尽量降低反应器阻力反应器应易于操作，平安牢靠结构简洁，造价低廉，运行与维护费用经济第七章第七章 气态污染物限制技术基础气态污染物限制技术基础l气体扩散气体扩散l气体在气相中的扩散气体在气相中的扩散l气体在液相中的扩散气体在液相中的扩散l气体吸取气体吸取l吸取机理吸取机理l气液平衡气液平衡l物理吸取物理吸取l化学吸取化学吸取l气体吸附气体吸附吸附剂吸附机理吸附工艺与设备计算l气体催化净化气体催化净化催化作用和催化剂气固催化反应动力学气固相催化反应器的设计