第七章 气态污染物控制技术基础

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N A k y ( y A y Ai ) N A k g ( p A p Ai )
液相分传质速率
N A kx ( x Ai xA ) N A kl (c Ai cA )
N A K y ( y A y* A) N A K Ag ( p A p* ) A N A K x ( x* A xA ) N A K Al (c* cA ) A
其中R是气体常数, P是压力
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、压强及浓度的不同变化。 表1:若干物质在空气中的扩散系数(0oC,101.33kPa)
二、气体在液体中的扩散
气体A通过液体B的扩散系数可用下式估算:
D AB 7.4 10 式中:
10
( M B ) 0.5 T 2 ( cm / s) 0.6 BV A
一、物理吸附和化学吸附
1、物理吸附,也称范德华吸附,是由于吸附剂与吸附 质分子之间静电力或范德华力导致物理吸附引起的。 低压下,一般是单分子吸附,吸附质的气压增大时, 也会变成多分子层吸附。 2、化学吸附,也称活性吸附,是由于吸附剂表面与吸 附质分子间的化学反应力导致化学吸附。有很强的选 择性,是不可逆过程,总是单分子层或单原子层吸附。 二者没有严格界限,同一物质在较低温度下可能发生 物理吸附,在较高温度下往往是化学吸附。
3.3 催化剂的稳定性 催化剂在化学反应过程中保持活性的能力称为催 化剂的稳定性。 包括三个方面:热稳定性、机械稳定性和抗毒稳定 性。它们共同决定了催化剂在工业装置中的使用 期限。 通常用寿命来表示催化剂的稳定性。 影响寿命的因素:催化剂老化和催化剂中毒。
老化:指催化剂在正常工作条件下逐渐失去 活性的过程。 工作温度越高,老化速度越快。因此在活性 度范围内选择合适的反应温度有利于延长催 化剂的寿命。 但过低的反应温度会降低反应速度,使催化 剂表面结焦,导致活性下降。
蓝色硅胶
粗孔微球硅胶
粗孔硅胶
活性氧化铝
分子筛
三、吸附速率
通常一个吸附过程有下列步骤组成 : 外扩散:吸附质分子从气相主体到吸附剂颗粒外表 面的扩散。 内扩散:吸附质分子沿着吸附剂的孔道深入到吸附 剂表面 的扩散。 吸附:已经进到微孔表面的吸附质分子被固体所吸 附。 吸附速率由外扩散速率、内扩散速率、吸附本身的 速率决定。实验表明,在吸附剂内部的扩散阻力, 一般可以不计。吸附速率可近似用外扩散速率表 示。
五、吸附设备
设备分类: 根据吸附剂在吸附器内的运动状态可分为固定床、 移动床和流化床吸附器,其中以固定床吸 附器应用最广。 固定床吸附器 使用两个以上的固定床组成一个半连续式吸附 流程。受污染气体连续通过床层,当达到饱和时, 就切换到另一个吸附器进行吸附,达到饱 和的吸附床则进行再生、干燥和冷却,以备重 新使用。
2、含氟化氢废气的吸附净化 采用工业氧化铝、氧化钙、氢氧化钙或碳酸钙等作 为吸附剂。对于铝厂电解烟气,采用的氧化铝也 是铝电解的原料,吸附的氟化氢可以随同氧化铝 进入电解生产中,代替冰晶石,不存在吸附剂再 生问题。在铝电解烟气的主要组分中,氟化氢的 沸点最高,因此最容易被吸附。而且氟化氢有较 大的极性和相当大的偶极距,同时具有较高的表 面活性,很容易被吸附。

如果化学反应迅速,一直在气液界面附近便把溶入 的溶质消耗掉,使溶质在液膜内的扩散阻力大大降低, 则变为气膜控制。
三、吸收设备
1、对吸收设备的基本要求: (1)气液之间有较大的接触面积和一定的接触时间; (2)气液之间扰动强烈,吸收阻力小,吸收效率高; (3)操作稳定,并由适合的操作弹性; (4)气流通过时的压降小; (5)结构简单,制作维修方便,造价低廉; (6)针对具体情况,要求具有防腐和防堵能力。
四、吸附理论
吸附平衡 在一定温度下,气固两相经过充分接触后,终将达到 吸附平衡。此时,被吸附组分在固相中的浓度和与固 相接触的气相中的浓度之间有一定的函数关系。 1、弗罗德里希方程 2、朗格谬尔等温方程式 3、BET方程 吸附等温线方程种类有多种,只能对具体情况具体分析。 吸附等温线的形状与吸附剂和吸附质的性质有关。 即使统一化学组分的吸附剂,由于制造方法或条件不同, 吸附剂的性能也会不同,因此必须针对具体情况进行综、 合测定。
第二节 气体吸收
气体吸收是溶质从气相传递到液相的相质间传质 过程。
一、吸收机理
吸收机理以双膜理论为主 。基本论点如下: 1、气液相接触时存在一个相界面,在气液相两侧 各存在着一层稳定的层流薄膜,分别称为气膜和 液膜,这两层膜内仍呈层流。 2、被吸收组分从气相转入液相的过程分为五步: 靠湍流扩散从气相主体到气膜表面;靠分子扩散 通过气膜到达两相界面;气相溶入液相;分子扩 散通过液膜;湍流扩散到液相主体。
4
式中:T 绝对温度,K; D AB — 扩散系数,cm 2 / s; M — 气体的摩尔质量; V — 气体在沸点下呈液态时 的摩尔体积, cm3 / m ol 对SO2,V 40.4cm3 / m ol;
A — 气体密度,g / cm3。 M A / A可以根据理想气体定律 用RT / P代替,
2、吸收设备的类型 填料塔、板式塔、喷淋塔和文丘里吸收器。
喷淋塔
填料塔
四、吸收的应用
酸性气体和碱性气体的去除 例如:含氟废气主要指含有HF和SiF4的废气。含氟气 体易溶于水溶液,所以一般采用湿法。 水吸收法 低温下,水吸收HF,可得到任意高浓度的氢氟酸。 相同蒸气压下,温度越高,溶液浓度越低;相同温 度下,蒸气压越高,溶液浓度越高。另外,SiF4也 易溶于水,生成氟硅酸。 在净化过程中需要控制氟硅酸浓度,保持净化效率。反 应速率由气膜控制。选择吸收器应从实际情况考虑。
二、常用的工业吸附剂 常用的工业吸附剂: 活性炭、活性氧化铝、硅胶和沸石分子筛 工业吸附剂必须具备的条件: 具有巨大的内表面; 对不同气体具有选择性的吸附作用; 吸附容量大; 具有足够的机械强度、热稳定性和化学稳定性; 来源广泛,价格低廉。
各种硅胶
B 型 硅 胶
细 孔 硅 胶
一、气体在气相中的扩散
气态污染物A通过惰性气体组分B的运动,可用A在B中 的扩散DAB给出, DAB与气体B通过气体A的扩散系数 DBA相等,可由修正的吉里兰方程给出。
D AB MA 1 T 0.5 1 0.5 1.8 10 [ ] 0.5 0.5 2 [V A VB ] A M A M B
总传质速率方程
1 1 1 1 H 1 ; K G kG k L H K L kG k L
由公式可知,气膜阻力和液膜阻力的大小取 决于组分A的溶解度系数H。对于易溶气体, 1 1 H很大, 即总阻力近似等于气膜阻力,这种 KG kG 情况称为气膜控制。 对难溶气体,H很小,即总阻力近似等于 液膜阻力,这种情况称为液膜控制。 对于中等溶解度的气体,气膜阻力和液膜 阻力处于同等数量级,二者皆不能忽略。
氧化铝对氟化氢的吸附主要是化学吸附。 Al2O3+6HF ——2AlF3+3H2O 温度较低时,有利于氟化氢吸附。 该吸附过程的速度很快,氧化铝与烟气中 的氟化氢接触后,反应几乎在0.1s内完成。 氟化氢浓度提高时,反应速度急剧增大。
第四节 气体催化净化
一、催化剂 1、催化剂:能改变化学反应速度,而本身化学组成在反应 前后保持不变的物质。 现已研制了多种催化剂,成功的应用于脱硫、脱硝、汽 车 尾气净化和恶臭物质净化等方面。 2、组成:通常固体催化剂由主活性物质、助催化剂和载体 组成。 主活性物质能单独对化学反应起催化作用; 助催化剂本身没有催化性能,但能明显提高主性物质的催 化性能。 载体用以承载主活性物质和助催化剂。
3、催化剂的性能 活性、选择性和稳定性。 3.1活性 表示方法:工业上常用单位体积(或质量)催化剂在一 定反应条件下,单位时间内所得
到的产品数量来表示。效能大小。
A W t WR
A : 催化剂活性, kg /(h.g ) W : 产品质量,kg t:反应时间, h WR:催化剂的质量, g
Baidu Nhomakorabea
3.2 催化剂的选择性 一种催化剂往往只对一种化学反应起作用,当化学反应 在动力学上有几个反应方向时,一种催化剂在一定条件 下只对其中的一个方向起加速作用,这种特性称为催化 剂的选择性。 选择性的大小用B表示 B=反应所得的目的产物摩尔数/反应了的反应物的摩尔数 选择性与活性是有关联而又相互独立的。分别度量催化 剂加速化学反应速度的两种不同结果,活性表示催化剂 对提高产品产量的作用,选择性表示催化剂对提高原料 利用率的作用。
催化剂中毒:指反应物料中少量的杂质使催化剂 活性迅速下降的现象。 暂时性中毒:通过水蒸气可将毒物驱离催化剂表 面,使催化剂活性恢复,称为暂时性中毒。 永久性中毒:有的毒物与活性组分很强,催化剂 不能再生,称为永久性中毒。 在选择和使用催化剂时要注意避免催化剂的中毒, 查明毒物种类及其在物料中所允许的最高含量,并 使实际反应条件与催化剂所要求的使用条件相一致。
第三节
气体吸附
吸附:用多孔性固体处理流体混合物,使其中所含的一种 或几种组分浓集到固体表面而与其他组分分开的过程。吸 附质、吸附剂 吸附过程能有效的捕集浓度很低的有害物质。还能回收气 态污染物。 研究表明,吸附只发生在吸附剂表面。根据吸附剂和吸附 质之间发生吸附作用的力的性质分为物理吸附和化学吸附。
二、催化作用
1、催化作用 均相催化作用:当反应物和催化剂同处一个由溶液或气 体混合物组成的均匀体系中时,称为均相催化作用;多相 催化作用:当反应物和催化剂处于不同的相(通常催化剂 呈固体,反应物为液体或气体),称为多相催化作用。 多相催化作用中,反应物在催化剂表面上的接触是极为 重要的,这种接触导致了反应物在催化剂表面上的吸附, 并使它的化学键松弛,催化反应正是在接触上发生的,因 而也称固体催化剂为触媒。
1 1 K L kL
二、化学吸收与物理吸收
物理吸收是气体组份在吸收剂中的单纯物理溶解过程。 吸收速率决定于吸收质在气膜和液膜中的扩散 速度。 化学吸收是气体组份在液相中与反应组分发生化学 反应,降低了液相中纯吸收质的含量,提高了吸收 速率,使出塔气体中吸收质含量进一步降低。吸收 速率与扩散速率和化学反应速率有关。
B — 溶液的粘度,cP; — 溶剂的缔结因数,其值 为:水2.6,甲醇1.9,
乙醇1.5,非缔合溶剂如苯、乙 醚均为 1.0
表2:某些物质在水中的扩散系数(20oC,稀溶液)
气体在液体中的扩散系数随溶液浓度变化很大,标 准状态下可以求得SO2在水中的扩散系数为 1.61×10-5cm2/s,μ B≈0.01g/(cm·s)。可见, SO2在水中的扩散系数远小于在空气中的扩散系 数。
3 、被吸收组分在两相主体中的扩散阻力忽略不 计。 4 、相界面处,被吸收组分在两相间已达到平衡, 即认为相界面处没有任何传质阻力。 5 、两层膜的厚度均极薄,所以吸收过程可以看 成是通过气液膜的稳定扩散。 因此,气液两相间的传质速率取决于通过气膜和 液膜的分子扩散速率。
双膜模型 气相分传质速率
第一节 气体扩散
气体的质量传递过程是借助于气体扩散过程来实现 的。 扩散过程包括分子扩散和湍流扩散两种形式。 分子扩散:物质在静止或垂直于浓度梯度作层流流 动中的流体中传递,是由分子运动引起的,称为 分子扩散。 湍流扩散:物质在湍流流体中的传递,除了由于分 子运动外,更主要的是由于流体中的质点的运动 引起的。 扩散的结果:会使气体从浓度较高的区域转移到浓 度较低的区域。
含污染物的气体
六、吸附净化气体的应用
低浓度二氧化硫的吸附净化 常用的吸附剂是活性炭,烟气中含有足量的水蒸气和氧, SO2氧化成SO3, SO3继而由于水发生反应生成稀 硫酸。用金属盐浸渍吸附剂可以增加对二氧化硫的 吸附率,它们的作用是催化氧化二氧化硫 。 吸附法脱硫的缺点 :除了吸附容量有限外,吸附法 必须在吸附器中采用比较低的气流速度。另外,高活 性的碳易于被气体中的氧所氧化。覆盖在炭表面的硫酸, 减低了活性炭的吸附能力,需要用加热或洗涤的方法 脱附,回收这些硫酸,并使活性炭得以再生。
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