环境工程学第7章气态污染物控制方法

式中，M与组分在液相 CB DB 中的扩散速率有关 M
bCAi DA
液相 扩散 系数
R
1 kL
2 m1 n DA mn C Ai CB m 1
对于普通二级反应，可参考图7－2
吸收剂的选择
对吸收剂的要求（选择原则） 吸收剂对混合气体中被吸收组分具有良好的 选择性和较大的吸收能力； 吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收剂损失， 避免造成新的污染； 沸点高、融点低、粘度低，不易起泡； 化学性能稳定，腐蚀性小、无毒性、难燃烧； 价廉易得； 易于解吸再生或综合利用；
液体以液滴形式分散于气体中
空心（喷嘴式）喷洒吸收器 高气速并流喷洒吸收器 机械喷洒吸收器
按气液两相界面形成原理分类
具有固定相界面的吸收设备
在气液两相流动过程中形成相界面的吸收设备
有外部能量引入的吸收设备 按汽液分散形式分类 气相分散、液相连续 液相分散、气相连续
文丘里吸收塔 板式塔 喷淋塔、填料塔
根据穿透点和吸附剂的饱和吸附量求hu
X
传质吸 附区
Δh
hu
0
h2
柱深H
h2+Δh的床层已饱和，H- Δh的还没有吸附，所以未用床高为hu。
达到穿透点时被吸附的总量为：
W G (Y0 Y0 ) b
G：流体流量

Θb：穿透时间
Y0：吸附质原始浓度，Kg吸附质/Kg气体流量
Y0*：流出时正常浓度，Kg吸附质/Kg气体流量
*
希洛夫近似计算法
假设：吸附速率无穷大，
穿透点浓度极低
Gs B AY0 zAs X T
Gs：流体流量，Kg/(m2· s) τB：穿透时间
Y0：吸附质原始浓度，Kg吸附质/Kg吸附剂
Z：吸附剂床层高度，m XT：与Y0平衡时的吸附剂的静吸附量，Kg吸附质/Kg吸附剂
希洛夫近似计算法
dM A k y a p(YA Y A i ) dt dM A k x a p(X A i X A ) dt
dM A K Y a p(YA Y A* ) K X a p(X A* X A ) dt
固定床吸附装置的设计计算
固定床吸附过程分析
固定床吸附装置的计算
• 具有大的比表面积
• 具有良好的选择性吸附作用 • 吸附容量大 • 具有良好的机械强度和均匀的颗粒尺寸 • 有足够的热稳定性和化学稳定性 • 有良好的再生性能
• 来源广泛、价格低廉
吸附剂的再生
• 纯物理吸附 将吸附热Q重新转给吸附剂
• 存在化学反应 再活化能（解吸附能Ed+反应热Qc）
• 常用的再生方法
• 湍球塔 气体流速高，处理能力大；设备体积小， 吸收效率高。 随小球的运动，有一定程度 的返混；段数多时阻力较高；塑料小球不 能承受高温，使用寿命短，需经常更换。
• 筛板塔
处理能力大，压降小，在一定的负荷范围 内容易操作，塔板效率高及制作安装简单， 金属耗量省，造价低。 必须维持恒定的操作条件，负荷范围比较 窄；小孔径筛孔容易堵塞。
PA G 1
dC B L C B L 1 N A a
CBL2
• 填料吸收塔的压力降
2 P m 8 n L1 (10 ) 10 / L G 1 H G
• 传质区内传质单元数的计算
对整个吸附床层作物料衡算：
G s(Y0 0) Ls(XT 0)
在床层的任一截面上：
加热解吸再生 溶剂萃取 降压或真空解吸 置换再生
选择合适的溶剂，使吸附质在该 溶剂中的溶解性能远大于吸附剂 对吸附质的吸附作用，从而将吸 附物溶解下来。
吸附装置
固定床、流动床、沸腾床
• 固定床吸附器 在空气污染控制中最常用的是将两个以上的固定 床组成一个半连续式吸附流程。 • 回转床吸附器 • 流化床吸附器
吸附净化
使气体混合物与适当的多孔性固体接触，利用固体表面 存在的未平衡的分子引力或化学键力，把混合物中某一 组分或某些组分吸流在固体表面上。
特点
效率高，能回收有用组分，设备简单，操作方便，易 于实现自动控制。 但是吸附容量不高。
应用
广泛地应用于化工、冶金、石油、食品、轻工及高纯气 体的制备等工业部门。 特别是用于其它方法难于分离的低浓度有害物质和排放 标准要求严格的废气处理上效果更好。
Y A1
A2
dY N
A
A

Gs P1
× a
P
P AG1
AG2
dP N
A
A
× a
1 Gs dYA Ls dX B N A a dh b
Ls H b
dX B Ls X B 1 N A a b C 1
X B2
dC B L C B L 1 N A a
CBL2
XB=CBL/C1
吸附平衡与吸附速率
吸附平衡
平衡吸附量 • 吸附等温线
等温吸附方程
• 弗伦德利希方程
Ⅰ型等温线 1 lgX lgK lgP n Ⅰ型等温线
是目前常用的基本等温吸附式。
常用于低浓度气体，对 高浓度气体有较大偏差。
• 朗格缪尔方程
PA 1 b PA X a a
• BET方程
气相主体
气膜
液膜
PAG PAi
ZG
CAi
ZL
液相主体
界面传质速率方程符合费克定律
CAL
气膜
液膜
气膜与液膜的传质速率 相等：
DAG NA ( p AG p Ai ) ZG DAL NA (C Ai C AL ) ZL
令：
k AG D AG ZG D AL ZL
气相主体
PAG PAi
吸附过程
物理吸附和化学吸附
物理吸附
化学吸附
靠分子间的范德华引 力产生
靠吸附剂与吸附质之 间的化学键力产生
单分子层吸附 或多层吸附
只能单层吸附
吸附剂及其再生
气体净化吸附剂应满足的要求 工业上常用的吸附剂
活性炭、活性氧化铝、硅胶、沸石分子筛等。
合乎工业要求的吸附剂应满足要求：
第七章 气态污染物控制
• 吸收净化
• 吸附净化 • 催化转化 • 燃烧转化 • 冷凝法 • 生物净化 • 气态污染物的其他净化方法
第一节 吸收净化
利用气体混合物中不同组分在吸收剂中溶解 度不同，或者与吸收剂发生选择性化学反应， 从而将有害组分从气流中分离出来。 特点 捕集效率高、设备简单、一次性投资低。 应用 广泛地应用于气态污染物的处理。如SO2、 H2S、HF、HCl和Nox等污染物的废气，都可 以采用吸收净化。
ZG
CAi
ZL
液相主体
CAL
k AL
N A k AG ( pAG pAi ) k AL (C CAL )

A
伴有化学反应的传质系数
根据实测法或增强系数法，后者用较多。
若反应中A组分保持几乎不变，增强系数可用下式近 似计算： 2( M 1) M 2 1 1 4( ) R

[M ] K' [ A][B] PA

1 CA H A (1 K '[ B])
被吸收组分有离解
A( g ) A(l ) M N


C A [ A] [M ]
[ M ][N ] K' [ A]
若



[M ] [ N ]
[M ] K '[ A]

CA [ A] [M ] [ A] K '[ A]
G H P
dPA G L PA G 2 N A a b C T
PA G 1
dC B L C B L 1 N A a
CBL2
液泛
塔内气相靠压差自下而上逐板流动，液相靠重力 自上而下通过降液管而逐板流动。显然，液体是由低 压空间流至高压空间，因此，降液管中的液流必须有 足够高度，以克服两板间的压降而流动。
Ⅱ型、Ⅲ型等温线
当比压P/P0=0.05-0.35 时比较准确。
P 1 (C 1)P X(P0 P) X eC X eCP0
吸附速率 吸附过程
• 外扩散
• 内扩散 总吸附速率是这几个步骤综合的结果
• 吸附
吸附速率方程 • 外扩散阻力起主要作用 • 内扩散阻力起主要作用 • 总吸附速率方程
气相与液相相同为分散相
按汽液接触方式分类
连续接触式 填料塔、喷淋塔、湍球塔
间断接触式
板式塔
常用吸收塔介绍
要求气液有效接触面积大，气液湍动程度高， 设备压力损失小，结构简单，易操作维修， 投资少，操作费用低等。
• 填料塔
结构简单、便于用耐腐蚀材料制造，气液 接触效果好，压降小。 当烟气中含有悬 浮颗粒时，填料容易堵塞，清理检修时填 料损耗大。
被吸收组分与溶剂反应

A( g ) A(l ) B(l ) M (l )
[M ] x K' [ A][B] [ A](1 x)
[ A] H P
A A
代入上式
K1 PA C A C B0 1 K1 PA

二. 吸收速率方程
基本理论：双膜理论 界面分为气膜和液膜。
一. 吸收平衡
• 亨利定律：反应气液相的平衡
•
P i Ei xi
*
• Pi*: i组分在气相中的分压，xi是i组分在液相中的摩尔 分数 • Ei是亨利系数
亨利定律可写为：
Ci Hi P i

吸收组分与溶剂有作用：
K A( g ) A(l ) B M (l )
亨利定律可知：
C A [ A] [ M ] [ A] H A PA
吸收剂选择实例
污染物
氯化氢 氟化氢 二氧化硫 氧化氢氧 化物 硫化氢
适宜的吸收剂
水、氢氧化物 水、碳酸钠 氢氧化钠、亚硫酸钠 、氢氧化钙 氢氧化钠、硝酸 + 亚 硫酸钠 二乙醇胺、氨水、碳 酸钠
污染物
氯气 氨 苯酚 有机酸 硫酸
适宜的吸收 剂
氢氧化钠、 亚硫酸钠 水、硫酸、 硝酸 氢氧化钠 氢氧化钠 次氯酸钠
当液体流经降液管时，降液管对液流有各种局部 阻力，液流量大则阻力也增大，降液管内液面也随之 升高。故气液相流量增加都能使降液管内液面升高。 当管内液体增加到越过溢流堰顶部时，漫到上层板中 去；该层塔板产生积液，并依次上升，这种现象称为 液泛，亦称淹塔。此时，塔板压降上升，全塔操作被 破坏，操作时应避免液泛发生。
吸收设备及其计算
吸收设备的分类 按吸收表面形成方式分类
表面吸收器
两相接触表面是静止液面或流动的液膜表面
水平液面的表面吸收器 填料吸收器
液膜吸收器 机械膜式吸收器
鼓泡式吸收器 气体以气泡形式分散于液体吸收剂中
连续鼓泡层吸收器
板式吸收器
活动（浮动）填料 吸收器
液体机械搅拌吸收器
喷洒式吸收器
吸附WKg吸附质相当于有hs高的床层已饱和：
W hs A ( X 0 X 0 )
X0：吸附剂上原始吸附质含量，Kg吸附质/Kg吸附剂
X0*：与流体相Baidu Nhomakorabea始组成Y0平衡的吸附剂上吸附质含 量，Kg吸附质/Kg吸附剂
未用床高为：
G b (Y0 Y0 ) hu H hs H A ( X 0 X 0 )
筛 板 塔
填料吸收塔的设计
• 塔径的计算
DT 4Q V0
处理气量：根据实际 的工业过程而定。
空塔速度：一般由填料 塔的液泛速率Vt 确定， 通常取V0=0.60-0.70Vt。
• 填料塔高度的计算
由过程吸收速率NA和对吸收效率的要求来确定。
G H P
dPA G L PA G 2 N A a b CT
前式变化为：
X Tρs τ z Kz B G sY0
由于假设与实际 有差异，必须扣 除初始的死时间， 故公式修正：
τB K(z- z0 )
τB Kz -τ 0
希洛夫方 程
固定床吸附装置的压力降
3d p
吸附剂颗粒的 平均直径
P 150 (1 ) 1.75 2 Z (1 )G s Re p
YGs XLs
在床层内取微元高度作物料衡算：
G sdY K Y a p(Y Y * )dz
对于传质区，则有：
Z a dz (
0 YB
Za
YE
Gs dY ) K Y a p (Y Y * )
传质区内的传质单元数
N 0G
传质区内的传质单元高度
H 0G
dY Y B (Y Y * ) G s KY ap
YE
单位体积内气体量：
1 Gs dY A N A adh Ls dX B b
GS dYA N Aa dh
GS dYA H N A a YA 2
Y A1
1 Gs (YA YA 2 ) Ls ( X B X B 2 ) b
YA=PA/P1
H G
Y s