1、氣態污染物控制技術第1頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五第一節 氣體擴散氣態污染物脫除過程的單元操作流體輸送熱量傳遞質量傳遞 氣體擴散過程分子擴散分子運動引起湍流擴散流體質點運動引起第2頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣體擴散在氣相中的擴散（Gilliland 方程）第3頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣體在氣相中的擴散擴散系數物質的特性常數之一影響因素：介質的種類溫度壓強濃度第4頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣體在氣相中的擴散部分氣體在空氣中的擴散系數（0oC，101.33kPa）第5頁，共109

2、頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五擴散系數的測量Stephan過程第6頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣體在液相中的擴散在液相中的擴散系數估算方程擴散系數隨溶液濃度變化很大上式只適用于稀溶液第7頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣體在液相中的擴散某些物質在水中的擴散系數（20oC，稀溶液）第8頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五第二節 氣體吸收吸收機理 1.雙膜模型（應用最廣）假定:界面兩側存在氣膜和液膜,膜內為層流, 傳質阻力只在膜內氣膜和液膜外湍流流動,無濃度梯度, 即無擴散阻力氣液界面上,氣液達溶解平衡 即:CA

3、i=HPAi膜內無物質積累,即達穩態.第9頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸收機理2.滲透模型假定:流體微元氣液界面液體主相氣液界面上的液體微元不斷被液相主體中濃度為CAL的微元置換每個微表面元與氣體接觸時間都為界面上微表面元在暴露時間內的吸收速率是變化的第10頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸收機理3.表面更新模型流體微元氣液界面液體主相假定:各表面微元具有不同的暴露時間,t=0-各表面元的暴露時間(齡期)符合正態分布 4. 其它模型表面更新模型的修正基于流體力學的傳質模型界面效應模型第11頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期

4、五雙膜理論雙膜模型氣相分傳質速率液相分傳質速率總傳質速率方程xAL第12頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣液平衡平衡吸收過程的傳質速率等于解吸過程溶解度每100kg水中溶解氣體的kg數第13頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣液平衡常見氣體的平衡溶解度第14頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五亨利定律亨利定律一定溫度下，稀溶液中溶質的溶解度與氣相中溶質的平衡分壓成正比參數換算第15頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸收系數吸收系數的不同形式第16頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五傳質阻

5、力傳質阻力吸收系數的倒數第17頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五傳質過程吸收系數的影響因素吸收質與吸收劑設備、填料類型流動狀況、操作條件吸收系數的獲取實驗測定；經驗公式計算；準數關聯計算第18頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五常用吸收系數經驗式第19頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五界面濃度的計算作圖法 解析法稀溶液亨利定律+傳質方程第20頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五物理吸收操作線方程操作線、平衡線和吸收推動力第21頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五物理吸收最小液氣比（平衡線上凸

6、）吸收塔的最小液氣比第22頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五物理吸收填料塔高度計算水吸收SO2的平衡線和操作線第23頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五化學吸收化學吸收的優點溶質進入溶劑后因化學反應消耗掉，溶劑容納的溶質量增多液膜擴散阻力降低填料表面的停滯層仍為有效濕表面第24頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五化學吸收兩分子反應中相界面附近液相內A與B的濃度分布第25頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五化學吸收的氣液平衡平衡濃度計算第26頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五化學吸收速率吸收速

7、率物理吸收時化學吸收時K1未發生化學反應時的液相傳質分系數由于化學反應使吸收速率增強的系數 相當于選取相同的推動力C, 選用不同的傳質系數引入增強系數第27頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五例：SO2化學吸收計算主要參數G1入塔氣體的總摩爾流量，kmol/(m2h)y1、y2入塔、出塔氣體的SO2摩爾分率pH1漿液的初始pH值W單位時間通過塔任一截面單位面積的吸收劑體積流量，m3/m2h氣相SO2的平衡方程 氣體進口G0,y0氣體出口G1,y1液體進口L1,x1液體出口L0,x0dzzx, y第28頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五例：SO2化學吸收

8、計算邊界條件： y(ZT)=y1各種物質濃度 SO2H2O=KhsP SO2 S HSO3-=KhsKs1PSO2s/H+ SO32-=KhsKs1Ks2PSO2s/H+2 第29頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五例：SO2化學吸收計算堿存在時，任意時間 H+M+=OH-+HSO3-+2SO32- 即：H+M+=KW/H+1-KhsKs1PSO2s/H+2KhsKs1Ks2PSO2s/H+2 在塔底（z=ZT）和z之間計算SO2的物料平衡 G1y1+WKhsPSO2s (1+Ks1/H+2Ks1Ks2/H+2) =G1y1-G1(1-y1)y2/(1-y2)+G1(1-y

9、1)y/(1-y)第30頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五例：SO2化學吸收計算簡化式可寫為第31頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸收設備第32頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸收設備噴淋塔第33頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸收設備第34頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸收設備填料塔第35頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五填料塔第36頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五第七章 氣態污染物控制技術基礎(2)氣體吸附吸附劑吸附機理吸附工

10、藝與設備計算第37頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五第三節 氣體吸附吸附用多孔固體吸附劑將氣體（或液體）混合物中的組分濃集于固體表面吸附質被吸附物質吸附劑附著吸附質的物質優點：效率高、可回收、設備簡單缺點：吸附容量小、設備體積大第38頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附機理第39頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五物理吸附和化學吸附物理吸附化學吸附1.吸附力范德華力；2.不發生化學反應；3.過程快，瞬間達到平衡；4.放熱反應；5.吸附可逆；1.吸附力化學鍵力；2.發生化學反應；3.過程慢；4.升高溫度有助于提高速率；5.吸附不可

11、逆；第40頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五物理吸附和化學吸附同一污染物可能在較低溫度下發生物理吸附若溫度升高到吸附劑具備足夠高的活化能時，發生化學吸附第41頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附劑吸附劑需具備的特性內表面積大具有選擇性吸附作用高機械強度、化學和熱穩定性吸附容量大來源廣泛，造價低廉良好的再生性能第42頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五常用吸附劑特性吸附劑類型活性炭活性氧化鋁硅膠沸石分子篩4A5A13x堆積密度 /kgm-32006007501000800800800800熱容/kJ(kgK)-10.8361.25

12、40.8361.0450.920.7940.794操作溫度上限/K423773673873873873平均孔徑/15251848224513再生溫度 /K373413473523393423473573473573473573比表面積 /g-16001600210360600第43頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五常用吸附劑特性分子篩特性第44頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣體吸附的影響因素操作條件低溫有利于物理吸附；高溫利于化學吸附增大氣相壓力利于吸附 吸附劑性質比表面積（孔隙率、孔徑、粒度等）第45頁，共109頁，2022年，5月20日，0點

13、2分，星期五氣體吸附的影響因素典型吸附質分子的橫截面積第46頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣體吸附的影響因素吸附質性質、濃度臨界直徑吸附質不易滲入的最大直徑吸附質的分子量、沸點、飽和性吸附劑活性單位吸附劑吸附的吸附質的量靜活性吸附達到飽和時的吸附量動活性未達到平衡時的吸附量第47頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五常見分子的臨界直徑分子臨界直徑/分子臨界直徑/氦氫乙炔氧一氧化碳二氧化碳氮水氨氬甲烷乙烯環氧乙烷乙烷甲醇乙醇環丙烷丙烷正丁烷-正二十二烷2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.4

14、4.754.894.9丙烯1-丁烯2-反丁烯1,3-丁二烯二氟-氯甲烷(CFC-22)噻吩異丁烷-異二十二烷二氟二氯甲烷(CFC-12)環己烷甲苯對二甲苯苯四氯化碳氯仿新戊烷間二甲苯鄰二甲苯三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4第48頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣體吸附的影響因素吸附劑再生 溶劑萃取活性炭吸附SO2，可用水脫附 置換再生脫附劑需要再脫附 降壓或真空解吸 吸附作用 ，再生溫度 加熱再生第49頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附劑再生第50頁，共109

15、頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附平衡當吸附速度脫附速度時，吸附平衡，此時吸附量達到極限值極限吸附量受氣體壓力和溫度的影響吸附等溫線 第51頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附等溫線第52頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五m單位吸附劑的吸附量P吸附質在氣相中的平衡分壓K,n經驗常數, 實驗確定吸附方程式弗羅德里希（Freundlich）方程（I型等溫線中壓部分）lgm對lgP作圖為直線第53頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附方程式朗格繆爾（Langmuir）方程（I型等溫線）第54頁，共109頁，2022年，

16、5月20日，0點2分，星期五吸附方程式BET方程（I、II、III型等溫線，多分子層吸附）第55頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附速率吸附過程 吸附 外擴散（氣流主體 外表面） 內擴散（外表面 內表面）第56頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附速率外擴散速率內擴散速率總吸附速率方程第57頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附工藝固定床第58頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附工藝移動床第59頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附工藝移動床第60頁，共109頁，2022年，5月2

17、0日，0點2分，星期五吸附工藝流化床第61頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五流化床吸附工藝第62頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五固定床吸附計算第63頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五固定床吸附計算第64頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五固定床吸附計算第65頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五固定床吸附計算保護作用時間L實際曲線與理論曲線的比較1理論線2實際曲線第66頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五固定床吸附計算同樣條件下定義動力特性第67頁，共109頁，2022

18、年，5月20日，0點2分，星期五固定床吸附計算吸附床長度假定條件等溫吸附低濃度污染物的吸附吸附等溫線為第三種類型吸附區長度為常數吸附床的長度大于吸附區長度第68頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五固定床吸附計算吸附床長度L0吸附區長度WA穿透至耗竭的惰性氣體通過量WE耗竭時的通過量1-f吸附區內的飽和度第69頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五吸附器的壓力損失1）圖解計算第70頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五移動床計算操作線吸附速率方程第71頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五例：用連續移動床逆流等溫吸附過程凈

19、化含H2S的空氣。吸附劑為分子篩。空氣中H2S的濃度為3（重量），氣相流速為6500kg/h，假定操作在293K和1atm下進行，H2S的凈化率要求為95，試確定： (1) 分子篩的需要量（按最小需要量的1.5倍計）； (2) 需要再生時，分子篩中H2S的含量； (3) 需要的傳質單元數。解：(1) 吸附器進口氣相組成： H2S的流量0.036500195kg/h 空氣的流量65001956305kg/h 吸附器出口氣相組成： H2S0.05(195)9.75 kg/h 空氣6305 kg/h 移動床計算第72頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五移動床計算實驗得到的平衡關系

20、如右圖假定X20，從圖得（X1）最大0.1147所以實際需要的分子篩 0.37263052345.5kg/h(2)分子篩吸收H2S的平衡數據第73頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五移動床計算(3)圖解積分法計算NOGNOG3.127第74頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五第七章 氣態污染物控制技術基礎(3)氣體催化凈化催化作用和催化劑氣固催化反應動力學氣固相催化反應器的設計第75頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五第四節 氣體催化凈化含塵氣體通過催化床層發生催化反應，使污染物轉化為無害或易于處理的物質應用工業尾氣和煙氣去除SO2和

21、NOx有機揮發性氣體VOCs和臭氣的催化燃燒凈化汽車尾氣的催化凈化第76頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化凈化工藝段間冷卻的四層催化床第二級催化床預除塵和水分填充床吸收塔填充床吸收塔來自冶煉廠或硫磺燃燒的富含SO2的尾氣水含有約為初始進氣SO2濃度3%的尾氣含有約為初始進氣SO2濃度0.3%的尾氣水單級吸收工藝二級吸收工藝SO2單級和二級凈化工藝的流程圖催化反應：420550第77頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化凈化工藝催化劑：Pt (Pd,過渡金屬，稀土)/Al2O3 等第78頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化凈

22、化工藝NOxNH3 filter Combustor MixerReactorNOx的選擇性催化還原（SCR）第79頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化凈化工藝車用催化轉化器第80頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣體催化凈化催化作用改變反應歷程，降低活化能提高反應速率 （阿累尼烏斯方程） 顯著特征對于正逆反應的影響相同，不改變化學平衡選擇性第81頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化劑加速化學反應，而本身的化學組成在反應前后保持不變的物質組成活性組分 助催化劑 載體第82頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期

23、五催化劑的性能活性W產品質量WR催化劑質量t反應時間第83頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化劑的性能穩定性熱穩定性、機械穩定性和化學穩定性表示方法：壽命老化活性組分的流失、燒結、積炭結焦、機械粉碎等中毒對大多數催化劑，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb第84頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五氣固催化反應動力學反應過程(1)反應物從氣流主體-催化劑外表面(2) 進一步向催化劑的微孔內擴散(3)反應物在催化劑的表面上被吸附(4)吸附的反應物轉為為生成物(5)生成物從催化劑表面脫附下來(6)脫附生成物從微孔向外表面擴散(7)生成物從外表面擴散到

24、氣流主體(1),(7)：外擴散；(2),(6)內擴散 (3),(4),(5)：動力學過程主氣流微孔固相催化劑粒子示意圖第85頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化劑反應動力學催化劑中的濃度分布第86頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化劑反應動力學第87頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化劑反應動力學反應速度取決于帶 反應(最慢反應)，其它都達到平衡例：AB RS表面反應控制 吸附或脫附控制A的吸附：B的吸附：表面反應：R的脫附：S的脫附：第88頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化反應動力學方程表面化學

25、反應速率對于催化床NA反應物A的流量，kmol/hNA0反應物A的初始流量，kmol/hVR反應氣體體積，m3x轉化率L反應床長度，mA反應床截面積，m2Q反應氣體流量，m3t接觸時間，hcA0反應物的初始濃度,kmol/m3第89頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化反應動力學方程宏觀動力學方程外擴散的傳質速率第90頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化反應動力學方程宏觀動力學方程內擴散反應速率第91頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化反應動力學方程催化劑有效系數反應催化劑微孔內濃度分布對反應速率的影響 在內擴散的影響下催化

26、劑微孔內表面上反應物很低，沿微孔方向降至平衡濃度催化劑內表面積并未充分利用值較小第92頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化反應動力學方程催化劑有效系數實驗測定第93頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化反應動力學方程催化劑有效系數一級不可逆反應第94頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五內外擴散的影響外擴散控制降低催化劑表面反應物濃度，從而降低反應速度表現因數：KG消除方法提高氣速，以增強湍流程度，減小邊界層厚度氣速提高到一定程度，轉化率趨于定值，外擴散影響消除下限流速第95頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五

27、內外擴散的影響內擴散控制降低催化劑內反應物濃度，從而降低反應速度表現因數：消除方法盡量減小催化劑顆粒大小粒徑減小到一定程度，轉化率趨于定值，內擴散影響消除第96頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化反應器的設計設計基礎停留時間決定反應的轉化率由催化床的空間體積、物料的體積流量和流動方式決定第97頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化反應器的設計設計基礎反應器的流動模型活塞流、混合流實際流態介于兩者之間反應器內每一點的流態各不相同，停留時間各異不同停留時間的物料在總量中所占的分率具有相應的統計分布停留時間分布函數工業上，連續釜式反應器理想混合反應器；徑高比大的固定床活塞流反應器第98頁，共109頁，2022年，5月20日，0點2分，星期五催化反應器的設計設計基礎空間速度單位時間通過單位體積催化床的反應物料體積第99頁，共109頁，2022