氣態(tài)污染物控制技術基礎

氣態(tài)污染物控制技術基礎7.1氣體擴散7.2氣體吸收7.3氣體吸附7.4氣體催化凈化氣態(tài)污染物控制技術基礎7.1氣體擴散氣體擴散過程包括分子擴散和湍流擴散，總稱為對流擴散；物質在靜止的或垂直于濃度梯度方向作層流流動的流體中傳遞，是由分子運動引起的，稱為分子擴散；物質在湍流流體中的傳遞，主要由于流體中質點的運動而引起的，稱為湍流擴散；擴散將會導致氣體從濃度較高的區(qū)域轉移到濃度較低的區(qū)域。7.1.1氣體在氣相中的擴散常用擴散系數(shù)來表征氣體擴散的能力。擴散系數(shù)是物質的特性常數(shù)之一，同一物質的擴散系數(shù)隨介質的種類、溫度、壓強及濃度的不同而變化。1）氣體A在氣體B中的擴散系數(shù)[]3325.025.05.05.04/g//cm11108.1cmmolcmVMsDKTMMMVVTDAABBAAABAAB氣體密度，的摩爾體積，氣體在沸點下呈液態(tài)時氣體的摩爾質量擴散系數(shù)，絕對溫度，-----++×=-ρ[]ρ2）液體A在氣體B中的擴散系數(shù)()stLLppcmLcmLcmgAtLLMppPRTDBBAAABBAB變化時間，時空氣分壓、分別為、液體的最終高度，液體的初始高度，的密度，液體------=212121311122121/2/lnrr7.1.2氣體在液相中的擴散氣體在液體中的擴散系數(shù)隨溶液濃度變化很大，下面給出適于氣體在較稀溶液中擴散系數(shù)的計算公式：()6.05.010104.7ABBABVTMDmb-′=7.2氣體吸收7.2.1吸收機理7.2.1.1雙膜模型假定: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:CAi=HPAi膜內無物質積累,即達穩(wěn)態(tài).7.2.1.2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7.2.1.3表面更新模型假定: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(tài)分布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7.2.2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xAL7.2.3氣液平衡1）氣液平衡關系式2）吸收系數(shù)3）界面濃度7.2.4物理吸收1）吸收操作線方程2）吸收劑用量與液氣比3）填料層高度計算7.2.5化學吸收1）化學反應對吸收的影響2）化學吸收的氣液平衡3）伴有化學反應的吸收速率4）SO2的化學吸收吸收工藝7.3氣體吸附氣體吸附是用多孔固體吸附劑將氣體（或液體）混合物中一種或數(shù)種組分濃集于固體表面，與氣體組分分離的過程。吸附過程能有效脫除一般方法難于分離的低濃度有害物質，具有凈化效率高、可回收有用組分、設備簡單、易實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點，其缺點是吸附容量較小、設備體積大。根據(jù)吸附劑表面與吸附質之間作用力的不同，吸附可分為物理吸附和化學吸附。7.3.1物理吸附物理吸附是由于分子間范德華力引起的，可以是單層吸附或多層吸附。其吸附特征有：1）吸附質與吸附劑之間不發(fā)生化學反應；2）吸附過程極快，參與吸附的各相間常常瞬間即達平衡；3）吸附為放熱反應；4）吸附劑與吸附質之間的吸附力不強，當氣體中吸附質分壓較低或溫度升高時，被吸附的氣體易于從固體表面逸出，而不改變氣體原來性質。7.3.2化學吸附

化學吸附是由于吸附劑與吸附質之間的化學鍵力而引起的，是單層吸附，吸附需要一定的活化能。化學吸附的吸附力較強，其主要特征如下：1）吸附有很強的選擇性；2）吸附速率較慢，達到吸附平衡需相當長的時間；3）升高溫度可以提高吸附速率。物理吸附和化學吸附關系同一污染物可能在較低溫度下發(fā)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(fā)生化學吸附7.3.3吸附劑7.3.3.1吸附劑的性質

吸附劑必須具備的條件：1）要具有巨大的內表面；2）對不同氣體具有選擇性的吸附作用；3）較高的機械強度、化學與熱穩(wěn)定性；4）吸附容量大；5）來源廣泛、造價低廉；6）良好的再生性能。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/kg?m-3200～600750～1000800800800800

熱容/kJ(kg·K)-10.836～1.2540.836～1.0450.920.7940.794——操作溫度上限/K423773673873873873平均孔徑/?15～2518～48224513再生溫度/K373～413473～523393～423473～573473～573473～573比表面積/㎡?g-1600～1600210～360600——————7.3.3.2常用的工業(yè)吸附劑1）白土；2）活性氧化鋁；3）硅膠；4）活性炭；5）沸石分子篩7.3.3.3影響氣體吸附的因素操作條件包括溫度、氣體壓力和氣流速度等操作條件。吸附劑的性質吸附劑比表面積的計算公式：吸附質的性質與濃度吸附劑的活性7.3.3.4吸附劑的再生加熱再生降壓或真空解析置換再生溶劑萃取7.3.4吸附機理7.3.4.1吸附平衡平衡吸附量：吸附劑對吸附質的極限吸附量；吸附等溫線：吸附達平衡后，吸附質在氣、固兩相中的濃度關系:1）Freundlich方程式2）Langmuir方程式3）BET方程式7.3.4.2吸附速率1）吸附速率理論公式①外擴散速率②內擴散速率③總吸附速率方程式2）活性炭吸附速率計算公式7.3.5吸附工藝與設備計算7.3.5.1吸附工藝及設備固定床吸附流程移動床吸附流程流化床吸附流程7.3.5.2固定床吸附器計算方法固定床吸附器內的濃度分布

保護作用時間（穿透時間）、穿透曲線保護作用時間的確定吸附區(qū)長度的確定吸附床的飽和度通過吸附器的壓力損失7.3.5.2固定床吸附器計算方法固定床吸附器內的濃度分布保護作用時間τ－L實際曲線與理論曲線的比較1－理論線 2實際曲線?（假定吸附層完全飽和）b0Lvartr￠=?（假定吸附層完全飽和）b0Lvartr￠=a－－靜活度，％S－－吸附層截面積,,m2L－－吸附層厚度,,m－－吸附劑堆積密度，kg/m33v－－氣體流速，m/s－－污染物濃度，kg/m33－－保護作用時間損失；hh－－死區(qū)長度br0r0t?希洛夫方程－－－－,,－－33－－33－－h(huán)h－－死區(qū)長度br0r0t?同樣條件下定義－動力特性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(qū)長度為常數(shù)吸附床的長度大于吸附區(qū)長度吸附器的壓力損失1）圖解計算7.3.5.3移動床吸附器的計算方法移動床計算操作線吸附速率方程

7.4氣體催化凈化催化轉化是指含有污染物的氣體通過催化劑床層的催化反應，使其中的污染物轉化為無害或易于處理與回收利用物質的凈化方法。7.4.1催化作用與催化劑7.4.1.1催化作用催化作用的特征：催化劑只能改變化學反應速度，能縮短或延長達到平衡的時間，但不能使平衡移動，也不能使熱力學上不可能發(fā)生的反應發(fā)生。催化作用有特殊的選擇性。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：420～550℃催化凈化工藝NOxNH3filterCombustorMixerReactorNOx的選擇性催化還原（SCR）催化凈化工藝車用催化轉化器7.4.1.2催化劑催化劑的組成：活化組分、助催化劑和載體等；催化劑的性能：包括活性、選擇性和穩(wěn)定性；①催化劑的活性催化劑的活性以單位體積（或質量）催化劑在一定條件（溫度、壓力、空速和反應物濃度）下，單位時間所得的產(chǎn)品量來表示。②催化劑的選擇性一種催化劑只對一個反應方向起作用的特性。③催化劑的穩(wěn)定性包括熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性等，常用使用壽命表征催化劑的穩(wěn)定性，其影響因素主要是催化劑的中毒和老化。7.4.2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氣流主體

(1),(7)為外擴散；(2),(6)內擴散，(3),(4),(5)是動力學過程催化劑中的濃度分布催化反應動力學方程表面化學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