1、第五章 氣態(tài)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ),吸收法凈化氣態(tài)污染物,吸附法凈化氣態(tài)污染物,催化法凈化氣態(tài)污染物,其他方法凈化氣態(tài)污染物,機(jī)動(dòng)車尾氣凈化,5.1 吸收法凈化氣態(tài)污染物,氣體吸收的概念和分類,吸收平衡（熱力學(xué)過程）,吸收速率（動(dòng)力學(xué)過程）,吸收設(shè)備和設(shè)計(jì),吸收法凈化氣態(tài)污染物的應(yīng)用,5.1 吸收法凈化氣態(tài)污染物,5.1.1 氣體吸收的概念和分類, 吸收法凈化氣態(tài)污染物：是利用廢氣中各混合組分在選定的吸收劑中溶解度不同，或者其中某一種或多種組分與吸收劑中活性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到將有害物從廢氣中分離出來，凈化廢氣的目的的一種方法。,5.1 吸收法凈化氣態(tài)污染物,5.1.1 氣體吸收的概念和分類,化

2、學(xué)吸收：伴有顯著化學(xué)反應(yīng)的吸收過程。, 根據(jù)吸收過程的物理化學(xué)性質(zhì)，氣體吸收分為 物理吸收和化學(xué)吸收。,5.1 吸收法凈化氣態(tài)污染物,5.1.1 氣體吸收的概念和分類,同：兩類吸收所依據(jù)的基本原理以及所采用的吸收 設(shè)備大致相同。 異：一般來說，化學(xué)反應(yīng)的存在能提高反應(yīng)速度，并使吸收的程度更趨于完全。結(jié)合大氣污染治理工程中所需凈化治理的廢氣，具有氣量大，污染物濃度低等特點(diǎn)，實(shí)際中多采用化學(xué)吸收法。,5.1 吸收法凈化氣態(tài)污染物,5.1.2 吸收平衡,5.1.2 吸收平衡,（1）物理吸收平衡,一定溫度和壓力下，吸收速率和解吸速率將最終相等，氣液兩相間的質(zhì)量傳遞達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)氣體溶質(zhì)在液相中的含

3、量，為該氣體的平衡溶解度。,亨利定律（Henrys Law）,5.1.2 吸收平衡,（1）物理吸收平衡,亨利定律（Henrys Law）,5.1.2 吸收平衡,（1）物理吸收平衡,Hi、Ei亨利系數(shù) Cimol/m3，Pi*Pa， 則Hmol/m3Pa; xi摩爾分?jǐn)?shù)， Pi*Pa ，則EPa； xi為溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù).,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,被吸收組分A與溶劑相互作用,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,反應(yīng)式表示為：,被吸收組分A進(jìn)入液相后的總濃度CA*可寫成：,其化學(xué)平衡常

4、數(shù)：,被吸收組分A與溶劑相互作用,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,于是有：,又若是稀溶液吸收,則遵循亨利定律，即有A=HAPA*，代入上式，于是有：,被吸收組分A與溶劑相互作用,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,被吸收組分A在溶液中的離解,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,設(shè)反應(yīng)產(chǎn)物的解離反應(yīng)式為：,吸收平衡時(shí)，離解常數(shù)為：,當(dāng)溶液中無相同離子存在時(shí)，K+=A-，于是有：,被吸收組分A在溶液中的離解,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,被吸收組分A在溶液中的總濃度為物理溶解量與離解溶解量之和，即：,又因?yàn)椋?被吸收組分A在溶液中的離解,5.1.2 吸收平衡,（2

5、）化學(xué)吸收平衡,對(duì)以上兩式聯(lián)立求解：,式中：,被吸收組分A在溶液中的離解,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,代入亨利定律，則：,由此可見，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物有解離的化學(xué)吸收過程，相平衡方程式與氣相組分A在吸收液中總濃度CA*為非線性關(guān)系。,被吸收組分A在溶液中的離解,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,被吸收組分A與溶劑中活性組分作用,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,設(shè)反應(yīng)式為：,設(shè)溶劑中活性組分B的起始濃度為CB0，反應(yīng)達(dá)平衡后，轉(zhuǎn)化率為R，則溶液中活性組分B的濃度： 而生成物M的平衡濃度為：,。由化學(xué)平衡關(guān)系得平衡常數(shù)：,被吸收組分A與溶劑中活性組分作用,5.1.2 吸收平

6、衡,（2）化學(xué)吸收平衡,由化學(xué)平衡關(guān)系得平衡常數(shù)：,又亨利定律A=HAPA*，得：,被吸收組分A與溶劑中活性組分作用,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,若物理溶解量可忽略不計(jì)，則由上兩式可得：,令：,于是：,被吸收組分A與溶劑中活性組分作用,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,由此可見： （1）溶液的吸收能力CA*隨PA*增大而增大，溶液的吸收能力CA*隨k增大而減小。 （2）溶液的吸收能力還受活性組分起始濃度CB0的限制， CA* CB0 （只能趨近于而不能超過）。 （3）氣相中的分壓和溫度對(duì)化學(xué)吸收和物理吸收的影響不同: 溫度增大，壓力增大可改善化學(xué)吸收過程(化學(xué)吸收)； 溫

7、度降低，壓力增大可改善液體中污染物的溶解度（物理吸收）。,被吸收組分A與溶劑中活性組分作用,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,被吸收組分A與溶劑中活性組分作用,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,被吸收組分A與溶劑中活性組分作用,被吸收組分A與溶劑相互作用,被吸收組分A在溶液中的離解,（1）物理吸收平衡,CA=HAPA*,5.1.2 吸收平衡,（2）化學(xué)吸收平衡,1-被吸收組分A與溶劑相互作用;2-被吸收組分A在溶液中的離解; 3-被吸收組分A與溶劑中活性組分作用,5.1.2 吸收平衡,（3）吸收過程的物料平衡,逆流吸收塔內(nèi)氣、 液流率和

8、組成的變化,物料平衡與操作線方程,G、L分別表示單位時(shí)間通過塔任一截面單位面積的混合氣體和吸收液的流量， mol/(m2s) ； GB表示單位時(shí)間通過塔任一截面單位面積的惰性氣 體的流量，Kmol/(m2h)； Ls表示單位時(shí)間通過塔任一截面單位面積純吸收劑的流量，Kmol/(m2h)； Y、Y1、Y2分別表示在塔的任意截面、塔底和塔頂?shù)臍庀嘟M成，（Kmol吸收質(zhì)/Kmol惰性氣體）； X、X1、X2分別表示在塔的任意截面、塔底和塔頂?shù)囊合嘟M成，（Kmol吸收質(zhì)/Kmol吸收劑）。 x、y分別表示任一截面上吸收液和混合氣體中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù),5.1.2 吸收平衡,（3）吸收過程的物料平衡,逆流吸

9、收塔內(nèi)氣、 液流率和組成的變化,物料平衡與操作線方程,對(duì)全塔進(jìn)行物料衡算有： 就任意截面與塔頂間進(jìn)行物料衡算有： 或 此式即為吸收操作線方程式。,5.1.2 吸收平衡,（3）吸收過程的物料平衡,物料平衡與操作線方程,吸收操作線和推動(dòng)力圖示,吸收操作線斜率Ls/Gs稱為吸收操作的液氣比,物理含義為處理單位惰性氣體所消耗的純吸收劑的量。,操作線方程式的作用： 說明塔內(nèi)氣液濃度變化情況，更重要的是通過氣液情況與平衡關(guān)系的對(duì)比，確定吸收推動(dòng)力,進(jìn)行吸收速率計(jì)算,并可確定吸收劑的最小用量,計(jì)算出吸收劑的操作用量。,5.1.2 吸收平衡,（3）吸收過程的物料平衡,物料平衡與操作線方程,吸收操作線和推動(dòng)力圖

10、示,掌握以下三個(gè)方面： (1)在YX圖上，吸收操作線必須處于平衡線之上； (2)操作線與平衡線之間的距離反映了吸收推動(dòng)力的大小。操作線上任一點(diǎn)代表某截面上氣、液組成（Y,X），該點(diǎn)到平衡線的垂直距離（Y-Y*）和水平距離（X*-X）分別代表該截面上的吸收推動(dòng)力。 (3)平衡線與操作線不能相交或相切。,5.1.2 吸收平衡,（3）吸收過程的物料平衡,最?。ㄗ罴眩庖罕鹊拇_定,吸收塔的最小液氣比,在吸收塔設(shè)計(jì)中要處理的廢氣流量G 、進(jìn)出塔氣體溶質(zhì)濃度（Y1、Y2）均由設(shè)計(jì)任務(wù)而定，吸收劑的種類和進(jìn)塔濃度X2由設(shè)計(jì)者決定，而只有吸收劑用量L及出塔溶液中吸收質(zhì)濃度X1是待計(jì)算的。根據(jù)物料衡算，L與X1

11、之中只有一個(gè)是獨(dú)立的未知量，通常在計(jì)算中先確定L值，則X1便隨之而定了。由于G屬已知條件，因而可通過確定操作線斜率L/G（液氣比）來確定L。,5.1.2 吸收平衡,（3）吸收過程的物料平衡,最小（最佳）氣液比的確定,吸收塔的最小液氣比,（L/G）min的提出：,當(dāng)塔底操作點(diǎn)D與平衡線相交時(shí)，X1與Y1成平衡，這時(shí)理論上吸收液所能達(dá)到的最高濃度，以X1*表示，此操作線對(duì)應(yīng)的液氣比稱為最小液氣比，以（L/G）min。,5.1.2 吸收平衡,（3）吸收過程的物料平衡,最?。ㄗ罴眩庖罕鹊拇_定,實(shí)際設(shè)計(jì)中氣液比的確定： （1）操作液氣比必須大于最小液氣比； （2）就填料塔而言，操作液體的噴淋密度（即每

12、平方米的塔截面上每小時(shí)的噴淋量， m3/m2h）應(yīng)大于為充分潤(rùn)濕填料所必需的最小噴淋密度，一般為3-4m3/m2h，此時(shí)設(shè)備的阻力較小。 （3）操作氣液比的選定應(yīng)盡可能從設(shè)備投資和操作費(fèi)用兩方面權(quán)衡考慮，以達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的要求。,5.1 吸收法凈化氣態(tài)污染物,5.1.3 吸收速率,雙膜理論,5.1.3 吸收速率,（1）物理吸收速率,吸收過程速率,5.1.3 吸收速率,（1）物理吸收速率,5.1.3 吸收速率,（1）物理吸收速率,吸收過程速率,化學(xué)吸收過程,5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸收雙膜理論模型,A（g）+bB（l）rR（l） 化學(xué)吸收可以歸納為： 氣相反應(yīng)物A從氣相主體通過

13、氣膜向氣液界面?zhèn)鬟f； 氣相反應(yīng)物A從氣液相界面向液相主體擴(kuò)散； 組分A在液膜和液相主體內(nèi)與反應(yīng)物B相遇發(fā)生反應(yīng)； 反應(yīng)生成的液相產(chǎn)物向液主 體擴(kuò)散，留于液相，若生成的是氣相產(chǎn)物，則向相界面擴(kuò)散相 ； 氣相產(chǎn)物自相界面通過氣膜向氣相主體擴(kuò)散。,化學(xué)吸收過程,5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸收雙膜理論模型 P253,傳質(zhì)速率 化學(xué)反應(yīng)速率 動(dòng)力學(xué)控制 傳質(zhì)速率 化學(xué)反應(yīng)速率 擴(kuò)散控制 傳質(zhì)速率 = 化學(xué)反應(yīng)速率 雙向控制,5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸收總速率方程式,氣膜傳質(zhì)速率方程,氣液相界面,液相中發(fā)生化學(xué)反應(yīng),5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸

14、收總速率方程式,式中： kL未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)液相傳質(zhì)分系數(shù)，亦即物理吸收 的液相傳質(zhì)分系數(shù)，m/h； CAi 、CAL氣液界面和液相中未反應(yīng)的氣體溶質(zhì)的濃度，Kmol/m3； 由于化學(xué)反應(yīng)使吸收速率增強(qiáng)的系數(shù)，簡(jiǎn)稱 其單位無量綱；,增強(qiáng)系數(shù)是與反應(yīng)級(jí)數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)、化學(xué)平衡常數(shù)、液相中各組分的濃度、擴(kuò)散系數(shù)、液相的流動(dòng)狀態(tài)等諸多因素相關(guān)的較為復(fù)雜的一個(gè)系數(shù)。,5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸收速率總方程式,極快速不可逆化學(xué)反應(yīng) 總吸收速率方程,5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸收速率總方程式,極快速不可逆化學(xué)反應(yīng) 總吸收速率方程,（1）當(dāng)由氣相擴(kuò)散到相界面的吸收

15、質(zhì)A的量超過與由液相擴(kuò)散到界面的吸收劑B的反應(yīng)量時(shí)，相界面上B被耗盡而A過剩，即相界面處CBi=0, CAi0。那么過剩的A繼續(xù)向液膜擴(kuò)散并繼續(xù)與液膜中的B反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)面R-R從界面P-P向液相移動(dòng)，直到brA=arB。,5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸收速率總方程式,極快速不可逆化學(xué)反應(yīng)總吸收速率方程,第一種情況實(shí)際上是吸收劑濃度小于臨界濃度，即CBLCKP,5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸收速率總方程式,極快速不可逆 化學(xué)反應(yīng)總吸 收速率方程,（b）當(dāng)由氣相擴(kuò)散到相界面的吸收質(zhì)A的量和由液相擴(kuò)散到界面的吸收劑B的量恰好符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系時(shí)(bNA=aNB)，

16、相界面上A和B剛好反應(yīng)完全。此時(shí)反應(yīng)面R-R與界面P-P重合。,5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸收速率總方程式,極快速不可逆化學(xué)反應(yīng)總吸收速率方程,第二種情況實(shí)際上是吸收劑濃度等于臨界濃度，即CBL=CKP,這種情況下，吸收速率完全由氣膜控制。,5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸收速率總方程式,極快速不可逆 化學(xué)反應(yīng)總吸 收速率方程,（c）當(dāng)由液相擴(kuò)散到界面的吸收劑B的量超過由氣相擴(kuò)散到相界面的吸收質(zhì)A的量時(shí)，相界面上A耗盡而B過剩。此時(shí)反應(yīng)面R-R也與界面P-P重合，但CAi=0,CBi0。,5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸收速率總方程式,極快速

17、不可逆化學(xué)反應(yīng)總吸收速率方程,第三種情況實(shí)際上是吸收劑濃度大于臨界濃度，即CBLCKP,這種情況下，吸收速率也完全由氣膜控制。,5.1.3 吸收速率,（2）化學(xué)吸收速率,化學(xué)吸收速率總方程式,極快速不可逆化學(xué)反應(yīng)總吸收速率方程,第一種情況實(shí)際上是吸收劑濃度小于臨界濃度，即CBLCKP,5.1.3 吸收速率,(1)-物理吸收 (2)-氣液界面上被吸收組分A過量，CBLCPK (3)-氣液界面上A,B量恰好合適或B過量， CBLCPK,5.1.4 吸收設(shè)備與設(shè)計(jì),（1）吸收設(shè)備,填料塔,板式塔,降膜塔,噴霧塔,鼓泡塔,5.1.4 吸收設(shè)備與設(shè)計(jì),（1）吸收設(shè)備,5.1.4 吸收設(shè)備與設(shè)計(jì),（2）吸

18、收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,泛點(diǎn)氣速,WL,WG-塔內(nèi)液體和氣體的質(zhì)量流率,kg/(m3.s);m,n-經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,填料層高度的計(jì)算,吸收速率、吸收平衡和物料衡算,G,L-氣相和液相的摩爾流量,mol/(m2.s);YA,XB-任一斷面處吸收質(zhì)A和吸收劑B的摩爾分?jǐn)?shù),mol/mol; a-微體積填料的表面積,m2/m3。,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,填料層高度的計(jì)算,吸收速率、吸收平衡和物料衡算,A(g)+bB(l)rR(l),對(duì)微元高度dh作物料衡算,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,填料層高度的計(jì)算,吸收速率、吸收平衡和物料衡算,積 分,G,L-氣相和液相的摩爾流量,

19、mol/(m2.s);YA,XB-任一斷面處吸收質(zhì)A和吸收劑B的摩爾分?jǐn)?shù),mol/mol; a-微體積填料的表面積,m2/m3。,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,例題用一逆流操作的填料塔將某一尾氣中的有害組分從0.1的含量降低到0.02，試計(jì)算以下幾種情況下吸收塔填料層的高度H。 用純水吸收，已知使用這種填料時(shí)，kAG.a=32000 mol/(h.m3.atm);kAL.a=0.1h-1;亨利常數(shù)HA=8000mol /(atm.m3);液氣流量分別為L(zhǎng)=7105mol/m2.h; G=105mol/m2.h; 氣相總壓P=1atm;液相總濃度C=56000mol/m3。 水中加入組分B進(jìn)行瞬

20、時(shí)快速化學(xué)反應(yīng)，組分B濃度CBL=800mol/m3,化學(xué)反應(yīng)計(jì)量關(guān)系為 A+BC。DAL=DBL,其余同。 CBL=32mol/m3,其余同、。 CBL=128mol/m3,其余同、。,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,變形,代入已知條件,解 為物理吸收，利用前面的結(jié)果,操作線方程,物理吸收的總傳質(zhì)阻力,物料衡算,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,填料層高度,解 為物理吸收，利用前面的結(jié)果,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,變形,代入已知條件,解 為瞬時(shí)快速反應(yīng)，CBL較高,操作線方程,塔底吸收劑濃度,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,解 為瞬時(shí)快速反應(yīng)，CBL=800mol/m3較高,塔頂,吸收劑臨界濃度

21、,塔底,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,解 為瞬時(shí)快速反應(yīng)，CBL=800mol/m3較高,可見在整個(gè)填料塔內(nèi)CBLCKP，故吸收過程為氣膜控制,填料層高度,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,變形,代入已知條件,解 為瞬時(shí)快速反應(yīng)，CBL =32mol/m3較低,操作線方程,塔底吸收劑濃度,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,塔頂,吸收劑臨界濃度,塔底,解 為瞬時(shí)快速反應(yīng)， CBL =32mol/m3較低,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,解 為瞬時(shí)快速反應(yīng)， CBL =32mol/m3較低,可見在整個(gè)填料塔內(nèi)CBLCKP,填料層高度,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,變形,代入已知條件,解 為瞬時(shí)快速反應(yīng)，CB

22、L =128mol/m3 適中,操作線方程,塔底吸收劑濃度,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,塔頂,吸收劑臨界濃度,塔底,解 為瞬時(shí)快速反應(yīng)， CBL =128mol/m3適中,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,可見在在塔的上部CBLCKP，屬于氣膜控制； 在塔的下部 CBLCKP,解 為瞬時(shí)快速反應(yīng)， CBL =128mol/m3適中,填料塔在CBL=CKP處按傳質(zhì)情況分為兩段,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,填料層高度,解 為瞬時(shí)快速反應(yīng)，CBL適中,（2）吸收塔的設(shè)計(jì)（填料塔）,歸總,物理吸收,CBL=0,CBL=800mol/m3,CBL=128mol/m3,CBL=32mol/m3,5.1 吸收法凈化氣態(tài)污染物,5.1.5 吸收法凈化氣態(tài)污染物的應(yīng)用(石灰石石膏法),5.1,Part