《第七章气态污染物控制技术基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章气态污染物控制技术基础（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、. . . . .第7章 气态污染物控制技术基础教学目的 通过本章的学习，使同学们了解气态污染物控制的原理及相关计算，掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本原理、工艺及气态污染物控制中的一些问题。教学重点 掌握气体扩散、气体吸收、吸附和催化的基本原理和过程 了解常用吸收剂、吸附剂和催化剂的特性 初步学会设计吸收塔、吸附床和催化转化器教学难点 双膜理论传质计算及气固相催化反应器的设计。教学方法及手段 课堂讲授课外作业学时分配 6学时 教学内容 (1)吸收过程的气液平衡；(2)伴有化学反应的吸收动力学；(3)催化作用原理及气体催化净化；(4)吸收法净化其他气态污染物；(5)吸附理论；(6)吸附设
2、备及其计算方法；(7)吸附法净化有机蒸气；(8)吸附法净化其他气态污染物自学内容 亨利定律参数的换算第一节 气体扩散分子扩散：物质在静止的或者垂直于浓度梯度方向作层流流动的流体中传递，是由分子运动引起的。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质点的运动而引起的扩散的结果：气体从浓度较高的区域转移到浓度较低的区域1、 气体在气相中的扩散1.Gilliland 方程气态污染物A通过惰性气体组分B的运动，可用A在B中的扩散系统DAB给出。DAB与气体B通过气体A的扩散系数DAB相等，可由修正的吉里兰Gilliland 方程给出：T绝对温度，DAB扩散系数，cm2/
3、s，M气体的摩尔质量，气体在沸点下呈液态时的摩尔体积，cm3/mol；气体密度，g/cm3.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、压强及浓度的不同而变化。2.Stephan过程液体表面位于L1时，污染物的浓度非常低。可假设为零，所以根据道尔顿定律，这一点的pB1可以认为是全压。液体正上方的空气分压pB2可通过蒸汽-液体平衡（VLE）数据得到。上述扩散方程可用于近似标准条件下的气体。液体A的密度，g/cm3.；L1液体的初始高度，cm；L2液体的最终高度，cm；、分别为L1、L2时空气分压；t变化时间，s。2、 气体在液相中的扩散 气体A通过液体B的扩散系数可以用下
4、式估算：液体的粘度，cP；溶剂的缔结因数。扩散系数随溶液浓度变化很大；上式只适用于稀溶液第2节 气体吸收一、吸收机理气体吸收是溶质从气相传递到液相的际间传质过程。关于气液的两相的物质传递理论，随着工业的进步和发展，目前已有许多学说，诸如“双膜理论”（又称“滞留膜理论”），“溶质渗透理论”，“表面更新理论”等，但在解释吸收过程机理时，目前仍以双膜理论为基础，其应用也最广泛。该理论是刘易斯（WKLewis）和怀特曼（WgWhiaman）提出的，它不仅适用于分析物理吸收过程，也可用来分析伴有化学反应的化学吸收过程。结合双膜理论示意图解释说明“双膜理论”基本论点。直线表示双膜理论模型两相中浓度分布；虚
5、线表示扩散边界层理论模型两相中浓度分布。基本论点： （1）在气液两相接触时，两相间有个相界面。在相界面附近两侧分别存在一层稳定的滞留膜层（不发生对流作用的膜层）气漠和液膜。 （2）气液两个膜层分别将各项主体流与相界面隔开，滞留膜的厚度随各项主体的流速和湍 流状态而变，流速愈大，膜厚度愈薄。 图7-2 双膜理论示意图 气液相质量传递过程是：直至达到动态平衡为止。 （3）在界面上，气液两相呈平衡态，即液相的界面浓度和界面处的气相组成呈平衡的饱和状态，也可理解为在相界面上无扩散阻力；（4） 在两相主体中吸收质的浓度均匀不变，因而不存在传质阻力，仅在薄膜中发生浓度变化；存在分子扩散阻力，两相薄膜中的浓
6、度差等于膜外的气液两相的平均浓度差。通过上述分析可以看出传质的推动力来自可溶组分的分压差和在溶液中该组分的浓度差，而传质阻力主要来自气膜和液膜。 吸收质在单位时间内通过单位面积界面而被吸收剂吸收的量称之为吸收速率。根据双膜理论，在稳定吸收操作中，从气相主体传递到界面吸收质的通量等于从界面传递到液相主体吸收质的通量，在界面上无吸收质积累和亏损。吸收传递速率方程：吸收速率=吸收推动力吸收系数 吸收率=吸收推动力/吸收阻力传质系数=1/传质阻力。由于传质推动力表示方法有多种，因而传质速率方程也有多种表示方法。1.气相分传质速率方程分传质速率方程式：描述从一相主体流至气液两相接触表面或从两相接触表面至
7、另一相主体流的传质方程式。设组分是浓度为yA的气相传递到浓度为xA的液相中，如图7-3所示。 图7-3 气液两相间的传质过程示意图PP相界面；OC平衡线设组分从浓度为yA的气相传递到浓度为yAi呈平衡的液相中，如图7-3所示。若以PAPAi或yAyAi为气相传质推动力，则气相分传质速率方程式为： （7-4） （7-5）式中：PA、PAi分别表示吸收质A在气相主体和相界面上的分压，Pa； yA、yAi 分别表示吸收质A在气相主体和相界面上的摩尔分率； ky以为推动力的气相分传质系数，kmol/（m2s）； kG以为推动力的气相分传质系数，kmol/（m2sPa）2.液相分传质速率方程以xAixA
8、或CAiCA为液相传质推动力，则液相分传质方程： （7-6） （7-7）式中：xAi、xA分别表示吸收质A在液相主体和相界面上的摩尔分率； CAi、CA 分别表示吸收质A在液相主体和相界面上的摩尔浓度，kmol/m3； kx以为推动力的液相分传质系数，kmol/（m2s）； kL以为推动力的液相分传质系数，m/s。3.总传质速率方程无论气相分传质速率方程，还是液相分传质速率方程，为计算NA都必须知道kG(ky)、kL（kx）及相界面上的平衡关系。这样，这些方程式的实用价值大大减少，因此，有必要推导出总传质速率方程。以一个相的虚拟浓度与另一相中该组分平衡浓度的浓度差为总传质过程的推动力，则分别得
9、到稳回收过程的气相和液相总传质速率方程式。气相总传质速率方程式： （7-8） （7-9）液相总传质速率方程式： （7-10） （7-11） 式中：kAg以PAPA*为推动力的气相总传质系数，kmol/（m2sPa）； ky以yAyA*为推动力的气相总传质系数，kmol/（m2s）； P*与液相主体中吸收质浓度CA成平衡的气相虚拟分压，Pa； yA*与液相主体中吸收质浓度xA成平衡的气相虚拟分压，Pa； kAL以CA*CA为推动力的液相总传质系数，m/s； kx以xA* xA为推动力的液相总传质系数，kmol/（m2s）； xA*与气相中吸收质浓度yA成平衡的液相虚拟浓度； CA*与气相中吸收质
10、分压PA成平衡的液相中吸收质的摩尔浓度，kmol/m3。2、 气液平衡1. 气液相平衡关系式当混合气体可吸收组分（吸收质）与液相吸收剂接触时，则部分吸收质向吸收剂进行质量传递（吸收过程），同时也发生液相中吸收质组分向气相逸出的质量传递过程（解吸过程）。在一定的温度和压力下，吸收过程的传质速率等于解吸过程的传质速率，气液两相就达到了动态平衡，简称相平衡或平衡。平衡时气相中的组分分压称为平衡分压，液相吸收剂（溶剂）所溶解组分的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度。（1） 气体在液体中的溶解度气体的溶解度是在100Kg水中溶解气体的千克数。在恒定的T、P下，使一定量吸收剂与混合气体充分接触后，气、液两相最
11、终可达平衡，此时v吸收=v解吸，这时c可溶气体在溶液中的浓度，即平衡浓度或饱和浓度 (kg/m3)； p*被吸收气体在溶液面上的分压（称平衡分压或饱和分压），Kpa。结合书P214，图7-4（几种常见气体SO2、NH3、HCL在水中的平衡溶解度）可知： 不同性质的气体在同一温度和压力下的溶解度不同； 气体的溶解度与温度有关，多数气体的溶解度随温度的升高而降低；采用溶解力强、选择性好的溶剂，提高总压和降低温度，都会有利于增大被溶解气体组分的溶解度。（2） 亨利定律 物理吸收时，常用亨利定律来描述气液相间的相平衡关系。 图7-4 常见气体在水中的平衡溶解度对于非理想溶液，当总压不高（一般不超过51
12、05Pa）时，温度一定，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比，即： 或： 或： 上式中H、E、m均称为亨利系数，但其单位不同。若c取mol/m3，p*取Pa，则Hmol/m3Pa；x取摩尔分数（无量纲），p*取Pa，则EPa；y*，x分别为溶质在气相、液相中的摩尔分数时，m无量纲，又称相平衡常数。（3） 亨利定律参数的换算（自学） 重点：看书P242，表7-5给出部分气体不同温度水溶液的亨利系数。说明几点：以E表示的亨利系数； 随温度升高，E增大； 通过比较E，我们可以判断那些气体易溶于水，E越小，该气体越易溶于水。2. 吸收系数由于吸收推动力表示方法不同，吸收速率方程式呈现了多种
13、不同的形式，对应地出现了多种形式的吸收系数。应用时，应注意吸收系数与传质推动力相对应。对前面公式7-4，7-6，7-9和气液界面上平衡关系式yAi=m xAi进行数学联解，即可得到气相总传质系数与气液相传质分系数的关系式，即： （7-22） 传质阻力=1/吸收系数。1/ky:组分在气相主体中的传质阻力；m/kx为组分在液相主体中的传质阻力；1/ky为组分从气相传质到液相的总阻力。 其中： m相平衡常数的平均值 （7-23）同理可得液相总传质系数与气、液相传质分系数的关系式，即： （7-24） 其中： （7-25）书P244，表7-6列出各种形式的传质速率方程及传质系数间的换算关系，（学生自己看一下）。3. 吸收控制步骤结合式7-22，式7-24我们发现：在总阻力中，每一项的阻力所占的分数，不仅取决于kx和ky值，而且还取决于相平衡常数平均值m。若m1，m2一定，m大小直接影响不同相中传质阻力分数。现分三种情况进行讨论吸收控制步骤：(1)气膜控制（结合式7-
