7-气态污染物控制技术基础-第一部分.ppt

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level,第七章,气态污染物控制技术基础,气体吸收,气体吸附,气体的催化净化,本章主要内容,2,1,、吸收原理,2,、物理吸收传质计算,3,、化学吸收传质计算,4,、吸收设备,3,一、气体吸收,1,、吸收原理,4,吸收机理、气液平衡,吸收速率：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,一、气体吸收,吸收速率吸收推动力,吸收系数,吸收速率吸收推动力,吸收阻力,用一相主体与界面的浓度差表示推动力,用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力,气膜控制,(,易溶气体,),液膜控制,(,难溶气体,),气、液膜控制,1.,水或氨水吸收氨,2.,浓硫酸吸收三氧化硫,3.,水或稀盐酸吸收氯化氢,4.,酸吸收,5%,氨,5.,碱或氨水吸收二氧化硫,6.,氢氧化钠溶液吸收硫化氢,7.,液体的蒸发或冷凝,1.,水或弱碱吸收二氧化碳,2.,水吸收氧气,3.,水吸收氯气,1.,水吸收二氧化碳,2.,水吸收丙酮,3.,浓硫酸吸收二氧化氮,4.,碱吸收硫化氢,吸收过程的控制步骤,一、气体吸收,1,、吸收原理,吸收速率：,5,一、气体吸收,1,、吸收原理,界面浓度的计算：,作图法,气液相平衡时,气液界面两侧气相传质速率与液相传质速率相等,界面浓度,(,x,i,y,i,),就是通过点,(,x,y,),斜率为,-,k,x,/,k,y,的直线与气液平衡线的交点,y,x,A,I,x,i,y,i,6,一、气体吸收,2,、物理吸收传质计算,吸收操作线方程：,塔内任一截面上气液两相组成,:,在吸收塔任何断面上，气相中污染物减少的量等于液相中增加的量,在整个吸收过程中，吸收剂和混合气体中惰性成分的总量不变,7,一、气体吸收,2,、物理吸收传质计算,吸收操作线方程：,逆流吸收塔的操作线,并流吸收塔的操作线是怎样的？,吸收推动力,8,一、气体吸收,2,、物理吸收传质计算,吸收塔设计：,（,3,）传质单元数的求取：,对数平均法：,在相平衡线近似为直线的情况下，,Y,X,A,B,Y=,Y-Y*,Y,1,Y,2,11,一、气体吸收,2,、物理吸收传质计算,吸收塔设计：,（,3,）传质单元数的求取：,图解积分法：,12,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,化学反应对吸收的影响,极慢反应,水吸收,SO,2,缓慢反应,Na,2,CO,3,吸收,CO,2,较快反应,NaOH,吸收,CO,2,瞬时反应,碱液吸收,SO,2,13,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,化学吸收速率,物理吸收时：,化学吸收时，由于液相发生化学反应，传质分系数和传质推动力增大：,化学吸收速率：,由于化学反应使吸收速率增强的系数,14,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,气液平衡,平衡浓度计算,平衡分压与平衡溶解度之间的关系,溶于液相的溶质量：,C,A,=A,物理平衡,+A,化学消耗,被吸收组分的气液平衡关系取决于相平衡，又服从化学平衡,一般化学反应,被吸收组分与溶剂相互作用,被吸收组分在溶液中离解,被吸收组分与溶剂中活性组分作用,15,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,气液平衡,一般化学反应,亨利定律：,A,=,H,A,p,A,*,化学平衡：,得到：,16,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,气液平衡,被吸收组分,A,与溶剂,B,的相互作用：水吸收氨,被吸收组分,A,在溶液中解离：水吸收,CO,2,、,SO,2,被吸收组分,A,与溶剂中活性组分,B,作用：,若物理溶解量可忽略不计：,k,1,=,kH,A,17,k,:,化学反应平衡常数,主要参数,G,1,、,G,2,入塔、出塔气体的总摩尔流率，,kmol/(m,2,h),y,1,、,y,2,入塔、出塔气体的,SO,2,摩尔分率,pH,1,浆液的初始,pH,值,W,单位时间通过塔任一截面单位面积的吸收剂体积流率，,m,3,/m,2,h,气体进口,G,1,y,1,气体出口,G,2,y,2,液体进口,W,2,x,2,液体出口,W,1,x,1,dz,z,x,y,W,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,SO,2,化学吸收计算,18,(1),气相,SO,2,的物料衡算,气体进口,G,1,y,1,气体出口,G,2,y,2,液体进口,W,2,x,2,液体出口,W,1,x,1,dz,z,x,y,W,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,SO,2,化学吸收计算,19,(2),化学反应平衡,20,水吸收,SO,2,的平衡常数,一、气体吸收,SO,2,溶于水形成的各种物质浓度,(,p,SO2,S,为液体上方,SO,2,分压,)SO,2,H,2,O=,K,hs,p,SO2,S,HSO,3,-,=,K,hs,K,s1,p,SO2,s,/H,+,SO,3,2-,=,K,hs,K,s1,K,s2,p,SO2,s,/H,+,2,3,、化学吸收传质计算,SO,2,化学吸收计算,(2),化学反应平衡,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,SO,2,化学吸收计算,如吸收剂中活性组分为碱,MOH,，离解：,MOH=M,+,1,+OH,-,1,水的离解平衡常数：,K,W,=OH,-,1,H,+,1,任意时间溶液的电荷守恒：,H,+,+M,+,=OH,-,+HSO,3,-,+2SO,3,2-,即：,H,+,+M,+,=,K,W,/H,+,1,-,K,hs,K,s1,p,SO2,s,/,H,+,+2,K,hs,K,s,1,K,s,2,p,SO2,s,/,H,+,2,21,22,(3),在塔底（,z=Z,T,）和,z,之间计算,SO,2,的物料平衡,气体进口,G,1,y,1,气体出口,G,2,y,2,液体进口,W,2,x,2,液体出口,W,1,x,1,dz,z,x,y,W,由塔底随气相进入的,SO,2,+,z,处随液相进入的,SO,2,=,塔底随液相流出的,SO,2,+,z,处随气相流出的,SO,2,z,处随气相流出的,SO,2,=,G,1,(1-,y,1,),y,/(1-,y,),塔底随液相流出的,SO,2,=,G,1,y,1,-,G,1,(1-,y,1,),y,2,/(1-,y,2,),z,处随液相进入的,SO,2,=,W,(SO,2,H,2,O+HSO,3,-,+SO,3,2-,),将化学平衡关系,SO,2,H,2,O=,K,hs,p,SO2,S,HSO,3,-,=,K,hs,K,s1,p,SO2,s,/H,+,SO,3,2-,=,K,hs,K,s1,K,s2,p,SO2,s,/H,+,2,代入,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,SO,2,化学吸收计算,23,(3),在塔底（,z=Z,T,）和,z,之间计算,SO,2,的物料平衡,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,SO,2,化学吸收计算,得到：,G,1,y,1,+,WK,hs,p,SO2,s,(1+,K,s1,/,H,+,+2,K,s,1,K,s,2,/,H,+,2,),=,G,1,y,1,-,G,1,(1-,y,1,),y,2,/(1-,y,2,)+,G,1,(1-,y,1,),y,/(1-,y,),令,=H,+,；,A,=,K,W,/H,+,1,-H,+,1,；,B,=,K,hs,K,s1,；,C,=,K,hs,K,s,1,K,s,2,；,D,=,G,1,(1-,y,1,)/,W,；,E,=,y,2,/(1-,y,2,),则质量守恒关系简化为：,24,(4),计算吸收塔高度,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,SO,2,化学吸收计算,质量守恒关系：,电荷守恒关系：,两式联立，得：,积分即可得塔高：,上式又可写为：,边界条件：,25,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,SO,2,化学吸收计算,y,1,=0.2,，,y,2,=0.01,，,pH,1,=11,，气体摩尔流量在,0.0060.015kmol/(m,2,s),之间变化，水的体积流量为,2030m,3,/(m,2,h),。利用例,7-1,的吸收系数方程式计算填料层高度,z,T,。,26,一、气体吸收,3,、化学吸收传质计算,SO,2,化学吸收计算,不同气体流量下填料层高度随浆液初始,pH,的变化,27,一、气体吸收,4,、吸收设备和工艺,吸收剂的选择,常见气态污染物与适宜的吸收剂,污染物,适宜的吸收剂,污染物,适宜的吸收剂,氯化氢,水、氢氧化钙,氨,水、硫酸、硝酸,氟化氢,水、碳酸钠,苯酚,氢氧化钠,二氧化硫,氢氧化钠、亚硫酸钠、氢氧化钙、碳酸钙,有机酸,氢氧化钠,硫化氢,二乙醇胺、氨水、碳酸钠,硫醇,次氯酸钠,氯气,氢氧化钠、亚硫酸钠,(a),填料塔；,(b),板式塔；,(c),降膜塔；,(d),喷雾塔；,(e),鼓泡塔；,(f),搅拌鼓泡塔；,(g),文丘里洗涤器,一、气体吸收,4,、吸收设备和工艺,吸收设备,28,一、气体吸收,4,、吸收设备和工艺,吸收工艺流程,除尘,在吸收塔前增设预洗涤塔，采取将吸收置于预洗涤塔之上，两塔合为一体，下段为预洗段，上段为吸收段,采用文丘里类型的洗涤器，既除尘，又吸收气态污染物,烟气,的预冷却,一般将高温烟气冷却到,333K,左右,冷却烟气的方法：在低温省煤器中间接冷却、直接增湿冷却、用预洗涤塔,(,或预洗涤段,),除尘增湿降温,29,一、气体吸收,4,、吸收设备和工艺,吸收工艺流程,结垢,和堵塞,控制,溶液或料浆中水分的,蒸发量,控制,溶液,pH,值,控制,溶液中易于结晶物质不要,过饱和,保持,溶液有一定的,晶种,严格,除尘，控制进入吸收系统的尘,量,设备结构上设计或选择不易结垢和堵塞的吸收,器,30,一、气体吸收,4,、吸收设备和工艺,吸收工艺流程,除雾,雾气中所含液滴的直径主要在,1060m,之间，工艺上要对吸收设备提出除雾的,要求,气体再加热,烟气在洗涤中被冷却增湿，如果排入大气后，在一定的气象条件下，将发生“白烟”,白烟没有充分稀释之前如果回到地面，容易出现较高浓度的污染,防止发生白烟的措施？,31,气体吸收,气体吸附,气体的催化净化,本章主要内容,32,1,、吸附原理,2,、吸附剂,3,、吸附速率,4,、吸附工艺与设备计算,二、气体吸附,33,常见吸附剂的性能,二、气体吸附,34,2,、吸附剂,静活性：,在一定温度下，与气体中吸附质的初始浓度达到平衡时单位吸附剂上可能吸附的最大吸附量,吸附剂的活性,动活性：,吸附床发生泄漏时，单位质量吸附剂的平均吸附量,二、气体吸附,35,2,、吸附剂,初选：吸附质极性、分子大小、气体浓度、净化要求,吸附剂可获得性、价格,活性试验：吸附剂的性质,寿命实验：使用寿命和脱附性能,全面评估：活性、使用寿命、脱附状况、价格、运费,吸附质,吸附剂,分子量大的有机物,/,非极性分子,极性分子,大分子物质,小分子物质,活性炭,分子筛,/,硅胶,/,活性氧化铝,大孔径的活性炭和硅胶,分子筛,二、气体吸附,36,吸附剂的选择,2,、吸附剂,加热、降压、置换、溶剂萃取,再生剂：水蒸汽、空气,适合用水蒸汽再生的吸附质,丙酮,苯,粗苯,溴氯甲烷,丁醇,四氯化碳,二硫化碳,二氧化碳,汽油,碳卤化合物,庚烷,己烷,脂族烃,芳族烃,异丙醇,酮类,醋酸乙酯,乙醇,二氯化乙烯,氟代烃,丁酮,二氯甲烷,二乙醚,甲醇,氯苯,全氯乙烯,甲苯,粗甲苯,三氯乙烷,三氯乙烯,二甲苯,混合二甲苯,四氢呋喃,二、气体吸附,37,吸附剂的再生,2,、吸附剂,3,、吸附速率,吸附过程,二、气体吸附,38,物理吸附速率方程,二、气体吸附,39,3,、吸附速率,二、气体吸附,40,物理吸附速率方程,3,、吸附速率,二、气体吸附,41,物理吸附速率方程,3,、吸附速率,式中：,K,化学平衡常数,M,系统平衡时的吸附量，,kg/m,3,动力学过程控制：,二、气体吸附,42,化学,吸,附速率方程,3,、吸附速率,活性炭吸附二氧化硫、二硫化碳、甲苯及氨的吸附速率,:,k,n,常数,对上式积分，可得,4,、吸附工艺与设备计算,固定床吸附器,立式,环式,卧式,二、气体吸附,43,吸附设备与工艺,4,、吸附工艺与设备计算,旋转床吸,附器,二、气体吸附,44,吸附设备与工艺,4,、吸附工艺与设备计算,移动床吸附器,二、气体吸附,45,吸附设备与工艺,4,、吸附工艺与设备计算,流化,床,吸,附器,分,置在筛孔板上的吸附剂颗粒，在高速含污染物气体的作用下，强烈搅动，上下浮沉，保持悬浮的流化状态,。,气,体流,速是固定床的,3,4,倍,传热传质速率快，温度均匀,适于,连续性、大气量的污染,源,吸,附剂磨损严重，排出气体含有吸附剂粉末，需要加装除尘设备,二、气体吸附,46,吸附设备与工艺,吸附流程与设备选择,气态污染物的排放特征：连续,/,间歇,排气量大小：,大,流化床,/,移动床,小,旋转床,/,薄层床,允许的压力损失：,大,流化床,/,厚层固定床,小,旋转床,/,薄层床,净化要求：高,多级流动床吸附器,/,厚床吸附器,二、气体吸附,47,4,、吸附工艺与设备计算,吸附设备与工艺,吸附流程要求,二、气体吸附,48,4,、吸附工艺与设备计算,吸附设备与工艺,除雾,：活性炭要求气体相对湿度,50%;,分子筛更低,除尘,：预防堵塞，减少压力损失,预处理,：冷凝、吸收,脱附,方法和流程,固定床吸附器内的浓度分布,二、气体吸附,49,4,、吸附工艺与设备计算,固定床吸附器计算,吸附床处理气体量与出口气体中污染物浓度之间关系的曲线,二、气体吸附,50,穿透点与穿透曲线,4,、吸附工艺与设备计算,固定床吸附器计算,穿透时间或者保护作用时间：,从含污染物的气流开始通入吸附床到产生穿透的时间,二、气体吸附,51,保护作用时间的确定,4,、吸附工艺与设备计算,固定床吸附器计算,假定吸附层完全饱和，在吸附持续时间,内，所吸附污染物的量为,:,x=a S L,b,x,在时间,内的吸附量,，,kg,；,a,静活度值，重量,%,；,S,吸附层的截面积,，,m,2,；,L,吸附层厚度，,m,；,b,吸附剂的堆积密度,，,kg/m,3,同时,：,x=v S C,0,v,气体流速,，,m/s,；,C,0,气流中污染物初浓度,，,kg/m,3,实际上，总有部分吸附剂未得到利用,(,死区,),，,希洛夫方程,:,直线,1,K,的物理意义？,K,浓度分布曲线在吸附层中移动单位长度所需要的时间。,K,/,(,L,-,h,),如何减少死区长度？,二、气体吸附,52,保护作用时间的确定,4,、吸附工艺与设备计算,固定床吸附器计算,二、气体吸附,53,固定床吸附器计算流程,4,、吸附工艺与设备计算,固定床吸附器计算,选定吸附剂和操作条件，空床流速一般取,0.1,0.6m/s,。,根据净化要求确定穿透点浓度，实验测得穿透时间。,以吸附剂床层高度为横坐标，以穿透时间为纵坐标，标出各测定值，作出希洛夫直线。,根据计划采用的脱附方法和脱附再生时间、能耗等因素确定操作周期，从而确定所需要的穿透时间。,用希洛夫公式计算所需的催化剂床层高度。,根据气体流量与空床气速求吸附剂层截面积,A,。根据截面积求出吸附器的直径或者边长。,求出所需的吸附剂质量。考虑到装填损失，每次新装吸附剂时需要的吸附剂量为,(1.05,1.2)M,。,计算压力损失。,二、气体吸附,54,4,、吸附工艺与设备计算,固定床吸附器计算,压力损失,:,吸附床层孔隙率,气体绕吸附剂颗粒流动的雷诺数,吸附剂颗粒的平均直径,吸附剂用量,就全床对污染物作物料衡算，,得,G,S,(,Y,1,Y,2,),L,S,(,X,1,X,2,),考虑吸附器的上部，得,G,S,(,Y,Y,2,),L,S,(,X,X,2,),Y,(,L,S,/,G,S,),X,+,Y,2,(,L,S,/,G,S,),X,2,污染物在气相中的含量,Y,惰性气体的气相质量流量,G,S,污染物在吸附相中的含量,X,净吸附剂的质量流量,L,S,吸附操作线方程,二、气体吸附,55,4,、吸附工艺与设备计算,移动床吸附器计算,吸附速率方程,吸附器长度,吸附传质单元高度和传质单元数的确定,采用固定床吸附器数据估算,二、气体吸附,56,移动床吸附器的高,度,4,、吸附工艺与设备计算,移动床吸附器计算,例,7-6,：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含,H,2,S,的空气。吸附剂为分子筛。空气中,H,2,S,的浓度为,3,（重量），气相流速为,6500kg/h,，假定操作在,293K,和,1atm,下进行，,H,2,S,的净化率要求为,95,，试确定：,(1),分子筛的需要量（按最小需要量的,1.5,倍计）；,(2),需要再生时，分子筛中,H,2,S,的含量；,(3),需要的传质单元数。,解：,(1),吸附器进口气相组成：,H,2,S,的流量,0.036500,195kg/h,空气的流量,6500,195,6305kg/h,进口,H,2,S,的浓度,:Y,1,=195/6305,0.03kg H,2,S/kg,空气,出口气相组成：,H,2,S,0.05(195),9.75 kg/h,空气,6305 kg/h,出口,H,2,S,的浓度,:Y,2,=9.75/6305,0.015kg H,2,S/kg,空气,二、气体吸附,57,4,、吸附工艺与设备计算,移动床吸附器计算,(2),确定最小吸附剂用量,实验得到的平衡关系如右图,假定,X,2,0,，从图得,(X,1,),最大,0.1147,所以实际需要的分子筛,0.3726305,2345.5kg/h,二、气体吸附,58,4,、吸附工艺与设备计算,移动床吸附器计算,(3),图解积分法计算,N,OG,N,OG,3.127,Y,Y,*,0.00155 0.00 645,0.00500 0.00 200,0.010 0.0001 101,0.015 0.0005 69,0.020 0.0018 55,0.025 0.0043 48.3,0.030 0.0078 45.0,二、气体吸附,59,4,、吸附工艺与设备计算,移动床吸附器计算,移动床吸附与固定床吸附的区别,二、气体吸附,60,