一二气体吸收.pptx

第一节第一节 气体扩散气体扩散 气体扩散过程气体扩散过程 气体扩散过程包括分子扩散和湍流扩散。气体扩散过程包括分子扩散和湍流扩散。分子扩散分子运动引起分子扩散分子运动引起湍流扩散流体质点运动引起湍流扩散流体质点运动引起 对于吸收来说，混合气体中的气态污染物首对于吸收来说，混合气体中的气态污染物首先要从气相主体扩散到气液界面，然后才能由界先要从气相主体扩散到气液界面，然后才能由界面扩散到液相主体中。面扩散到液相主体中。第一节第一节 气体扩散气体扩散 l一、气体在气相中的扩散（一、气体在气相中的扩散（Gilliland 方程）方程）T 绝对温度，绝对温度，KDAB 扩散系数，扩散系数，cm2/sM 气体的摩尔质量气体的摩尔质量 气体在沸点下呈液态时的摩尔体积气体在沸点下呈液态时的摩尔体积,cm3/mol A 气体密度，气体密度，g/cm3第一节第一节 气体扩散气体扩散 扩散系数扩散系数 扩散系数是物质的特性常数之一，同一物质的扩散系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、压强和浓度的不同而变化。数随介质的种类、温度、压强和浓度的不同而变化。l一、气体在气相中的扩散（一、气体在气相中的扩散（Gilliland 方程）方程）l部分气体在空气中的扩散系数（部分气体在空气中的扩散系数（0oC，101.33kPa）扩散系数的测量扩散系数的测量lStephan过程过程二、气体在液相中的扩散二、气体在液相中的扩散l气体在液相中的扩散系数气体在液相中的扩散系数 B液体的粘度，液体的粘度，cp 溶剂的缔结因数，水溶剂的缔结因数，水2.6，甲醇，甲醇1.9，乙醇，乙醇1.5，非，非缔结如苯、乙醚为缔结如苯、乙醚为1.0 l 扩散系数随溶液浓度变化很大扩散系数随溶液浓度变化很大l 上式只适用于稀溶液上式只适用于稀溶液第一节第一节 气体扩散气体扩散二、气体在液相中的扩散二、气体在液相中的扩散l一些气体物质在水中的扩散系数（一些气体物质在水中的扩散系数（20oC，稀溶液），稀溶液）第二节第二节 气体吸收气体吸收气体吸收是溶质气体吸收是溶质A从气相传递到液相的相间传质过从气相传递到液相的相间传质过程，其吸收机理以程，其吸收机理以双膜理论模型双膜理论模型应用最广。应用最广。吸收质在单位时间内通过单位面积界面而被吸收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。在稳态吸收操作中，从剂吸收的量称之为吸收速率。在稳态吸收操作中，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，在界面上无吸收质的积累和液相主体吸收质的通量，在界面上无吸收质的积累和亏损。吸收传质速率方程一般表达为：亏损。吸收传质速率方程一般表达为：吸收速率吸收推动力吸收速率吸收推动力吸收系数吸收系数吸收阻力与吸收系数互为倒数关系。吸收阻力与吸收系数互为倒数关系。一、吸收机理一、吸收机理第二节第二节 气体吸收气体吸收在双膜理论模型中，在双膜理论模型中，pA表示组分气相主体的分压，表示组分气相主体的分压，pAi表示在界面上的分压；表示在界面上的分压；CA及及CAi分别表示组分在液相主体及分别表示组分在液相主体及界面上的浓度。将吸收过程简化为通过气液两层层流膜的分界面上的浓度。将吸收过程简化为通过气液两层层流膜的分子扩散，其分子扩散阻力就是吸收过程的总阻力。子扩散，其分子扩散阻力就是吸收过程的总阻力。第二节第二节 气体吸收气体吸收1.气相分传质速率lPA、PAi 分别表示被吸收组分别表示被吸收组分在气相主体和相界面上的分分在气相主体和相界面上的分压，压，Pa；lyA、yAi 分别表示被吸收组分别表示被吸收组分在气相主体和相界面上的摩分在气相主体和相界面上的摩尔分率；尔分率；lkA以以 y-yi 为推动力的气相为推动力的气相分吸收系数，分吸收系数，kmol/(m2s);lkg以以 p-pi为推动力的气相分为推动力的气相分吸收系数，吸收系数，kmol/(m2sPa);第二节第二节 气体吸收气体吸收2.液相分传质速率lxA、xAi 分别表示被吸分别表示被吸收组分收组分 在液相主体和相界在液相主体和相界面上的分压，面上的分压，Pa；lcA、cAi 分别表示被吸分别表示被吸收组分在液相主体和相界收组分在液相主体和相界面上的摩尔浓度，面上的摩尔浓度，kmol/m3;lkx以以 x-xi 为推动力的液为推动力的液相分吸收系数，相分吸收系数，mol/(m2s);lkl以以 c-ci为推动力的液为推动力的液相分吸收系数，相分吸收系数，m/s;第二节第二节 气体吸收气体吸收3.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，稳定吸收过程的气相和液相总传差为总传质过程的推动力，稳定吸收过程的气相和液相总传质速率方程：质速率方程：液相总传质速率方程式：液相总传质速率方程式：气相总传质速率方程式：气相总传质速率方程式：第二节第二节 气体吸收气体吸收二、气液平衡二、气液平衡l 在一定的温度和压力下，混合气体中可吸收组分在一定的温度和压力下，混合气体中可吸收组分（吸收质）与液相（吸收剂）接触时，部分吸收质向（吸收质）与液相（吸收剂）接触时，部分吸收质向液相传递，称为液相传递，称为吸收过程吸收过程；液相中的吸收质向气相传；液相中的吸收质向气相传递，称为递，称为解吸过程解吸过程。当吸收过程的传质速率等于解吸。当吸收过程的传质速率等于解吸过程的传质速率时，气液两相就达到了动态平衡，简过程的传质速率时，气液两相就达到了动态平衡，简称称相平衡或平衡相平衡或平衡。l溶解度溶解度：100kg100kg水中溶解气体的水中溶解气体的kgkg数数第二节第二节 气体吸收气体吸收二、气液平衡二、气液平衡l常见气体的平衡溶解度常见气体的平衡溶解度第二节第二节 气体吸收气体吸收 亨利定律亨利定律 一定温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中一定温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比。溶质的平衡分压成正比。吸收系数吸收系数 由于吸收推动力表示方法不同，吸收速率方程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不同的形式，对应出现了多种形式的式呈现了多种不同的形式，对应出现了多种形式的吸收系数。吸收系数。第二节第二节 气体吸收气体吸收 吸收系数吸收系数吸收系数的不同形式传质阻力传质阻力传质阻力吸收系数的倒数传质阻力吸收系数的倒数传质总阻力传质总阻力=气相传质阻力气相传质阻力+液相传质阻力液相传质阻力m相平衡常数相平衡常数气膜控制气膜控制（m值很小，值很小，Ky ky)难溶气体难溶气体（稀碱溶液吸收（稀碱溶液吸收CO2，水吸收，水吸收O2等）等）液膜控制液膜控制（m值很大，值很大，Kx kx)易溶气体易溶气体（碱或氨液吸收（碱或氨液吸收SO2等）等）对于中等溶解度的气体，组分在气、液两相中所表对于中等溶解度的气体，组分在气、液两相中所表现出的传质阻力都不可忽略。现出的传质阻力都不可忽略。第二节第二节 气体吸收气体吸收传质过程传质过程l吸收系数的影响因素吸收系数的影响因素吸收质与吸收剂吸收质与吸收剂设备、填料类型设备、填料类型流动状况、操作条件流动状况、操作条件l吸收系数的获取吸收系数的获取实验测定；经验公式计算；准数关联计算实验测定；经验公式计算；准数关联计算第二节第二节 气体吸收气体吸收常用吸收系数经验式常用吸收系数经验式 水吸收氨水吸收氨属于易溶气体的吸收，吸收的主要阻力在气膜中，属于易溶气体的吸收，吸收的主要阻力在气膜中，计算气膜体积吸收系数的经验公式：计算气膜体积吸收系数的经验公式：kga=6.0710-4G0.9L0.39kga 气膜体积吸收系数（气膜体积吸收系数（kmol/m3hkpa）G、L 气、液相空塔流量（气、液相空塔流量（kg/m2h)第二节第二节 气体吸收气体吸收常用吸收系数经验式常用吸收系数经验式 常压下用水吸收常压下用水吸收CO2属于易难溶气体的吸收，吸收的主要阻力在液膜属于易难溶气体的吸收，吸收的主要阻力在液膜中，计算液膜体积吸收系数的经验公式：中，计算液膜体积吸收系数的经验公式：kla=2.57U0.96kla 液膜体积吸收系数（液膜体积吸收系数（l/h）U 喷淋密度（喷淋密度（m/h)第二节第二节 气体吸收气体吸收常用吸收系数经验式常用吸收系数经验式 用水吸收用水吸收SO2 属于中等溶解度的气体吸收，需许考虑液膜阻力和属于中等溶解度的气体吸收，需许考虑液膜阻力和气膜阻力。计算体积吸收系数的经验公式：气膜阻力。计算体积吸收系数的经验公式：kga=9.8110-4G0.7L0.25 kla=aL0.82气液界面上的气相浓度和液相浓度难以用取样分气液界面上的气相浓度和液相浓度难以用取样分析法测定，常用作图法和解析法计算。析法测定，常用作图法和解析法计算。第二节第二节 气体吸收气体吸收三、物理吸收三、物理吸收l操作线方程操作线方程l 通过对逆流操作吸收塔进行物料通过对逆流操作吸收塔进行物料衡算，可得出吸收操作线衡算，可得出吸收操作线Ls单位时间通过塔内任一截面单位面单位时间通过塔内任一截面单位面积的吸收剂流量，积的吸收剂流量，kmol/(m2s);GB单位时间通过塔内任一截面单位单位时间通过塔内任一截面单位面积的惰性气体流量，面积的惰性气体流量，kmol/(m2s)。y任一截面上混合气体中吸收质的任一截面上混合气体中吸收质的mol分数；分数；x任一截面上吸收液中吸收质的任一截面上吸收液中吸收质的mol分数。分数。第二节第二节 气体吸收气体吸收l最小液气比最小液气比（平衡线上凸）（平衡线上凸）（平衡线上凸）（平衡线上凸）X1*是理论上吸收液是理论上吸收液所能达到的最高浓度；所能达到的最高浓度；第二节第二节 气体吸收气体吸收l填料塔高度计算填料塔高度计算依据过程条件进行绘图积依据过程条件进行绘图积分或数值积分，即可求得分或数值积分，即可求得z值。值。第二节第二节 气体吸收气体吸收四、化学吸收四、化学吸收l1.化学反应对吸收的影响化学反应对吸收的影响l化学吸收的优点化学吸收的优点溶质进入溶剂后因化学反应消耗掉，溶剂容纳的溶溶质进入溶剂后因化学反应消耗掉，溶剂容纳的溶质量增多质量增多液膜扩散阻力降低液膜扩散阻力降低填料表面的停滞层仍为有效湿表面填料表面的停滞层仍为有效湿表面若吸收过程所进行的化学反应是可逆的，吸收剂也若吸收过程所进行的化学反应是可逆的，吸收剂也可循环使用。可循环使用。第二节第二节 气体吸收气体吸收l纵坐标表示液相内纵坐标表示液相内A与与B的浓度，过的浓度，过O点的垂直线代表气液界面，点的垂直线代表气液界面，横坐标代表液相内各点距相界面的举例，横坐标代表液相内各点距相界面的举例，z1为液膜的厚度。为液膜的厚度。四、化学吸收四、化学吸收第二节第二节 气体吸收气体吸收2.化学吸收的气液平衡化学吸收的气液平衡 气体溶于液体，若发生化学反应，被吸收组分的气液气体溶于液体，若发生化学反应，被吸收组分的气液平衡关系既应服从相平衡关系，也应服从化学平衡关系。平衡关系既应服从相平衡关系，也应服从化学平衡关系。平衡浓度计算平衡浓度计算（1）吸收质与溶剂作用（如水吸收氨）吸收质与溶剂作用（如水吸收氨）化学反应式：化学反应式：AgA1B M1K第二节第二节 气体吸收气体吸收2.2.化学吸收的气液平衡化学吸收的气液平衡平衡浓度计算平衡浓度计算（2）吸收后发生解离（如水吸收吸收后发生解离（如水吸收SOSO2 2和和COCO2 2）化学反应式：化学反应式：AgA1B M K+A-KK1第二节第二节 气体吸收气体吸收2.化学吸收的气液平衡化学吸收的气液平衡 平衡浓度计算平衡浓度计算l （3）吸收质与溶剂中活性组分反应（如吸收质与溶剂中活性组分反应（如Ca(OH)2溶液吸收溶液吸收SO2）第二节第二节 气体吸收气体吸收3.伴有化学反应的吸收速率伴有化学反应的吸收速率 吸收速率吸收速率 在化学反应吸收过程中，被吸收组分与吸收剂或吸收在化学反应吸收过程中，被吸收组分与吸收剂或吸收剂中的活性组分发生化学反应，增大了传质推动力和吸收剂中的活性组分发生化学反应，增大了传质推动力和吸收系数，加快了吸收过程的速率。单位接触面积的气液间化系数，加快了吸收过程的速率。单位接触面积的气液间化学反应吸收速率可表述为：学反应吸收速率可表述为：K1未发生化学反应时的液相传质分系数未发生化学反应时的液相传质分系数 由于化学反应使吸收速率增强的系数由于化学反应使吸收速率增强的系数 相当于选取相同的推动力相当于选取相同的推动力 C,C,选用不同的传质系数选用不同的传质系数引入增强系数引入增强系数第二节第二节 气体吸收气体吸收第三节第三节 气体吸附气体吸附l吸附吸附用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面的组分浓集于固体表面吸附质吸附质 被吸附物质被吸附物质吸附剂吸附剂 附着吸附质的物质附着吸附质的物质l优点：效率高、可回收、设备简单优点：效率高、可回收、设备简单l缺点：吸附容量小、设备体积大缺点：吸附容量小、设备体积大第三节第三节 气体吸附气体吸附 物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附物理吸附物理吸附1.吸附力范德华力；吸附力范德华力；2.不发生化学反应；不发生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡；过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；放热反应；5.吸附可逆；吸附可逆；第三节第三节 气体吸附气体吸附 物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附化学吸附化学吸附1.吸附力化学键力；吸附力化学键力；2.发生化学反应；发生化学反应；3.过程慢；过程慢；4.升高温度有助于提高速率；升高温度有助于提高速率；5.吸附不可逆；吸附不可逆；第三节第三节 气体吸附气体吸附 物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附。若温度同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附。若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附第三节第三节 气体吸附气体吸附 一、吸附剂一、吸附剂 吸附剂需具备的特性吸附剂需具备的特性内表面积大内表面积大具有选择性吸附作用具有选择性吸附作用高机械强度、化学和热稳定性高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大吸附容量大来源广泛，造价低廉来源广泛，造价低廉良好的再生性能良好的再生性能 常用的工业吸附剂常用的工业吸附剂：活性炭、活性氧化铝、硅：活性炭、活性氧化铝、硅胶、白土、沸石分子筛胶、白土、沸石分子筛第三节第三节 气体吸附气体吸附 常用吸附剂特性常用吸附剂特性吸附剂类型吸附剂类型活性炭活性炭活性氧活性氧化铝化铝硅胶硅胶沸石分子筛沸石分子筛4A5A13x堆堆积积密密度度 (kg/m(kg/m3 3)200-600750-1000800800800800热热容容(KJ/KgK)0.836-1.2540.836-1.0450.920.7940.794操操作作温温度度上上限限 （K）423773673873873873平平均均孔孔径径 （）15-2518-48224513再再生生温温度度 （K）373-413473-523393-423473-573473-573473-573比比表表面面积积 （/g/g）600-1600210-360600第三节第三节 气体吸附气体吸附 几种常用的分子筛几种常用的分子筛l分子筛特性分子筛特性第三节第三节 气体吸附气体吸附 3.3.影响气体吸附的因素影响气体吸附的因素 （1）操作条件操作条件J 低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附J 增大气相压力利于吸附增大气相压力利于吸附 （2）吸附剂性质吸附剂性质J 孔隙率、孔径、粒度等会影响孔隙率、孔径、粒度等会影响比比表面积，从而表面积，从而影响吸附剂的吸附效果。影响吸附剂的吸附效果。第三节第三节 气体吸附气体吸附 （3 3）吸附质性质、浓度）吸附质性质、浓度 临界直径吸附质不易渗入的最大直径临界直径吸附质不易渗入的最大直径 吸附质的分子量、沸点、饱和性吸附质的分子量、沸点、饱和性 （4 4）吸附剂活性）吸附剂活性 单位吸附剂吸附的吸附质的量单位吸附剂吸附的吸附质的量 静活性吸附达到饱和时的吸附量静活性吸附达到饱和时的吸附量 动活性未达到平衡时的吸附量动活性未达到平衡时的吸附量3.影响气体吸附的因素影响气体吸附的因素第三节第三节 气体吸附气体吸附 4.吸附剂再生吸附剂再生 加热再生加热再生通过升高吸附剂温度，使吸附物脱附通过升高吸附剂温度，使吸附物脱附 降压或真空解吸降压或真空解吸压力降低时，脱附占优势压力降低时，脱附占优势 置换再生置换再生选择合适的气体，将吸附质置换与吹脱出来选择合适的气体，将吸附质置换与吹脱出来 溶剂萃取溶剂萃取选择合适的溶剂，将吸附物溶解下来选择合适的溶剂，将吸附物溶解下来第三节第三节 气体吸附气体吸附 吸附过程的净化效果取决于吸附平衡与吸附吸附过程的净化效果取决于吸附平衡与吸附速率。这两类因素是设计吸附装置或强化吸附过速率。这两类因素是设计吸附装置或强化吸附过程的关键。程的关键。二、吸附机理二、吸附机理第三节第三节 气体吸附气体吸附 1.吸附平衡吸附平衡当吸附速度脱附速度时，吸附达到平衡。极限吸附量当吸附速度脱附速度时，吸附达到平衡。极限吸附量受气体压力和温度的影响受气体压力和温度的影响吸附达到平衡时，吸附质在气、固两相中的浓度关系，吸附达到平衡时，吸附质在气、固两相中的浓度关系，一般用吸附等温线或等温吸附方程式表示。一般用吸附等温线或等温吸附方程式表示。NH3在活性炭上的吸附等温线在活性炭上的吸附等温线XT被吸附组分的质量与吸附剂质量之比值被吸附组分的质量与吸附剂质量之比值P吸附质在气相中的平衡分压吸附质在气相中的平衡分压K,n经验常数经验常数,实验确定实验确定吸附方程式吸附方程式l弗罗德里希（弗罗德里希（Freundlich）方程（）方程（I型等温线中压部分）型等温线中压部分）lgXT对lgP作图为直线。由斜率1/n和截距lgk可求出n和k值。如斜率在0.10.5之间，表示吸附容易进行，若大于2，吸附难以进行。第三节第三节 气体吸附气体吸附 吸附方程式吸附方程式朗格缪尔（朗格缪尔（Langmuir）方程（）方程（I型等温线）型等温线）V被吸附气体在标态下的体积被吸附气体在标态下的体积P吸附质在气相中的平衡分压吸附质在气相中的平衡分压Vm吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积B吸附与解析速率常数之比吸附与解析速率常数之比以以P/VP/V对对P P作图为一直线，由直线的斜率作图为一直线，由直线的斜率1/V1/Vm m和截距和截距1/1/（BVBVm m）可计算出可计算出B B与与V Vm m。第三节第三节 气体吸附气体吸附 吸附方程式吸附方程式lBET方程（方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）型等温线，多分子层吸附）V被吸附气体在标态下的体积被吸附气体在标态下的体积P吸附质在气相中的平衡分压吸附质在气相中的平衡分压P0吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压Vm吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积C与吸附热有关的常数与吸附热有关的常数第三节第三节 气体吸附气体吸附 2.2.吸附速率吸附速率l吸附过程吸附过程 吸附 外扩散（气流主体 外表面）内扩散（外表面 内表面）第三节第三节 气体吸附气体吸附 2.吸附速率吸附速率l外扩散速率（吸附质从气流主体穿过颗粒周围气膜外扩散速率（吸附质从气流主体穿过颗粒周围气膜扩散至外表面的速率）扩散至外表面的速率）l内扩散速率（吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂内扩散速率（吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂微孔表面的速率）微孔表面的速率）l总吸附速率方程（到达吸附剂微孔表面的吸附质被总吸附速率方程（到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附的速率）吸附的速率）第三节第三节 气体吸附气体吸附 三、吸附工艺与设备计算三、吸附工艺与设备计算1.吸附工艺及设备吸附工艺及设备吸附工艺按吸附剂在吸附器中的工作状态可分吸附工艺按吸附剂在吸附器中的工作状态可分为为固定床固定床、流动床流动床、沸腾（流化）床沸腾（流化）床吸收过程。吸收过程。按操作过程的连续性可分为间歇吸附与连续吸附按操作过程的连续性可分为间歇吸附与连续吸附过程。过程。第三节第三节 气体吸附气体吸附 1.吸附工艺与设备计算吸附工艺与设备计算 (1)(1)固定床固定床 在气体净化中最在气体净化中最常用的是将两个以上常用的是将两个以上的固定床组成一个半的固定床组成一个半连续式吸附流程。连续式吸附流程。污染气体连续通污染气体连续通过床层，当达到饱和过床层，当达到饱和时，可切换到另一个时，可切换到另一个吸附器进行吸附。吸附器进行吸附。第三节第三节 气体吸附气体吸附 (2)(2)移动床移动床 控制吸附剂在床层控制吸附剂在床层中的移动速度，使净化中的移动速度，使净化后的气体达标排放。吸后的气体达标排放。吸附了污染物的吸附剂送附了污染物的吸附剂送入脱附器中进行脱附，入脱附器中进行脱附，再送入吸附器旋使用。再送入吸附器旋使用。1.吸附工艺与设备计算吸附工艺与设备计算第三节第三节 气体吸附气体吸附 (3)(3)流化床流化床l吸附剂在多层流化吸附剂在多层流化床吸附器中借助于被净床吸附器中借助于被净化气体较大的气流速度化气体较大的气流速度使其悬浮呈流态化状态。使其悬浮呈流态化状态。流化床生产能力大，适流化床生产能力大，适合治理连续性、大气量合治理连续性、大气量的污染源。的污染源。1.1.吸附工艺与设备计算吸附工艺与设备计算第三节第三节 气体吸附气体吸附 2.固定床吸附计算固定床吸附计算(1)(1)固定床吸附器内固定床吸附器内的浓度分布的浓度分布 含有一定浓度的污染含有一定浓度的污染物气流，连续通过固定物气流，连续通过固定床吸附器，在不同的时床吸附器，在不同的时间内，吸附床不同介面间内，吸附床不同介面处气流中污染物的浓度处气流中污染物的浓度分布如图所示。分布如图所示。第三节第三节 气体吸附气体吸附 2.固定床吸附计算固定床吸附计算(2)保护作用时间保护作用时间a静活度，静活度，S吸附层截面积吸附层截面积,m2L吸附层厚度吸附层厚度,m 吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，kg/m3v气体流速，气体流速，m/s 污染物浓度，污染物浓度，kg/m3 保护作用时间损失；保护作用时间损失；h死区长度死区长度 希洛夫方程:（假定吸附层完全饱和）第三节第三节 气体吸附气体吸附 (3)吸附床长度吸附床长度假定条件l等温吸附等温吸附l低浓度污染物的吸附低浓度污染物的吸附l吸附等温线为第三种类型吸附等温线为第三种类型l吸附区长度为常数吸附区长度为常数l吸附床的长度大于吸附区长度吸附床的长度大于吸附区长度2.固定床吸附计算固定床吸附计算第三节第三节 气体吸附气体吸附 l吸附床长度吸附床长度L0吸附区长度吸附区长度WA穿透至耗竭的惰性气体通过量穿透至耗竭的惰性气体通过量WE耗竭时的通过量耗竭时的通过量(1-f)吸附区内的饱和度吸附区内的饱和度2.固定床吸附计算固定床吸附计算第三节第三节 气体吸附气体吸附 (4)吸附器的压力损失吸附器的压力损失气流通过吸附器的气流通过吸附器的压力损失取决于吸附剂压力损失取决于吸附剂的形状、大小、床层厚的形状、大小、床层厚度以及气体流速。度以及气体流速。2.固定床吸附计算固定床吸附计算第三节第三节 气体吸附气体吸附 移动床吸附器是在固体吸附剂和含污染物移动床吸附器是在固体吸附剂和含污染物气体的连续逆流中完成吸附过程的。移动床吸气体的连续逆流中完成吸附过程的。移动床吸附器的计算主要是确定吸附区的高度和吸附剂附器的计算主要是确定吸附区的高度和吸附剂的用量。的用量。3.移动床吸附计算移动床吸附计算第三节第三节 气体吸附气体吸附 第四节第四节 气体催化净化气体催化净化l含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理的物质物转化为无害或易于处理的物质l应用应用工业尾气和烟气去除SO2和NOx有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化汽车尾气的催化净化第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 一、催化作用和催化剂一、催化作用和催化剂 1.催化作用催化作用改变反应历程，降低活化能提高反应速率 （阿累尼乌斯方程）l 显著特征显著特征对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡。可缩短达到平衡的时间。选择性第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 2.催化剂催化剂l催化剂催化剂 加速化学反应，而本身的化学组成在反应加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后保持不变的物质前后保持不变的物质 （1）组成组成：活性组分活性组分 助催化剂助催化剂 载体载体（2）催化剂的性能）催化剂的性能l活性活性 是催化剂效能大小的标准。在工业上，催化剂是催化剂效能大小的标准。在工业上，催化剂的活性常用单位体积（或质量）催化剂在一定条件下的活性常用单位体积（或质量）催化剂在一定条件下（温度、压力、空速和反应物浓度），单位时间内所（温度、压力、空速和反应物浓度），单位时间内所得的产品量表示：得的产品量表示：W产品质量产品质量WR催化剂质量催化剂质量t反应时间反应时间l 选择性选择性第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 （2）催化剂的性能催化剂的性能l稳定性稳定性热稳定性、机械稳定性和化学稳定性表示方法：寿命老化l活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等等中毒l对大多数催化剂，毒物：对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 二、气二、气固催化反应动力学固催化反应动力学l反应过程反应过程(1)反应物从气流主体-催化剂外表面(2)进一步向催化剂的微孔内扩散(3)反应物在催化剂的表面上被吸附(4)吸附的反应物转为为生成物(5)生成物从催化剂表面脱附下来(6)脱附生成物从微孔向外表面扩散(7)生成物从外表面扩散到气流主体(1),(7)：外扩散；：外扩散；(2),(6)内扩散内扩散(3),(4),(5)：动力学过程：动力学过程第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化剂反应动力学催化剂反应动力学l催化剂中的催化剂中的浓度分布浓度分布第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化剂反应动力学催化剂反应动力学第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化剂反应动力学催化剂反应动力学反应速度取决于带反应速度取决于带反应速度取决于带反应速度取决于带 反应反应反应反应(最慢反应最慢反应最慢反应最慢反应)，其它都达到平衡，其它都达到平衡，其它都达到平衡，其它都达到平衡例：例：例：例：A AB B R RS SA A的吸附：的吸附：的吸附：的吸附：B B的吸附：的吸附：的吸附：的吸附：表面反应：表面反应：表面反应：表面反应：R R的脱附：的脱附：的脱附：的脱附：S S的脱附：的脱附：的脱附：的脱附：表面反应控制表面反应控制表面反应控制表面反应控制 吸附或脱附控制吸附或脱附控制吸附或脱附控制吸附或脱附控制第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应动力学方程催化反应动力学方程l表面化学反应速率表面化学反应速率l对于催化床对于催化床N NA A反应物反应物反应物反应物A A的流量，的流量，的流量，的流量，kmol/hkmol/hV VR R反应气体体积，反应气体体积，反应气体体积，反应气体体积，mm3 3x x转化率转化率转化率转化率L L反应床长度，反应床长度，反应床长度，反应床长度，mmA A反应床截面积，反应床截面积，反应床截面积，反应床截面积，mm2 2QQ反应气体流量，反应气体流量，反应气体流量，反应气体流量，mm3 3t t接触时间，接触时间，接触时间，接触时间，h hc cA0A0反应物的初始浓度反应物的初始浓度反应物的初始浓度反应物的初始浓度,kmol/m,kmol/m3 3第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应动力学方程催化反应动力学方程l宏观动力学方程宏观动力学方程外扩散的传质速率KKGG扩散系数，扩散系数，扩散系数，扩散系数，m/hm/hS Se e单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，单位体积催化剂的外表面积，mm2 2/m/m3 3a a 催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形催化剂的有效表面系数；球形a a 1 1C CAGAG主气流中反应物主气流中反应物主气流中反应物主气流中反应物A A的浓度，的浓度，的浓度，的浓度，mol/mmol/m3 3C CASAS催化剂外表面上催化剂外表面上催化剂外表面上催化剂外表面上A A的浓度，的浓度，的浓度，的浓度，mol/mmol/m3 3第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应动力学方程催化反应动力学方程l宏观动力学方程宏观动力学方程内扩散反应速率KKs s反应速率常数反应速率常数反应速率常数反应速率常数 催化剂有效系数催化剂有效系数催化剂有效系数催化剂有效系数S Si i单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积单位体积催化剂的内表面积,m,m2 2/m/m3 3f f与浓度分布有关的函数与浓度分布有关的函数与浓度分布有关的函数与浓度分布有关的函数第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应动力学方程催化反应动力学方程l催化剂有效系数催化剂有效系数 反应催化剂微孔内浓度分布对反应速率的影响 在内扩散的影响下l催化剂微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平催化剂微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平衡浓度衡浓度l催化剂内表面积并未充分利用催化剂内表面积并未充分利用l值较小值较小第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应动力学方程催化反应动力学方程l催化剂有效系数催化剂有效系数 实验测定 s s齐勒模数齐勒模数齐勒模数齐勒模数R R催化剂特征长度催化剂特征长度催化剂特征长度催化剂特征长度KKv v反应速率常数反应速率常数反应速率常数反应速率常数D Deffeff内扩散系数内扩散系数内扩散系数内扩散系数 计算法l等温一级不可逆反应，球形催化剂等温一级不可逆反应，球形催化剂l若若 s很小，很小，1，说明内扩散的影响可以忽略；，说明内扩散的影响可以忽略；反之不容忽视反之不容忽视第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应动力学方程催化反应动力学方程l催化剂有效系数催化剂有效系数 一级不可逆反应第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 内外扩散的影响内外扩散的影响l外扩散控制外扩散控制降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：KG消除方法l提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度l气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影响消除下限流速响消除下限流速第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 内外扩散的影响内外扩散的影响l内扩散控制内扩散控制降低催化剂内反应物浓度，从而降低反应速度表现因数：消除方法l尽量减小催化剂颗粒大小尽量减小催化剂颗粒大小l粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影响消除响消除第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应器的设计催化反应器的设计l设计基础设计基础停留时间l决定反应的转化率决定反应的转化率l由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方式决定式决定V VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积,m,m3 3QQ反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量,m,m3 3/h/h 催化床空隙率催化床空隙率催化床空隙率催化床空隙率,%,%第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应器的设计催化反应器的设计l设计基础设计基础反应器的流动模型l活塞流、混合流活塞流、混合流l实际流态介于两者之间实际流态介于两者之间l反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异l不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相应的统计分布应的统计分布停留时间分布函数停留时间分布函数l工业上，连续釜式反应器理想混合反应器；径工业上，连续釜式反应器理想混合反应器；径高比大的固定床活塞流反应器高比大的固定床活塞流反应器第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应器的设计催化反应器的设计l设计基础设计基础空间速度l单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积V VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积,m,m3 3QQN N标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量,m,m3 3/h/hl 接触时间空间速度的倒数接触时间空间速度的倒数第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应器的设计催化反应器的设计l经验计算法经验计算法l将催化床作为一个整体将催化床作为一个整体l利用经验参数设计利用经验参数设计l通过中间实验确定最佳工艺条件通过中间实验确定最佳工艺条件V VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积,m,m3 3QQN N标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量,m,m3 3/h/hWWSPSP空间速度，空间速度，空间速度，空间速度，1/h1/hl 催化剂装量催化剂装量第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应器的设计催化反应器的设计l数学模型法数学模型法l反应的动力学方程反应的动力学方程 物料流动方程物料衡算物料流动方程物料衡算热量衡算热量衡算l反应热效应小的催化床反应热效应小的催化床等温分布计算等温分布计算V VR R催化剂体积催化剂体积催化剂体积催化剂体积,m,m3 3QQ气体体积流量气体体积流量气体体积流量气体体积流量,m,m3 3/h/h 反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 催化反应器的设计催化反应器的设计l数学模型法数学模型法l转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的轴向温差轴向温差l轴向等温分布计算轴向等温分布计算 反应的热效应反应的热效应反应的热效应反应的热效应,kJ/mol,kJ/molN N0 0总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量总的衡分子流量,mol/h,mol/h 混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热,kJ/(mol,kJ/(mol K)K)y yA0A0物料物料物料物料A A的初始摩尔分率的初始摩尔分率的初始摩尔分率的初始摩尔分率第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 固定床反应器固定床反应器l最主要的气固相催化反应器最主要的气固相催化反应器优点:l流体接近于平推流，返混小，反应速度较快流体接近于平推流，返混小，反应速度较快l固定床中催化剂不易磨损，可长期使用固定床中催化剂不易磨损，可长期使用l停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，高选择性和转化率停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，高选择性和转化率缺点:l传热差传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点热效应大的反应，传热和温控是难点)l催化剂更换需停产进行催化剂更换需停产进行第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 固定床反应器固定床反应器l单层绝热反应器单层绝热反应器结构简单，造价低廉，气流阻力小内部温度分布不均用于化学反应热效应小的场合第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 固定床反应器固定床反应器l多段绝热反应器多段绝热反应器相邻两段之间引入热交换(a)直接换热直接换热(b)间接换热间接换热第四节第四节 气体催化净化气体催化净化 固