有害气体净化技术.ppt

第五章有害气体净化技术,本章内容,（1）有害气体净化方法简介（2）吸收法吸收过程理论基础、吸收机理、吸收设备、吸收操作、吸收计算及吸收设计（3）吸附法吸附过程理论基础、吸附机理、吸附设备、吸附操作、吸附计算及吸附设计（4）催化法净化技术（5）其他净化技术燃烧净化，冷凝法，高空排放等,第一节有害气体净化方法简介,为防治大气污染，排入大气的废气必须进行净化处理，达到排放标准的要求。在可能条件下，还应考虑回收利用，变害为宝。某些有害气体暂时还缺乏经济有效的处理方法，也可采用高空排放，使污染物在高空扩散，在更大范围内稀释。,有害气体控制中涉及的问题,运动分析流动问题多相，湍流，高温，浓度化学转化化学吸收、吸附，氧化还原，催化作用资源回收副产品选择，处理时效,有害气体控制中相关方法,流体力学多相流，环境流体力学化学方法分析化学，催化工程，物理化学核物理方法电子束辐射，脉冲放电等离子体系统工程规划论，优化设计,SO2污染及硫资源现状,SO2污染特点排放量大2370万吨;影响范围广达国土面积40％;经济损失大1100亿元/年.世界硫资源现状,有害气体的主要净化技术,吸收法吸附法燃烧法冷凝法,第二节气体吸收,什么是吸收用适当的液体与混合气体接触，利用气体在液体中溶解能力的不同，除去其中一种或几种组分的过程。吸收的适用范围应用广泛，特别是无机气体如硫氧化物、氮氢化物、硫化氢、氯化氢等。优点能同时除尘，处理量大，费用较低缺点污水处理，净化效率有限,工业吸收流程,物理吸收与化学吸收,物理吸收没有明显化学反应，可看作溶解过程特点过程可逆化学吸收伴有明显化学反应特点效率较高,浓度表示与气液平衡,摩尔分数气相或液相种某一组分的摩尔数与该混合气体或溶液的总摩尔数之比比摩尔分数吸收质与吸收剂以惰气量与吸收剂为基准的浓度表示相平衡吸收速度解吸速度吸收过程的动力吸收剂温度，吸收质分压力亨利定律P*Ex,浓度表示与气液平衡,实际应用中，亨利定律的其他表达形式溶解度系数H表示法P*C/H相平衡系数m表示法y*mx掌握了气液平衡关系，可以帮助我们解决以下两方面的问题在设计过程中判断吸收的难易程度；在运行过程中判断吸收已进行到什么程度。,吸收过程机理,双膜理论,总浓度,静止或层流气层（膜）,气相主体,液相主体,吸收过程机理,在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题过程的极限和过程的数率。吸收过程的极限决定于吸收的相平衡常数。本节将讨论吸收的速率问题。吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步骤①溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；②溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程③溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。,吸收过程机理,吸收速率方程在实际吸收装备中，气液接触时间有限，必须确定单位时间内吸收剂所吸收的气体量，这个量就是吸收速率。单位时间从气相主体转移到界面的吸收质量GAkg’FPA-Pi*或GAkgFYA-Yi*单位时间从气相主体转移到界面的吸收质量GA’klFXi*-XA总吸收系数GAkgFYA-Yi*klFXi*-XA,吸收过程机理,根据双膜理论，Yi*mXi*；以及吸收时气液平衡关系YA*mXA，因此GAKgFYA-YA*Kg以YA-YA*为吸收推动力的气相总吸收系数或GAKlFXA*-XAKl以XA*-XA为吸收推动力的液相总吸收系数吸收阻力,吸收设备基本要求,气液之间有较大的接触面积和一定的接触时间气液之间扰动强烈，吸收阻力低，吸收效率高采用气液逆流操作，增大吸收推动力；气体通过时阻力小；耐磨，耐腐蚀，运行安全可靠构造简单，便于制作和检修,吸收常用设备,筛板塔一种应用极为广泛的气液传质设备，它由一个通常呈圆柱形的壳体及其中按一定间距水平设置的若干塔板所组成。如图所示，板式塔正常工作时，液体在重力作用下自上而下通过各层塔板后由塔底排出；气体在压差推动下，经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出，在每块塔板上皆贮有一定的液体，气体穿过板上液层时，两相接触进行传质。,吸收常用设备,当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现四种不同的接触状态。（1）鼓泡接触状态（2）蜂窝状接触状态（3）泡沫接触状态（4）喷射接触状态,吸收常用设备,填料塔如图所示为填料塔的结构示意图，填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。,吸收常用设备,在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。优点①生产能力大，②分离效率高，③压降小，④持液量小，⑤操作弹性大等。不足之处①填料造价高；②当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；③不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；④对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。,吸收常用设备,喷淋塔气体从下部进入，吸收剂从上而下分几层喷淋，喷淋器上部设有液滴分离器。湍球塔是填料塔的特殊情况，让塔内的填料处于运动状态，以强化吸收过程。文丘里吸收器使气液两相在高速紊流中充分接触，使吸收过程大大强化。,喷淋塔结构图,吸收过程的物料平衡与操作线方程,吸收过程的数学描述以逆流填料吸收塔为例，如右图所示（1）底含量气体吸收底特点①G、L可视为常量②吸收过程时等温底（不必进行热衡）③传质系数为常量底含量气体吸收底上述特点将使计算过程大为简化。（2）全塔物料衡算,吸收过程的物料平衡与操作线方程,操作线与操作线方程操作线上任意一点反映了吸收塔内任一断面上气、液两相吸收质浓度的变化关系。液气比L/G操作线斜率操作线和平衡线之间的垂直距离就是塔内各断面的吸收推动力。,吸收设备计算,吸收剂用量计算惰气量G，气相进口浓度Y1，气相出口浓度Y2，液相进口浓度X2，液相出口浓度X1。通常取L/G1.22.0L/Gmin,吸收设备计算,吸收塔不同断面上ΔY不是常数，其平均吸收推动力ΔYpΔY1/ΔY22ΔYpΔY1ΔY2/lnΔY1/ΔY2ΔY1塔底部吸收推动力ΔY2塔顶部吸收推动力单位时间内吸收塔的传质量GAFKgΔYpkmol/s吸收系数由文献及工程实验确定填料塔阻力由填料层阻力通用关联图和填料系数表进行计算,吸收装置设计,吸收剂的选择水吸收法碱液吸收法采用其他吸收剂的吸收方法,第三节气体吸附,吸附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吸附质－被吸附物质吸附剂－附着吸附质的物质优点效率高、可回收、设备简单缺点吸附容量小、设备体积大,吸附机理,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升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附,吸附剂,吸附剂需具备的特性内表面积大具有选择性吸附作用高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大来源广泛，造价低廉良好的再生性能,常用吸附剂特性,常用吸附剂特性,分子筛特性,,气体吸附的影响因素,操作条件低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附增大气相压力利于吸附,吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）,气体吸附的影响因素,典型吸附质分子的横截面积,,气体吸附的影响因素,吸附质性质、浓度临界直径－吸附质不易渗入的最大直径吸附质的分子量、沸点、饱和性吸附剂活性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动活性－未达到平衡时的吸附量,常见分子的临界直径,气体吸附的影响因素,吸附剂再生,溶剂萃取活性炭吸附SO2，可用水脱附,置换再生脱附剂需要再脱附,降压或真空解吸,吸附剂再生,吸附平衡,当吸附速度＝脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值极限吸附量受气体压力和温度的影响吸附等温线,,,NH3在活性炭上的吸附等温线,吸附等温线,,m－单位吸附剂的吸附量P－吸附质在气相中的平衡分压K,n－经验常数,实验确定,吸附方程式,弗罗德里希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分）lgm对lgP作图为直线,吸附方程式,朗格缪尔（Langmuir）方程（I型等温线）,吸附方程式,BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）,吸附速率,吸附过程,吸附,吸附速率,外扩散速率内扩散速率总吸附速率方程,吸附工艺,固定床,,吸附工艺,移动床,,吸附工艺,移动床,,吸附工艺,流化床,,流化床,,吸附工艺,固定床吸附计算,,固定床吸附计算,,固定床吸附计算,,固定床吸附计算,保护作用时间,τ－L实际曲线与理论曲线的比较1－理论线2实际曲线,固定床吸附计算,同样条件下定义－动力特性,固定床吸附计算,吸附床长度假定条件等温吸附低浓度污染物的吸附吸附等温线为第三种类型吸附区长度为常数吸附床的长度大于吸附区长度,固定床吸附计算,吸附床长度,L0－吸附区长度WA－穿透至耗竭的惰性气体通过量WE－耗竭时的通过量1-f－吸附区内的饱和度,吸附器的压力损失,1）图解计算,移动床计算,操作线吸附速率方程,例用连续移动床逆流等温吸附过程净化含H2S的空气。吸附剂为分子筛。空气中H2S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，H2S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H2S的含量；3需要的传质单元数。解1吸附器进口气相组成H2S的流量＝0.036500＝195kg/h空气的流量＝6500－195＝6305kg/h吸附器出口气相组成H2S＝0.05195＝9.75kg/h空气＝6305kg/h,移动床计算,移动床计算,实验得到的平衡关系如右图假定X2＝0，从图得（X1）最大＝0.1147所以实际需要的分子筛＝0.3726305＝2345.5kg/h2,分子筛吸收H2S的平衡数据,移动床计算,3图解积分法计算NOGNOG＝3.127,图解积分法求传质单元数,第四节催化法净化技术,催化作用机理化学反应能否进行仅根据自由能的变化还不能判断反应能否完成，因为反应的完成还取决于其能垒，如果反应能垒很高，则必须为其提供一定的能量，越过能垒，完成反应。该能垒被称为活化能。而催化剂的作用就是降低该活化能，使之在较低能垒下发生化学反应。反应途径1AB→AB反应途径2AK→AKAKB→ABK催化氧化催化还原,催化还原脱硫反应机理,①脱硫反应M-OSO21/2O2→M-SO4M-OSO3→M-SO4②脱硫剂再生（吸附解吸）M-SO41/2CH4→MSO21/2CO2H2OM-SO31/4CH4→MSO21/4CO21/2H2OM-O1/4CH4→M1/4CO21/2H2OM1/2O2→M-O总反应M-SO4M-SO3CH43/2O2→2M-O2SO2CO22H2O③催化还原M-SO4CH4→M-OH2SCO2H2O2H2SSO2→3S2H2O2SO2CH4→2SCO22H2O,催化剂,能显著改变反应速率而本身的化学性质和数量在反应前后基本不变的物质。氧化催化剂V2O5，等还原催化剂CuO等催化剂载体氧化铝，二氧化硅等,催化转化条件,反应温度停留时间空间速度阻力,催化反应器,单层绝热反应器多段绝热反应器列管式反应器,催化反应工艺,第五节其他净化技术,燃烧法冷凝法高空排放,燃烧法,热力燃烧,燃烧法,催化燃烧法,冷凝法,冷凝机理利用气态污染物在不同温度及压力下具有不同的饱和蒸汽压，以及不同的气态污染物在同一温度下具有不同的饱和蒸汽压的性质，将混合气体冷却或加压，使其中，某种或某几种污染物冷凝成液体或固体，从而由混合气体种分离出来。冷凝量算式kg/kg载气x1，x2处理前后污染物在混合气体中含量MP，ML污染物分子量和载气平均分子量p，p2混合气体总压和处理后温度下污染物饱和蒸汽压,冷凝净化设备,冷凝净化工艺,高空排放,某些有害气体至今仍缺乏经济有效的净化方法，在不得已的情况下，只好将未经净化或净化不完全的废气直接诽入高空，通过在大气中的扩散进行稀释，使降落到地面的有害气体浓度不超过卫生标准中规定的“居住区大气中有害物质最高容许浓度”。,本章习题,P1426，15,