沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程概論課件第四章PPT課件

1、l（一）物理吸收l 較簡(jiǎn)單，可看成是單純的物理溶解過程；l 吸收限度取決于氣體在液體中的平衡濃度；l 吸收速率主要取決于污染物從氣相轉(zhuǎn)入液相的擴(kuò)散速度。l（二）化學(xué)吸收l 吸收過程中組分與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；l 吸收限度同時(shí)取決于氣液平衡和液相反應(yīng)的平衡條件；l 吸收速率同時(shí)取決于擴(kuò)散速度和反應(yīng)速度。第1頁(yè)/共49頁(yè) 二、吸收機(jī)理（一）雙膜理論（應(yīng)用最廣）在氣液兩相接觸時(shí)，兩相間有一個(gè)相界面，在相界面兩側(cè)分別存在一層穩(wěn)定的滯留膜層，分別稱作氣膜和液膜，氣膜厚度Zg，液膜厚度為Zl。氣液兩個(gè)膜層分別將各相主體流與相界面隔開，氣液相質(zhì)量傳遞過程是氣相主體流中的吸收質(zhì)先以湍流擴(kuò)散到氣膜表面，然后再以

2、分子擴(kuò)散流通過氣膜到相界面，繼而進(jìn)入液膜，吸收質(zhì)仍以分子擴(kuò)散方式通過液膜再進(jìn)入液相主體流中。在吸收質(zhì)量傳遞的同時(shí)，也存在著相反的質(zhì)量傳遞（解吸），兩個(gè)不同方向的質(zhì)量傳遞一直達(dá)到動(dòng)平衡狀態(tài)時(shí)為止。在兩相質(zhì)量傳遞過程中，只有通過氣液膜時(shí)，發(fā)生分子擴(kuò)散阻力；在氣液兩相主體流中由于湍流不存在濃度梯度，因而也就不存在傳質(zhì)阻力。在相界面上，氣液兩相隨時(shí)都處于平衡狀態(tài)。相界面第2頁(yè)/共49頁(yè)l1. 吸收過程：混合氣體中（氣相中）的吸收質(zhì)向吸收劑中進(jìn)行質(zhì)量傳遞。（氣液）l2. 解吸過程：液相中吸收質(zhì)向氣相逸出的質(zhì)量傳遞過程。 （液氣）l3. 相平衡：在一定的溫度、壓力條件下，吸收的傳質(zhì)數(shù)率=解吸的傳質(zhì)數(shù)率 氣

3、液兩相達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，簡(jiǎn)稱相平衡。l4. 平衡分壓：氣相中的吸收質(zhì)組分的分壓。l5. 溶解度：液相吸收劑所溶解吸收質(zhì)組分的濃度。l（每100kg水中溶解氣體的kg數(shù)）第3頁(yè)/共49頁(yè) 常見氣體的平衡溶解度特點(diǎn)：不同性質(zhì)的氣體在同溫、同壓下的溶解度不同 多數(shù)氣體的溶解度隨溫度升高而下降當(dāng)溫度一定時(shí)溶解度隨吸收質(zhì)分壓的升高而增大第4頁(yè)/共49頁(yè) 物理吸收時(shí)，常亨利定律來描述氣液相間的相平衡關(guān)系。 總壓小于5105Pa時(shí)，一定溫度下，稀溶液中溶質(zhì)的溶解度與氣相中溶質(zhì)的平衡分壓成正比，即P*=Ex P*溶質(zhì)組分在氣相中的平衡分壓, Pa；x溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)n質(zhì)/(n質(zhì)+n劑) E亨利系數(shù)第5頁(yè)

4、/共49頁(yè)氣相用平衡分壓，液相用物質(zhì)的量濃度表示: P*=C/HC液相中溶質(zhì)的摩爾濃度, mol/m3 ; H溶解度系數(shù), mol/mP; 溶質(zhì)在液相和氣相中的濃度分別用摩爾分率x、y表示:y*=mx x溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)； y*與該液相成平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；m相平衡常數(shù),無因次。 第6頁(yè)/共49頁(yè)（四）化學(xué)吸收l化學(xué)吸收的優(yōu)點(diǎn)溶質(zhì)進(jìn)入溶劑后因化學(xué)反應(yīng)消耗掉，溶劑容納的溶質(zhì)量增多液膜擴(kuò)散阻力降低填料表面的停滯層仍為有效濕表面第7頁(yè)/共49頁(yè)三、吸收劑的選擇 （一）吸收劑的選擇原則1.吸收劑應(yīng)對(duì)混合氣體中被吸收組分具有良好的選擇性和較大的吸收能力。 2.飽和蒸氣壓低，以減少揮發(fā)損失，

5、避免吸收液成分進(jìn)入氣相，造成浪費(fèi)和新的污染。 3.沸點(diǎn)高，熱穩(wěn)定性高，不易起泡。 4.油性小，能改善吸收塔內(nèi)的流動(dòng)狀況，提高吸收速率，降低泵的功耗，減小個(gè)阻力； 5.化學(xué)穩(wěn)定性高，腐蝕性小、無毒性、不易燃； 6.價(jià)廉易得、易于解吸再生或產(chǎn)生的富液易于綜合利用。 第8頁(yè)/共49頁(yè) （二）吸收劑的選擇方法 1.對(duì)于物理吸收，要求溶解度大，可按照相似相溶規(guī)律選擇吸收劑，即從與吸收質(zhì)結(jié)構(gòu)相近的物質(zhì)中篩選吸收劑。 2.對(duì)于化學(xué)吸收過程，可以選擇容易與被吸收組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)作吸收。 3.在水中溶解度較大的氣體，用水作吸收劑是首選對(duì)象，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)廉易得、吸收流程、設(shè)備和操作都比較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是設(shè)備龐大、凈

6、化效率低、動(dòng)力消耗大。 4.堿金屬鈉、鉀、鉸或堿土金屬鈣、鎂等的溶液，是另一類常用吸收劑。由于這類吸收劑能與被吸收的氣態(tài)污染物如 SO2、HCI、HF、NO2等之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而使吸收能力大大增加。 5.吸收堿性氣體常用各種酸液作為吸收劑；對(duì)于酸性氣體，則優(yōu)先選用堿性或堿性鹽溶液吸收。 第9頁(yè)/共49頁(yè) （三）吸收劑的再生 吸收劑使用到一定程度，需要處理后再使用，處理的方式：一是通過再生回收副產(chǎn)品后重新利用，如亞硫酸鈉法吸收SO2氣體，吸收液中的亞硫酸氫鈉經(jīng)加熱再生，回收SO2后變?yōu)閬喠蛩徕c重新使用；二是直接把吸收液加工成副產(chǎn)品，如用氨水吸收SO2得到的亞硫酸銨經(jīng)氧化變?yōu)榱蛩徜@化肥。 第1

7、0頁(yè)/共49頁(yè)四、吸收設(shè)備第11頁(yè)/共49頁(yè)噴淋塔第12頁(yè)/共49頁(yè)填料塔除霧器液體噴霧填料液體出口第13頁(yè)/共49頁(yè)第14頁(yè)/共49頁(yè)第二節(jié) 氣體吸附 吸附 用多孔固體吸附劑將氣體（或液體）混合物中的組分濃集于固體表面 吸附質(zhì)被吸附物質(zhì) 吸附劑附著吸附質(zhì)的物質(zhì)第15頁(yè)/共49頁(yè)一、吸附凈化的概念 多孔性固體物質(zhì)具有選擇性吸附廢氣中的一種或多種有害組分的特點(diǎn)。 吸附凈化是利用多孔性固體物質(zhì)的這一特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)凈化廢氣的一種方法。（一）吸附凈化法的特點(diǎn) 1. 適用范圍 常用于濃度低，毒性大的有害氣體的凈化，但處理的氣體量不宜過大； 對(duì)有機(jī)溶劑蒸汽具有較高的凈化效率； 當(dāng)處理的氣體量較小時(shí)，用吸附法靈

8、活方便。第16頁(yè)/共49頁(yè)2. 優(yōu)點(diǎn)：凈化效率高，可回收有用組分，設(shè)備簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。3. 缺點(diǎn)：吸附容量小，設(shè)備體積大；吸附劑容量往往有限，需頻繁再生，間歇吸附過程的再生操作麻煩且設(shè)備利用率低。4. 應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于有機(jī)化工、石油化工等部門。 環(huán)境治理方面：廢氣治理中，脫除水分、有機(jī)蒸汽、惡臭、HF 、SO2、NOX等。第17頁(yè)/共49頁(yè)二、吸附機(jī)理第18頁(yè)/共49頁(yè)三、物理吸附和化學(xué)吸附物理吸附物理吸附化學(xué)吸附化學(xué)吸附1.吸附力范德華力，可是單層吸附力范德華力，可是單層或多層吸附；或多層吸附；2.吸附質(zhì)與吸附劑之間不發(fā)生化吸附質(zhì)與吸附劑之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；學(xué)反應(yīng)；3.吸附過程快，瞬

9、間達(dá)到平衡；吸附過程快，瞬間達(dá)到平衡；4.放熱反應(yīng)；放熱反應(yīng)；5.吸附劑與吸附質(zhì)間的吸附力不吸附劑與吸附質(zhì)間的吸附力不強(qiáng)，吸附可逆。強(qiáng)，吸附可逆。1.吸附力化學(xué)鍵力，單層吸附吸附力化學(xué)鍵力，單層吸附2.吸附有很強(qiáng)的選擇性；吸附有很強(qiáng)的選擇性；3.吸附速率較慢，達(dá)到吸附平衡吸附速率較慢，達(dá)到吸附平衡需相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間；需相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間；4.升高溫度可提高吸附速率；升高溫度可提高吸附速率；5.吸附不可逆。吸附不可逆。第19頁(yè)/共49頁(yè)同一污染物可能在較低溫度下發(fā)生物理吸附若溫度升高到吸附劑具備足夠高的活化能時(shí)，發(fā)生化學(xué)吸附第20頁(yè)/共49頁(yè)四、吸附劑 吸附劑應(yīng)具備的特性： 內(nèi)表面積大 具有選擇性吸附作用 高

10、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性 吸附容量大 來源廣泛，造價(jià)低廉 良好的再生性能第21頁(yè)/共49頁(yè)常用吸附劑特性吸附劑類型活性炭活性氧化鋁硅膠沸石分子篩4A5A13x堆 積 密 度 (kg/m3)200 -600750 -1000800800800800熱容(KJ/KgK)0.836 -1.2540.836 -1.0450.920.7940.794操作溫度上限 （K）423773673873873873平 均 孔 徑 （）15 -2518 - 48224513再 生 溫 度 （K）373 -413473 -523393 -423473 -573473 -573473 -573比 表 面 積 （/g）6

11、00-1600210-360600第22頁(yè)/共49頁(yè) 活性炭：疏水性，常用于空氣中有機(jī)溶劑，催化脫除尾氣中SO2、NOX等惡臭物質(zhì)的凈化；優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、抗腐蝕。缺點(diǎn)：可燃性，因此使用溫度不能超過200，在惰性氣流掩護(hù)下，操作溫度可達(dá)500。 活性氧化鋁：用于氣體干燥，石油氣脫硫，含氟廢氣凈化（對(duì)水有強(qiáng)吸附能力）。 硅膠：親水性，從水中吸附水份量可達(dá)硅膠自身質(zhì)量的50%，而難于吸附非極性物質(zhì)。常用于處理含濕量較高的氣體干燥，烴類物質(zhì)回收等。 沸石分子篩：是一種人工合成沸石，為微孔型、具有立方晶體的硅酸鹽。 通式為：Mex/n(Al2O3)x(SiO2)ymH2O 特點(diǎn)：孔徑整齊均一，因而具有篩

12、分性能，一種離子型吸附劑，對(duì)極性分子，不飽和有機(jī)物具有選擇吸附能力。 吸附樹脂：最初為酚、醛類縮合高聚物，以后出現(xiàn)一系列的交聯(lián)共聚物，如聚苯乙烯等。大孔吸附樹脂除了價(jià)格較貴外，比起活性炭，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，品種較多，能用于廢水處理，維生素的分離及H2O2的精制等。第23頁(yè)/共49頁(yè)五、氣體吸附的影響因素（一）操作條件 低溫有利于物理吸附；高溫利于化學(xué)吸附 增大氣相壓力利于吸附0322.4 10mfVWNAf（二）吸附劑性質(zhì)比表面積（孔隙率、孔徑、粒度等）第24頁(yè)/共49頁(yè)（三）吸附質(zhì)性質(zhì)、濃度 臨界直徑吸附質(zhì)不易滲入的最大直徑 吸附質(zhì)的分子量、沸點(diǎn)、飽和性（四）吸附劑活性 單位吸附劑吸附的吸附

13、質(zhì)的量 靜活性吸附達(dá)到飽和時(shí)的吸附量 動(dòng)活性未達(dá)到平衡時(shí)的吸附量第25頁(yè)/共49頁(yè)六、吸附劑再生 溶劑萃取l活性炭吸附SO2，可用水脫附 置換再生l脫附劑需要再脫附 降壓或真空解吸l 吸附作用 ，再生溫度 加熱解吸再生第26頁(yè)/共49頁(yè)第27頁(yè)/共49頁(yè)含含污污染染物物的的氣氣體體 第28頁(yè)/共49頁(yè)第29頁(yè)/共49頁(yè)第30頁(yè)/共49頁(yè)第三節(jié) 氣體催化凈化 （一）定義：催化轉(zhuǎn)化是指廢氣通過催化床層發(fā)生催化反應(yīng)，使其中的污染物轉(zhuǎn)化為無害或易于處理與回收利用物質(zhì)的凈化 （二）應(yīng)用 工業(yè)尾氣和煙氣去除SO2和NOx 有機(jī)揮發(fā)性氣體VOCs和臭氣的催化燃燒凈化 汽車尾氣的催化凈化一、氣體催化凈化第31

14、頁(yè)/共49頁(yè) （三）優(yōu)點(diǎn) 1. 對(duì)不同濃度的污染物具有很高轉(zhuǎn)化率； 2. 污染物與主氣流不需要分離，避免了可能產(chǎn)生的第二次污染； 3. 操作過程簡(jiǎn)化。 （四）缺點(diǎn) 催化劑較貴，且廢氣預(yù)熱需耗一定能量，這樣使凈化處理的費(fèi)用增加。第32頁(yè)/共49頁(yè) （一）催化作用 化學(xué)反應(yīng)速度因加入某種物質(zhì)而改變，而被加入物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，在反應(yīng)終了時(shí)不變的作用。 改變反應(yīng)歷程，降低活化能 提高反應(yīng)速率 （多位活化絡(luò)合物理論） exp()EKART（二）顯著特征只能加速化學(xué)反應(yīng)速度，對(duì)于正逆反應(yīng)的影響相同，不改變化學(xué)平衡具有特殊的選擇性（阿累尼烏斯方程）二、催化機(jī)理第33頁(yè)/共49頁(yè)三、催化劑（一）定義：加速化學(xué)

15、反應(yīng)，而本身的化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)。（二）組成 活性組分 助催劑 載體l活性組分：催化劑主體，可單獨(dú)作為催化劑；l助催化劑：(1)本身無活性(2)具有提高活性組分活性的作用；l載體：起支撐活性組分的作用，使催化劑具有合適形狀與粒度，從而有大的比表面積，增大催化劑活性，節(jié)約活性組分用量，并有傳熱、稀釋和增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度作用，可增加延長(zhǎng)催化劑使用壽命。第34頁(yè)/共49頁(yè)第35頁(yè)/共49頁(yè)（三）催化劑的性能1. 活性RWAtW衡量催化劑效能大小的標(biāo)準(zhǔn)。l工業(yè)中，常把產(chǎn)品量換算為轉(zhuǎn)化率X表示%100物摩爾數(shù)通過催化劑床層的反應(yīng)反應(yīng)物反應(yīng)了的摩爾數(shù)X第36頁(yè)/共49頁(yè)100B 反應(yīng)所得目的產(chǎn)物摩

16、爾數(shù)通過催化劑床層后反應(yīng)了的反應(yīng)物摩爾數(shù)2. 選擇性: 是指若化學(xué)反應(yīng)在熱力學(xué)上有幾個(gè)反應(yīng)方向時(shí)，一種催化劑在一定條件下只對(duì)其中的一個(gè)反應(yīng)起加速作用的特征，表示為：活性-催化劑對(duì)提高產(chǎn)品產(chǎn)量的作用；選擇性-表示催化劑對(duì)提高原料利用率的作用；第37頁(yè)/共49頁(yè) 3. 穩(wěn)定性 定義：催化劑在化學(xué)反應(yīng)過程中保持活性的能力。定義：催化劑在化學(xué)反應(yīng)過程中保持活性的能力。 包括：包括：(1)熱穩(wěn)定性；熱穩(wěn)定性；(2)機(jī)械穩(wěn)定性；機(jī)械穩(wěn)定性；(3)抗毒穩(wěn)定性?？苟痉€(wěn)定性。影響催化劑壽命的因素主要有：催化劑的老化和中毒。催化劑的老化：是指催化劑在正常工作條件逐步失去活性過程。催化劑的中毒：是指反應(yīng)物中少量雜質(zhì)

17、使催化活性迅速下降的現(xiàn)象。 老化老化 活性組分的流失、燒結(jié)、積炭結(jié)焦、機(jī)械粉碎等 中毒中毒 對(duì)大多數(shù)催化劑，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb第38頁(yè)/共49頁(yè)四、氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)l（一）反應(yīng)過程l氣固催化反應(yīng)一般經(jīng)歷如下五個(gè)步驟：l外擴(kuò)散過程：反應(yīng)物從氣相主體到催化劑外表面；l內(nèi)擴(kuò)散過程：催化劑外表面到微孔內(nèi)顆粒內(nèi)表面吸附反應(yīng)；l化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制過程：顆粒內(nèi)表面吸附反應(yīng)產(chǎn)物離開內(nèi)表面；l內(nèi)擴(kuò)散：產(chǎn)物微孔到外表面；l外擴(kuò)散：外表面到氣相主體主氣流微孔固相催化劑粒子示意圖第39頁(yè)/共49頁(yè)l 吸附過程：反應(yīng)物在催化劑表面上被吸附；l 表面過程：吸附的反應(yīng)物在催化劑表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（表面

18、反應(yīng)過程）；l脫附過程：反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑表面上脫附下來。l上述幾步速度最慢（阻力最大）者決定整個(gè)過程的總反應(yīng)濃度，這一步稱為控制步驟 第40頁(yè)/共49頁(yè)（二）催化劑中的濃度分布?xì)饬髦黧w中的濃度催化劑外表面濃度顆粒中心處的濃度第41頁(yè)/共49頁(yè)（一）固定床反應(yīng)器l最主要的氣固相催化反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn): l流體接近于平推流，返混小，反應(yīng)速度較快l固定床中催化劑不易磨損，可長(zhǎng)期使用l停留時(shí)間可嚴(yán)格控制，溫度分布可適當(dāng)調(diào)節(jié)，高選擇性和轉(zhuǎn)化率缺點(diǎn):l傳熱差(熱效應(yīng)大的反應(yīng)，傳熱和溫控是難點(diǎn))l催化劑更換需停產(chǎn)進(jìn)行五、氣固催化反應(yīng)器及設(shè)備第42頁(yè)/共49頁(yè)l1. 單層絕熱反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，氣流阻力小內(nèi)部溫度分布不均適用于反應(yīng)熱效應(yīng)不大的放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程允許溫度有較寬變動(dòng)范圍的反應(yīng)；熱效應(yīng)較大的，但對(duì)反應(yīng)溫度不很敏感或是反應(yīng)速率非常快的過程也可適用。 固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式主要分為絕熱式和換熱式兩類，以適應(yīng)不同的傳熱要求和傳熱方式。 第43頁(yè)/共49頁(yè)l2. 多段絕熱反應(yīng)器根據(jù)段間反應(yīng)氣體的冷卻或加熱方式，多段絕熱床又分為中間間接換熱式和冷