第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 第7章气态污染物控制(4学时) 本章教学内容: 气态污染物的种类与特点,气态污染物的吸收净化技术、吸附净化技术 本章教学要求 (1)了解气态污染物的特点,熟悉气态污染物的种类; (2)掌握净化吸收法的原理与设备,了解其设计过程;掌握吸附净化法的原理与 装置,了解其设计过程 本章教学重点: 气态污染物的吸收净化法和吸附净化法的净化原理与装置 本章习题:P4561,3,4 气态污染物的净化,就是利用化学、物理及生物等方法,将污染物从废气中 分离或转化。气态污染物的净化有多种方法,广泛采用的吸收法、吸附法、燃烧 及催化转化法,其他的方法还有冷凝、生物净化、膜分离及电子辐射-化学净化 等。吸收法是通过扩散方式将废气中气态污染物转移到液相,形成溶解的水合物 或某种新化合物。吸附法是通过分子力作用使废气中某些组分向多孔固体介质 (吸附剂)的表面聚集,以达到分离的目的。燃烧法是通过燃烧将可燃性气态污染 物转变为无害物质。催化转化法是在催化剂的作用下,将废气中气态污染物化为 非污染物或其他易于清除的物质。冷凝法是利用气体沸点不同,通过冷凝将气态 污染物分离。生物法主要依靠微生物的生化降解作用分解污染物。膜分离法利用 不同气体透过特殊薄膜的不同速度,使某种气体组分得以分离。电子辐射-化学 净化法则是利用高能电子射线激活、电离、裂解废气中的各组分,从而发生氧化 等一系列化学反应,将污染物转化为非污染物 气态污染物的净化可采用一种净化方法,或多种方法联合使用。下面介绍几 种主要的净化方法 第一节气态污染物的吸收净化方法 吸收是利用气态污染物对某种液体的可溶性,将气态污染物(溶质)溶入液 相(吸收剂或溶剂),又称湿式净化。吸收分为物理吸收和化学吸收,前者是简单 的物理溶解过程,后者在吸收过程中气体组分与吸收剂还发生化学反应。由于工 业废气往往是气量大、气态污染物含量低、净化要求髙,物理吸收难于满足要求, 化学吸收常常成为首选的方案。 (一)气体的溶解与平衡 在一定的温度与压力下,混合气体与吸收剂接触时,混合气体中的A 组分向液相迁移而被吸收,同时,液相中的A组分也会从液体逸出而被解吸,当 气液之间的吸收与解吸速度相等时,达到动态平衡状态。此时吸收剂所能溶解的 气体量称为平衡溶解度,它是吸收过程的极限。对于非理想溶液,吸收溶液中被 第1页
第 1 页 第 7 章 气态污染物控制（4 学时） 本章教学内容： 气态污染物的种类与特点，气态污染物的吸收净化技术、吸附净化技术 本章教学要求： (1) 了解气态污染物的特点，熟悉气态污染物的种类； (2) 掌握净化吸收法的原理与设备，了解其设计过程；掌握吸附净化法的原理与 装置，了解其设计过程。 本章教学重点： 气态污染物的吸收净化法和吸附净化法的净化原理与装置 本章习题: P456 1, 3,4 气态污染物的净化，就是利用化学、物理及生物等方法，将污染物从废气中 分离或转化。气态污染物的净化有多种方法，广泛采用的吸收法、吸附法、燃烧 及催化转化法，其他的方法还有冷凝、生物净化、膜分离及电子辐射-化学净化 等。吸收法是通过扩散方式将废气中气态污染物转移到液相，形成溶解的水合物 或某种新化合物。吸附法是通过分子力作用使废气中某些组分向多孔固体介质 (吸附剂)的表面聚集，以达到分离的目的。燃烧法是通过燃烧将可燃性气态污染 物转变为无害物质。催化转化法是在催化剂的作用下，将废气中气态污染物化为 非污染物或其他易于清除的物质。冷凝法是利用气体沸点不同，通过冷凝将气态 污染物分离。生物法主要依靠微生物的生化降解作用分解污染物。膜分离法利用 不同气体透过特殊薄膜的不同速度，使某种气体组分得以分离。电子辐射-化学 净化法则是利用高能电子射线激活、电离、裂解废气中的各组分，从而发生氧化 等一系列化学反应，将污染物转化为非污染物。 气态污染物的净化可采用一种净化方法，或多种方法联合使用。下面介绍几 种主要的净化方法。 第一节 气态污染物的吸收净化方法 吸收是利用气态污染物对某种液体的可溶性，将气态污染物（溶质）溶入液 相(吸收剂或溶剂)，又称湿式净化。吸收分为物理吸收和化学吸收，前者是简单 的物理溶解过程，后者在吸收过程中气体组分与吸收剂还发生化学反应。由于工 业废气往往是气量大、气态污染物含量低、净化要求高，物理吸收难于满足要求， 化学吸收常常成为首选的方案。 （一）气体的溶解与平衡 在一定的温度与压力下，混合气体与吸收剂接触时，混合气体中的 A 组分向液相迁移而被吸收，同时，液相中的 A 组分也会从液体逸出而被解吸，当 气液之间的吸收与解吸速度相等时，达到动态平衡状态。此时吸收剂所能溶解的 气体量称为平衡溶解度，它是吸收过程的极限。对于非理想溶液，吸收溶液中被
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 吸收组分A浓度较低的情况,平衡状态时气相A组分的分压(平衡或饱和分压) 与液相中A组分的浓度(平衡或饱和浓度)之间的关系可用亨利定律来描述,即: P=Ex (7-1) 式中P4一组分A在气相中的平衡分压,MPa E一亨利系数,MPa; x一组分A在液相中的摩尔分数 难溶解气体的值较大,而易溶解气体的E值较小。亨利系数基本不 受压力的影响,但随温度的提高而增加,变化较大。亨利定律也可表示为 式中c一组分A在液相中的溶解度,kmol/m2; 压一溶解度系数,也称亨利系数,kmol/(MPa·m3)。 难溶气体的瓜值较小,易溶气体的压值大。亨利定律是吸收工艺计算的重要依 据和定律,它说明了在一定温度和压力下溶质在两相平衡中的关系,指出传质方 向和限度。其适用范围为:①常压或低压(0.5MPa以下)下的稀溶液;②溶质在 气相和溶液中的分子状态相同,即液相的溶质均以分子状态存在,没有离解成离 子形态或与其他物质发生化学反应。若发生了离解或者化学反应后,要对亨利定 律进行修正。 (二)气液传质的基本原理 1.双膜理论 吸收过程的实质是物质由气相转入液相的传质过程。气 液间的传质理论主要有双膜理论(又称滞留膜理论)、表、气膜液膜 面更新理论和溶质渗透理论等,目前仍以双膜理论为基 础来解释吸收过程机理。 双膜理论是惠特曼( Whitman)在1923年提出的一个描芋 述气液两相的物质传递理论,其模型如图4-18所示。翻 它假定:①在气、液两相接触处有一随时保持平衡状态 的相界面;②在气液相界面附近,分别存在一个无对流图418双膜理论模型 作用非常稳定的层流(滞流)薄膜,即气膜和液膜,薄 膜内存在浓度梯度,物质传递主要依靠分子扩散:③薄膜外气液两相各自的主体 为湍流,不存在浓度梯度,物质主要通过对流传递;④传质过程只在气液薄膜中 有分子扩散阻力,相界面上和湍流主体中不存在传质阻力,因此传递速质取决于 两膜的阻力大小 传质过程是,被吸收组分从气相主体对流扩散到气膜表面,再以分子扩 散通过气膜到达相界面,进入液膜后又以分子扩散通过液膜,最后通过对流扩散 进入液相主体,直到气液两相完全平衡后传质停止。如果此时再增加被吸收组分 的气相分压增加,或降低液相中该组分的浓度,传质继续进行 2.传质速率 传质速率是指被吸收气体组分在单位时间,通过相界面单位面积传递的物质量, 也称为吸收速率。根据质量守恒定律,稳定条件下,通过相界面气液两侧的物质 量相等。对于被吸收组分A,其传质速率为 第2页
第 2 页 吸收组分 A 浓度较低的情况，平衡状态时气相 A 组分的分压(平衡或饱和分压) 与液相中 A 组分的浓度(平衡或饱和浓度)之间的关系可用亨利定律来描述，即： * A A A p E x = (7－1) 式中 * A p —组分 A 在气相中的平衡分压，MPa； EA—亨利系数，MPa； xA—组分 A 在液相中的摩尔分数。 难溶解气体的 EA值较大，而易溶解气体的 EA值较小。亨利系数基本不 受压力的影响，但随温度的提高而增加，变化较大。亨利定律也可表示为： * A A A c H p = (7－2) 式中 cA—组分 A 在液相中的溶解度，kmo1/m3； HA—溶解度系数，也称亨利系数， kmol／(MPa·m 3 )。 难溶气体的 HA值较小，易溶气体的 HA值大。亨利定律是吸收工艺计算的重要依 据和定律，它说明了在一定温度和压力下溶质在两相平衡中的关系，指出传质方 向和限度。其适用范围为：①常压或低压(0.5MPa 以下)下的稀溶液；②溶质在 气相和溶液中的分子状态相同，即液相的溶质均以分子状态存在，没有离解成离 子形态或与其他物质发生化学反应。若发生了离解或者化学反应后，要对亨利定 律进行修正。 （二）气液传质的基本原理 1. 双膜理论 吸收过程的实质是物质由气相转入液相的传质过程。气 液间的传质理论主要有双膜理论(又称滞留膜理论)、表 面更新理论和溶质渗透理论等，目前仍以双膜理论为基 础来解释吸收过程机理。 双膜理论是惠特曼(Whitman) 在 1923 年提出的一个描 述气液两相的物质传递理论，其模型如图 4-18 所示。 它假定：①在气、液两相接触处有一随时保持平衡状态 的相界面；②在气液相界面附近，分别存在一个无对流 作用非常稳定的层流（滞流）薄膜，即气膜和液膜，薄 膜内存在浓度梯度，物质传递主要依靠分子扩散；③薄膜外气液两相各自的主体 为湍流，不存在浓度梯度，物质主要通过对流传递；④传质过程只在气液薄膜中 有分子扩散阻力，相界面上和湍流主体中不存在传质阻力，因此传递速质取决于 两膜的阻力大小。 传质过程是，被吸收组分从气相主体对流扩散到气膜表面，再以分子扩 散通过气膜到达相界面，进入液膜后又以分子扩散通过液膜，最后通过对流扩散 进入液相主体，直到气液两相完全平衡后传质停止。如果此时再增加被吸收组分 的气相分压增加，或降低液相中该组分的浓度，传质继续进行。 2． 传质速率 传质速率是指被吸收气体组分在单位时间，通过相界面单位面积传递的物质量， 也称为吸收速率。根据质量守恒定律，稳定条件下，通过相界面气液两侧的物质 量相等。对于被吸收组分 A，其传质速率为：
第二炮兵工程学院《环境工程学)教案 N4=k2(P4-P4)=k(Ca-c) (7-3) 式中M一组分A在单位时间,通过相界面单位面积的传质速率 kmol/(m2·s) k、k分别为气膜及液膜的传质分系数,kmol/(m2·skPa)及m/s A、A-分别为组分A在气相主体及相界面上的分压,Pa CA1、c-分别为组分A在相界面上及液相主体的浓度,kmol/m3; 如果吸收气体服从亨利定律,则在平衡时根据式(7-3),在相界面上有 C=HAPm;在流体主体中有C4=H1P及C=H1P;,将这三个关系式代入式(7 3)中消去和c,整理后得: KR(PA-PA)=K,(CA-CA) 式中P4一与液相主体中组分A浓度c相对应的气相平衡分压,Pa Cd一与气相主体中的组分A分压热相对应的液相平衡浓度,kmol/m K、五一分别为以气相分压差表示的气膜总传质系数及以液相浓度差表 示的液膜总传质系数,kmol/(m2·s·kPa)及m/s。其倒数分别为以气相分压差 表示的总阻力及以液相浓度差表示的总阻力,表示为: K, k, Hk k (7-6) 可见,两个总传质系数可用气膜及液膜的传质分系数和溶解度系数表示,他 们之间的关系为:K=。如果传质方程式以总传质量M(即组分A在t时间 内通过F界面的量)来表示时,则(7-3)改写为: M,=K FI(PA-Pa)=K,FI(CA-CA 分析上式可知,强化传质过程的因素有:①提高可吸收组分A的分压热或 降低溶液中组分A的浓度α,均可增加传质动力:②增大传质界面F可增加质量 传递,如细化喷淋的吸收液液滴以增大总传质面积;③延长气液的接触时间t, 如通过控制气流速度来确定;④增大总传质系数A,即减小传质阻力,可以明显 强化传质过程 如果是压值很大的易溶气体,由式(7-5)可见,传质总阻力几乎等于气相 传质阻力,即传质阻力主要在气相,此种情况称为气膜控制,其特点是只要气相 组分分压略为增加,则液相中相应的平衡浓度就会增加很多,如水对HCl、NHL3 的吸收;对压值很小的难溶气体,由式(7-4)可见,传质总阻力几乎等于液相 传质阻力,即传质阻力主要在液相,称为液膜控制,这种情况即使气相组分分压 有较大的变化,液相的浓度变化也很小,如用水吸收CO2、O2,N2、CO、H2S等 而中等溶解度气体,气膜阻力与液膜阻力均不能忽略,称为两膜控制,如水对 SO2的吸收。 第3页
第 3 页 ( ) ( ) N k p p k c c A g A Ai l Ai A = − = − (7－3) 式中 NA—组分 A 在单位时间，通过相界面单位面积的传质速率， kmol/(m2·s)； kg、kl—分别为气膜及液膜的传质分系数，kmol/(m2·s·kPa)及 m/s； pA、pAi—分别为组分 A 在气相主体及相界面上的分压，Pa； cAi、cA—分别为组分 A 在相界面上及液相主体的浓度，kmol/m3； 如果吸收气体服从亨利定律，则在平衡时根据式(7－3)，在相界面上有 Ai A Ai c H p = ；在流体主体中有 * A A A c H p = 及 * A A A c H p = ，将这三个关系式代入式(7 －3)中消去 pAi和 cAi，整理后得： ( ) ( ) * * N K p p K c c A g A A l A A = − = − (7－4) 式中 * A p —与液相主体中组分 A 浓度 cA相对应的气相平衡分压，Pa； * A c —与气相主体中的组分 A 分压 pA相对应的液相平衡浓度，kmol/m3； Kg、Kl—分别为以气相分压差表示的气膜总传质系数及以液相浓度差表 示的液膜总传质系数， kmol/(m2·s·kPa)及 m/s。其倒数分别为以气相分压差 表示的总阻力及以液相浓度差表示的总阻力，表示为： 1 1 1 K k H k g g A l = + (7－5) 1 1 A l g l H K k k = + (7－6) 可见，两个总传质系数可用气膜及液膜的传质分系数和溶解度系数表示，他 们之间的关系为：Kg＝HAKl。如果传质方程式以总传质量 MA (即组分 A 在 t 时间 内通过 F 界面的量)来表示时，则(7－3)改写为： ( ) ( ) * * M K Ft p p K Ft c c A g A A l A A = − = − (7－7) 分析上式可知，强化传质过程的因素有：①提高可吸收组分 A 的分压 pA或 降低溶液中组分 A 的浓度 cA，均可增加传质动力；②增大传质界面 F 可增加质量 传递，如细化喷淋的吸收液液滴以增大总传质面积；③延长气液的接触时间 t， 如通过控制气流速度来确定；④增大总传质系数 K，即减小传质阻力，可以明显 强化传质过程。 如果是 HA 值很大的易溶气体，由式(7－5)可见，传质总阻力几乎等于气相 传质阻力，即传质阻力主要在气相，此种情况称为气膜控制，其特点是只要气相 组分分压略为增加，则液相中相应的平衡浓度就会增加很多，如水对 HCl、NH3 的吸收；对 HA 值很小的难溶气体，由式(7－4)可见，传质总阻力几乎等于液相 传质阻力，即传质阻力主要在液相，称为液膜控制，这种情况即使气相组分分压 有较大的变化，液相的浓度变化也很小，如用水吸收 CO2、O2，N2、CO、H2S 等； 而中等溶解度气体，气膜阻力与液膜阻力均不能忽略，称为两膜控制，如水对 SO2的吸收
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 当吸收过程为气膜控制时,应增大气相湍动程度;当吸收为液膜控制时,应 增加液相湍流程度,均可增加传质速率。通常,使气体处于分散相,如采用孔板 的板式塔,则液体流动减小液膜阻力,适用于难溶气体吸收的液膜控制过程;而 使液体成为分散相,如喷淋塔将液体髙度雾化喷入气相,则液滴周围流动气体的 扩散阻力较小,更适合于易溶气体吸收的气膜控制过程 (三)化学吸收 1.化学平衡与相平衡 化学吸收是指溶质被吸收时,选择溶剂中某些活性组分进行明显的化学反 应,如用碱溶液吸收CO2、SO、HS或用各种酸溶液吸收№等。化学吸收过程既 服从上述的气、液相平衡关系,同时也服从化学平衡关系。它的吸收速率除了与 物理吸收过程中被吸收组分在气膜和液膜中的扩散速率有关外,还与化学反应速 率有关 由于化学吸收中的溶质A在溶剂中与活性组分发生化学反应,减少了溶剂中 纯溶质浓度c,增大了液相的传质动力(c-c),使得吸收速率增大。尤其对于 溶剂处于停滞状态的液膜控制物理吸收过程,其传质表面基本无效,但对化学吸 收可能仍然有效,相当于增加了传质表面,有利于吸收过程。同时,气液两相界 面上溶质A的平衡分压P大为下降,相应增大了气相的传质动力(P-P),从 而提高了吸收速率。这些结论可从物质的化学平衡与溶解平衡中得到 设被气体溶质组分A与液相溶剂中B发生化学反应,生成物质M和N,对于 理想溶液有: A+bB=mM+nN 化学平衡常数为: K 式中,c,a,a,c和m,n,a,b分别为组分M,N,A,B的浓度和计量 系数。由上式可确定组分A未发生反应部分的浓度c1=(ec/Kc),并由亨利 定律得到组分A在气相中的平衡分压 P=C/H=(CMC/KcB)/HA (7-10) 由于气体组分A的一部分在溶剂中生成了化学反应产物,显然溶剂中游离A 的浓度较物理吸收时低。因而在H相同时,液面上气体组分A的平衡压力低于单 纯的物理吸收过程。或者说当气相分压相同时,化学吸收使组分A的溶解度增大 即化学反应提高了吸收率。常见的有以下三种化学平衡: (1)溶质与溶剂相互作用。液相中的溶质A与溶剂B相互作用生成溶剂化 产物M,即A+B=M,如NH-H0体系中生成NHOH,则M的浓度为A在溶液中 的总浓度与未溶剂化的A的浓度之差,即c=a:-C,得到化学平衡常数: K=CM/CCB=(C-C/CCE (7-11) 第4页
第 4 页 当吸收过程为气膜控制时，应增大气相湍动程度；当吸收为液膜控制时，应 增加液相湍流程度，均可增加传质速率。通常，使气体处于分散相，如采用孔板 的板式塔，则液体流动减小液膜阻力，适用于难溶气体吸收的液膜控制过程；而 使液体成为分散相，如喷淋塔将液体高度雾化喷入气相，则液滴周围流动气体的 扩散阻力较小，更适合于易溶气体吸收的气膜控制过程。 （三）化学吸收 1．化学平衡与相平衡 化学吸收是指溶质被吸收时，选择溶剂中某些活性组分进行明显的化学反 应，如用碱溶液吸收 CO2、SO2、H2S 或用各种酸溶液吸收 NH3等。化学吸收过程既 服从上述的气、液相平衡关系，同时也服从化学平衡关系。它的吸收速率除了与 物理吸收过程中被吸收组分在气膜和液膜中的扩散速率有关外，还与化学反应速 率有关。 由于化学吸收中的溶质 A 在溶剂中与活性组分发生化学反应，减少了溶剂中 纯溶质浓度 cA，增大了液相的传质动力 ( ) * A A c c − ，使得吸收速率增大。尤其对于 溶剂处于停滞状态的液膜控制物理吸收过程，其传质表面基本无效，但对化学吸 收可能仍然有效，相当于增加了传质表面，有利于吸收过程。同时，气液两相界 面上溶质 A 的平衡分压 * A p 大为下降，相应增大了气相的传质动力 ( ) * A A p p − ，从 而提高了吸收速率。这些结论可从物质的化学平衡与溶解平衡中得到。 设被气体溶质组分 A 与液相溶剂中 B 发生化学反应，生成物质 M 和 N，对于 理想溶液有： aA bB mM nN + + (7－8) 化学平衡常数为： / m n a b K c c c c = M N A B (7－9) 式中，cM，cN，cA，cB和 m，n，a，b 分别为组分 M，N，A，B 的浓度和计量 系数。由上式可确定组分 A 未发生反应部分的浓度 1/ ( / ) m n b a A M N B c c c Kc = ，并由亨利 定律得到组分 A 在气相中的平衡分压： * 1/ / ( / ) / m n b a A A M N B A p c H c c Kc H = = (7－10) 由于气体组分 A 的一部分在溶剂中生成了化学反应产物，显然溶剂中游离 A 的浓度较物理吸收时低。因而在 H 相同时，液面上气体组分 A 的平衡压力低于单 纯的物理吸收过程。或者说当气相分压相同时，化学吸收使组分 A 的溶解度增大， 即化学反应提高了吸收率。常见的有以下三种化学平衡： （1）溶质与溶剂相互作用。液相中的溶质 A 与溶剂 B 相互作用生成溶剂化 产物 M，即 A B M + ，如 NH3-H2O 体系中生成 NH40H，则 M 的浓度为 A 在溶液中 的总浓度与未溶剂化的 A 的浓度之差，即 cM＝cA,t－cA，得到化学平衡常数： , / ( ) / K c c c c c c c = = − M A B A t A A B (7－11)
第二炮兵工程学院《环境工程学)教案 C,=C/(1+KcB) (7-12) 对于常压或低压下的稀溶液,如果未溶剂化的A服从亨利定律,则有: Cu=(1+ KCB)HPa 在稀溶液中溶剂,c可视作常数,K也不随浓度而变,故1+Kc可视为常数。表 观上看,亨利定律仍适用,但表观溶解度系数是纯物理吸收时的1+Ao倍,即化 学吸收增大了组分A在溶剂中的溶解度at。 (2)溶质在溶液中离解。溶质A在溶液中的离解的反应为A=M+N 如用水吸收S0,SO2溶于水后生成HSO3,又离解为H与HS0^3的过程。离解平衡 常数为: 当溶液中没有同离子存在时,C=C…,上式变为C=√Kc,汽液平衡 时服从亨利定律,则溶液中组分A的总浓度为: √ken=Hp+√kH (7-15) 可见,溶质A在溶液中离解后,其溶解度为物理溶解量与离解溶解量之和。 (3)溶质与溶剂中的活性组分作用。液相中的溶质A与溶剂中的活性组分 B作用生成M,反应式为A+B=M,如NaOH吸收SO2生成NaSO和H20。设溶剂 中B的初始浓度为αo,平衡转化率为R,则溶液中B的平衡浓度为a=(1- a.0,生成物M的平衡浓度c=Rc,化学平衡常数为 /ccB=R/(I-R)c 上式变为R=kc1+Kcn),其中,A组分未发生化学反应的浓度满足亨利 定律C=HAP,则溶液中组分A的总浓度为α;=a+ω,若忽略物理溶解量, 则: CAL=CM=RCBO=CBOEPA/(1+EP) (7-17) 式中,ε=。由式(4-45)可见,溶质A的溶解度a:分别随ε和平衡分 压PA增加而增大,但a:只能趋近于a0,而不能达到c。 此外,由式(7-15)和式(7-17)还可以看出,溶质在吸收剂中的浓度与其气 相分压不再是线性关系,这也是化学吸收与物理吸收在汽液平衡关系上的一个重 要区别。 2.化学吸收的传质速率 第5页
第 5 页 , /(1 ) A A t B c c Kc = + (7－12) 对于常压或低压下的稀溶液，如果未溶剂化的 A 服从亨利定律，则有： * , (1 ) A t B A A c Kc H p = + (7－13) 在稀溶液中溶剂，cB可视作常数，K 也不随浓度而变，故 1+KcB可视为常数。表 观上看，亨利定律仍适用，但表观溶解度系数是纯物理吸收时的 1+KcB倍，即化 学吸收增大了组分 A 在溶剂中的溶解度 cA,t。 （2）溶质在溶液中离解。溶质 A 在溶液中的离解的反应为 + − A = M + N ， 如用水吸收 SO2，SO2溶于水后生成 H2SO3，又离解为 H ＋与 HSO－ 3的过程。离解平衡 常数为： / K c c c = M N + − A (7－14) 当溶液中没有同离子存在时， + = − M N c c ，上式变为 M A c Kc + = ，汽液平衡 时服从亨利定律，则溶液中组分 A 的总浓度为： * * A t A A A A A A A , M c c c c kc H p kH p = + = + = + + (7－15) 可见，溶质 A 在溶液中离解后，其溶解度为物理溶解量与离解溶解量之和。 （3）溶质与溶剂中的活性组分作用。液相中的溶质 A 与溶剂中的活性组分 B 作用生成 M，反应式为 A + B = M ，如 NaOH 吸收 SO2生成 Na2SO4和 H2O。设溶剂 中 B 的初始浓度为 cB,0，平衡转化率为 R，则溶液中 B 的平衡浓度为 cB＝ (1－R) cB,0，生成物 M 的平衡浓度 cM＝RcB,0，化学平衡常数为： K c c c R R c = = − M A B A / / 1( ) (7－16) 上式变为 /(1 ) R Kc Kc = + A A ，其中，A 组分未发生化学反应的浓度满足亨利 定律 * A A A c H p = ，则溶液中组分 A 的总浓度为 cA,t＝cA＋cM，若忽略物理溶解量， 则： * * , ,0 ,0 /(1 ) A t M B B A A c c Rc c p p = = = + (7－17) 式中，ε＝KHA。由式(4－45)可见，溶质 A 的溶解度 cA,t 分别随ε和平衡分 压 * A p 增加而增大，但 cA,t只能趋近于 cB,0，而不能达到 cB,0。 此外，由式(7－15)和式(7－17)还可以看出，溶质在吸收剂中的浓度与其气 相分压不再是线性关系，这也是化学吸收与物理吸收在汽液平衡关系上的一个重 要区别。 2. 化学吸收的传质速率
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 化学吸收与物理吸收相比较,气相一侧两者均可用物理吸收的传质速率方程 式(7-2)表示,而化学吸收相当于增大了液相的传质动力和传质分系数,因此提 高了传质速率。此时传质速率的表示有两种方法:一是采用增大的液相传质分系 数hd,而选取与物理吸收相同的传质动力(Δa=c-c);二是采用增大的传 质动力(Δa+δ),δ为液相发生化学反应时传质动力的增大值,而选取与物 理吸收相同的传质分系数k,即: N=kd△CA=k(△C4+) (7-18) 通常将α=kd/k称为增强系数,表示液相传质分系数因发生化学反应而增 大的倍数。由kd和物理吸收时的气相传质分系数k利用式(7-14)或(7-15)便 可求出化学吸收过程的传质总系数。 四)吸收装置 吸收装置主要是塔式容器,应满足下列基本要求: ①气液接触面大,接触时间长;②气液之间扰动强烈, 吸收效率高;③流动阻力小,工作稳定;④结构简单, 1一气体出口 维修方便,投资和运行维修费用低;⑤具有抗腐蚀和 2一液体入口; 43一液体分布装置; 防堵塞能力。常用的吸收装置有填料塔、湍流塔、板 4一塔壳; 式塔、喷淋塔、和文丘里吸收器等。 5一填料 6一液体再分布器; 填料塔的基本型式如图7-1所示,气体由塔底进 7一填料; 入向上流动,喷淋的吸收液经填料逆流向下,吸收过 程在填料的湿润表面进行。填料种类很多,如拉西环、 9气体人口 0一液体出口 鲍尔环、鞍形、波纹填料等,通常采用陶瓷、塑料、 金属等材料。填料塔直径一般不超过800m,空塔气速 一般为0.3~1.5m/s,单层填料层高度在3~5m之下, 压降通常为400~600Pa/m,液气比为0.5~2.0kg/kg, 图4-19填料塔简图 液体喷淋密度在10m/(血h·m)以上。填料塔由于结构简单、气液接触效果好,压 降较小而被广泛应用。不足之处是填料容易堵塞、损失大。 板式塔内装有若干层塔板,吸收液自塔顶向下流动,并在塔板上保持一定厚 度的液层,气体从塔底向上逐级穿过塔板,以鼓泡状态或喷射状态与液体相互接 触,进行传质、传热及化学反应,如图7-2所示。塔板的结构形式有多种,如 孔板、筛板、旋流板等,板上设有溢流堰,以保持约30m厚度的液层。操作中 合适的气液比例非常重要,气量过大,则气速过高,穿过筛孔时会以连续相通过 塔板液层,形成气体短路,并增大阻力;气量过小或液流量过大,会导致液体从 筛孔泄漏,降低吸收效率。筛孔孔径一般为3~8mm,开孔率为 5%~15%,空塔气速为10~25m/s,穿孔气速约为4.5~12.8m/s, 每层塔板的压降约为800~200Pa。与填料塔相比,板式塔空塔 速度较高,处理能力大,但压降损失也较大。 湍球塔是为了强化传质、传热过程,应用流化床技术的一种 特殊填料塔。聚乙烯或聚丙烯制作的球形填料由筛板支撑,加大 气速使填料处于悬浮状态。运动小球的湍动旋转和相互碰撞,使 汽体 球面液膜不断更新,强化传质过程,提髙了吸收效率。湍球塔的 空塔气速一般为2~6m/s,静止填料层每层髙度一般为0.2 0.3m,每层压降为400~1200Pa。湍流塔体积小,风速高,处理 量大,吸收效率髙,塔内不会堵塞。但塑料小球的湍动有返混现 图4-20板式塔简图 第6页
第 6 页 化学吸收与物理吸收相比较，气相一侧两者均可用物理吸收的传质速率方程 式(7－2)表示，而化学吸收相当于增大了液相的传质动力和传质分系数，因此提 高了传质速率。此时传质速率的表示有两种方法：一是采用增大的液相传质分系 数 kl,d，而选取与物理吸收相同的传质动力（ΔcA＝cAi－cA）；二是采用增大的传 质动力（ΔcA＋δ），δ为液相发生化学反应时传质动力的增大值，而选取与物 理吸收相同的传质分系数 kl，即： N k c k c A l d A l A = = + , ( ) (7－18) 通常将α＝kl,d/kl称为增强系数，表示液相传质分系数因发生化学反应而增 大的倍数。由 kl,d和物理吸收时的气相传质分系数 kg利用式(7－14)或(7－15)便 可求出化学吸收过程的传质总系数。 （四）吸收装置 吸收装置主要是塔式容器，应满足下列基本要求： ①气液接触面大，接触时间长；②气液之间扰动强烈， 吸收效率高；③流动阻力小，工作稳定；④结构简单， 维修方便，投资和运行维修费用低；⑤具有抗腐蚀和 防堵塞能力。常用的吸收装置有填料塔、湍流塔、板 式塔、喷淋塔、和文丘里吸收器等。 填料塔的基本型式如图 7－1 所示，气体由塔底进 入向上流动，喷淋的吸收液经填料逆流向下，吸收过 程在填料的湿润表面进行。填料种类很多，如拉西环、 鲍尔环、鞍形、波纹填料等，通常采用陶瓷、塑料、 金属等材料。填料塔直径一般不超过 800mm，空塔气速 一般为 0.3～1.5m/s，单层填料层高度在 3～5m 之下， 压降通常为 400～600Pa/m，液气比为 0.5～2.0kg/kg， 液体喷淋密度在 10m3 /(h·m 2 )以上。填料塔由于结构简单、气液接触效果好，压 降较小而被广泛应用。不足之处是填料容易堵塞、损失大。 板式塔内装有若干层塔板，吸收液自塔顶向下流动，并在塔板上保持一定厚 度的液层，气体从塔底向上逐级穿过塔板，以鼓泡状态或喷射状态与液体相互接 触，进行传质、传热及化学反应，如图 7－2 所示。塔板的结构形式有多种，如 孔板、筛板、旋流板等，板上设有溢流堰，以保持约 30mm 厚度的液层。操作中 合适的气液比例非常重要，气量过大，则气速过高，穿过筛孔时会以连续相通过 塔板液层，形成气体短路，并增大阻力；气量过小或液流量过大，会导致液体从 筛孔泄漏，降低吸收效率。筛孔孔径一般为 3～8mm，开孔率为 5％～15％，空塔气速为 10～25m/s，穿孔气速约为 4.5～12.8m/s， 每层塔板的压降约为 800～2000Pa。与填料塔相比，板式塔空塔 速度较高，处理能力大，但压降损失也较大。 湍球塔是为了强化传质、传热过程，应用流化床技术的一种 特殊填料塔。聚乙烯或聚丙烯制作的球形填料由筛板支撑，加大 气速使填料处于悬浮状态。运动小球的湍动旋转和相互碰撞，使 球面液膜不断更新，强化传质过程，提高了吸收效率。湍球塔的 空塔气速一般为 2～6m／s，静止填料层每层高度一般为 0.2～ 0.3m，每层压降为 400～1200Pa。湍流塔体积小，风速高，处理 量大，吸收效率高，塔内不会堵塞。但塑料小球的湍动有返混现
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 象,不能承受高温,磨损严重,需经常更换。 各种型式的喷淋塔也被广泛采用。喷淋塔空塔气速一般为为1.5~6m/s,塔 内压降为250~500Pa,液气比较小,适用于极快或快速反应的化学吸收过程。 其特点是结构简单,压降低,不易堵塞,气体处理能力较大,投资费用低;但占 地面积大,效率较低,常用于规模较大的锅炉烟气湿法脱硫以及作预冷却器 第二节气态污染物的吸附净化方法 吸附净化是利用多孔固体表面的微孔捕集废气中的气态污染物,可用于分离 水分、有机蒸气(如甲苯蒸气、氯乙烯、含汞蒸气等)、恶臭、HF、SO2、NO等, 尤其能有效地捕集浓度很低的气态污染物。这是因为固体表面上的分子力处于不 平衡状态,表面具有过剩的力,根据热力学第二定律,凡是能够降低界面能的过 程都可以自发进行,因此固体表面这种过剩的力可以捕捉、滞留周围的物质,在 其表面富集。 1.吸附现象 吸附现象也分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附是由固体吸附剂分子与 气体分子间的静电力或范德华力引起的,两者之间不发生化学作用,是一种可逆 过程。化学吸附是由于固体表面与被吸附分子间的化学键力所引起,两者之间结 合牢固,不易脱附。该吸附需要一定的活化能,故又称活化吸附。 物理吸附与化学吸附的主要区别有:①吸附热。物理吸附多为放热过程,其 吸附热较小(102~103J/mo1),与气体的液化热接近,而化学吸附的吸附热很大 (>42kJ/mol),与化学反应热相近;②温度。物理吸附不需要活化能,吸附与脱 附速率一般不受温度的影响,进行均较快,但低温时吸附量较大,随着温度升髙 被吸附质容易从固体表面脱附,利于吸附剂的再生和被吸附质的回收;而化学吸 附往往需要一定的活化能,吸附与脱附速度都较小,随着温度升髙,吸附和脱附 速率都明显增加;③选择性。物理吸附只取决于吸附剂与吸附质之间的分子力 对不同种类的气体选择性较小,脱附也容易,而化学吸附由特定的化学反应确定, 则具有较高的选择性,某种吸附剂只吸收某些特定的气体,且不易脱附;④吸附 层厚度。物理吸附在低吸附压强时,一般为单分子层,当压强增大后,往往会变 成多分子层,而化学吸附总是在单分子层或单原子层进行 物理吸附与化学吸附往往同时发生,但以某一种吸附为主。如在低温下, 主要是物理吸附,而在较高的温度下,就可能转为化学吸附为主。 2.吸附的基本原理 (1)吸附平衡。在一定温度下,吸附质与吸附剂充分接触后,吸附质附着 于吸附剂上的吸附速度和吸附质脱离吸附剂表面的解吸速度相等时,即吸附质在 气相中的浓度与在固相吸附剂表面的浓度达到动态平衡而不再改变,称为吸附平 衡。此时的吸附量和吸附质在气相中的压力(或浓度)分别称为平衡吸附量和平 衡压力(或平衡浓度),是吸附的极限,一定温度下两者的关系可以用吸附等温方 程或吸附等温曲线来描述。 (2)吸附等温方程。许多学者在大量实验的基础上提出了各种吸附理论, 如朗格缪尔( Langmuir)方程、弗罗因德利希( Freundlich)方程、B.E.T方程等, 但一般只能解释一种或几种吸附现象。其中,朗格缪尔等温式与许多实验现象相 符合,能够解释许多实验结果,目前仍是应用最为广泛的等温式。 第7页
第 7 页 象，不能承受高温，磨损严重，需经常更换。 各种型式的喷淋塔也被广泛采用。喷淋塔空塔气速一般为为 1.5～6m/s，塔 内压降为 250～500Pa，液气比较小，适用于极快或快速反应的化学吸收过程。 其特点是结构简单，压降低，不易堵塞，气体处理能力较大，投资费用低；但占 地面积大，效率较低，常用于规模较大的锅炉烟气湿法脱硫以及作预冷却器。 第二节 气态污染物的吸附净化方法 吸附净化是利用多孔固体表面的微孔捕集废气中的气态污染物，可用于分离 水分、有机蒸气（如甲苯蒸气、氯乙烯、含汞蒸气等）、恶臭、HF、SO2 、NOx 等， 尤其能有效地捕集浓度很低的气态污染物。这是因为固体表面上的分子力处于不 平衡状态，表面具有过剩的力，根据热力学第二定律，凡是能够降低界面能的过 程都可以自发进行，因此固体表面这种过剩的力可以捕捉、滞留周围的物质，在 其表面富集。 1. 吸附现象 吸附现象也分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附是由固体吸附剂分子与 气体分子间的静电力或范德华力引起的，两者之间不发生化学作用，是一种可逆 过程。化学吸附是由于固体表面与被吸附分子间的化学键力所引起，两者之间结 合牢固，不易脱附。该吸附需要一定的活化能，故又称活化吸附。 物理吸附与化学吸附的主要区别有：①吸附热。物理吸附多为放热过程，其 吸附热较小(102～103 J/mo1)，与气体的液化热接近，而化学吸附的吸附热很大 (＞42kJ/mo1)，与化学反应热相近；②温度。物理吸附不需要活化能，吸附与脱 附速率一般不受温度的影响，进行均较快，但低温时吸附量较大，随着温度升高， 被吸附质容易从固体表面脱附，利于吸附剂的再生和被吸附质的回收；而化学吸 附往往需要一定的活化能，吸附与脱附速度都较小，随着温度升高，吸附和脱附 速率都明显增加；③选择性。物理吸附只取决于吸附剂与吸附质之间的分子力， 对不同种类的气体选择性较小，脱附也容易，而化学吸附由特定的化学反应确定， 则具有较高的选择性，某种吸附剂只吸收某些特定的气体，且不易脱附；④吸附 层厚度。物理吸附在低吸附压强时，一般为单分子层，当压强增大后，往往会变 成多分子层，而化学吸附总是在单分子层或单原子层进行。 物理吸附与化学吸附往往同时发生，但以某一种吸附为主。如在低温下， 主要是物理吸附，而在较高的温度下，就可能转为化学吸附为主。 2. 吸附的基本原理 （1）吸附平衡。在一定温度下，吸附质与吸附剂充分接触后，吸附质附着 于吸附剂上的吸附速度和吸附质脱离吸附剂表面的解吸速度相等时，即吸附质在 气相中的浓度与在固相吸附剂表面的浓度达到动态平衡而不再改变，称为吸附平 衡。此时的吸附量和吸附质在气相中的压力 (或浓度)分别称为平衡吸附量和平 衡压力(或平衡浓度)，是吸附的极限，一定温度下两者的关系可以用吸附等温方 程或吸附等温曲线来描述。 （2）吸附等温方程。许多学者在大量实验的基础上提出了各种吸附理论， 如朗格缪尔(Langmuir)方程、弗罗因德利希(Freundlich)方程、B.E.T 方程等， 但一般只能解释一种或几种吸附现象。其中，朗格缪尔等温式与许多实验现象相 符合，能够解释许多实验结果，目前仍是应用最为广泛的等温式
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 朗格缪尔吸附理论作如下假定:①吸附剂表面性质是均一,化学吸附过程仅 在表面单分子层进行;②被吸附分子之间无作用力,相互不受影响;③气体分子 在吸附剂表面上的吸附与脱附在一定条件下已处于动态平衡。据此,可推导出朗 格缪尔等温式 G kp 式中0一被吸附分子覆盖的固体表面积与固体总面积之比; G,G气相平衡分压p下及单分子层覆盖满(0=1)时的吸附量 k—吸附平衡常数 p吸附质气相平衡分压。 上式可见,当气相分压p很低时,k>1,则G=,2 此时G与p无关,吸附达到饱和。 (3)吸附等温线。 一定温度下吸附量与被吸附气体平衡分压之间的关系 Psog/kPa 曲线还常用吸附等温线表示,如图4-21所示,可以看出图42150硅胶吸附等温线 SO2在硅胶上的吸附量G随分压p升高而增加,尤其在低压部分,压力的影响非 常显著。目前观察到的典型吸附等温线分成5种类型,如图4-22所示,图中 为某温度下组分的饱和蒸气压。化学吸附 只有I型,与朗格谬尔公式描述相吻合,而 物理吸附则有可能出现图中的5种类型之 (4)吸附速率。 图4-22典型的吸附等温曲线 吸附量除受吸附平衡影响外,还与气固接触时间有关,往往取决于吸附速率。 吸附过程分外扩散和内扩散两步:外扩散是气体吸附质通过固体表面气膜到达吸 附剂外表面;内扩散是吸附质在吸附剂微孔中扩散,直至到达微孔深处的吸附剂 表面被吸附,继而由内表面向晶格内扩散,并最终达到吸附与脱附的动态平衡 两个扩散过程均影响总的吸附速率。通常,内扩散阻力很小,可以忽略不计,而 外扩散起着控制作用,则吸附速率可近似用外扩散速率表示 dq k,(4-X) 式中d-微元时间d内单位体积吸附剂吸附组分A的量,kg/m k一外扩散传质分系数,1/s Y,YA分别为组分A在气相中及吸附剂达到吸附平衡时A在气相中的浓度, kg/m 由于吸附机理复杂,k与吸附质分子扩散系数、流动状况、流体性质、吸附 剂粒径等有关,从理论上推导还有一定困难,通常采用经验公式计算。 3.吸附剂 第8页
第 8 页 朗格缪尔吸附理论作如下假定：①吸附剂表面性质是均一，化学吸附过程仅 在表面单分子层进行；②被吸附分子之间无作用力，相互不受影响；③气体分子 在吸附剂表面上的吸附与脱附在一定条件下已处于动态平衡。据此，可推导出朗 格缪尔等温式： 1 m G kp G kp = = + (7－19) 式中 θ—被吸附分子覆盖的固体表面积与固体总面积之比； G，Gm—气相平衡分压 p 下及单分子层覆盖满(θ＝1)时的吸附量； k—吸附平衡常数； p—吸附质气相平衡分压。 上式可见，当气相分压 p 很低时，kp＜＜1，则 G＝Gmkp， G 与 p 成正比；当气相分压 p 很高时，kp＞＞1，则 G＝Gm， 此时 G 与 p 无关，吸附达到饱和。 （3）吸附等温线。 一定温度下吸附量与被吸附气体平衡分压之间的关系 曲线还常用吸附等温线表示，如图 4－21 所示，可以看出 SO2在硅胶上的吸附量 G 随分压 p 升高而增加，尤其在低压部分，压力的影响非 常显著。目前观察到的典型吸附等温线分成 5 种类型，如图 4－22 所示，图中 p0 为某温度下组分的饱和蒸气压。化学吸附 只有 I 型，与朗格谬尔公式描述相吻合，而 物理吸附则有可能出现图中的 5 种类型之 一。 （4）吸附速率。 吸附量除受吸附平衡影响外，还与气固接触时间有关，往往取决于吸附速率。 吸附过程分外扩散和内扩散两步：外扩散是气体吸附质通过固体表面气膜到达吸 附剂外表面；内扩散是吸附质在吸附剂微孔中扩散，直至到达微孔深处的吸附剂 表面被吸附，继而由内表面向晶格内扩散，并最终达到吸附与脱附的动态平衡。 两个扩散过程均影响总的吸附速率。通常，内扩散阻力很小，可以忽略不计，而 外扩散起着控制作用，则吸附速率可近似用外扩散速率表示： ( ) A * Y A A dq k Y Y d = − (7－20) 式中 dqA —微元时间 dτ内单位体积吸附剂吸附组分 A 的量，kg/m3； kY—外扩散传质分系数，1/s； * , Y Y A A —分别为组分A在气相中及吸附剂达到吸附平衡时 A在气相中的浓度， kg/m3。 由于吸附机理复杂，kY与吸附质分子扩散系数、流动状况、流体性质、吸附 剂粒径等有关，从理论上推导还有一定困难，通常采用经验公式计算。 3. 吸附剂
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 工业吸附剂应具备的条件为:①具有巨大内表面积、较大的吸附容量的多孔 性物质:②对不同的气体分子具有很强的吸附选择性;③吸附快且再生特性良好; ④具有足够的机械强度,对酸、碱、水、高温的适应性;用于物理吸附时要有化 学稳定性。⑤价格低廉,来源广泛。 工业上常用的吸附剂有活性炭、硅胶、活性氧化铝、分子筛、沸石等。 (1)活性炭。活性炭是常用的吸附剂。由于它的疏水性,主要用于吸附湿 空气中的有机溶剂、恶臭物质,以及烟气中的SO2、NO3或其它有害气体。活性炭 是由煤、石油焦、木材、果壳等各种含炭物质,在低于773K温度下炭化后再用 水蒸气进行活化处理得到。它的颗粒形状有柱状、球状、粉末状等,具有比表面 积大、吸附及脱附快,性能稳定,耐腐蚀等优点,但具有可燃性,使用温度一般 不超过200℃。 (2)硅胶。硅胶具有很强的亲水性,它吸附的水分量可达自身质量的50%, 吸湿后吸附能力下降,因此常用于含湿量较髙气体的干燥脱水、烃类气体回收, 以及吸附干燥后的有害废气。硅胶是将硅酸钠溶液(水玻璃)用酸处理后得到硅 酸凝胶,再经水洗、干燥脱水制得的坚硬多孔的粒状无晶形氧化硅。 (3)活性氧化铝。活性氧化铝可用于气体和液体的干燥,石油气的浓缩、 脱硫、脱氢,以及含氟废气的治理。含水氧化铝在严格控制的升温条件下,加热 脱水便制成多孔结构的活性氧化铝,具有良好的机械强度。 (4)分子筛。分子筛被广用于废气治理中的脱硫、脱氮、含汞蒸气净化及 其他有害气体的吸附。它是一种人工合成沸石,具有立方晶体的硅酸盐,属于离 子型吸附剂。因其孔径整齐均匀,能选择性地吸附直径小于某个尺寸的分子,故 有很强的吸附选择性。由于分子筛内表面积大,因此吸附能力较强 通常,污染物分子较小的选用分子筛,分子较大应选用活性炭或硅胶;对无 机污染物宜用活性氧化铝或硅胶,对有机蒸气或非极性分子则用活性炭。 当吸附剂达到吸附饱和后需要再生,即清除被吸附的物质,恢复吸附剂的吸 附能力,以便重复使用。再生的方法一般有:①加热解吸再生(变温吸附)。等 压下,一般吸附容量随温度升高而减少,故可在低温下吸附,然后在高温加热下 吹扫脱附;②降压或真空解吸(变压吸附)。恒温下,吸附容量随压力降低而减 少,则可采用加压吸附,减压或真空下脱附;③溶剂置换再生(变浓度吸附)。 对不饱和烯烃类等某些热敏性吸附质,可以采用亲合力较强的解吸溶剂进行置 换,使吸附质脱附,然后加热床层脱附解吸剂,使吸 附剂再生。并利用吸附质与解吸剂之间的沸点不同 采用蒸馏的方法分离 4.吸附装置 吸附装置有固定床、移动床、流化床、旋转床吸 附器等。其中,固定床结构简单,操作方便,使用历 史最长,应用最广。立式固定床吸附器如图7-3所 示,多为圆柱形立式结构,内置格板或孔板,其上放 置吸附剂颗粒。废气由格板之下通入,向上从颗粒层 图4-23立式吸附器 穿过,净化后的气体由吸附器上部排出。立式固定床1底;2原料混合物及用于干燥和冷却的 适用浓度高、气体量小的废气,对于浓度低、气体量空气人口管;3吸附剂4体:5顶 大的废气可采用卧式固定床。如果只有一台吸附器,口楼管,夕水气人口接售D装料孔 需经吸附一脱附一干燥冷却的循环,吸附间歇进行。Ⅱ内衬;1卸料孔;B.覽板;艹 气和冷凝液出口接管;15支脚 第9页
第 9 页 工业吸附剂应具备的条件为：①具有巨大内表面积、较大的吸附容量的多孔 性物质；②对不同的气体分子具有很强的吸附选择性；③吸附快且再生特性良好； ④具有足够的机械强度，对酸、碱、水、高温的适应性；用于物理吸附时要有化 学稳定性。⑤价格低廉，来源广泛。 工业上常用的吸附剂有活性炭、硅胶、活性氧化铝、分子筛、沸石等。 （1）活性炭。活性炭是常用的吸附剂。由于它的疏水性，主要用于吸附湿 空气中的有机溶剂、恶臭物质，以及烟气中的 S02、NOx或其它有害气体。活性炭 是由煤、石油焦、木材、果壳等各种含炭物质，在低于 773K 温度下炭化后再用 水蒸气进行活化处理得到。它的颗粒形状有柱状、球状、粉末状等，具有比表面 积大、吸附及脱附快，性能稳定，耐腐蚀等优点，但具有可燃性，使用温度一般 不超过 200℃。 （2）硅胶。硅胶具有很强的亲水性，它吸附的水分量可达自身质量的 50％， 吸湿后吸附能力下降，因此常用于含湿量较高气体的干燥脱水、烃类气体回收， 以及吸附干燥后的有害废气。硅胶是将硅酸钠溶液（水玻璃）用酸处理后得到硅 酸凝胶，再经水洗、干燥脱水制得的坚硬多孔的粒状无晶形氧化硅。 （3）活性氧化铝。活性氧化铝可用于气体和液体的干燥，石油气的浓缩、 脱硫、脱氢，以及含氟废气的治理。含水氧化铝在严格控制的升温条件下，加热 脱水便制成多孔结构的活性氧化铝，具有良好的机械强度。 （4）分子筛。分子筛被广用于废气治理中的脱硫、脱氮、含汞蒸气净化及 其他有害气体的吸附。它是一种人工合成沸石，具有立方晶体的硅酸盐，属于离 子型吸附剂。因其孔径整齐均匀，能选择性地吸附直径小于某个尺寸的分子，故 有很强的吸附选择性。由于分子筛内表面积大，因此吸附能力较强。 通常，污染物分子较小的选用分子筛，分子较大应选用活性炭或硅胶；对无 机污染物宜用活性氧化铝或硅胶，对有机蒸气或非极性分子则用活性炭。 当吸附剂达到吸附饱和后需要再生，即清除被吸附的物质，恢复吸附剂的吸 附能力，以便重复使用。再生的方法一般有：①加热解吸再生（变温吸附）。等 压下，一般吸附容量随温度升高而减少，故可在低温下吸附，然后在高温加热下 吹扫脱附；②降压或真空解吸（变压吸附）。恒温下，吸附容量随压力降低而减 少，则可采用加压吸附，减压或真空下脱附；③溶剂置换再生（变浓度吸附）。 对不饱和烯烃类等某些热敏性吸附质，可以采用亲合力较强的解吸溶剂进行置 换，使吸附质脱附，然后加热床层脱附解吸剂，使吸 附剂再生。并利用吸附质与解吸剂之间的沸点不同， 采用蒸馏的方法分离。 4. 吸附装置 吸附装置有固定床、移动床、流化床、旋转床吸 附器等。其中，固定床结构简单，操作方便，使用历 史最长，应用最广。立式固定床吸附器如图 7－3 所 示，多为圆柱形立式结构，内置格板或孔板，其上放 置吸附剂颗粒。废气由格板之下通入，向上从颗粒层 穿过，净化后的气体由吸附器上部排出。立式固定床 适用浓度高、气体量小的废气，对于浓度低、气体量 大的废气可采用卧式固定床。如果只有一台吸附器， 需经吸附－脱附－干燥冷却的循环，吸附间歇进行
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 一般可采用两台或更多的固定床轮换进行吸附与再生操作,当一台吸附器正在进 行吸附时,另一台同时进行脱附、干燥与冷却 当流体等速通过固定床吸附器的吸附剂时,由于吸附剂对吸附质的吸附的作 用,吸附剂中吸附质的浓度随时间的延伸在床层的不同位置发生变化。通常,将 流动情况下,吸附剂中吸附质浓度随床层髙度的变化曲线,或气相中的吸附质浓 度随床层髙度的变化曲线称为吸附负荷曲线。显然,随着时间的推移,吸附负荷 曲线将发生变化,如图7一4所示。图中,横坐标为床层离进口端长度,床层高 度为Z,纵坐标为床层中的吸附剂负荷。当床层中无气流通过,吸附剂中具有初 始浓度‰,而后吸附质由吸附开始时刻τ。以匀速u进入床层。 图7-4(a)为吸附剂经过时间r=r的 传质 吸附后得到的吸附负荷曲线,又称为吸附波 或传质前沿。图7-4(b)为r=r+Δr时间 后,由于吸附质的不断增加,吸附波逐渐向 (b 前推移,此时吸附剂负荷可分为三个区域: ①平衡区,在靠近入口处的吸附剂负荷为平 衡负荷X,吸附已经达到饱和,这部分床层 X 已完全丧失吸附能力;②传质区,吸附波呈 S形,在X0到X之间变化,是吸附传质的主 图424不同时刻的吸附负荷曲线 )r=r;(b)r=r+△r;(c)r=n;(d)r≥r 要区段,其长度为Z。,Z。越短,表示传质阻 力越小,则床层的利用效率越高:③未吸附区,位于床层的末端,吸附剂中仍为 床层初始浓度X,具备全部吸附能力。 图7-4(c)为r=τb时,吸附波刚刚到达床层末端,若稍微再向前移动 点就会跑出床层之外,即产生所谓的“穿透现象”,称为破点,因此将吸附剂开 始吸附到床层破点的时间rb称为穿透时间,此时床层已经失效,吸附质会漏出 来,吸附剂需要再生。当τ≥τ,吸附波会全部移出床层外,整个床层失去吸 附能力,即达到全床的吸附平衡(饱和),τ称为平衡时间。如图4-24(d)所 由于从床层中各部位采样分析来得到吸附负荷曲线相 当不易,因为采样困难且容易破坏床层的稳定。通常分析 流出气体中浓度随时间的变化,以研究床层中吸附负荷的y 变化,如图7-5所示。图中,横坐标为吸附时间,纵坐标 r 为流出气体中吸附质的浓度。当r<b(穿透时间),流图4-25穿透曲线 出气体中吸附质浓度始终保持为Y,它与吸附剂中‰浓度相平衡。随着吸附的 进行,流出物中吸附质浓度将急剧上升,在τ。时达到Y,与气流体中吸附质的 原始浓度Y基本相等。在τ到τ。时间内形成的S形曲线称为穿透曲线,它与吸 附波相似,但方向与其相反。穿透曲线愈陡,说明传质阻力愈小、吸附速率愈快 及传质区域愈短。若透过曲线为一竖直线,表明传质阻力极小,吸附速率飞快。 穿透时间表示吸附床的工作性能,可用希洛夫( Wurof)公式计算。设气体流 速为u(m/s),气体中吸附质初始浓度为Y0(kg/m);吸附剂平衡静活性(与Y达 吸附平衡时的平衡吸附量)为a(kg吸附质/kg吸附剂):吸附床层截面积为A(m) 厚度为Z(m),堆积密度为pb(kg/m3)。假定吸附速率无穷大,即到达穿透时间 r时,吸附床层全部达到饱和,则穿透时间内气流带入床层的吸附质的质量uA τ等于床层所吸附的吸附质的质量 aaz b,由此可得理想穿透时间: 一第10页
第 10 页 一般可采用两台或更多的固定床轮换进行吸附与再生操作，当一台吸附器正在进 行吸附时，另一台同时进行脱附、干燥与冷却。 当流体等速通过固定床吸附器的吸附剂时，由于吸附剂对吸附质的吸附的作 用，吸附剂中吸附质的浓度随时间的延伸在床层的不同位置发生变化。通常，将 流动情况下，吸附剂中吸附质浓度随床层高度的变化曲线，或气相中的吸附质浓 度随床层高度的变化曲线称为吸附负荷曲线。显然，随着时间的推移，吸附负荷 曲线将发生变化，如图 7－4 所示。图中，横坐标为床层离进口端长度，床层高 度为 Z，纵坐标为床层中的吸附剂负荷。当床层中无气流通过，吸附剂中具有初 始浓度 X0，而后吸附质由吸附开始时刻τ0以匀速 u 进入床层。 图 7－4(a)为吸附剂经过时间τ＝τ的 吸附后得到的吸附负荷曲线，又称为吸附波 或传质前沿。图 7－4(b)为τ＝τ+Δτ时间 后，由于吸附质的不断增加，吸附波逐渐向 前推移，此时吸附剂负荷可分为三个区域： ①平衡区，在靠近入口处的吸附剂负荷为平 衡负荷 Xe，吸附已经达到饱和，这部分床层 已完全丧失吸附能力；②传质区，吸附波呈 S 形，在 X0 到 Xe之间变化，是吸附传质的主 要区段，其长度为 Za ，Za 越短，表示传质阻 力越小，则床层的利用效率越高；③未吸附区，位于床层的末端，吸附剂中仍为 床层初始浓度 X0，具备全部吸附能力。 图 7－4(c)为τ＝τb 时，吸附波刚刚到达床层末端，若稍微再向前移动一 点就会跑出床层之外，即产生所谓的“穿透现象”，称为破点，因此将吸附剂开 始吸附到床层破点的时间τb 称为穿透时间，此时床层已经失效，吸附质会漏出 来，吸附剂需要再生。当τ≥τe，吸附波会全部移出床层外，整个床层失去吸 附能力，即达到全床的吸附平衡（饱和），τe称为平衡时间。如图 4－24(d)所 示。 由于从床层中各部位采样分析来得到吸附负荷曲线相 当不易，因为采样困难且容易破坏床层的稳定。通常分析 流出气体中浓度随时间的变化，以研究床层中吸附负荷的 变化，如图 7－5 所示。图中，横坐标为吸附时间，纵坐标 为流出气体中吸附质的浓度。当τ＜τb（穿透时间），流 出气体中吸附质浓度始终保持为 Y0，它与吸附剂中 X0 浓度相平衡。随着吸附的 进行，流出物中吸附质浓度将急剧上升，在τe 时达到 Ye，与气流体中吸附质的 原始浓度 Y0基本相等。在τb到τe时间内形成的 S 形曲线称为穿透曲线，它与吸 附波相似，但方向与其相反。穿透曲线愈陡，说明传质阻力愈小、吸附速率愈快 及传质区域愈短。若透过曲线为一竖直线，表明传质阻力极小，吸附速率飞快。 穿透时间表示吸附床的工作性能，可用希洛夫(Wurof)公式计算。设气体流 速为 u(m/s)，气体中吸附质初始浓度为 Y0(kg/m3 )；吸附剂平衡静活性（与 Y0达 吸附平衡时的平衡吸附量）为 a(kg 吸附质/kg 吸附剂)；吸附床层截面积为 A(m2 )， 厚度为 Z(m），堆积密度为ρb(kg/m3 )。假定吸附速率无穷大，即到达穿透时间 τb0时，吸附床层全部达到饱和，则穿透时间内气流带入床层的吸附质的质量 uAY0 τb0等于床层所吸附的吸附质的质量 aAZρb，由此可得理想穿透时间：