第四章 气态污染物控制设备设计与应用
【课时安排】
§4.1吸收设备的设计与应用 1学时 §4.2吸附设备的设计与应用 1学时 §4.3冷凝设备 1学时 §4.4气固催化反应器 1学时
总计 4学时
【掌握内容】
1基本概念：气液相平衡、吸附平衡、吸附等温线 2化学吸收的气液平衡 3双膜理论
4吸附理论吸附平衡和吸附速率 5气固催化反应动力学 【熟悉内容】
1吸收传质速率方程 2各种吸收设备
3固定床吸附器的设计计算
4气固相催化反应器的设计计算 【教学难点】 1气液相平衡
2化学吸收的气液平衡 3双膜理论
4吸附理论吸附平衡和吸附速率 5气固催化反应动力学
6气态污染物的催化净化工艺 【教学重点】
1物理吸收和化学吸收的异同 2化学吸收的气液平衡 3双膜理论
4不同吸附过程（物理、化学）的异同点 5吸附理论—吸附平衡和吸附速率 6气固催化反应动力学
7气态污染物的催化净化工艺 【教学目标】
1掌握不同吸附过程（物理、化学）的异同点 2常见的吸附剂及特点
3吸附理论吸附平衡和吸附速率 【教学内容】
§4.1吸收设备的设计与应用
【授课时间】1学时 【教学手段】课堂讲授 【教学过程】
一、吸收设备
液体吸收过程是在塔器内进行的。为了强化吸收过程，降低设备的投资和运行费用，要求吸收设备满足以下基本要求：
（1） 气液之间应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；
（2） 气流通过时的压力损失小，操作稳定； （3） 结构简单，制作维修方便，造价低廉； （4） 应具有相应的抗腐蚀和防堵塞能力。
所以，正确地选择吸收设备的型式是保证经济有效地分离或净化废气的关键。
分类：目前，工业上常用的吸收设备的类型主要有表面吸收器、鼓泡式吸收器、喷洒吸收器三大类。在每一大类中还根据吸收器的结构，气液两相接触方式的不同再分成多种型式的吸收器。这将在每一大类吸收设备介绍中给预必要的阐述。 1．表面吸收器
凡能使气液两相在接触表面（静止液面或流动的液膜表面）上进行吸收操作的设备均属表面吸收器。有水平液面的表面吸收器、液膜吸收器、填料吸收器和机械膜式吸收器。 2．鼓泡式吸收器
鼓泡式吸收器中气体以气泡形式分散于液体吸收剂中。形式很多，基本上分为以下几类：连续鼓泡式吸收器、板式吸收器、活动（浮动）填料吸收器（湍球塔）、液体机械搅拌吸收器。主要吸收设备有板式塔（如泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等），湍球塔（即活动填料塔）等。
3．喷洒吸收器
该吸收器中液体以液滴形式分散于气体中。分为三类：空心（喷嘴式）喷洒吸收器、高器速并流喷洒吸收器、机械喷洒吸收器。主要吸收设备有喷洒吸收塔、喷射吸收塔和文丘里吸收塔等。
参考书P204，表9-4列出了几种主要吸收设备类型及特点。（解释） 更详细的参考林肇信主编《大气污染控制工程》。 二、吸收设备的设计
（一）吸收设备的设计计算依据和步骤
1．设计计算依据
① 单位时间内所处理的气体流量； ② 气体的组成成分；
③ 被吸收组分的吸收率或净化后气体的浓度； ④ 使用何种吸收液；
⑤ 吸收操作的工作条件，如工作压力、操作温度等。
其中③④⑤多数情况下是设计者选定的，但是确定时要考虑到经济效益，取最佳条件。 2．设计步骤
（1） 吸收剂的选择：吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一。 要求：
① 对溶质的溶解度大，以提高吸收速度并减少吸收剂的需用量；
对溶质的选择性好，对溶质组分以外的其它组分的溶解度要很低或基本不吸收；
② 挥发性低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失；
③ 操作温度下吸收剂应具有较低的粘度，且不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好
的气流接触状况；
④ 对设备腐蚀性小或无腐蚀性，尽可能无毒；
⑤ 要考虑到价廉，易得，化学稳定性好，便于再生，不易燃烧等经济和安全因素。
大气污染治理工程中，常见气态污染物与适宜的吸收剂的组合见表9-5，书P208，结合表中内容，说明以下几点：
a．水是常用的吸收剂。常用于净化煤气中的CO2和废气中的SO2、HF、SiF4以及去除NH3和HCL等。
优点：加压和低温下吸收，降压和升温下解吸，价廉易得，流程设备简单。 缺点：净化效率低，设备庞大，动力消耗大。
b．碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液，也是很有效的吸收剂。它们能与气态污染物SO2、HCL、HF、NOx等发生化学反应，因而吸收能力大大增加，净化效率高，液气比低。例如用水或碱液净化气体中的H2S时，理论值可推算出：H2S在PH=9的碱液中的溶解度为PH=7的中性水的50倍；H2S在PH=10的碱液中的溶解度为PH=7的中性水的500倍。
缺点：化学吸收流程长，设备较多，操作也较复杂，吸收剂价格较贵，同时由于吸收能力强，吸收剂不易再生。
（2）温度和压力：通常温度降低，压力升高，则气体溶解度增大。实际中，要考虑加压、冷却所需的费用及工艺上造成的经济效益问题。 （3）确定吸收剂的用量
根据生产经验，Ls=(1.1～2)GB(Ls/GB)min;
对于低浓度气体的吸收，L=(1.1～2)G(L/G)min。
（4）根据物料平衡、相平衡、传质速率方程式和反应动力学方程式确定吸收设备主要尺寸。
（5）压损的计算
（二）填料塔的设计（伴有化学吸收过程） 1． 填料的选择
作用：可为气液传质提供良好的传质条件。 基本要求：
① 具有较大的比表面积和良好的润湿性； ② 有较高的孔隙率（多在0.45-0.95）； ③ 对气流的阻力较小；
④ 填料的尺寸要适当，通常不应大于塔径的1/10～1/8；
⑤ 耐腐蚀，机械强度大，造价低，堆积密度小，稳定性好等。 书P209，表9-6（提供）几种填料的特性数据。 2． 液泛气体于填料塔的压降
液泛气速：是填料塔正常操作气速的上限。当空气气速超过液泛气速时，填料塔持液量迅速增加，压降急剧上升，气体夹带液沫严重，填料塔的正常操作被破坏。
填料塔的压降影响动力消耗和正常操作费用。影响压降和液泛气速的因素很多，主要有填料的特性、气体和液体的流量及物理性质等。
目前工程设计中应用最广泛的是埃克特（Eckert）等人提出的填料塔压降、液泛和各种因素之间的关联图。见书P210，图9-12 ，填料塔泛点和压降的通用关联图。 3． 填料塔塔径的计算
D取决于处理的气体量Q和适宜的空塔气速u0，即：D?4Q （9.68） ?u0D——塔径，m；Q——处理气量，m3/s；u0——空塔气速，m/s。
Q一定时，如果空塔气速小，塔径就大，则动力消耗少，但设备投资高；如果空塔气速
大，塔径就小，则动力消耗大，但设备投资少。根据生产经验：
① 由ut确定，u0=0.66～0.80 ut，其中ut为液泛速率。 ② 有关手册中查得。
另外需注意，由上式算出的塔径应进行圆整，按照国内压力公称直径（JB—1153—73），Ф<1m，间隔为100mm；Ф>1m，间隔为200mm。 4． 最小吸收剂用量Lsmin的计算
设化学反应的方程式为：A?bB?C，作物料衡算有：
GB?CG1?CG2??Ls?CB1?CB2??Ls?CA1?CA2? （9.69） b 对于快速反应与瞬间反应，Ls?CA1?CA2?可忽略不计，吸收最小用量相当于CB1=0时的吸收剂用量，即：
Lsmin?GB?CG1?CG2?b （9.70）
CB2式中：CA1、CA2——分别为气体入口与出口处溶液中组分A的摩尔浓度，Kmol/m3；
CB1、CB2——分别为气体入口与出口处溶液中组分B的摩尔浓度，Kmol/m3； CG1、CG2——分别为气体入口与出口处气体中组分A的摩尔浓度，Kmol/m3。
P211，例9.4：
一逆流操作的填料塔中，用清水吸收混合气中的氨。混合气流率为300Kmol/m2·h，某氨含量y1=5%，出塔净化器含量y2=0.1%（均为摩尔分率）。操作条件下气液平衡关系服从亨利定律，y=1.2x，实际液气比为最小液气比的2倍，试计算清水用量和出塔氨水浓度x1。 解：属于低浓度气体吸收，且气液平衡关系服从亨利定律，则：
最小液气比：?y?y20.05?001?L???1.18 ??1y0.05?G?min1?0?x21.2m?L?2??2?300?1.18?708Kmol/(m?h) ?G?min清水用量： L?2G?出塔氨水浓度：x1?y1?y20.05?0.001?x2??0?0.0208?2.08% L2?1.18G总评：题型较简单，要求各公式的含义必须明确。 5． 伴有化学反应的吸收塔塔高的计算
现讨论有化学反应的气液逆流接触型吸收塔的计算，吸收塔内的浓度变化，如图9-13所示。
x2 x dz x+dx x1 y+dy y z y2
设在液相内进行的反应为A?vB?E?A??B/v?kCACB不可逆二级反应。
y1 ??已知：CAL=0，气液相的摩尔流率为GL（Kmol/m2·h）；ρL为吸收液的密度，Kmol/m3；L/ρL为吸收液的体积流率，m3/m2·h。首先对吸收塔任意界面作塔上部的物料平衡，则得下式：
?GP??PZ?A??PA2????Lv???CB2?CB? （9.71）
L??亦为塔的操作线方程。（推导过程略）塔高可按下式计算：
GPA1dPA （9.74a）
hGaP?PA2PA?PAiZ?LvLa?L?CB1CB2dCB （9.74b） ?CAi几种情况：
（1）传质过程受气相阻力控制时，即PAi=0，则：
Z?PGlnA1 （9.75） KGaPPA2（2） 传质过程受液相阻力控制时，PAi=PA，CAi=CA*= PA/H，9.74b中CAi可根据操作
线关系由CB求知，由于β也用CB关联式表示，采用图解积分法对9.74b进行塔高计算。
（3） 气液两相传质阻力均不可忽略（气液两相传质阻力均存在）时，
①kG?PA?PAi??kLCAi关系成立，依此，以塔内不同的PA分别求出相应的PAi，再根据式9.74a计算出塔高Z。
②化学反应级数可按拟一级反应或近似地按瞬时反应用解析法求解塔高Z，相应计算方法如下：
a． 快速不可逆拟一级反应吸收（满足塔底3<γ<(1/2)β∞）。 b． 不可逆瞬间反应吸收（塔顶满足γ>10β∞条件）。
结合P213，相应部分讲解说明即可！
§4.2吸附设备的设计与应用
最新环保设备教案——第四章 气态污染物控制设备设计与应用
