【环境课件】第四章 大气污染物控制的基础知识.ppt
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1、第四章 大气污染物控制的基础知识,在这一章里主要介绍大气中污染物颗粒物和气态污染物的特性和控制的基础理论知识。 重点:颗粒的粒径和颗径分布、净化装置的性能 难点:物料衡算与能量衡算、气体中的颗粒动力学,4、1 气体的物理性质,4、1、1气体的状态方程 PV=mR0T/M(一般形式) R=R0/M PV=mRT(工程上应用的形式) 式中: m气体的总质量,kg; M气体的摩尔质量,kg /mol; P压力,Pa; R0=8.314J/(mol.K);,应用条件:理想气体。实际中,只要压力不太大,温度不接近气体液化点时,也可应用上述方程。,注意: 当压力单位取大气压时, R0=8.31Pa.m3/
2、(mol.K) ; 当压力单位取kg/m2时, R0=0.848kg.m/(mol.K),4、1、2气体的基本物理性质 1、密度 理想气体混合物的平均密度: =m/V PV=mR0T/M (1)理想气体混合物的平均密度公式,式中: n气体污染物的组分数; Ca, Ma 空气的体积分数和摩尔质量; Ci, Mi某气态污染物的体积分数和摩尔质量; a, i混合物总压下空气的密度和颗粒污染物的密度,kg/m3,(2)颗粒污染物和空气混合物的平均密度公式,2、比热:一摩尔物质温度升高1K 所需要的热量,分恒压比热(Cp)和恒容比热(C),二者的关系如下: Cp= C +R(R=R0/M) 比热比:K=
3、 Cp/ C 比热与温度的关系:纯空气的比热随温度的升高而升高,而比热比随温度的升高而降低。,平均比热:空气、气态污染物和颗粒混合物的平均比热是混合物各组分比热的加权平均值。 (1)平均恒压比热,(2)平均恒容比热,式中: Cp, C混合气体恒压比热和恒容比热,J/(kg.K) Cpi, Ci某气体污染物的恒压和恒容比热, J/(kg.K) ; Cma, Cmi空气和气体污染物的质量分数。,3、粘度 定义式: =( F/A )/(d/dy) 式中: F内摩擦力,N A层间的接触面积, m2 d层间的相对速度, m/s,dy层间的垂直距离,m,动力粘度,简称粘度, Pa.s,粘度产生的原因:一是
4、气体分子间的引力,二是分子不规则的热运动而交换动量的结果。 动力粘度()与运动粘度( )的关系 = / 式中:气体密度,kg/m3 注意:在大气污染控制工程中,一般以空气的粘度来代替混合气体的粘度,可从有关的手册中查到。,4、2物料衡算与能量衡算,4、2、1物料衡算 1、物料衡算式 理论依据:质量守恒定律 物料衡算的一般形式: 输入的物料量 反应生成或消耗的物料量=输出的物料量+积累的物料量,2、物料衡算的基本方法 搜集计算数据,如输入和输出物料的流量、温度、压力、浓度、密度等,使用统一的单位制; 画出物料流程简图,标示所有物料线,注明所有已知和未知变量; 确定衡算体系; 写出化学反应方程式包
5、括主反应和副反应,如无化学反应可省去; 选择合适的计算基准。对连续流动体系,通常用时间作基准; 列出物料衡算式,进行数学求解。,例题:(见教材P36例3-1)用一逆流操作的埋料塔,将一尾气中的有害成分从0.1%的含量降低到0.02%。液气流量分别为L=1105mol/(m2.h),总压P=1.013105Pa,液体总摩尔浓度CT=56000mol/m3,水中加入组分B进行瞬间快速化学反应,组分B浓度较高CBL1=800,化学计量式为:A+BC,试求出口水中B的浓度。,填料塔,PAG1,PAG2,CBL1,CBL2,解:据题意进行物料衡算 (1)进入填料塔的物料量为GPAG2/P( mol/(m
6、2.h) ) (2)流出填料塔的物料量为GPAG1/P( mol/(m2.h) ) (3)填料塔内无A 物质生成(即A积累量为0) (4)在填料塔内消耗的A物质量等于A与B的反应量,为 L(CBL1CBL2)/bCT ( mol/(m2.h) ) (5)列物料衡算式,解得:,3、连续性方程 气体在变断面的管道中流动时,在稳定流的情况下, (1)以可压缩性流动时 1A11= 2A22=G (2)以不可压缩性流动时 A11= A22=Q( 1= 2 ) 式中: A1,A2断面1、2的面积,m2; 1,2断面1、2处的流速, m/s; 1、2断面1、2处的气体密度,kg/m3; G气体质量流量, k
7、g/s,(3)判断可压缩性流体是否进行不可压缩性流动的依据:马赫数( MA ) MA = / a 式中:,a分别是流体的流速和声速 m/s 判断:当MA 0.25时,这种流动可认为是不可压缩性流动;当MA 0.25时,这种流动是可压缩性流动,4、2、2能量衡算 1、能量衡算的基本方程 输入的能量输出的能量=积累的能量 在大气污染控制工程中,物料的流动通常是连续稳定的,体系积累的能量等于0。即 输入的能量输出的能量=0 具体的形式见教材P37图3-5、公式3-30所示。,(1)内能:用U表示; (2)动能:2/2; (3)势能(或位能):gz (4)输入的流动功:P (5)输入体系的热量:Q;
8、(6)输入体系的功:W; 式中: 计算断面处流体的速度,m/s; z计算断面距离基准面的高度,m; P 计算断面处流体的压力,Pa; 计算断面处流体的比容,m3/kg 注:U+ P=H(焓),能量的构成(单位质量),2、热量衡算 Q= H2 H1 应用条件:W=0,动能( 2/2 )和位能差(gz) 等于0。 式中:H1、H2分别是断面1、2处的焓。,教材例题3-2:需要说明的一个问题 在例题中 Q2=( njCpj)T = Q2=(343.04+0.13T27.17410-6 T2)(T298) 转化过程:Cp与温度间存在如下关系: Cp=a+bT+cT2+dT3 上述四种气体的有关参数如下
9、:,?,上述四种气体的定压摩尔热容,3、机械能衡算 U+ 2/2+g z + (P)=Q+W 条件:忽略传热量和内能的变化。 例题:(教材P40例3-3),4、3颗粒粒径及粒径分布,4 、3、1粒径 球形颗 粒:直径 单个颗 粒 投影径 的粒径 非球形颗粒 几何当量径 物理当量径 重点:掌握物理当量径中的斯托克斯径和分割直径 斯托克斯径( dd ):当Rep1时的自由沉降直径 分割直径(dc50):某除尘器分级效率为50%的颗 粒的直径,粒子群的粒径 算术平均径(d10) 中位径(d50)(重点) 平均粒径 众径(d0m) 几何平均径(dg) 加权平均径(d40) 中位径(d50):粒子群中把
10、颗粒质量平分一半时的颗粒的直径。,4、3、2粒径分布的表示方法 1、粒径分布:指某一颗 粒群中各种粒径的颗粒所占的比例,又称颗粒 的分散度。如以颗 粒所占的个数来表示,称为颗 数分布;如以颗 粒的质量所占比例来表示,称为质量分布。 粒径分布的表示方法 表格法(表3-3,P42) 图形法(图3-7,P42) 函数法,(1)频率分布(又称相对频数率分布,用D表示):粒径由dp至dp dp之间的粒子质量占尘样总质量的百分数,即 D= (m/ m0)100% (2)频率密度分布(简称频度分布,用f表示,%m1):指单位粒径间隔时的频率分布,即 dp=1 m时的尘样质量占尘样总质量的百分数,因此 f =
11、 D/ dp,(3)筛上累计频率分布(R,%):简称筛上累计分布,系指大于某一粒径dp的全部粒子质量占尘样总质量的百分数,即,(4) 筛下累计频率分布D(%):将小于某一粒径dp的全部粒子质量占尘样总质量的百分数定义为筛下累计频率分布D(%),(5)由粒径分布图所反应出来的三个粒径(见图3-7): 加权平均径(d40):指f(dp)曲线下的面积形心位置的直径,这是描述分布最常用的平均直径。计算式如下:,众径(d0m):位于f(dp)曲线的最高点所对应的粒径。 中位径(d50):R=D=50%所对应的粒径。,4、3、3粒径分布函数 1、对数正态分布:将实际的粒径通过对数处理后得到的分布,称为对数
12、正态分布。 (1)频度函数表达式(P44,3-51式),式中: dg几何平均径,此处与中位径相等; g几何标准差 (2)对数分布的特点:无论是以质量分布还是以个数或表面积表示的粒径分布,都遵从对数正态分布,且几何标准差相等,在对数概率坐标中代表三种分布的直线相互平行。,(3)根据对数正态分布的特点来确定中位径(教材P44-45,公式3-543-59) 以个数表示时的中位径与以质量表示时的中位径的关系,以质量表示时的中位径,以个数表示时的中位径,几何标准差(按公式3-53确定),以表面积表示时的中位径与以质量表示时的中位径的关系,以表面积表示时的中位径,以质量表示时的中位径,算术平均径:,算术平
13、均径:,以个数表示时的中位径,表面积平均粒径,表面积平均粒径,以个数表示时的中位径,体积平均粒径,体积平均粒径,以个数表示时的中位径,体面积平均粒径,体面积平均粒径,以个数表示时的中位径,例题(见教材P45,例3-4):粉煤燃烧产生的飞灰的粒径分布遵从对数正态分布,当以质量表示其粒径分布时,中位径为21.5m,dpD(dp)=15.87%=9.8 m ,试确定以个数表示时对数正态分布函数的特征数和算术平均粒径. 解:对数正态分布函数的特征数是中位径和几何标准差。由于以个数和和质量表示时的几何标准差相等,所以有,以个数表示时的中位径为,算术平均径为,2、罗辛-拉姆勒(R-R)分布(p45,3-6
14、5),颗粒粒径, m,以质量表示的中位径, m,分布指数,例题(P46,例3-5):已知炼钢电弧炉吹氧期产生的烟尘遵从R-R分布,中位径为0.11 m,分布指数为0.50,试确定筛下1 m的烟尘所占的比例。 解:由R-R分布式得:,又有R+D=100%,所以,4、4粉体颗 粒的物理性质,4、4、1密度:单位体积粉体颗 粒的质量 1、真密度(p):将粉体颗粒表面和其内部的空气排出后测得的粉尘自身的密度,用于研究尘粒在气体中的运动。 2、堆积密度(b):包含粉体颗粒间气体空间在内的粉体密度,用于计算粉体容积。 二者的关系: b=(1) p,式中:粉体的空隙率,4、4、2比表面积:单位体积(或质量)
15、粉尘所具有的表面积,用表示(/m3或/kg), =颗 粒的表面积S/颗 粒的体积V,4、4、3颗 粒的湿润性能:液体对固体颗 粒的湿润程度,它取决于液体分子对颗 粒表面的作用力。 影响因素有二:一是颗粒的形状和大小。形状越不规则,粒径越大,颗 粒表面越粗糙,越易湿润;二是颗 粒对水的亲水性,亲水性强的颗 粒较易湿润。 改善颗 粒湿润性能的措施:如加热、在水中加入某种浸湿剂等。,4、4、4颗 粒的荷电性能与导电性 1、颗粒的荷 电性:颗粒在其产生和形成过程 中由于粒子间的碰撞、粒子与器壁间的摩擦使颗粒带电称为颗 粒荷电。 2、颗粒的导电性:指颗粒由于内部的电子或离子的运动,或者由于表面吸附的水分
16、和化学膜而发生导电的现象,用电阻率来表示,。,4、4、5颗粒的休止角(安息角,堆积角):粉体自漏斗连续落到水平板上,自然堆积成圆锥体,圆锥体母线与水平面的夹角称为颗 粒的休止角。它可以用于表示颗粒间的相互摩擦性能,用于对除尘器类型的选择。 影响因素:粉体粒径、含水率、粒子形状、粒子表面光滑程度、粉尘的粘性等。,用休止角r来判断颗粒的流动性,r 30:易于自由流动粉体,30r 38:可以自由流动粉体,38r 45:可以流动粉体,45r 55:粘性粉体,55r :十分粘性粉体,4、4、6颗粒的粘附性能:指粉体间由于分子力而存在着聚集成团的现象。 颗粒的粘附性能的利用与防止:颗粒的粘附性能有利于除尘
17、。但在有的场合又要避免,如在含尘气流管道中,要防止粒子在管壁上粘附而造成管道和设备的阻塞。,4、4、7颗粒的爆炸性:指分布在空气中一定浓度的颗粒在一些外因的作用下会在瞬间发生剧烈的发热、发光的现象。因此在对相应的颗进行堆放和运输时要注意安全。,4、5气体中的颗粒动力学,4、5、1球形颗粒的阻力 1、阻力的构成:形状阻力;磨擦阻力 2、影响因素:形状、粒径、表面特性、运动速度、流体的种类和性质等。 3、方向:与速度向量方向相反。,4、计算:,式中:CD阻力系数; 气体密度; s颗粒与流体的相对速度;dp颗粒直径。,适用条件:球形颗粒、匀速运动,4、5气体中的颗粒动力学,5、关于阻力系数CD的确定
18、 思路: 先计算雷诺数(Rep=dps/),确定流体的运动状态,选择相应的计算公式,(1)斯托克斯区(Rep1) CD=24/ Rep=24/dps 代入阻力计算公式得: FD=3sdp (斯托克斯公式),(2)过渡区(当1Rep500 ) CD=18.5/ Rep 0.5 (伯德公式, 2Rep500 ) (3)牛顿区(或涡流区, 500Rep 2105) CD=0.44,4、5气体中的颗粒动力学,4、5、2康宁汉修正因子(C) (1)引入原因:滑动。在层流区(又称斯托克斯区),当颗 粒尺寸小到与气体分子平均自由程(即dp1m)相当时,颗粒表面附近的气体产生速度跃变(速度不连续),在颗粒及紧
19、贴其表面的第一层气体 分子之间的速度差异并不等于0,即产生所谓的 “滑动”,结果使颗粒受到的阻力减少。,此时,斯托克斯公式变为: FD=3sdp/C,4、5气体中的颗粒动力学,(2)康宁汉修正因子的计算 一般形式: C=1Kn1.257+0.400exp(1.10/Kn),其中: Kn =2M/ dp,式中:Kn努森数;M气体分子平均自由程;R通用气体常数;T气体的绝对温度,K;M气体的摩尔质量, kg/kmol,对常压下的气体可用卡尔弗特式进行计算: C=1+6.211010 T/dp 注:当dp1m时,不进行修正,例题(教材P57):试确定某一球形颗粒在静止干空气中的阻力。已知:dp=90
20、m, =0.90m/s, T=293k, p=101.33kPa.(干空气的粘度 =1.8110-5 Pa.s,密度=1.205kg/m3),解,4、5气体中的颗粒动力学,4、5、3受外力作用的球形颗 粒在流体中的运动 静止状态的颗粒在外力的作用下作加速运动,同时又受到流体阻力的作用,当二者相等时,颗粒的速度达到最大,此时颗 粒作匀速直线运动(其速度用t来表示)。在大气污染控制工程中,我们主要观注颗粒达到终端沉降速度的时间、通过的距离及颗粒 的终端沉降速度。,在忽略浮力的情况下:,1、关于时间的计算式,2、关于距离的计算式,3、终端沉降速度的计算,式中:t终端沉降速度;p颗粒密度;F外力;CD
21、阻力系数; 气体密度;dp颗粒直径,2、终端速度的计算方法 (1)试差法:先假设颗粒在某一区域内运动,计算出终端沉降速度后,再计算Rep,看是否符合假定的区域,如果不符合,需要重新计算。,2)K值法: 方法原理:先定义K值,4、5气体中的颗粒动力学,计算不同区域的终端沉降速度,每个方程式两端乘dp/,并将K值代入,Re1,1Re500,500 Re 2105,K 2.6(斯托克斯区) 43.6K2.6(过渡区) 2360K43.6(牛顿区),利用K值法计算终端沉降速度时的基本思路为: 计算K值 根据K值判断颗粒所处的流动区域 选择阻力系数CD 计算s,(3)K值法在斯托克斯区,对于主要的三种外
22、力的计算公式(P51-52,式3-903-98),重力,电场力,离心力,例题:(P52,例3-6):颗粒直径为0。25m,重度为2250kg/m3,在重力作用下,在20常压空气中降落,试计算其终端速度。颗粒达到终端速度的90%需多少时间? 解:常压下空气的康宁汉修正因子为,终端速度为,达到终端速度 90%所需的时间为,4、6净化装置的性能,净化装置 技术指标:处理气体流量、净化效 率、压力损失等 的性能指标 经济指标:设备费、运行费、占地面积等,4、6净化装置的性能,4、6、1净化装置的性能指标 1、气体处理量 (1)气体处理量概念:是代表装置处理能力的指标,常用体积流量来表示。 由于实际运行
23、中处理装置漏气等原因,导致装置理出口的气体流量不同,因此用两者的平均值来代表气体的处理流量: QN=(Q1N+Q2N)/2,(2)漏风率: 0=(Q1NQ2N)100%/Q1N,4、6净化装置的性能,2、净化效率 表示净化装置对污染物净化效果的重要指标,指在单位时间内净化装置去除污染物的量与进入装置的污染物量之百分比,用表示。 对除尘装置而言称除尘效率,对吸收装置而言称吸收效率,对吸附装置而言称吸附效率。,4、6净化装置的性能,3、压降 (1)概念:净化装置进口与出口静压之差,它是分离过程所必须耗损的能量,用P表示。净化装置的压降与它的结构形式、操作条件(如气体粘度、气流速度等)有关。,(2)
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