Transcript 生物过滤塔净化甲醛废气的动力学研究.ppt

生物过滤塔净化
甲醛废气的动力学研究
组员：李想
李阳
凌莉
王彤
杨晓杰
张迦北
背景
自然状态下进入大气的污染物，在一定范围内可以通过大气的自
身净化过程除去，从而维持大气的清洁。但是，工业生产中不断
将大量有害物质排人空气，使有害物质量超出了大气的自净能力
，其将改变空气的正常组成，造成大气污染，特别是近年来工业
生产过程中排放的挥发性有机废气（VOCs）已成为世界环境公害
之一。
VOCs的主要成分：烃类、卤代烃、氧烃和氮烃，包括苯系物、有
机氯化物、氟里昂系列、有机酮、醛、胺、醇、醚、酯、酸和石
油烃化合物等。甲醛是一种危害性较大的挥发性有机气体。
甲醛信息简介
甲醛是一种无色无味有刺激性的气体，化学式CH2O，沸
点-19.5℃，易溶于水，醇，醚。
毒理作用：甲醛的主要危害表现为对皮肤粘膜的刺激作用
。甲醛在室内达到一定浓度时，人就有不适感，大于0.08
m³的甲醛浓度可引起眼红、眼痒、咽喉不适或疼痛、声音
嘶哑、喷嚏、胸闷、气喘、皮炎等。新装修的房间甲醛含
量较高，是众多疾病的主要诱因。
甲醛的比例模型
甲醛的球棍模型
实验装置与试验方法
生物过滤塔由聚氯乙烯(PVC)材料制成，内径11cm，有效
高度45cm，塔身共分3层，层间间隔10cm。实验填料选用
破碎的榛子壳作为载体，其填料特性见表。
填料特性
外观
颗粒
/mm
孔隙率
/%
不规则
暗黄
17×15
60
堆积密度 饱和含水 比表面积
/(kg·m-3)
率/%
/(m2·m-3)
340
20
125.8
实验装置与试验方法
采用气液逆
流操作，液体通
过过滤塔下面的
水槽，利用水泵
将其送到反应器
上部喷淋下来，
定时对系统进行
供液。每2天在
水中按比例加入
一定量的营养物
资，以保持填料
湿度并供给微生
物生长所需的营
养元素。
动力学分析
生物过滤塔动力学模型的理论基础
(1)有机气体的气液传质
(2)从液相扩散到生物膜表面
(3)在生物膜内部扩散
(4)在生物膜内的代谢
(5)代谢产物排出膜外
动力学分析
当气体通过过滤塔时，甲醛的运行受到扩散、对流、吸附、
降解等诸多因素的影响，因此在推导过程中做出如下假设：
(1)气体在塔内空隙间的运动是完全湍流
(2)填料的特性在全塔各部分完全一样
(3)生物膜的特性在全塔范围内完全一样
(4)微生物生长所需的除甲醛外的营养物质以及氧气充分
供应，即忽略营养物质和氧气对甲醛降解的影响
(5)忽略生物的生长、衰落、死亡对整个塔净化性能
的影响。
动力学分析
甲醛传递微元：
以空隙内甲醛气
体作为研究对象。
甲醛气体传递的
基本过程是主体
流入、扩散流入
以及相际传递。
公式推倒
微元其高度为△Z，m；面积为S，m2；空隙率为θ，％；间
隙速度为ν，m／h；过滤塔高度为L，m；进出口甲醛的浓
度分别为Ci、Co ，mg／m3；t为时间，h；D为气相主体中轴
向扩散系数，m2／h。
对微元做物料衡算：
流入量=流出量+空隙内积累量+相际传递量
公式推倒
流进：
主体流入量= CZ S ……(1)
C
) Z ……(2)
扩散流入量= -(DS
Z
流出：
主体流出量= -(CZ Z S )……(3)
C
) Z Z ……(4)
Z
C
……(5)
孔隙内累积量= S Z
t
扩散流出量= -(DS
*
 Cads ) S Z (1   )……(6)
相间传递量= K (Cads
公式推倒
上式中：K为传递系数，h；Cabs为液固相中污染物浓度，
mg／m；C*abs为与气相主体污染物浓度相平衡的液固相
污染物浓度，mg／m；t为生化反应时间，h。
可得：
C
C
[( ) Z Z  ( ) Z ]
(CZ Z  CZ ) 1  
C
*

Z

Z
D

(
) K (Cads
 Cads )……(7)
t
Z
Z

取极限 Z  0
C
 2C
C
1
*
D



(
)
K
(
C
ads  Cads )……(8)
2
t
Z
Z

公式推倒
系统存在如下平衡关系：
Cads
*
n
 K (Cads
 Cads )  kCads
……(9)
t
其中：k为反应速率常数，n为反应级数。
联立（8）、（9）得：
C
 2C
C 1   Cads
n
 D 2 
(
)(
 kCads
)……(10)
t
Z
Z

t
公式推倒
当甲醛在液固相和气相分配达到平衡时：
Cads
C
 Kh
……(11)
t
t
其中：Kh为甲醛在液固相与气相中的浓度比。
带入（10）得：
C
 2C
C 1  
C
 D 2 
(
)[ K h
 k ( K hC ) n ]……(12)
t
Z
Z

t
公式推倒
设甲醛在气相和液相中的质量分配系数Km为：
M ads
1
Km 
 Kh (
)……(13)
M air

其中Mads为甲醛在液相中的质量，mg；Mair为甲醛
在气相中的质量，mg。
联立（12）、（13）得：
C
 2C
C
(1  K m )
 D 2 
 kK m K hn 1C n ……(14)
t
Z
Z
公式推倒
由如图所示的实验数据可知液相中甲醛的去除反应为
一级反应。即
dC
dCads
  kC
 kCads 由于 Cads=KhC
则
dt
dt
公式推倒
且当系统处于平衡状态，并且忽略扩散过程，经过积分化
简，最终得：
 kK m Z
C =Ci exp(
)……(15)
v
用流量表示为：
kK m ZS
C =Ci exp(
)……(16)
Q
参数计算
参数k的计算：
参数Km的计算：带入法
公式意义
1. 根据气体流量、进气浓度等条件，求得反应器不同位
置处甲醛浓度。
2. 根据进气浓度、处理后所要达到的去除率，来指导反
应器的设计。
THANK YOU