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大氣污染控制的基礎(chǔ)知識(shí)

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§3.大氣污染控制基礎(chǔ)知識(shí)
    介紹氣體及顆粒物的基本性質(zhì)，氣態(tài)污染物及顆粒污染物控制的基礎(chǔ)理論知識(shí)。
§3.1氣體的物理性質(zhì)
§3.1.1氣體狀態(tài)方程
    對(duì)理想氣體  
§3.1.2氣體的基本物理性質(zhì) 
    則理想氣體混合物平均摩爾質(zhì)量和密度可由下式求得：
1．? 密度
 單位體積氣體的質(zhì)量當(dāng)為理想氣體時(shí)，可用理想氣態(tài)方程計(jì)算
   對(duì)氣態(tài)污染物和空氣的混合物，其平均摩爾質(zhì)量是混合物各組分摩爾質(zhì)量的加權(quán)平均值
  
顆粒污染物和空氣混合物的密度
也可用下列方程式 
空氣體積濃度與顆粒物體積濃度關(guān)系如下： 
     ?2. 比熱
   ——摩爾物質(zhì)溫度升高一度所需要的熱量，
比熱有恒壓比熱和恒容比熱兩種。
對(duì)理想氣體： 
比熱比 
空氣、其態(tài)污染物和顆粒混合物的平均比熱是個(gè)組分比熱的加權(quán)平均值，加權(quán)函數(shù)是組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
用C表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)，平均比熱可由下列各式求得： 
恒壓平均比熱： 
恒容平均比熱： 
3．粘度 
     對(duì)非均勻流動(dòng)的氣體，在相鄰流層接觸面上，存在著切向作用力，稱為內(nèi)摩擦力。
單位面積上的內(nèi)摩擦力或剪應(yīng)力為： 
氣體與溫度的關(guān)系在常壓下表示為： 
u0—T=273K時(shí)的氣體粘度 
若混合物中含有等速運(yùn)動(dòng)的球形液滴，其粘度可用泰勒方程式計(jì)算： 
式中： Cvp—液滴的體積分?jǐn)?shù)； μp —液滴的粘度 
氣體污染物與空氣混合物的平均粘度在低壓下可用下式計(jì)算： 
對(duì)球形固體顆粒，上式可簡(jiǎn)化為： 
     對(duì)不同顆粒物污染與空氣污染物的混合物的粘度，由于顆粒粘度對(duì)混合物粘度影響不大，故可用總體積粘度代替方程式中的Cvp
§3.2物料恒算與能量恒算 
§3.2.1物料恒算
 1．物料恒算式
       物料恒算是研究某一個(gè)體系內(nèi)進(jìn)出物料量及組成的變化，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)特定體系，輸入體系的物料量等于輸出體系的物料量加上體系內(nèi)積累的物料量之和。
即：輸入的物料量=輸出的物料量+積累的物料量
       若體系內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則對(duì)任一組分或元素做恒算時(shí)，必須把反應(yīng)消耗或生成的量也包含在內(nèi)，故： 
輸入的物料量±反應(yīng)生成或消耗的物料量=輸出的物料量+積累的物料量 
式中：對(duì)反應(yīng)物作恒算時(shí)，由反應(yīng)而消耗的量，取減號(hào)；
            對(duì)生成物作恒算時(shí)，由反應(yīng)而生成的量，取加號(hào)。
若體系為連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，則積累的物料量為零，
?
對(duì)無化學(xué)反應(yīng)的過程，
則：輸入的物料量=輸出的物料量
?
對(duì)有化學(xué)反應(yīng)的過程，
則：輸入的物料量±反應(yīng)生成或消耗的物料量=輸出的物料量
?
2．? 物料恒算的基本步驟
1）? 搜集計(jì)算數(shù)據(jù)：如流量、溫度、壓力、濃度等；
2）? 畫出物料流程圖；流向、變量等
3）? 確定恒算體系；
4）? 寫出所有化學(xué)反應(yīng)式；
5）? 列出物料恒算式，進(jìn)行數(shù)學(xué)求解。?

3. 連續(xù)性方程
  對(duì)可壓縮流體作穩(wěn)定管流運(yùn)動(dòng)時(shí)的連續(xù)性方程： 
 對(duì)不可壓縮流體作穩(wěn)定管流運(yùn)動(dòng)時(shí)的連續(xù)性方程： 
當(dāng)過流斷面為圓形時(shí)，則有： 
        一般認(rèn)為，氣體為可壓縮性流體，液體是不可壓縮性流體。當(dāng)流速較低時(shí)，氣體的流動(dòng)可近似認(rèn)為是在做不可壓縮流動(dòng)。
        判定氣體是否作不可壓縮流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)是馬赫數(shù)，其定義為流體流速與聲速之比，即：
若：< 0.25    即：<85.8m.s  可認(rèn)為是不可壓縮流動(dòng)。 
§3.2.2 能量恒算
 1．能量恒算的基本方程
 根據(jù)能量守恒原理，能量恒算的基本方法為：
 輸入系統(tǒng)的能量-輸出系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內(nèi)積累的能量
式中能量包括：內(nèi)能、動(dòng)能、勢(shì)能、熱能、功等等。
當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)積累的能量等于零。
如教材圖3-5 ，以系統(tǒng)進(jìn)、出口斷面為基準(zhǔn)可列出恒算式 ： 
式中的 U+Pv 為流體的焓，故上式可寫為： 
令： 
則： 
3．機(jī)械能恒算
        在廢氣輸送過程中，往往傳熱量、內(nèi)能的變化相對(duì)較小，此時(shí)總能量恒算式可簡(jiǎn)化為：
因：
故： 
則：上式可寫為：
或：
2．熱量恒算
 對(duì)于沒有功的傳遞，且動(dòng)能和位能差可以忽略的設(shè)備和過程，總能量恒算式可簡(jiǎn)化為：
若進(jìn)出設(shè)備的物料不止一種，則該式為： 
3．機(jī)械能恒算
    在廢氣輸送過程中，往往傳熱量、內(nèi)能的變化相對(duì)較小，此時(shí)總能量恒算式可簡(jiǎn)化為：
因： 
故： 
在流體輸送過程中，內(nèi)能變化應(yīng)等于過程中交換的熱量Q和由于摩擦作用使部分機(jī)械能變成熱能損失之和，即：
則： 
若沒有摩擦損失和其他設(shè)備對(duì)流體做功 
則： 
此為理想流體伯努里方程 
或： 
由于流體阻力客觀存在，實(shí)際流體伯努里方程為： 
§3.3顆粒粒徑及粒徑分布
§3.3.1粒徑 
顆粒群.由大小不同、形狀各異、物理和化學(xué)性能不同的微小粒子構(gòu)成的混合體。

其粒徑分為反映單個(gè)顆粒大小的單一粒徑及反映顆粒群粒子尺寸的平均粒徑。

1．單個(gè)顆粒的粒徑
三種表示方法：
1) 投影粒徑
2）幾何當(dāng)量粒徑
3）物理當(dāng)量粒徑

見表3-1 
?
1．平均粒徑
——反映顆粒群特性的粒徑平均值。
定義：對(duì)一個(gè)不同粒徑的顆粒群，與一個(gè)均勻球形顆粒的顆粒群，若其具有相同的物理性質(zhì)，則球形顆粒的粒徑即為實(shí)際顆粒群的平均粒徑。
表3-2
§3.3.2 粒徑分布表示法
1）? 粒數(shù)分布
2）? 質(zhì)量分布
表示方法：
表格法、圖形法、函數(shù)法 
?    （1）頻率分布
— — 指某直徑范圍的顆粒質(zhì)量占總顆粒質(zhì)量的百分比
（2）頻率密度分布（頻度分布）
——指單位粒徑間隔的頻率分布，或單位粒徑間隔質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比 
（3）篩上累計(jì)頻率分布
——指大于某一粒徑的全部顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比 
若已知分布曲線函數(shù)，可計(jì)算特定粒徑?
1）加權(quán)平均徑——指f（dP）曲線下形心位置的的直徑，為常用平均粒徑。 
?2）? 眾徑d0m——位于f（dP）曲線最高點(diǎn)的直徑

3）? 中位徑d50 ——R=D50%處的直徑
篩下累計(jì)頻率分布 
由累計(jì)頻率分布的定義，進(jìn)行積分，則： 
§3.3.3粒徑分布函數(shù)
1．? 對(duì)數(shù)正態(tài)分布

?2? 羅辛-拉姆勒（R-R）分布
§3.4粉體顆粒的物理性質(zhì)
§3.4.1 密度
1.真密度
 ——排除內(nèi)部空氣后測(cè)得的粉塵密度
2.堆積密度
  ——包含間隙空氣的粉體密度
§3.4.2比表面積
  ——單位體積或體積物體所具有的表面積
§3.4.3顆粒的濕潤(rùn)性能
  ——粉塵粒子與液體附著難易程度的性質(zhì)
?
    當(dāng)塵粒與液體一旦接觸就能擴(kuò)大濕潤(rùn)表面而相互附著的粉塵稱為濕潤(rùn)性（親水性）粉塵；如水泥、飛灰、石灰……；適于濕式除塵。
    
    反之，稱為非濕潤(rùn)性（疏水性）粉塵；如煤粉、石墨粉….；不適于濕式除塵。
§3.4.3顆粒的荷電性與導(dǎo)電性
?
      1、顆粒的荷電性
       ——粉塵顆粒獲得電荷的能力 
       運(yùn)動(dòng)顆粒的破碎、碰撞、摩擦等；進(jìn)入氣體電離化電場(chǎng)中；均可獲得電子。其性能取決于內(nèi)部化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)、及外部荷電條件。
   2．粉塵的導(dǎo)電性
   ——粉塵顆粒傳輸電荷的能力
通常用比電阻表示：
§3.4.5休止角（堆積角、滑動(dòng)角）

——粉塵自然堆積后，錐體母線與水平面的夾角
表示粉塵的流動(dòng)性，休止角越小，流動(dòng)性越好。

?
§3.4.6顆粒的黏附性

——顆粒之間及與其他物體的團(tuán)聚和附著性能。
黏附性好，收塵效率高，但又一黏附在器（管）壁   上形成堵塞。

§3.5氣體中的顆粒動(dòng)力學(xué)
§3.5.1球形顆粒的阻力

顆粒在流體中勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，受力主要有重力、流體浮力及運(yùn)動(dòng)阻力
運(yùn)動(dòng)流體阻力可表示為
?
?
?

CD—阻力系數(shù)，為顆粒雷諾數(shù)Rep的函數(shù)，圖3-11為球形顆粒CD—Rep關(guān)系曲線
可分三個(gè)區(qū)域

?      1）??? 斯托克斯區(qū)：Rep<1，顆粒處于層流狀態(tài)?
           Bird公式

2）??? 過渡區(qū)：1＜Re≤500，流體運(yùn)動(dòng)向湍流過渡
?（3）?渦流區(qū)：500＜Re≤2×105，顆粒處于與湍流狀態(tài)
§3.5.2康寧漢修正因子

但顆粒尺寸與分子平均自由程相當(dāng)時(shí)，顆粒與表面氣體形成速度差，形成滑動(dòng)，顆粒所受阻力下降。
  故引入康寧漢修正系數(shù)C
式中：Kn——努森數(shù)，
對(duì)常壓下空氣，卡爾努特方程
§3.6凈化裝置的性能
§3.6.1凈化裝置的性能指標(biāo)

1．處理氣體量
           ——經(jīng)由凈化器處理的氣體流量    
由于漏風(fēng)緣故，用平均處理量表示
其漏風(fēng)率為 
?      2、凈化效率
       ——單位時(shí)間內(nèi)凈化裝置去除污染物的量與進(jìn)入裝置的污染物的量之比
?
        3、壓降（阻力損失）
       ——凈化裝置進(jìn)出口截面流體靜壓差
     其表達(dá)式為：
 §3.6.2凈化效率計(jì)算
    1．總凈化效率
 如圖3-12
根據(jù)凈化效率的定義 
或：
若裝置不漏風(fēng)，則： 
若凈化裝置串聯(lián)使用，則系統(tǒng)總效率為： 
?1．分級(jí)效率
 ——除塵裝置對(duì)某一特定粒徑或該粒徑某一范圍內(nèi)粉塵顆粒的除塵效率。
設(shè)除塵器進(jìn)口、出口及捕集口顆粒dpi 的質(zhì)量流量分別為S1i 、S2i  S3i 則粒徑 dpi 顆粒的分級(jí)效率為：
   當(dāng)ηd1=50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的顆粒，成為除塵器的分（切）割粒徑，一般表示為dc50 。 
?        1．? 分級(jí)效率與總除塵效率的關(guān)系
      （1）??由總除塵效率求分級(jí)效率
設(shè)除塵器進(jìn)口、出口及捕集口的粒徑頻率分布分別為△D1i 、△D 2i 、△D 3i ，則根據(jù)粒徑頻率分布的定義有
根據(jù)分級(jí)效率的定義：
或：
若以頻率密度表示，則： 
?（2）分級(jí)效率求總效率 
例表3-5
若分級(jí)效率為函數(shù)，則總除塵效率為：

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