第07章 气态污染物控制技术2

第七章气态污染物控制技术基础(2)§2.吸附法净化气态污染物吸附机理吸附剂吸附速率吸附工艺与设备计算§2.吸附法净化气态污染物吸附用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的一种或多种组分浓集于固体表面吸附质－被吸附物质吸附剂－附着吸附质的物质优点：效率高、可回收、设备简单缺点：吸附容量小、设备体积大一、吸附机理1.吸附类型：物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附1.吸附力－范德华力；2.不发生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；5.吸附可逆；1.吸附力－化学键力；2.发生化学反应；3.过程慢；4.升高温度有助于提高速率；5.吸附不可逆；物理吸附和化学吸附•同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附•若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附2.吸附平衡和吸附等温线方程当吸附速度＝脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值.平衡吸附量是吸附剂对吸附质的极限吸附量，亦称静吸附量分数或静活性分数。极限吸附量受气体压力和温度的影响吸附等温线NH3在活性炭上的吸附等温线吸附等温线XT－单位吸附剂的吸附量P－吸附质在气相中的平衡分压K,1/n－经验常数,实验确定吸附方程式弗罗德里希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分）lgm对lgP作图为直线pnkXkpXTnTlg1lglg/1吸附方程式朗格缪尔（Langmuir）方程（I型等温线）Tmm11ABPXBPPPVBVVV－被吸附气体在标态下的体积P－吸附质在气相中的平衡分压Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积B－吸附与解析速率常数之比Tmm11ABPXBPPPVBVVV－被吸附气体在标态下的体积P－吸附质在气相中的平衡分压Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积B－吸附与解析速率常数之比吸附方程式BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）m000mm0()[1(1)/]1(1)()VCPVPPCPPPCPVPPVCVCPV－被吸附气体在标态下的体积P－吸附质在气相中的平衡分压P0－吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积C－与吸附热有关的常数m000mm0()[1(1)/]1(1)()VCPVPPCPPPCPVPPVCVCPV－被吸附气体在标态下的体积P－吸附质在气相中的平衡分压P0－吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积C－与吸附热有关的常数二、吸附剂1.吸附剂需具备的特性内表面积大具有选择性吸附作用高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大来源广泛，造价低廉良好的再生性能10X分子筛氧化铝树脂活性炭活性炭纤维2.常用吸附剂特性吸附剂类型活性炭活性氧化铝硅胶沸石分子筛4A5A13x堆积密度/kg·m-3200～600750～1000800800800800热容/kJ(kg·K)-10.836～1.2540.836～1.0450.920.7940.794——操作温度上限/K423773673873873873平均孔径/Å15～2518～48224513再生温度/K373～413473～523393～423473～573473～573473～573比表面积/㎡·g-1600～1600210～360600——————3.常用吸附剂特性分子筛特性气体吸附的影响因素操作条件低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附增大气相压力利于吸附吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）m0322.410fVWNAf－－比表面积，比表面积，mm22/g/gff－－单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积,,mm22//mLmLNN00－－阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数AA－－吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积,,mm22VVmm－－吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mLmLWW－－吸附剂的重量，吸附剂的重量，ggm0322.410fVWNAf－－比表面积，比表面积，mm22/g/gff－－单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积,,mm22//mLmLNN00－－阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数AA－－吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积,,mm22VVmm－－吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mLmLWW－－吸附剂的重量，吸附剂的重量，gg－－比表面积，比表面积，mm22/g/gff－－单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积,,mm22//mLmLNN00－－阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数AA－－吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积,,mm22VVmm－－吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mLmLWW－－吸附剂的重量，吸附剂的重量，gg气体吸附的影响因素典型吸附质分子的横截面积气体吸附的影响因素吸附质性质、浓度临界直径－吸附质不易渗入的最大直径吸附质的分子量、沸点、饱和性吸附剂活性单位吸附剂吸附的吸附质的量静活性－吸附达到饱和时的吸附量动活性－未达到平衡时的吸附量常见分子的临界直径分子临界直径/Å分子临界直径/Å氦氢乙炔氧一氧化碳二氧化碳氮水氨氩甲烷乙烯环氧乙烷乙烷甲醇乙醇环丙烷丙烷正丁烷-正二十二烷2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.44.754.894.9丙烯1-丁烯2-反丁烯1,3-丁二烯二氟-氯甲烷(CFC-22)噻吩异丁烷-异二十二烷二氟二氯甲烷(CFC-12)环己烷甲苯对二甲苯苯四氯化碳氯仿新戊烷间二甲苯邻二甲苯三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4气体吸附的影响因素吸附剂再生溶剂萃取活性炭吸附SO2，可用水脱附置换再生脱附剂需要再脱附降压或真空解吸吸附作用，再生温度加热再生吸附剂再生(a)吸附(b)解吸三、吸附速率吸附过程吸附外扩散（气流主体外表面）内扩散（外表面内表面）吸附速率将取决于外扩散速率、内扩散速率及吸附本身的速率。在物理吸附过程中，吸附剂内表面上进行的吸附与脱附速率一般较快，而“内扩散”与“外扩散”过程则慢得多。因此，物理吸附速率的控制步骤多为内、外扩散过程。对于化学吸附过程来说，其吸附速率的控制步骤可能是化学动力学控制，也可能是外扩散控制或内扩散控制。通常，较常见的情况是内扩散控制，而外扩散控制的情况则较少见。三、吸附速率外扩散速率内扩散速率总吸附速率方程*APAAd()dyMKYYt*APAAd()dxMKXXt**APAAPAAPPPPPPd()()d11111;yxyyxxxyMKYYKXXtmKkkKkkm四、吸附工艺与吸附设备计算工业上的吸附过程，按吸附操作的连续与否可分为间歇吸附和连续吸附；按吸附剂的移动方式和操作方式可分为固定床、移动床、流化床和多床串联吸附等；按照吸附床再生的方法又可分为升温解吸循环再生（变温吸附）、减压循环再生（变压吸附）和溶剂置换再生等。吸附工艺固定床含污染物的气体吸附工艺移动床吸附工艺移动床吸附工艺流化床流化床吸附工艺固定床吸附计算固定床吸附器的计算是以吸附平衡和吸附速率为基础。吸附平衡是由吸附剂和吸附质的性质所决定。吸附速率主要体现在传质区的大小、穿透曲线的形状、到达破点的时间以及破点出现时床层内吸附剂所达到的饱和程度。这些是设计固定床吸附器及选择吸附周期所必须的参数。由于固定床在操作时床层内有饱和传质、未饱和和未利用三个区，在传质区内吸附剂的吸附质浓度是随时间而改变的，同时随着传质区的移动，三个区的位置又在不断改变，所以固定床吸附是处在不稳定状态，其影响因素较多。为简化设计计算，一般采用近似计算法，常用的方法有：穿透曲线法和希洛夫近似计算法。固定床吸附计算吸附负荷曲线吸附床平衡区传质区未用区吸附床长度固定床吸附计算固定床吸附计算一、保护作用时间τ－L实际曲线与理论曲线的比较1－理论线2实际曲线（假定吸附层完全饱和）b0Lv（假定吸附层完全饱和）b0Lv因此，当吸附速率无穷大时，保护时间与吸附层长度的关系在τ-L图上是一条过原点的直线即图中1线；但是实际上当吸附达到穿透时，传质区中尚有一部分吸附剂未达到饱和，即实际的饱和吸附量小于静平衡吸附量a,吸收操作的连续时间τ要比吸附速度为无穷大时的保护作用时间τ`小(见图2线)。其差值τ0称为持续时间损失，则实际操作时间0`b00()LKLhvaa－－静活度，％静活度，％SS－－吸附层截面积吸附层截面积,,mm22LL－－吸附层厚度吸附层厚度,,mm－－吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，kg/mkg/m33vv－－气体流速，气体流速，m/sm/s－－污染物浓度，污染物浓度，kg/mkg/m33－－保护作用时间损失；保护作用时间损失；hh－－死区长度死区长度b00希洛夫方程b00()LKLhvaa－－静活度，％静活度，％SS－－吸附层截面积吸附层截面积,,mm22LL－－吸附层厚度吸附层厚度,,mm－－吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，kg/mkg/m33vv－－气体流速，气体流速，m/sm/s－－污染物浓度，污染物浓度，kg/mkg/m33－－保护作用时间损失；保护作用时间损失；hh－－死区长度死区长度b00希洛夫方程τ－L实际曲线与理论曲线的比较1－理论线2实际曲线对于一定的吸附系统及操作条件，静活度值、堆积密度、气体流速和吸附质的浓度为常数，可表示为0baKA式中的h是与对应的保护作用时间损失τ0相对应的“吸附床层的高度损失”，此高度h可看成是完全没有起吸附作用的“死层”。吸附床的实际操作时间τ与床层高度L如图中曲线2（应为实测线）。由曲线2可以看出，当L＞L0（吸附区长度）时它是直线1的平行，当L＜L0时，是一条通过原点的曲线。曲线2的切线（虚线）与L轴交于A，与τ轴交于负端B，则有OAL0OB0例用活件炭固定床吸附器吸附净化含四氯化碳废气。常温常压下废气流量为1000m3/h，废气中四氯化碳初始浓度为2000mg/m3，选定空床气速为20m/min。活性炭平均粒径为3mm，堆积密度ρc为450kg/m3，操作周期为40h。在上述条件下，进行动态吸附实验取得如下数据：请计算（1）固定床吸附器的直径、高度和吸附剂用量；（2）在此操作条件下，活性炭对CCl4的吸附容量；（3）吸附波在床层中的移动速度。床层高度Z/m0.10.150.20.250.30.35透过时间τ/min109231310462550650解：（1）以Z为横坐标，τ为纵坐标将上述实验数据描绘在坐标图上，得一直线（图9-21），依图，求出直线的斜率即为K，截距即为-τm，得：min95;min/2143mmK将K、τ、τm代入希洛夫方程得)(164.12143956040mKZm取Z=1.20m。采用立式圆柱床进行吸附，计算出吸附床直径)(03.16020100044muVD可取D=1.0m。所需吸附剂量）（kgAZWc9.4234502.1142考虑装填损失，所需吸附剂量W为)(4661.19.423kgτ/minτm图9-21例9-2图（2）活性炭对四氯化碳的吸附容量为)/(72.85102000202143360床层mkgKuCam平衡静活性：)/(19.0450/72.854活性炭kgkgCCl（3）吸附波在床层中的移动速度等于1/K，即1/2143=0.467（mm/min）-固定床吸附计算二、吸附床长度（高度）采用穿透曲线法来计算。假定条件等温吸附