大气污染控制工程_气态污染物控制技术基础气体吸附

第7章气态污染物控制技术基础气体吸附§2-气体吸附吸附剂吸附机理吸附工艺与设备计算教学重点：吸附过程与吸附剂、吸附理论、吸附设备及其计算方法、吸附法净化有机蒸气教学难点：吸附设备及其计算方法、吸附法净化有机蒸气§2气体吸附吸附用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的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、设备体积大吸附机理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，发生化学吸附一、吸附剂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——————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)解吸吸附平衡当吸附速度＝脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值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二、吸附机理吸附等温线m－单位吸附剂的吸附量P－吸附质在气相中的平衡分压K,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lglglgnmkPmknP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外扩散速率内扩散速率总吸附速率方程*APAAd()dyMKYYt*APAAd()dxMKXXt**APAAPAAPPPPPPd()()d11111;yxyyxxxyMKYYKXXtmKkkKkkm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流化床固定床吸附计算固定床吸附计算固定床吸附计算固定床吸附计算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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希洛夫方程固定床吸附计算同样条件下定义－动力特性112201102212..KvKvconstvvconstdd102BKvvBd固定床吸附计算吸附床长度假定条件等温吸附低浓度污染物的吸附吸附等温线为第三种类型吸附区长度为常数吸附床的长度大于吸附区长度固定床吸附计算吸附床长度L0－吸附区长度WA－穿透至耗竭的惰性气体通过量WE－耗竭时的通过量1-f－吸附区内的饱和度0AEA(1)LWLWfW吸附器的压力损失1）图解计算3pgg2p150(1)1.75(1)''PgdDGdGP－压降(lb/ft2)D－固定床厚度(ft)－孔隙率G’－气体流量(lb/ft2?hr)g－气体粘度(lb/ft?hr)dp－颗粒直径(ft)2）公式计算3pgg2p150(1)1.75(1)''PgdDGdGP－压降(lb/ft2)D－固定床厚度(ft)－孔隙率G’－气体流量(lb/ft2?hr)g－气体粘度(lb/ft?hr)dp－颗粒直径(ft)2）公式计算移动床计算操作线吸附速率方程SS2SS2(/)[(/)]YLGXYLGXSPd(*)dyGYKaYYL12S*PdYyYGYLKaYY传质单元高度传质单元数（图解积分法）12S*PdYyYGYLKaYY传质单元高度传质单元数（图解积分法）例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含H2S的空气。吸附剂为分子筛。空气中H2S的浓度为3％（重量），气相流速为6500kg/h，假定操作在293K和1atm下进行，H2S的净化率要求为95％，试确定：(1)分子筛的需要量（按最小需要量的1.5倍计）；(2)需要再生时，分子筛中H2S的含量；(3)需要的传质单元数。解：(1)吸附器进口气相组成：H2S的流量＝0.03×6500＝195kg/h空气的流量＝6500－195＝6305kg/h吸附器出口气相组成：H2S＝0.05×(195)＝9.75kg/h空气＝6305kg/h移动床计算11950.036305Y329.751.55106305Y移动床计算实验得到的平衡关系如右图假定X2＝0，从图得（X1）最大＝0.1147所以实际需要的分子筛＝0.372×6305＝2345.5kg/h(2)分子筛吸收H2S的平衡数据SSSS(/)1.5(/)1.50.2840.372LGLG最小实际SS0.030.00155(/)0.2840.11470.0000LG最小11959.75()0.0792345.5X实际移动床计算(3)图解积分法计算NOGNOG＝3.127图解积分法求传质单元数12OG*dYYYNYYYY*0.001550.006450.00500~0.002000.0100.00011010.0150.0005690.0200.0018550.0250.004348.30.0300.007845.0*1YYYY*0.001550.006450.00500~0.002000.0100.00011010.0150.0005690.0200.0018550.0250.004348.30.0300.007845.0*1YY