第七章气态污染物控制技术基础

第七章气态污染物控制技术基础气体吸附吸附剂吸附机理吸附工艺与设备计算第三节气体吸附吸附利用多孔性固体物质具有选择性吸附废气中的一种或多种有害组分的特点，实现净化废气的一种方法。吸附质－被吸附物质吸附剂－附着吸附质的物质优点：效率高、可回收有用组分、设备简单，易实现自动化控制缺点：吸附容量小、设备体积大，吸附剂容量往往有限，需频繁再生。适用范围①常用于浓度低，毒性大的有害气体的净化，但处理的气体量不宜过大；②对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率；③当处理的气体量较小时，用吸附法灵活方便。具体应用废气治理中脱除水分、有机蒸汽、恶臭、HF、SO2、NOX等。成功的例子：用变压吸附法来处理合成氨放气，可回收纯度很高（98%）的氢气，实现废物资源化。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，造价低良好的再生性能2、工业常用吸附剂活性炭：疏水性，常用于空气中有机溶剂，催化脱除尾气中SO2、NOX等恶臭物质的净化；优点：性能稳定、抗腐蚀。缺点：可燃性，使用温度不超过200℃。活性氧化铝：用于气体干燥，石油气脱硫，含氟废气净化（对水有强吸附能力）。硅胶：亲水性，吸附水份量可达自身质量的50%，而难于吸附非极性物质。常用于处理含湿量较高的气体干燥，烃类物质回收等。沸石分子筛：是一种人工合成沸石，为微孔型、具有立方晶体的硅酸盐。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——————气体吸附的影响因素操作条件温度、气相压力、气流速度。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小直径吸附质的分子量、沸点、饱和性例：同种活性炭做吸附剂，对于结构相似的有机物分子量和不饱和性越高，沸点越高，吸附越容易。吸附剂活性单位吸附剂吸附的吸附质的量。以被吸附物质的重量对吸附剂的重量或体积分数表示。%100所用吸附剂量已吸附吸附质的质量吸附剂的活性静活性：是指在一定温度下，与气相中被吸附物质的初始浓度平衡时的最大吸附量，即在该条件下，吸附达到饱和时的吸附量。动活性：气体通过吸附层时，当流出吸附层的气体中刚刚出现被吸附物质时即认为此吸附层已失效。这时单位吸附剂所吸附的吸附质的量称为动活性。其它接触时间、吸附器性能等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—静吸附量分数XT（m吸附质/m吸附量）极限吸附量受气体压力和温度的影响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,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）lgXT对lgP作图为直线nTkPX1PnkXTlg)1(lglg1916年导出，较好适用于I型的理论公式设：吸附质对吸附表面的覆盖率为θ，则未覆盖率为（1-θ）。若气相分压为P，则吸附速率为k1P(1-θ)。解吸速率为k2θ，当吸附达平衡时：maxXX固体总面积已覆盖的面积k1P(1-θ)=k2θpkkpk121朗格缪尔（Langmuir）方程式式中：k1,k2分别为吸附，解吸常数。令B=k1/k2，则若A为饱和吸附量，则单位量吸附剂所吸附的吸附质量XT为：（朗氏方程）其中：A，B为常数。当压力P很小时BP1，则：当压力P很大时BP1，则XT=A，即此时吸附量与气体压力无关，吸附达到饱和。BPBP1BPABPAXT1PBAXT若θ=V/Vm其中：V—气体分压为P时被吸附气体在标准状态下的体积；说明：（1）P/V对P作图，得一直线；（2）由斜率1/Vm和截距1/(BVm)，可算出B，Vm。指明：朗氏方程式是目前常用的基本等温吸附方程式，但θ较大时，吻合性较差。BPBPVVm1mmVPBVVP1已知：293K,用活性炭吸附苯蒸汽所得到的平衡数据如下例题P/103Pa0.2670.4000.5331.3332.6604.0005.332XT0.1760.2050.2250.2650.2870.2900.300试绘制等温吸附线，若该等温吸附线符合朗氏等温吸附方程式，试求A、B值。解：依数据，绘图如下图：活性炭吸附苯蒸汽等温吸附线显然，该等温吸附线符合朗氏等温吸附线，从而可用朗氏方程式描述。结合曲线横、纵坐标参数，将朗氏方程式变换成下列形式：任取曲线上两点q(400，0.205)和s(4000，0.290)代入上式，于是有：解之得：)1()/(BPXXATTBABA14000290.0290.01400205.0205.0310176.5B304.010176.51400205.025.03A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