7污染物控制基础2

17.3气体吸附7.3.1、吸附过程吸附发生在固体表面，固体表面的吸引力物理吸附：范德华力，吸附剂与吸附质分子之间的静电力放热过程化学吸附：吸附剂表面与吸附质分子之间的化学反应力导致的一般，物理吸附与化学吸附之间无明显界限，低温物理吸附，高温化学吸附第七章气态污染物控制技术基础2▲吸附剂a、对工业吸附剂的要求：*、具有巨大的内表面积和大的孔隙率如：硅胶500m2/g活性炭1000m2/g*、对不同气体具有选择性的吸附作用*、吸附容量大*、具有足够的机械强度和热稳定性*、颗粒适中均匀，便于分离*、来源广泛，价格低廉第七章气态污染物控制技术基础3b、常用工业吸附剂*、活性炭*、活性氧化铝*、硅胶*、沸石分子筛*、漂白土、活性白土、焦炭、白云石粉、吸附树胶第七章气态污染物控制技术基础4▲影响气体吸附的因素：a、吸附剂性质吸附剂的表面积：表面积增大，吸附容量增加孔隙率：与表面积有关，孔隙率大，表面积大孔径：孔径大小对吸附大分子影响大，孔径太小，不能吸附较大分子颗粒度：太大，分子不易渗透，太小，容易被气流带走极性：具有极性的吸附剂容易吸附有极性的分子没有极性的吸附剂容易吸附无极性的分子第七章气态污染物控制技术基础5b、吸附质性质和浓度分子量：分子大，吸附容量大沸点：沸点高，吸附容量大饱和性：不饱和，容易被吸附浓度：浓度大，有利于被吸附第七章气态污染物控制技术基础6c、吸附操作条件*、温度：物理吸附，低温有利化学吸附，提高温度加速化学反应，增大吸附*、操作压力：增大压力，提高了吸附质的分压，有利吸附，增大压力，增加投资，增大能耗*、气流速度：速度低，增加吸附时间，有利吸附，但增大设备速度高，接触时间短，不利吸附，阻力大第七章气态污染物控制技术基础77.3.2吸附理论▲吸附平衡吸附速度与解吸速度相等，达到平衡吸附平衡为动态平衡吸附平衡时，被吸附组分在固相中的浓度和与固相接触的气相中的浓度之间具有一定的函数关系第七章气态污染物控制技术基础8a、弗罗德里希方程x：被吸附组分的质量，kg；m：吸附剂质量，kg；：吸附剂的吸附容量，kg吸附质/kg吸附剂；p：平衡时被吸附组分在气相中的分压；a、n：经验常数这个方程只适用于吸附等温线的中压部分mpamx1mx第七章气态污染物控制技术基础9对原方程进行转化，取对数，得：通过实验，得到不同分压条件下的吸附量，然后以lg对lgp作图，得一直线，斜率为，截距为lgapnamxlg1lglgmxn1第七章气态污染物控制技术基础10b、朗格缪尔等温方程式假设：*、吸附质分子之间不存在相互作用力；*、所在吸附剂表面具有均匀的吸附能力；*、在一定条件下吸附和解吸建立动态平衡A：吸附质的吸附平衡常数，由吸附剂和吸附质的性质、温度而定；Vm:全部固体表面盖满一个单分子层时所吸附的气体体积；APAPVmxm1第七章气态污染物控制技术基础11当分压低时，AP1，得：当分压很大时，AP1，得：吸附量趋于极限值此方程适用于分压从0到饱和分压的分部压力范围APVmxmmVmx第七章气态污染物控制技术基础12c、BET方程布鲁诺（Brunaner）、埃麦特（Emmett）、泰勒（Teller）多分子层吸附理论V：在P、T条件下被吸附气体的体积；P0：在吸附温度下的饱和蒸气压；C：常数，与吸附质的汽化热有关；以对作图，斜率，截距0011)(PPCVCCVPPVPmm)(0PPVP0PPCVCm1CVm1第七章气态污染物控制技术基础13第七章气态污染物控制技术基础14第七章气态污染物控制技术基础15▲吸附速率吸附平衡表明吸附过程的极限实际操作时，接触时间有限，吸附量取决于吸附速率第七章气态污染物控制技术基础16a、吸附过程吸附过程的物质传递分为四个阶段：第一：吸附质分子通过气膜扩散到吸附剂外表面；第二：吸附质分子在微孔中扩散到内表面；第三：吸附质分子被吸附于内表面活性点上；第四：吸附质分子由吸附剂内表面向晶格内扩散。第七章气态污染物控制技术基础17吸附过程示意图：第七章气态污染物控制技术基础18b、吸附速率方程*、班厄姆公式Banghamx：吸附量；t：时间；积分得：k、m：常数mtxdtdxmtKx1第七章气态污染物控制技术基础19*、鲛岛公式把吸附速率公式分成两个过程对于大孔径，很短时间就吸附满了，小孔径还在慢慢吸附：开始阶段：吸附后期：x=algt+kA:吸附初始阶段结束时的吸附量，k、a、K：常数KtxxAAAln第七章气态污染物控制技术基础20鲛岛公式适用于用活性炭吸附NH3、硅胶吸附NH3、已烷、丙酮、苯、CCl4等第七章气态污染物控制技术基础21c、近似吸附速率公式相对宏观的方法研究推导出的公式y：吸附质在气相中的kg/m3；y*：与单位体积吸附剂所吸附的组分成平衡时，组分在气相中的浓度kg/m3；Kv：体积传质系数，kg/(m3·s·kg/m3）或1/s；)(*yyKdtdxv第七章气态污染物控制技术基础22体积传质系数：式中：D：扩散系数，m2/s；u：气体混合物的流速，m/s；v：气体混合物的运动粘度，m2/s；dp：吸附剂颗粒的直径，m。46.154.054.06.1pvdDuK第七章气态污染物控制技术基础23▲吸附剂的解吸*、升温解吸；*、变压解吸；*、置换解吸；*、吹扫解吸。第七章气态污染物控制技术基础247.3.3吸附设计及选择中的问题▲吸附剂的选择a、初选原则：*根据吸附质的性质：极性、分子大小*根据气体的浓度和净化要求*根据吸附剂的来源第七章气态污染物控制技术基础25b、活性实验利用小型装置，对初选的几种吸附剂进行活性实验通过实验再筛选几种活性较好的吸附剂c、寿命实验在中型装置上，对几种吸附剂进行寿命和脱吸性能实验；经过多次反复循环，确定吸附剂的寿命d、全面评估对几种吸附剂，综合活性、寿命、吸附容量等，结合价格、运费等指标，全面评估，确定吸附剂第七章气态污染物控制技术基础26▲吸附装置的选择a、吸附装置的基本要求*吸附装置出口排气浓度必须达到排放标准*设备选型要面向生产实际：考虑生产规模、排污方式污染物的物化性质、回收价值*尽可能采用先进技术，改进设备结构，使吸附装置处理能力大，效率高，收益大*认真考虑经济因素第七章气态污染物控制技术基础27b、吸附装置的类型*固定床吸附器吸附剂固定在床层中，在静止不动的情况下吸附操作在一个吸附塔内吸附和再生，再生和吸附间歇运行*移动床吸附器气体和吸附剂处于移动状态下进行吸附操作在吸附塔的不同部位进行吸附和再生再生和吸附同时进行*流化床吸附器气体速度较大，使吸附剂固体颗粒处于流化状态专门设置吸附段和再生段；再生和吸附同时进行第七章气态污染物控制技术基础28c、固定床吸附系统*优点结构简单，操作方便，对吸附剂的磨损小，*缺点只能间歇操作，控制复杂需要备用设备吸附剂导热性能差热量利用率低*、固定床吸附器类型立式固定床吸附器卧式固定床吸附器环式固定床吸附器第七章气态污染物控制技术基础29双吸附床吸附系统图第七章气态污染物控制技术基础30第三章人口与环境保护三吸附床图31立式吸附器32卧式吸附器第七章气态污染物控制技术基础33第三章人口与环境保护环式34d、移动床吸附器*优点连续稳定运行气固相接触良好，有利于吸附克服了床层过热的现象处理量大于固定床吸附器*缺点吸附剂磨损消耗大移动床结构复杂，设备庞大投资及运行费用高第七章气态污染物控制技术基础35超吸附塔图36e、流动床吸附器*特点流体与固体强烈扰动，大大强化了气固传质采用小颗粒吸附剂，提高了吸附剂表面积提高生产能力温度分布均匀，可实现大规模连续生产*缺点能耗高机械强度要求高第七章气态污染物控制技术基础37多层流化床吸附器38气流分布结构第七章气态污染物控制技术基础39f、吸附器净化效率的计算与选择*净化效率*效率选择以满足污染物排放浓度为前提%10000yyyB第七章气态污染物控制技术基础407.3.4固定床吸附过程的计算▲固定床吸附器的吸附过程一般，混合气体从吸附床一端进入，干净气体从另一端排出，当出口端排出气体中污染物浓度超标时，吸附应该停止，完成一个吸附过程。第七章气态污染物控制技术基础41a、吸附负荷曲线与透过曲线*吸附负荷曲线实际操作中，气体以等速进入床层，气体中污染物被吸附，吸附一段时间后，吸附质在吸附剂上有一定的浓度，这个浓度称为该时刻的吸附负荷。在某一时刻不同床层截面上的吸附负荷对床层长度作曲线，称吸附负荷曲线。第七章气态污染物控制技术基础42理想状态下吸附负荷曲线：床层没有阻力，吸附速度为无穷大，吸附在瞬间达到平衡，则在断面上的吸附负荷为一个相同的值，吸附负荷曲线为一个直角的折线。见理想吸附负荷曲线图。实际上这种情况不可能。第七章气态污染物控制技术基础43第七章气态污染物控制技术基础44实际吸附负荷曲线：实际上床层存在阻力，某一瞬间床层各个截面上的吸附负荷有差异，绘成一条曲线。见图3-13。吸附负荷曲线分为三个区：饱和区：所有吸附剂已经达到饱和，不能再吸附传质区：有一部分吸附剂还正在吸附未用区：所有吸附剂均未有吸附质第七章气态污染物控制技术基础45第七章气态污染物控制技术基础46吸附负荷曲线随时间是变化的，向前推进，但基本形状不变，因此曲线又称吸附波。当吸附负荷曲线向前推进到床层末端时，说明已有吸附质（污染物）流出，这时床层被穿透，当床层被穿透时，称为破点(或穿透点)。此时流出气体中污染物的浓度称破点浓度。第七章气态污染物控制技术基础47*透过曲线实际中吸附负荷曲线不易测量，但出口浓度容易测量，以出口浓度与时间的关系作图。称透过曲线。第七章气态污染物控制技术基础48第七章气态污染物控制技术基础49b、保护作用时间保护作用时间就是固定吸附器的有效作用时间。定义为从吸附操作开始到床层被穿透所经历的时间。即从开始到出口污染物浓度达到排放标准所经历的时间。此时床层内吸附剂还未完全饱和。当出口污染物质浓度达到时，吸附曲线整个移出吸附床层，吸附剂完全饱和，此时吸附剂失去吸附能力，这一点称耗竭点。一般实际操作中，一旦达到破点就停止操作，转为再生。Ey第七章气态污染物控制技术基础50c、传质区高度把一个吸附波所占据的床层高度称为传质区高度。用Za表示。理论上传质区高度是流出气体中污染物浓度从0到y0这个区间内吸附波内在Z轴上占据的长度。实际中再生后吸附剂中还残留一定量的吸附质，一般为初始浓度的5～10%，而吸附剂完全达到饱和的时间太长，因此一般把由破点时间（对应的气体浓度yB）到干点时间（对应的气体浓度yE）这段时间内吸附波在Z轴上的长度称为传质高度。BE第七章气态污染物控制技术基础51一般吸附床层必须有足够的长度，起码要有一个稳定的传质区。如果吸附床层的长度比传质区长度还短，就不能形成一个稳定的传质区，出现破点的时间会比计算的来得快。第七章气态污染物控制技术基础52d、传质区吸附饱和率及剩余饱和能力分数吸附饱和率越大，剩余饱和吸附能力分数越小，说明吸附床的操作性能越好。附量内吸附剂达饱和时的吸内吸附剂实际的吸附量吸附饱和率ZaZa附能力内吸附剂达饱和时的吸能力内吸附剂仍具有的吸附剩余饱和吸附能力分数ZaZa第七章气态污染物控制技术基础53▲希洛夫近似计算法a、希洛夫公式在理想状态下，在理想保护作用时间内通过吸附床的吸附质将全部被吸附，即通过床层遥吸附质的量一定等于床层内所吸附的量。v——气体通过床层的速率，kg/m2sS——吸附床层截面积，m2；a——吸附剂的静活性（平衡吸附容量），kg/kg；——理想保护作用时间，min；C0——气体中污染物初始浓度，kg/m3；——吸附剂堆积密度，kg/m3；Z——床层长度，m'aZSSCvb0''b第七章气态污染物控制技术基础54由前面式子可得：对于一定的吸附系统和操作条件，参数已确定，令则得：ZvCab0'KvCab0KZ'第七章气态污染物控制技术基础55实际操作中，由于床层存在阻力，实际保护作用时间比理想保护作用时间短。实际保护作用时间：所以得：K：吸附层保护作