吸附法净化气态污染物

大气污染控制工程李广超11吸附法净化气态污染物教学内容§11.1概述§11.2吸附理论§11.3吸附反应设备及计算§11.4应用§11.1概述§11.1概述§11.1.1吸附法基本原理（1）吸附的概念吸附(Adsorption):由于固体表面上存在着分子引力或化学键力，能吸附分子并使其浓集在固体表面上的现象。吸附剂(Adsorbent)：具有吸附作用的固体物质。吸附质：被吸附的物质。§11.1概述物理吸附：吸附剂和吸附质之间的作用力是范德华力（或静电引力）。特点：①吸附剂和吸附质之间不发生化学反应；②吸附过程进行较快，参与吸附的各相之间迅速达到平衡；③物理吸附是一种放热过程，其吸附热较小，相当于被吸附气体的升华热，一般为20kJ/mol左右；④吸附过程可逆，无选择性。§11.1概述化学吸附：吸附剂和吸附质之间的作用力是化学键。特点：①吸附剂和吸附质之间发生化学反应，并在吸附剂表面生成一种化合物；②化学吸附过程一般进行缓慢，需要很长时间才能达到平衡；③化学吸附也是放热过程，但吸附热比物理吸附热大得多，相当于化学反应热，一般在84～417kJ/mol；④具有选择性，常常是不可逆的。§11.1概述（2）吸附过程外扩散：吸附剂外围空间的气体吸附质分子穿过气膜，扩散到吸附剂表面的过程内扩散：吸附质分子进入吸附剂微孔中并扩散到内表面的过程。吸附：经过外扩散和内扩散到达吸附剂内表面的吸附质分子被吸附在内表面的过程。脱附：部分被吸附的分子离开吸附剂的内表面和外表面，进入气膜层，并反扩散到气相主体中的过程。§11.1概述§11.1概述（3）影响气体吸附的因素①操作条件的影响温度、压力、气体流速对物理吸附而言，在低温下对吸附有利；而对于化学吸附过程，提高温度对吸附有利。从理论上讲，增加压力对吸附有利，但压力过高不仅增加能耗，而且在操作方面需要更高的要求，在实际工作中一般不提倡。当气体流速过大时，气体分子与吸附剂接触时间短，对吸附不利。若气体流速过小，处理气体的量相应变小，又会使设备增大。因此气体流速要控制在一定的范围之内，固定床吸附器的气体流速一般控制在0.2～0.6m3/s范围内。§11.1概述②吸附剂性质的影响被吸附气体的总量随吸附剂表面积的增加而增加。吸附剂的孔隙率、孔径、颗粒度等均影响比表面积的大小。③吸附质性质的影响除吸附质分子的临界直径外，吸附质的分子量、沸点和饱和性等也对吸附量有影响。如用同一种活性炭吸附结构类似的有机物时，其分子量愈大、沸点愈高，吸附量就愈大。而对于结构和分子量都相近的有机物，其不饱和性愈高，则越易被吸附。④吸附质浓度的影响§11.1概述（4）吸附法的特点吸附法净化气态污染物的优点：①净化效率高；②能回收有用组分；③设备简单，流程短，易于实现自动控制；④无腐蚀性，不会造成二次污染。可以使用吸附法净化的气态污染物有：低浓度的SO2烟气、NOx、H2S、含氟废气、酸雾、含铅及含汞废气、恶臭、沥青烟及碳氢化合物等。§11.1概述§11.1.2吸附剂（1）吸附剂的种类和性质①活性炭活性炭是一种具有非极性表面、疏水性和亲有机物的吸附剂，常常被用来吸附回收空气中的有机溶剂（如苯、甲苯、丙酮、乙醇、乙醚、甲醛等），还可以用来分离某些烃类气体，以及用来脱臭等。活性炭的主要缺点是具有可燃性，使用温度一般不超过200℃。§11.1概述炭分子筛是最新发展的一种孔径均一的新品种，具有良好的选择性。活性炭纤维是一种新型的高效吸附剂，它是用超细的活性炭微粒与各种纤维素、人造丝、纸浆等混合制成各种不同类型的纤维状活性炭。微孔范围在0.5～1.4nm，比表面积大，有较大的吸附量和较快的吸附速率。主要用于吸附各种无机和有机气体、水溶性的有机物、重金属离子等，特别对一些恶臭物质的吸附量比颗粒活性炭要高出40倍。§11.1概述②活性氧化铝活性氧化铝是由氧化铝的水合物加热脱水而形成的多孔物质，其晶格构型分为α型、γ型和中间型，其中起吸附作用的主要是γ型。活性氧化铝吸附极性分子，无毒，机械强度大，不易膨胀，比表面积大，宜在200～250℃下再生，常用于石油气的脱硫及含氟废气的净化。§11.1概述③硅胶硅胶是用硅酸钠与酸反应生成硅酸凝胶（SiO2·nH2O），然后在115～130℃下烘干、破碎、筛分而制成各种粒度的产品。硅胶具有很好的亲水性，当用硅胶吸附气体中的水分时，能放出大量的热，使硅胶容易破碎，但吸附量很大，可达自身重量的50﹪。在工业上主要用于气体的干燥和从废气中回收烃类气体，也可用作催化剂的载体。§11.1概述④沸石分子筛(MolecularSieve)应用最广的沸石分子筛是具有多孔骨架结构的硅酸盐结晶体。按SiO2和Al2O3的单元比不同，将分子筛分为A型、X型和Y型。A型的比值等于2，X型的比值为2.3～3.3，Y型的比值为3.3～6。按孔径从小到大的顺序，A型石分子筛又分为3A、4A和5A型。分子筛具有许多孔径均匀的微孔，比孔径小的分子能进入孔穴而被吸附，比孔径大的分子被拒之孔外，因此具有强的选择性。沸石分子筛特点：①具有很高的吸附选择性；②具有很强的吸附能力；③是强极性吸附剂，对极性分子特别是对水分子具有强的亲和力；④热稳定性和化学稳定性高。分子筛可以从废气中选择性地除去NOx、H2O、CO2、CO、CS2、SO2、H2S、NH3、CCl4和烃类等气态污染物。沸石分子筛§11.1概述（2）吸附剂的选择对吸附剂的基本要求：①大的比表面积和孔隙率；②良好的选择性；③易于再生④机械强度大，化学稳定性强，热稳定性好；⑤原料来源广泛，价格低廉。§11.1概述活性炭上易于再生的物质苯、甲苯、混合二甲苯、氯苯；甲醇、乙醇、丁纯、异丙醇；酮类、脂肪烃、芳香烃；乙酸乙脂、乙酸丁脂、乙酸戊脂；二硫化碳、四氯化碳、四氢呋喃、汽油等活性炭上难以再生的物质丙烯酸、丙烯酸乙脂、丙烯酸丁脂、丙烯酸异丁脂、丁酸、二丁胺、二乙撑三胺、甲基乙基吡啶§11.1概述（3）吸附剂的再生①升温再生②降压再生③吹扫再生④置换再生⑤化学再生§11.1概述(a)吸附(b)解吸§11.2吸附理论§11.2吸附理论§11.2.1吸附平衡吸附过程是一种可逆过程，在吸附质被吸附的同时，部分已被吸附的物质由于分子的热运动而脱离固体表面回到气相中去。当吸附速度与脱附速度相等时，就达到了吸附平衡。（1）吸附量指在一定条件下单位质量吸附剂上所吸附的吸附质的量，用kg吸附质/kg吸附剂来表示，也可以用质量百分数表示。它是衡量吸附剂吸附能力的重要物理量，因此在工业上被称为吸附剂的活性。§11.2吸附理论静活性(静态吸附量)在一定温度下，与气相中吸附质的初始浓度达平衡的最大吸附量。动活性气体通过吸附层时，随着床层吸附剂的逐渐接近饱和，吸附质最终不能全部被吸附，当流出气体中出现吸附质时，即认为此时吸附剂已实效，这样计算出来的单位吸附剂所吸附的吸附质的量称为动活性。动活性永远小于静活性。在多数情况下不允许吸附质逸出吸附床层，因此在计算吸附剂用量时，要按动活性来计算。§11.2吸附理论§11.2.1吸附等温线（1）郎格缪尔（Langmuir）吸附等温式四个基本假设：①吸附是单分子层的；②固体表面是均匀的，固体表面上各个晶体位置的吸附能力是相同的，每个位置上只能吸附一个分子；③被吸附在固体表面上的分子相互之间没有作用力；④吸附平衡是动态平衡。§11.2吸附理论)1(AAaaPkr假设θA为任一瞬间固体表面被分子覆盖的表面，称为覆盖率；未被覆盖部分的分率为（1-θA）。在一定条件下，吸附速率ra与固体表面未覆盖部分的分率（1-θA）和吸附物的分压PA成正比，以ka和kd分别代表吸附与解吸的速率常数。吸附速率方程为：Addkr解吸速率为：§11.2吸附理论)-(1PAdAAkka达到吸附平衡时，两个速率应相等，ra=rdAAAkPkP1朗格缪尔吸附等温方程式：它是温度的函数，表征了固体表面对气体组分A吸附能力的强弱程度，因而它是一个吸附的特征值。§11.2吸附理论（2）Freundlich吸附等温式napmxq1q——单位吸附剂在吸附平衡时的饱和吸附量，kg/kg或m3/kg；x——被吸附组分的量，m3或kg；m——吸附剂的量，kg；p——被吸附组分的浓度或分压；a,n——经验常数，由实验确定。pnamxqlg1lglglg常用于低浓度气体的吸附。§11.2吸附理论（3）B.E.T多分子层吸附0011)(ppCVCCVppVpmmV——压力为p，温度为T时吸附的气体体积；p0——温度为T时吸附质的饱和蒸气压；Vm——假定表面添满一层分子时所吸附的气体体积；C——给定温度下的常数。§11.3吸附设备及计算§11.3.1常用的吸附设备（1）固定床吸附器方形立式吸附器常用圆形卧式吸附器（2）移动床吸附器§11.3吸附设备及计算固体吸附剂在吸附床中不断移动，固体吸附剂由上向下移动，而气体则由下向上流动，形成逆流操作。Ⅰ-吸附段；Ⅱ-精馏段；Ⅲ-脱附段1-冷却器；2-脱附塔；3-分配板；4-提升管；5-再生器；6-吸附剂控制装置；7-固粒料控制器；8-密封装置；9-出料阀门§11.3吸附设备及计算（3）流化床吸附器流化状态示意图废气从进口管以一定的速度进入锥体，气体通过筛板向上流动，将吸附剂吹起，在吸附段完成吸附过程。吸附后的气体进入扩大段，由于气流速度降低，固体吸附剂又回到吸附段，而净化后的气体从出口管排出。§11.3吸附设备及计算§11.3.2吸附工艺流程及计算（1）吸附工艺流程间歇式流程适用于废气排放量较小、污染物浓度较低、间歇式排放废气的净化。§11.3吸附设备及计算半连续式流程在用两台吸附器并联时，其中一台进行吸附操作，另一台则进行再生操作，适应于再生周期小于吸附周期的情形。当再生周期大于吸附周期时，则需要三台吸附器并联使用，其中一台进行吸附，一台进行再生，而第三台则进行冷却或其他操作，以备使用。§11.3吸附设备及计算该流程一般由连续性操作的流化床吸附器和移动床吸附器等组成，其特点是吸附与吸附剂的再生同时进行。连续式流化床吸附流程§11.3吸附设备及计算（2）吸附过程计算①吸附传质方程单位体积吸附剂所吸附的吸附质的量可用下列方程表示：α——吸附量，kg吸附质/kg吸附剂；△C——浓度差，kg/m3；t——吸附时间，s；K——质量传递系数，即当浓度差为1kg/m3时，在1秒钟内传递给1m3吸附剂的吸附质的量，单位是s-1。ctK§11.3吸附设备及计算②保护作用时间与希洛夫（Schieloeff）方程0KL)(0LLKτ——保护作用时间，s；L——吸附层厚度，m；τ0——保护作用时间损失，s；K——吸附层保护作用系数，s/m。L0——吸附层的长度损失，也称为死层。K值可由下式求得：式中α——平均静活性值，质量百分数；ρ——吸附剂的堆积密度，kg/m3；u——气体流速，m/s；c0——吸附质的初始浓度，kg/m30ucaK§11.3吸附设备及计算③固定床吸附剂用量的计算吸附剂的用量可用下式计算：LDALm241m——吸附剂用量，kg；A——吸附器的横截面积，m2；D——吸附器的直径m；L——吸附器床层高度为m；ρ——吸附剂的堆积密度kg/m3。§11.3吸附设备及计算【例5-1】设一固定床活性炭吸附器的活性炭装填厚度为0.6m，活性炭对苯吸附的平均静活性值为25%，其堆积密度为425kg/m3。假定其死层厚度为0.15m,气体通过吸附器床层的速度为0.3m/s，废气含苯浓度为2000mg/m3,求该吸附器中活性炭床层对苯废气的保护作用时间。§11.3吸附设备及计算解:（1）求保护作用系数K)/(1077.11020003.042525.0560msuCaK（2）求保护作用时间τ)(22)(1097.7)15.06.0(1077.1)(460hsLLK§11.3吸附设备及计算【例5-2】由实验测得含有15g/m3CCl4的空气混合物以5m/s的速度通过粒径为3mm的活性