11第三章第六节吸附设备与方法.doc

第六节 吸附设备与方法一、吸附设计为了尽可能地提高吸附速率，在吸附设计中往往需要考虑很多因素，由于吸附操作过程的复杂性，影响吸附速率的因素很多。对于一定的生产任务，吸附质的性质与浓度是已经确定了的，也就是说是不容选择的。需要选择的因素主要是吸附剂的选择、吸附装置及吸附流程的选择。为了达到任务规定的净化要求，净化效率的确定也必须在设计时解决。1、吸附剂的选择吸附剂的性质，直接影响吸附效率，因此，在吸附设计中必须根据任务的规定选择合适的吸附剂。吸附剂选择总的原则是根据前面所讲的工业上对常用吸附剂的要求，再结合具体的生产任务进行选择。在吸附设计中，吸附剂的选择一般需要经过下列步骤：（1）初选 根据吸附质的性质、浓度和净化要求以及吸附剂的来源等因素，初步选出几种吸附剂。1. 根据吸附质的性质选 吸附质的性质包括极性和分子的大小。若为非极性的大分子物质，首选的应是活性炭。因为活性炭属于非极性吸附剂，且内部具有范围较广的大小孔径，可以吸附直径变化范围很宽的非极性吸附质，如大多数有机蒸气。若吸附质为极性小分子物质，则应考虑极性吸附剂，如硅胶、分子筛、活性氧化铝等。2. 根据气体的浓度和净化要求选择 对于浓度高但要求净化效率不高的场合，就应尽可能地采用廉价的吸附剂，以降低生产成本。对于浓度较低但净化要求高的场合，就应该考虑用吸附能力比较强的吸附剂。对于气体浓度高、且净化效率要求也高的场合，应考虑先采用廉价吸附剂处理，然后再采用吸附力强的吸附剂处理的二级吸附处理方法或应用吸附剂浸渍的方法。3. 根据吸附剂的来源选择 在综合考虑以上诸因素的基础上，尽量选择一些价廉、易得，且近距离能解决的吸附剂。（2）活性实验 利用小型装置，对初选出的几种吸附剂进行活性实验，实验所用吸附质气体应是任务规定的待净化的气体。通过实验，再筛选出其中几种活性较好的吸附剂，做进一步实验。（3）寿命实验 在中型装置中，对几种活性较好的吸附剂进行寿命和脱附性能的实验。实验气体仍必须是待处理的气体，实验条件应是生产时的操作条件，所用的脱附方式也必须是生产中选定的。这样经过吸附脱附再生反复多次循环，确定每种吸附剂的使用寿命。（4）全面评估 对初选的几种吸附，综合活性、寿命等实验，再结合价格、运费等指标进行全面评估，最后选出一项既较适用、价格又相对便宜的吸附剂。吸附剂的选择是一项复杂繁琐的工作，需要仔细认真地进行。2、吸附装置的选择吸附装置是吸附系统的核心，工业上所使用的吸附装置共三大类，即固定床、移动床和流化床。其中以固定床应用最为广泛。但不论是哪一类吸附装置，在进行气体净化设计时，必须考虑基本要求。（1）吸附装置设计的基本要求1. 吸附装置出口排气必须达到排放标准这是对吸附装置的最起码要求。按照目前的规定，各类气态污染物的排放浓度必须达到国家环保局颁布的大气污染物综合排放标准（GB16297-1996）的规定，如果地方政府还有更严格的规定，还必须执行地方政府的规定。1996标准的规定对过去的标准进行了修订，提出了更严格的标准，今后随着可持发展战略的实施，国家可能还会对标准进行更严格的修订，因此在设计吸附装置时应随时注意排放标准的要求。2. 设备选型要面向生产实际设备选型要考虑实际生产中的规模、排气量、排污方式（连续或间歇，均匀排放还是非均匀排放）、污染物的物化特性、回收还是进一步处理等因素，正确选择吸附装置和吸附工艺系统，尤其对一些特殊污染物或特殊要求的场合。选择工艺系统时还应考虑生产的发展，留有适当的余地。3. 尽可能采用先进技术，通过改进设备结构，使吸附装置能保持在最佳状态下运行，使所设计的吸附系统处理能力大、效率高、收益大。4. 认真考虑经济因素所设计的吸附装置和系统尽可能地简化，易于安装、维修，使用寿命长，同时要使系统操作简便，易于管理，以节省投资及运行费用。（2）吸附装置的类型1. 固定床吸附系统固定床，顾名思义，它是将吸附剂固定在某一部位上，在其静止不动的情况下进行吸附操作的。它多为园柱形设备，在内部支撑的格板或孔板上放置吸附剂，使处理的气体通过它，吸附质被吸附在吸附剂上。固定床的应用是多见的。如果只需短期处理气流，那末通常只需一个吸附装置，当然这要以吸附周期之间有足够的时间间隔，以便进行吸附剂的再生。然而，情况通常不是这样，由于通常要求待处理气体连续流动，因此必须采用能按这种方式操作的一个或多个装置。用来从气流中除去污染物最普通的吸附系统型式，是由许多固定床装置组成的，这些装置以一定的顺序进行吸附操作和再生操作，以使气流保持连续。如果间歇操作和分批操作切实可行，则简单的单床层吸附就足够了，这时吸附阶段和再生阶段可交替进行。然而，由于大多数工业应用要求连续操作，因此经常采用双吸附床或三吸附床系统，其中一个或两个吸附床分别进行再生，其余的进行吸附。固定床吸附器也存在一些缺点：（1）间歇操作 为使气流连续，操作必然不断地周期性更换。为此必须配置较多的进出口阀门，操作十分麻烦。即使实现了自动化操作。控制程序也是比较复杂的。（2）需设有备用设备 即当一部分吸附器进行吸附时，要有一部分吸附床进行再生，这些吸附床中的吸附剂即处于非生产状态。即使处于生产中的设备里，为了保证吸附区的高度有一定富余，也需要放置多于实际需要的吸附剂，因而总吸附剂用量增多。（3）吸附剂层导热性差 吸附时产生的吸附热不易导出，操作时容易出现局部床层过热。另外，再生时加热升温和冷却降温都很不容易，因而延长了再生的时间。（4）热量利用率低 对于采用厚床层，压力损失也较大，因此，能耗增加。2. 固定床吸附器固定床吸附系统的核心装置是固定床吸附器。目前使用的固定床吸附器有立式、卧式、环式三种类型。（1）立式固定床吸附器分上流式和下流式两种。吸附剂装填高度以保证净化效率和一定的阻力降为原则，一般取0.52.0米。床层直径以满足气体流量和保证气流分布均匀为原则进行设计。处理腐蚀性气体时应注意采取防腐蚀措施，一般是加装内衬。立式固定床吸附器适合于小气量浓度高的情况。（2）卧式固定床吸附器 卧式固定床吸附器适合处理气量大、浓度低的气体。卧式固定床吸附器为一水平摆放的园柱形装置，吸附剂装填高度为0.51.0米，待净化废气由吸附层上部或下部入床。卧式固定床吸附器的优点是处理气量大、压降小，缺点是由于床层截面积大，容易造成气流分布不均。因此在设计时特别注意气流均布的问题。（3）环式固定床吸附器环式固定床吸附器又称径向固定床吸附器，其结构比立式和卧式吸附器复杂，如图3-8所示。吸附剂填充在两个同心多孔圆筒之间，吸附气体由外壳进入，沿径向通过吸附层，汇集到中心筒后排出。环式固定床吸附器结构紧凑，吸附截面积大，阻力小，处理能力大，在气态污染物的净化上具有独特的优势。目前使用的环式吸附器多使用纤维活性炭作吸附材料，用以净化有机蒸气。3. 移动床吸附器移动床吸附器的优点在于其结构可以使固相连续、稳定地输入和输出，还可以使气固两相接触良好，不致发生沟流和局部不均匀现象。由于气固两相均处于移动状态，所以克服了固定床局部过热的缺点。其操作是连续的，用同样数量的吸附剂可以处理比固定床多得多的气体，因此对处理量比较大的气体的操作，选用移动床较好。但是，移动床有它的固有缺点。主要是由于吸附剂处在移动状态下，磨损消耗大，且移动床结构复杂，设备庞大。设备投资和运行费用均较高。工业上应用的典型移动床吸附器是超吸附塔，它是由美国加利福尼亚联合石油公司（Theunion oil Company of Californie）于1947年研制的。设备高近30米，由塔体和流态化粒子提升装置二部分组成。吸附剂采用硬质活性炭。活性炭经脱附、再生及冷却后继续下降用于吸附。在吸附塔内，吸附与脱附是顺序进行的。在吸附段，待处理的气体由吸附段下部（即塔体中上部）进入，与从塔顶下来的活性炭逆流接触并把吸附质吸附下来，处理过的气体经吸附段顶部排出。吸附了吸附质的活性炭继续下降，经过增浓段到达汽提段。在汽提段的下部通入热蒸汽，使活性炭上的吸附质进行脱附，经脱附后，含吸附质的气流一部分由汽提段顶部作为回收产品（底部产品）回收，有一部分继续上升，到达增浓段。在增浓段蒸汽中所含的吸附质被由吸附段下来的活性炭进一步吸附，等于使这部分活性炭的“浓度”又增加了。活性炭经过汽提，大部分吸附质都被脱附，为了使之更彻底地脱附再生，在汽提段下面又加设了一个提取器，使活性炭的温度进一步提高，一是为了干燥目的，二是为了使活性炭更好地再生。经过再生的活性炭到达塔底，由提升器将其返回塔顶，于是完成了一个循环过程。在实际操作中，过程连续不断地进行，气体和固体的流速得到很好的控制。近年来在移动床中有使用极性吸附剂如分子筛作吸附剂的，用于净化极性气体如H2S等，结果也相当满意。4. 流化床吸附器用于气态污染物治理的流化床吸附工艺是20世纪60年代发展起来的，是固体流态化技术在气态污染物净化方面的具体应用。流化床是由气体和固体吸附剂组成的两相流装置。之所以称为流化床，是因为固体吸附剂在与气体的接触中，由于气体速度较大使固体颗粒处于流化状态。由于流态化的运动形式，使它具有许多独特的优点：（1）由于流体与固体的强烈扰动，大大强化了气固传质；（2）由于采用小颗粒吸附剂，使单位体积中吸附剂表面积增大；（3）固体的流态化，优化了气固的接触，提高了界面的传质速率，从而强化了设备的生产能力，由于流化床采用了比固定床大得多的气速，因而可以大大减少设备投资；（4）由于气体和固体同处于流化状态，不仅可使床层温度分布均匀，而且可以实现大规模的连续生产。和移动床吸附器一样，流化床吸附器系统也设有吸附段和脱附段。流化床吸附器从结构型式上一般分为二大类，一类是单层流化床吸附器，一类是多层流化床吸附器。前者结构简单，处理能力小，效率低，后者处理能力大，但结构复杂。多层流化床吸附器又可分为二类。一类是吸附段和脱附段分设，一类是吸附段和脱附段设在一个塔内，这个类型的吸附装置从大的结构形式上讲，与移动床中的超吸附塔相似，其根本区别是气体流速的不同。移动床吸附器的气体流速在临界流化气速之下，一般取临界流化气速的0.60.8倍，因而吸附剂在床层中不处在流化状态。而流化床中的气体流速在临界流化速度之上，界于临界流化气速和最大流化气速之间，因此使吸附剂在床层内处于流化状态。不论是吸附段和脱附段分设还是合在一起的流化床吸附器，其吸附段的结构类似吸收用的板式塔，只不过是塔板上流动的是吸附剂颗粒。在流化床吸附塔中，这些塔板称为气流分布板，是流化床装置的最重要部件，它对于流化质量的影响极为重要。设计好的分布板使气流分布均匀，吸附剂颗粒产生平稳的流化状态。同时还可防止正常操作时物料的下漏、磨损和小孔堵塞。多层流化床吸附器采用多块气体分布板，以抑制床内气体与固体颗粒的返混，改善停留时间分布，提高吸附效率。常用的几种气流分布板的结构形式如图3-11所示。其中（a）为直孔分布板，结构简单，易于制造。但其缺点是由于气流方向为轴向，易使床层形成沟流，且小孔易堵塞，停车时易漏料。为克服上述缺点，出现了如(b)所示的错迭多孔板，由两层多孔板将孔错开迭加起来，改善了气流分布，防止漏料。(a)和(b)多孔板只能适应负荷较小的小直径流化床，为了使气流分布板承受较大的固体负荷和热应力，设计出了如(c)、(d)所示的气流分布板，这种结构由于气流不是轴向吹出，因而改善了气流分布状况，防止了沟流的发生。缺点是制造较困难。随着大直径流化床的出现，为了提高处理能力，又设计出了类似吸收塔中的泡罩板一样的气流分布板，称为侧流式分布板，在分布板的孔上装上锥形风帽，如(e)、(f)所示，气流从锥帽底部的缝隙或锥帽四周的侧孔流出，改善了床层的流化质量。（g）为填充式分布板，这种板结构简单，气流分布均匀，还可隔热，但维修麻烦，且阻力较大。三、吸附器净化效率的计算与选择从理论上讲，要求吸附器的净化效率愈高愈好。然而，要想达到理想的净化效率，一方面需要庞大的吸附设备和很长的气、固接触时间，另一方面需要采用高强吸附能力的吸附剂。这将使设备投资和运行费用大大增加。这在实际上往往是不可行的，而且对于大部分场合也并不是完全必要的。吸附器净化效率是由吸附器的入口气体浓度，即污染气体的浓度和吸附器的穿透浓度决定的，设污染气体浓度为yo，污染物穿透吸附床时的浓度为yB，吸附器的吸附效率可由下式计算： (3-18) 对于一定的处理任务，yo是已经确定了的，而净化效率的高低就取决于yB的选择。对于一定的吸附器，yB愈低，净化效率会越高，但是吸附剂的利用率就会降低。为了充分利用吸附剂，尽可能地延长吸附床的吸附时间，往往希望确定出较高的yB。但yB的选定是受环境保护法规规定的该污染物排放浓度限制的。因此，在实际吸附器设计时，一般是在满足环保法规的前提下，尽可能地提高yB的值，以达到充分利用吸附剂的目的，从而降低处理成本。二、吸附法净化二氧化硫采用固体吸附剂吸附废气中的SO2是含硫气态污染物净化的主要方法之一。所用吸附剂有活性炭、活化煤（一种褐煤系半焦）、沸石分子筛、活性氧化铝等，活化煤价廉，但吸附容量小，只有2.53.6g/kg煤；活性炭（包括浸渍活性炭）吸附容量可达120160g/kg炭；合成沸石分子筛的吸附容量最大，可达290g/kg分子筛。近年来又出现了一类称作硅沸石的憎水分子筛，对SO2的吸附具有特殊的功效，它可以在N2、O2、CO2等气体存在下，选择性地吸附SO2，且吸附容量较大，目前已完成了中试。虽然有多种吸附剂，但目前应用最多的还是活性炭，有时为了降低处理成本，也用活化煤。而其它吸附剂在治理低浓度SO2时应用较少。这里重点介绍用活性炭吸附法脱除二氧化硫的原理和工艺。（一）方法原理用活性炭吸附SO2的工艺，一般都用在低浓度SO2烟气治理上。烟气中一般都含有一定量的氧和水蒸汽。因此氧和水的存在，也直接参与了吸附过程。吸附过程中物理吸附和化学吸附同时存在，其过程如下： SO2SO2* （物理吸附） O2O2* （物理吸附） H2OH2O* （物理吸附） 2SO2*+ O2*2SO3* （化学吸附） SO3*+ H2O*H2SO4* （化学吸附） H2SO4*+ nH2O*H2SO4nH2O* （化学吸附）式中*表示吸附态分子。（二）影响因素1. 水和氧的影响实验研究证明，混合气体中氧和水的存在，对活性炭的吸附起着很明显的催化作用。当没有水和氧存在时，吸附过程可认为是单纯的物理吸附，当有氧和水存在时，会导致化学吸附的发生，使总吸附量大大增加。据武汉化学研究所在用含氮活性炭吸附SO2的研究中发现，在活性炭表面催化氧化SO2时，氧的传递是反应的控制步骤。但当氧含量达到4%6%时，再增加含氧量，对SO2吸附量的增加已不明显，这个含氧量正是燃烧烟气中的含氧量，因此在具体工艺中，不必另外增加气体中氧的含量。水蒸汽含量的影响，一方面可以使SO3转化成H2SO4，从而使SO2吸附量增加，但若过高，由于水蒸汽凝缩形成的水膜会阻碍氧的传递。实验证实，烟气中水含量在10%左右时，SO2的吸附量达到最高。2. 吸附温度的影响吸附温度对SO2的吸附量有着显著的影响。尽管在活性炭吸附SO2中存在着化学吸附，但注意到，化学反应的存在仍然是以活性炭对氧和水蒸汽的物理吸附为基础的，因此，低温吸附仍然是有利的，一般掌握在20100范围内。也有采用中温或高温吸附的工艺，但再生时会损失活性炭，且存在着床层着火的危险。3. 吸附剂浸渍的影响近年来把吸附剂浸渍引入了活性炭烟气脱硫的工艺中来，已有报导，经过浸渍铜、铁、锰、钴、铬和锌等盐类的活性炭用于脱除SO2，可显著地提高活性炭的吸附能力，大多数研究者认为是这些盐类对SO2催化氧化作用所致。70年代，有关单位在湖北松木坪电厂用含碘和含氮活性炭进行了吸附SO2的脱除实验，结果证明，用这种活性炭吸附SO2，可使SO2的吸附容量提高23倍。但由于制备含碘和含氮活性炭增加了成本及工艺本身带来的问题，方案未及推广应用。（三）工艺流程活性炭吸附SO2的工艺按再生方式可分为加热再生、还原再生和水洗法再生三种流程，其中以水洗法再生流程应用最广。1. 水洗再生法流程直接用水把活性炭层中的硫酸洗涤下来，得到5%15%的稀硫酸，这种工艺出现在20世纪5060年代的原西德和日本。最典型的代表工艺是德国鲁奇（Lurgi）公司开发的用于烟气治理的活性炭吸附水洗制酸工艺，工艺采用双床并联的固定床吸附器，含SO2的烟气先在文丘里洗涤器中被来自循环槽的稀酸洗涤，起到降温和除尘的作用，同时还可以使稀酸蒸浓。洗涤后的烟气进入活性炭吸附器净化后排放。此流程不设计单独的再生时间，而是在气体连续流动的情况下从吸附器的顶端间歇喷水对炭层洗涤，得到稀酸并循环使用，达到10%15%时再用于文丘里洗涤，可增浓到25%30%，再经加热浓缩，可得到70%的硫酸，用来生产化肥。脱硫效率可达到90%以上。图3-21所示为该法流程的示意图。该工艺存在两大缺点，一是硫酸蒸浓时耗能太高，