环保设备及应用——吸附设备

第二节吸附设备 一 概述 1 吸附净化吸附净化是利用多孔性固体物质的这一特点 实现净化废气的一种方法 2 吸附净化法的特点 1 适用范围 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 对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率 当处理的气体量较小时 用吸附法灵活方便 2 优点 净化效率高 可回收有用组分 设备简单 易实现自动化控制 3 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 间歇吸附过程的再生操作麻烦且设备利用率低 4 应用 广泛应用于有机化工 石油化工等部门 环境治理方面 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 二 吸附剂及再生 一 吸附剂1 工业用吸附剂应具备的条件 巨大的内表面和大的孔隙率 良好的选择性 吸附容量 较高的机械强度 化学与热稳定性 颗粒度要适中而且均匀 其他 良好的再生性能 要求吸附剂易再生和活化 来源广泛 造价低廉 吸附剂必须是具有高度疏松结构和巨大暴露表面的多孔物质 只有这样 才能给吸附提供很大的表面 吸附剂的有效表面包括颗粒的外表面和内表面 而内表面总是比外表面大得多 例如硅胶的内表面高达600m2 g 活性炭的内表面可高达1000m2 g 这些内部孔道通常都很小 有的宽度只有几个分子的直径 但数量极大 这是由吸附剂的孔隙率决定的 因此 要求吸附剂要有很大的孔隙率 除此之外 还要求吸附剂具有合适的孔隙和分布合理的孔径 以便吸附质分子能到达所有的内表面而被吸附 工业上应用吸附剂的目的 就是为了对某些气体组分有选择地吸附 从而达到分离气体混合物的目的 因此要求所选的吸附剂对所要吸附的气体具有很高的选择性 例如活性炭吸附二氧化硫 或氨 的能力 远大于吸附空气的能力 故活性炭能从空气与二氧化硫 或氨 的混合气体中优先吸附二氧化硫 或氨 达到净化废气的目的 吸附剂的吸附容量是指一定温度下 对于一定的吸附质浓度 单位质量 或体积 的吸附剂所能吸附的最大吸附质质量 用于固定床时 若颗粒太大且不均匀 易造成气路短路和气流分布不均 引起气流返混 气体在床层中停留时间短 降低吸附分离效果 如果颗粒太小 床层阻力过大 严重时会将吸附剂带出器外 2 工业常用吸附剂 活性炭 活性炭是一种非极性吸附剂 具有疏水性和亲有机物质的性质 它能吸附绝大部分有机气体 如苯类 醛酮类 醇类 烃类等以及恶臭物质 因此 活性炭常被用来吸附和回收有机溶剂和处理恶臭物质 对SO2 NOx Cl2 H2S CO2等有害气体也有优良的吸附能力 因此 在吸附操作中 活性炭是一种首选的优良吸附剂 优点 性能稳定 抗腐蚀 缺点 可燃性 因此使用温度不能超过200 在惰性气流掩护下 操作温度可达500 普通活性炭炭分子筛纤维活性炭 颗粒状活性炭 粒炭 粉状活性炭 粉炭 附能力比一般的活性炭高出1 10倍 特别是对于一些恶臭物质的吸附量比颗粒活性炭要高40倍左右 多用于气体吸附 多用于液体的脱色处理 活性氧化铝 活性氧化铝是一种极性吸附剂 无毒 对水的吸附容量很大 常用于高湿度气体的吸湿和干燥 它还用于多种气态污染物 如SO2 H2S 含氟废气 NOx以及气态碳氢化合物等废气的净化 活性氧化铝机械强度好 可在移动床中使用 并可作催化剂的载体 而且它对多数气体和蒸气是稳定的 浸入水或液体中不会溶胀或破碎 循环使用后其性能变化很小 因此使用寿命长 硅胶 硅胶是一种极性吸附剂 可以用来吸附SO2 NOx等气体 但难于吸附非极性的有机物 同时亲水性好 从水中吸附水份量可达硅胶自身质量的50 常用于处理含湿量较高的气体干燥 烃类物质回收等 硅胶还可用作催化剂的载体 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 通式为 Mex n Al2O3 x SiO2 y mH2O特点 孔径整齐均一 因而具有筛分性能 一种离子型吸附剂 对极性分子 不饱和有机物具有选择吸附能力 吸附树脂 最初为酚 醛类缩合高聚物 以后出现一系列的交联共聚物 如聚苯乙烯等 大孔吸附树脂除了价格较贵外 比起活性炭 物理化学性能稳定 品种较多 能用于废水处理 维生素的分离及H2O2的精制等 3 影响气体吸附的因素 温度吸附过程是一个放热过程低温 有利 物理吸附 高温 有利 化学吸附 压力增大气相主体的压力 吸附质分压上升 吸附量增加 但增大压力不仅会增加能耗 而且还会给吸附设备和吸附操作带来特殊要求 因此一般不为此而设增压设备 气流速度固定床 0 2 0 6m s 吸附剂浸渍这是提高吸附剂吸附能力 容量 和选择性的一种有效方法 其处理方法是将吸附剂预先在某些特定物质的溶液中进行浸渍 再把吸附了这些特定物质的吸附剂进行干燥 然后再去吸附某些气态物质 使这些气态物质与预先吸附在吸附剂表面上的特定物质发生化学反应 对于同一种吸附剂 可根据吸附处理有害气体中污染物的种类 选择浸渍一些特定物质 以提高吸附的选择性 4 吸附剂的活性 定义 以被吸附物质的重量对吸附剂的重量或体积分数表示 是吸附剂吸附能力的标志 5 吸附剂的再生 再生方法 1 加热解吸再生 2 降压或真空解吸再生 3 溶剂萃取再生 4 置换再生 5 化学转化再生 二 吸附设备 立式固定床吸附器卧式固定床吸附器环式固定床吸附器移动床吸附器流化床吸附器 适合于小气量浓度高的情况 适合处理气量大 浓度低的气体 阻力小 处理能力大 用以净化有机蒸气 一 类型 立式固定床吸附器 1 砾石 2 卸料孔 3 6 网 4 装料孔 5 废气及空气入口 7 脱附气排出 8 安全阀接管 9 顶盖 10 重物 11 刚性环 12 外壳 13 吸附剂 14 支撑环 15 栅板 16 净气出口 17 粱 18 视镜 19 冷凝排放及供水 20 扩散器 21 吸附器底 22 梁支架 23 扩散器水蒸气接管 卧式固定床吸附器 1 壳体 2 供水 3 人孔 4 安全阀接管 5 挡板 6 蒸汽进口 7 净化气体出口 8 装料口 9 吸附剂 10 卸料口 11 砾石层 12 支脚 13 填料底座 14 支架 15 蒸汽及热空气出入口 环式吸附器 1 支脚 2 废气及冷热空气入口 3 吸附剂筒底支座 4 壳体 5 6 多孔外筒和内筒 7 顶盖 8 视孔 9 装料口 10 补偿料斗 11 安全阀接管 12 吸附剂 13 吸附剂筒底座 14 卸料口 15 器底 16 净化器出口及脱附水蒸气入口 17 脱附时排气口 带再生的多层流化床吸附装置 1 脱附器 2 吸附器 3 分配板 4 料斗 5 空气提升机构 6 冷却器 二 固定床吸附系统 固定床的应用较多见 如果只需短期处理气流 那么通常只需一个吸附装置 要求待处理气体连续流动 必须采用能按这种方式操作的一个或多个装置组成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 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 三吸附床吸附系统 双吸附床吸附系统 三 吸附装置的设计 一 常见的吸附器 二 固定床吸附器的设计计算设计计算应包括确定 1 吸附器的型式 2 吸附剂的种类 3 吸附剂的需要量 4 吸附床高度 5 吸附周期 等 以上参数的选择应从吸附平衡 吸附传质速率及压降来考虑 1 设计依据废气的流量 性质及污染物浓度 国家排放标准 2 吸附器的确定对吸附器的基本要求 具有足够的过气断面和停留时间 良好的气流分布 预先除去入口气体中污染吸附剂的杂质 能够有效的控制和调节吸附操作温度 易于更换吸附剂 3 吸附剂的选择 同 工业吸附剂应具备的条件 依据 等温吸附线 得到或测出 须满足条件 对所处理污染物选择性强 比表面积大 吸附容量大 具有较好机械强度 热稳定性及化学稳定性 4 吸附区高度的计算常用两种 穿透曲线法 希洛夫近似法 1 穿透曲线 透过曲线 法 A 吸附负荷曲线在流动状态下 气相中的吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线 或在一定温度下吸附剂种吸附的吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线称为 结合补图10 1 分析一下床层内吸附质浓度在整个操作过程的变化 说明 横轴Z 吸附剂床层高度 横轴X 吸附剂的吸附负荷 X0 吸附剂原始浓度 或反复再生过的吸附剂中残留的吸附质浓度 Xe 吸附剂达到饱和时的负荷 0 床层开始吸附的时间 b 达到破点的时间 e 全床达到吸附平衡 饱和 的时间 吸附剂中吸附质浓度的变化 0 吸附剂中吸附质浓度的变化 续 b b e a 图 0 未通过含吸附质气体时 b 图 已通入含吸附质气体 在吸附剂进口处吸附剂刚刚出现饱和时 c 图 在床层的进气端吸附质负荷为Xe 此区称为 平衡区 或称 饱和区 而靠近气体出口侧 床层中的吸附负荷仍为X0 此区内的吸附剂仍具有高度活性 此区称为 未用区 介于平衡区和未用区之间的那一部分床层其吸附负荷由饱和Xe的变化到起始的X0 形成一个S形曲线 这段床层进行吸附过程 故称 传质区 或 传质带 而S曲线称为 吸附波 或 传质波 又称 传质前沿 d 图 b 吸附波前沿刚刚到达吸附层下端口 若继续进行吸附 则从流出床层气体中 将发现有吸附 此即所谓 穿透现象 或称