大气污染控制工程第章气态污染物控制技术课件

1、大家好1第1页，共51页。第七章 气态污染物控制技术基础(2)气体吸附吸附原理吸附剂吸附速率吸附工艺与设备计算2第2页，共51页。第二节 吸附法净化气态污染物吸附用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面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、设备简单，易实现自动化控制。缺点：吸附容量小、设备体积大，需频繁再生。3第3页，共51页。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。具体应用 废气治理中脱除水分、有机蒸汽、恶臭、HF 、SO2、NOX等，海水淡

2、化中也有使用 。 4第4页，共51页。一、吸附原理5第5页，共51页。1.吸附类型物理吸附化学吸附1.吸附力范德华力，单层或多层吸附；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；6.解吸易；7.选择性不高。1.吸附力化学键力，单层吸附；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；6. 解吸难7.选择性高。6第6页，共51页。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7第7页，共51页。2.吸附平衡和吸附等温线方程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

3、量分数XT （m吸附的吸附质/m吸附剂）极限吸附量受气体压力和温度的影响吸附等温线 NH3在活性炭上的吸附等温线8第8页，共51页。吸附等温线9第9页，共51页。XT被吸附组分的质量与吸附剂质量比值P吸附质在气相中的分压k,n经验常数, 实验确定，通常n1斜率在0.10.5表示吸附易进行，若大于2，则难以进行吸附等温线方程弗罗德利希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分）lgXT对lgP作图为直线10第10页，共51页。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，则未覆盖率为（1-） 。若气相分压为p，则吸附速率为k1p(1-)。解吸速率为k2，当吸附达平

4、衡时： k1p(1-)= k2 朗格缪尔（Langmuir）方程式吸附等温线方程式中：k1, k2分别为吸附，解吸常数。11第11页，共51页。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 XT=A，即此时吸附量与气体压力无关，吸附达到饱和。朗格缪尔（Langmuir）方程式12第12页，共51页。若= 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；Vm-吸附剂被覆盖满一层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/(B Vm

5、)，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，但较大时，吻合性较差。13第13页，共51页。吸附等温线方程BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）14第14页，共51页。二、吸附剂吸附剂需具备的特性内表面积大极其疏松的固态泡沫体选择性吸附，吸附能力随吸附组分沸点升高而增大较高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大，吸附容量与表面积、孔隙大小、孔径分布、分子极性及吸附剂分子上官能团性质有关来源广泛，造价低廉良好的再生性能15第15页，共51页。气体净化常用的吸附剂白土：漂白土和酸性漂白土，主要成分硅铝酸盐，经加热和干燥后，形成多孔结构的物质。活性氧化铝：将含水氧化铝

6、，加热到737K，使之脱水形成。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：SiO2nH2O，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。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。沸石分子筛：是一种人工合成沸石，多孔性的硅酸铝骨架机构。16第16页，共51页。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 /kgm-32006007501000800800800800热容/

7、kJ(kgK)-10.8361.2540.8361.0450.920.7940.794操作温度上限/K423773673873873873平均孔径/15251848224513再生温度 /K373413473523393423473573473573473573比表面积 /g-1600160021036060017第17页，共51页。常用吸附剂特性分子筛特性分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，表面为固体骨架，内部的孔穴可起到吸附分子的作用。由于孔穴的结晶性质，分子筛的孔径分布非常均一。只吸附那些小于分子筛孔径的分子。具有强烈的吸水性。 18第18页，共51页。气体吸附的影响因素吸附剂活性

8、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。操作条件低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附增大吸附质分压利于吸附19第19页，共51页。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：吸附过程未达到饱和时单位吸附剂吸附吸附质的量。 流体通过吸附剂床层时，床层中吸附剂逐渐趋于饱和。 当流出吸附层的气体中发现有吸附质时，吸附器中的吸附剂层已穿透，这时单位吸附剂所吸附的吸附质的量称为动活性。吸附剂活性20第20页，共51页。气体吸附的影响因素吸附剂再生 溶剂萃取吸附质在该溶剂中的溶解性能远大于吸附剂

9、对吸附质的吸附作用活性炭吸附SO2，可用水脱附 置换再生脱附剂与吸附质的被吸附性能越接近，脱附剂越省脱附剂需要再脱附 降压或真空解吸 吸附作用 ，再生温度 加热再生21第21页，共51页。吸附剂再生(a)吸附(b)解吸22第22页，共51页。三、吸附速率吸附过程阻力外扩散内扩散吸附本身 吸附 外扩散（气流主体 外表面） 内扩散（外表面 内表面）23第23页，共51页。吸附速率物理吸附外扩散速率内扩散速率总吸附速率方程dMA-dt时间内吸附质从气相扩散至固体表面的质量ky，kx-外、内扩散吸附分系数p-单位体积吸附剂的吸附表面积YA*、XA*-吸附平衡时气相及吸附相中A的含量m平衡曲线的斜率常数

10、24第24页，共51页。动力学控制K化学平衡常数M系统平衡时的吸附量吸附速率25第25页，共51页。四、吸附工艺与设备计算1.吸附设备穿床速度通过吸附器的速度；气体穿床速度L0(吸附区长度)，它是直线且与1平行当LL0，是一条通过原点的曲线38第38页，共51页。未吸附区饱和区吸附传质区穿透点穿透曲线固定床吸附器计算39第39页，共51页。二、 吸附机理吸附平衡弗罗德里希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分） 朗格缪尔（Langmuir）方程式BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）40第40页，共51页。气体吸附的影响因素操作条件低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附增

11、大吸附质分压利于吸附吸附剂性质内表面积大选择性吸附，吸附能力随沸点升高而增大较高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大，吸附容量与表面积、孔隙大小、孔径分布、分子极性及吸附剂分子上官能团性质有关41第41页，共51页。气体吸附的影响因素吸附剂再生 溶剂萃取 置换再生 降压或真空解吸 加热再生42第42页，共51页。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）43第43页，共51页。保护作用时间L实际曲线与理论曲线的比较1理论线2实际曲线固定床吸附器计算44第44页，共51页。L实际曲线与理论曲线的比较1理论线2实际曲线3.固定床吸附器计算K吸附层保护作用系数，其物理

12、意义是：当浓度分布曲线进入平移阶段后，浓度分布曲线在吸附层中移动单位长度所需要的时间。1/K此浓度分布曲线在吸附层中前进的线速度。H吸附层未被利用部分的长度，亦称为“死层”。45第45页，共51页。4.移动床吸附器计算污染物在气相中的含量Y，污染物/惰性气体基于惰性气体的气相质量流量Gs污染物在吸附相中的含量X，污染物/净吸附剂净吸附剂的质量流量Ls全床对污染物作物料衡算考虑吸附器上部46第46页，共51页。4.移动床吸附器计算吸附速率方程LSdX=操作线p吸附剂颗粒表面积Y*与污染物在吸附相中浓度X对应的气相组成47第47页，共51页。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0.036500195kg/h 空气的流量65001956305kg/h 吸附器出口气相组成： H2S0.05(195)9.75 kg/h 空气6305