有机气体甲苯吸附过程中温度变化曲线的研究

有机气体甲苯吸附过程中温度变化曲线的研究

废水处理（vocs）的去除是控制污染物污染的一个热点问题。在本研究中，我们将重点关注绍兴碳吸收过程中对苯甲酸的吸附，并通过atieaproemieretechnologyprocedural软件对生成的数学模型进行差分分解，这为有效解决吸附过程中无法直接确定的物质有效传递系数带来了困难的解决方案，并为吸附过程的设计、预测和优化提供了支持。1活性炭吸附法ent实验装置主要采用固定床吸附装置研究吸附过程.该装置由配气系统、恒温系统、吸附柱、测试系统(气相色谱仪FID,RS53-T,Ratfischnahysystem,德国)和数据处理系统(SolartronInstrument,S135951,IMP)组成.实验时,由真空泵吸取配置好的一定浓度的干燥有机气体,泵入吸附柱,进行吸附处理.当外排气有机气体浓度与进气浓度相同,并维持30min以上时,认为吸附已达到平衡.称取活性炭的重量,以确定吸附容量.通过理论计算,确定称量误差在5%之内.实验材料为吸附剂:活性炭C40/4(Carbotech.Ltd.Co,德国,柱状(堆积密度:390kg/m3;700kg/m3;BET表面积:106m2/kg;活性炭颗粒空隙率:0.667;颗粒尺寸:φ4mm×8mm;比热:0.8kJ/Kkg)吸附前,在403K下至少3h干燥处理.吸附质:甲苯(kosterundBohmkeLtd.Co.德国,纯度≥99.5%).2数学模型2.1活性炭颗粒纤维在吸附柱中的吸附行为式中:ρg为气体总密度,kg/m3;t为吸附时间,s;ug为气体在吸附柱中的空塔速度,m/s;z为吸附柱纵坐标,m;ε为活性炭颗粒空隙率;n为吸附质数量;ni为i的吸附速率,kg/m3s.2.2相桥中组分的物质固定式中:ρgi为某一种吸附质组分密度,kg/m3;Dax为组分轴向扩散系数,m2/S;qi为组分i吸附量,kg/kg.2.3固相中的物质保护方式式中:ρs为吸附剂的堆积密度,kg/m3;βi为组分i有效传质系数,1/s;为组分i在一定浓度下的饱和吸附量,kg/kg.2.4温度和传热系数的测定式中:Cgi为组分i的热容,kJ/kgK;Cs为吸附剂的热容,kJ/kgK;Ci为吸附质i吸附态的热容kJ/kgK;θg为气体温度,℃;p为气体压力,Pa;Cg为气相总热容;hadi为组分i的吸附热,kJ/kg;αw为吸附柱综合传热系数;dp为吸附柱壁厚,m;θw为吸附柱墙体温度,℃;ε为活性炭堆积空隙率.2.5变量守备法式中:P为吸附柱吸附气相总压力,Pa.2.6边境条件式中:yi为气象组分分率;H为吸附柱高,m;ρg0为吸附柱进口气相总密度,kg/m3;△P为气体在整个吸附柱中的压力损失,Pa.3温度和温度作用下的热传递系数为保证模拟具有一定的精确性,吸附柱分成50等份(△z=0.15/50=0.003),>50等分的数值模拟结果基本无偏差.将吸附量、传质和传热系数带入式(1)～(6),用Athenavisualworkbench软件进行数值模拟.模拟中发现吸附质轴向扩散系数是一个很小的数,可忽略不计,从而使模型更加简化.模拟后,得图1～6结果,图中:线为模拟值;点为实验值.从图1～6中可以看到,模型能很好地将实验过程模拟.这个模拟方法的主要优点是:通过模型间的相互关系,方便而简洁的计算出来,或者通过简便的试验测定出来.模型的主要参数:ε=0.428;△hadi=752.00kJ/kg;αw=0.126kJ/m2sK;Rp=3.16×10-3m;初始空他速度ug0=0.34m/s;db=0.028m.从模拟过程中得知,浓度曲线基本上不受热传递系数的影响,温度曲线对热传递系数更为敏感.而物质传递系数却对浓度曲线以及温度曲线有显著影响.这种现象可以这样来解释:物质传递锋面,比起温度传递锋面来说,具有更快的速度.因为活性炭具有相对来说较大的热容,在这种情况下,通过模型数值模拟对实验数据的拟合,来获得准确的物质传递系数和热传递系数.首先通过对浓度曲线的拟合来获得有效的物质传递系数β,再通过对温度曲线的拟合来获得有效的热传递系数αw,这种研究方法也为有效的热与物质传递系数研究提供了有效的手段.从β计算过程中得知,吸附质有效扩散系数主要受分子自由扩散和微孔中分子knudsen扩散所控制,其中分子自由扩散占90%以上.表面扩散,以及由于压力差所引起的laminare扩散对其影响不大,由此吸附柱的压力差对吸附曲线也影响不大.从图中,可看到穿透曲线形状受进口浓度的影响,在吸附阶段,当进口浓度越大,物质传递速率就越大,穿透曲线斜率也随之变大,同时传质推动力变高,传质区变短,因而越早到达吸附平衡;由于单位时间吸附量越多,所以单位时间放出的热也越多;同样进口浓度的气体在温度低的情况下,由于吸附量变大,使之达到平衡的时间变长,不同温度下,由于物质传递速率基本相等,吸附穿透曲线形状也就基本一样,所以放热所造成的温差基本一致,温度曲线形状基本一致;穿透时间随吸附温度的上升而缩短.甲苯在活性炭上的吸附可被认为是物理吸附,吸附剂的吸附容量随着温度的增加而降低.随着吸附容量的降低,穿透时间也随之缩短.吸附穿透曲线斜率仅受进口浓度影响,温度、空塔速度、床层高度则让穿透曲线左右平移.温度曲线的模拟与试验结果,在吸附传质区范围内能很好地相符合,在吸附刚开始时和吸附达到平衡时的温度模拟不是很理想.这有待于进一步研究.但是有一点可以肯定,由于热效应不是很大,无论吸附和脱附,造成的温差不大,在10℃以内,相对来说较大的活性炭热容使他对吸附时浓度曲线的影响也不大,可以忽略不计.温度变化最大值正好处在浓度曲线斜率最大的时间,也就是说,传质区中传质速度最大的时刻.由于单位时间吸附量多,所以单位时间放出的热也就多,造成的温度变化也就大.从试验曲线以及模拟曲线来看,都反映了这个现象.从图中可知,理论穿透曲线与实验结果相近,仅在穿透点有些差异.计算结果表明,模拟预测的穿透曲线与实验结果吻合良好,说明所建模型与选用参数合理正确.因此,在工程设计中利用理论穿透曲线预测甲苯在活性炭传质区分布情况,是有现实意义的.有效传质系数在同一进口浓度下,随着温度的升高而增大;在同一温度时,有效传质系数先增大,然后减小,在其间有一个峰值.4模拟方法的可行性1)采用的模型可以较好地模拟固定床吸附工艺的全过程;能对实验结果进行预测.数值解所得结果能够清楚地反映固定床吸附工艺出口气浓度变化情况、固定床层温度变化情况;2)浓度曲线基本上不受热传递系数的影响;3)由于相对来说较大的活性炭热容,使物质传递系数对浓度曲线及温度曲线有显著影响;4)吸附由微孔扩散所