气态污染物控制技术基础

气态污染物控制技术基础§2.吸附法净化气态污染物吸附机理吸附剂吸附速率吸附工艺与设备计算吸附用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的一种或多种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、设备简单缺点：吸附容量小、设备体积大§2.吸附法净化气态污染物一、吸附机理物理吸附化学吸附1.吸附力－范德华力；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；1.吸附力－化学键力；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；1.吸附类型：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，发生化学吸附物理吸附和化学吸附当吸附速度＝脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值.平衡吸附量是吸附剂对吸附质的极限吸附量，亦称静吸附量分数或静活性分数。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2.吸附平衡和吸附等温线方程吸附等温线XT－单位吸附剂的吸附量P－吸附质在气相中的平衡分压K,1/n－经验常数,实验确定弗罗德里希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分）lgm对lgP作图为直线吸附方程式朗格缪尔（Langmuir）方程（I型等温线）吸附方程式BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）吸附方程式1.吸附剂需具备的特性内表面积大具有选择性吸附作用高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大来源广泛，造价低廉良好的再生性能二、吸附剂10X分子筛氧化铝树脂活性炭活性炭纤维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/kg·m-3200～600750～1000800800800800热容/kJ(kg·K)-10.836～1.2540.836～1.0450.920.7940.794——操作温度上限/K423773673873873873平均孔径/Å15～2518～48224513再生温度/K373～413473～523393～423473～573473～573473～573比表面积/㎡·g-1600～1600210～360600——————2.常用吸附剂特性分子筛特性3.常用吸附剂特性操作条件低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附增大气相压力利于吸附

吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）气体吸附的影响因素典型吸附质分子的横截面积气体吸附的影响因素吸附质性质、浓度临界直径－吸附质不易渗入的最大直径吸附质的分子量、沸点、饱和性吸附剂活性单位吸附剂吸附的吸附质的量静活性－吸附达到饱和时的吸附量动活性－未达到平衡时的吸附量气体吸附的影响因素分子

临界直径/Å分子临界直径/Å氦氢乙炔氧一氧化碳二氧化碳氮水氨氩甲烷乙烯环氧乙烷乙烷甲醇乙醇环丙烷丙烷 正丁烷-正二十二烷2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.44.754.894.9

丙烯1-丁烯2-反丁烯1,3-丁二烯二氟-氯甲烷(CFC-22)噻吩异丁烷-异二十二烷二氟二氯甲烷(CFC-12)环己烷甲苯对二甲苯苯四氯化碳氯仿新戊烷间二甲苯邻二甲苯三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4常见分子的临界直径吸附剂再生

溶剂萃取活性炭吸附SO2，可用水脱附

置换再生脱附剂需要再脱附

降压或真空解吸

吸附作用，再生温度

加热再生气体吸附的影响因素(a)吸附(b)解吸吸附剂再生吸附过程

吸附

外扩散（气流主体外表面）

内扩散（外表面内表面）三、吸附速率

吸附速率将取决于外扩散速率、内扩散速率及吸附本身的速率。在物理吸附过程中，吸附剂内表面上进行的吸附与脱附速率一般较快，而“内扩散”与“外扩散”过程则慢得多。因此，物理吸附速率的控制步骤多为内、外扩散过程。对于化学吸附过程来说，其吸附速率的控制步骤可能是化学动力学控制，也可能是外扩散控制或内扩散控制。通常，较常见的情况是内扩散控制，而外扩散控制的情况则较少见。外扩散速率内扩散速率总吸附速率方程三、吸附速率

工业上的吸附过程，按吸附操作的连续与否可分为间歇吸附和连续吸附；按吸附剂的移动方式和操作方式可分为固定床、移动床、流化床和多床串联吸附等；按照吸附床再生的方法又可分为升温解吸循环再生（变温吸附）、减压循环再生（变压吸附）和溶剂置换再生等。四、吸附工艺与吸附设备计算固定床吸附工艺移动床吸附工艺移动床吸附工艺流化床吸附工艺流化床吸附工艺固定床吸附器的计算是以吸附平衡和吸附速率为基础。吸附平衡是由吸附剂和吸附质的性质所决定。吸附速率主要体现在传质区的大小、穿透曲线的形状、到达破点的时间以及破点出现时床层内吸附剂所达到的饱和程度。这些是设计固定床吸附器及选择吸附周期所必须的参数。由于固定床在操作时床层内有饱和传质、未饱和和未利用三个区，在传质区内吸附剂的吸附质浓度是随时间而改变的，同时随着传质区的移动，三个区的位置又在不断改变，所以固定床吸附是处在不稳定状态，其影响因素较多。为简化设计计算，一般采用近似计算法，常用的方法有：穿透曲线法和希洛夫近似计算法。固定床吸附计算吸附负荷曲线吸附床平衡区传质区未用区吸附床长度固定床吸附计算固定床吸附计算一、保护作用时间τ－L实际曲线与理论曲线的比较1－理论线 2实际曲线因此，当吸附速率无穷大时，保护时间与吸附层长度的关系在τ-L图上是一条过原点的直线即图中1线；但是实际上当吸附达到穿透时，传质区中尚有一部分吸附剂未达到饱和，即实际的饱和吸附量小于静平衡吸附量a,吸收操作的连续时间τ要比吸附速度为无穷大时的保护作用时间τ`小(见图2线)。其差值τ0称为持续时间损失，则实际操作时间固定床吸附计算τ－L实际曲线与理论曲线的比较1－理论线 2实际曲线对于一定的吸附系统及操作条件，静活度值、堆积密度、气体流速和吸附质的浓度为常数，可表示为A

式中的h是与对应的保护作用时间损失τ0相对应的“吸附床层的高度损失”，此高度h可看成是完全没有起吸附作用的“死层”。吸附床的实际操作时间τ与床层高度L如图中曲线2（应为实测线）。由曲线2可以看出，当L＞L0（吸附区长度）时它是直线1的平行，当L＜L0时，是一条通过原点的曲线。曲线2的切线（虚线）与L轴交于A，与τ轴交于负端B，则有例

用活件炭固定床吸附器吸附净化含四氯化碳废气。常温常压下废气流量为1000m3/h，废气中四氯化碳初始浓度为2000mg/m3，选定空床气速为20m/min。活性炭平均粒径为3mm，堆积密度ρc为450kg/m3，操作周期为40h。在上述条件下，进行动态吸附实验取得如下数据：

请计算

（1）固定床吸附器的直径、高度和吸附剂用量；（2）在此操作条件下，活性炭对CCl4的吸附容量；（3）吸附波在床层中的移动速度。

二、吸附床长度（高度）采用穿透曲线法来计算。假定条件等温吸附低浓度污染物的吸附吸附等温线为第三种类型吸附区长度为常数吸附床的长度大于吸附区长度在计算中，由于吸附剂和不被吸附的载气在吸附过程中是不变的，所以下面的计算是以无吸附质基气体，即惰性气体的比质量分数来表示组成。固定床吸附计算在破点处流出物的量图7－24理想透过曲线τE

τa

WaWBWE对应τaτBτE

令τf为传质区形成所需的时间，则传质区移动等于床层总高度L之距离所需时间为τE-τf，因此，传质区高度L0为气体在传质区里，从破点到吸附剂基本上失去吸附能力，被吸附的吸附质量如图7-24中阴影部分所示，其量QB为

在传质区内全部为吸附质所饱和时，吸附量为Y0Wa。因此，破点时传质区内仍具有吸附能力的面积比率f为

由于吸附波形成后尚有f这一部分面积未吸附，因此传质区形成时间τF要小于传质区移动L0距离的时间τa。当f=0时，则表示吸附波形成后，传质区已达到饱和，这样，传质区形成时间τF应基本上与传质区移动距离Za所需时间τa相同。而当f=1时，表示传质区中吸附剂基本上不含吸附质，传质区形成的时间应很短，基本等于0，所以可得下式

吸附床长度L0－吸附区长度WA－穿透至耗竭的惰性气体通过量WE－耗竭时的通过量1-f－吸附区内的饱和度(7-120)固定床吸附计算三、破点时全床层饱和度S的计算ef整理上上式得到计算吸附床高度的方程式也可得到吸附床穿透时间或保护作用时间：在固定床操作中，传质区是通过固定床层沿流体流动方向移动的，直到达到操作停止为止。然而，可以设想成固体吸附剂以足够的速度与流体逆向运动，以致传质区在床层一定高度上以稳定状态维持不动，如后附图，从而使计算简化。图中表示离开床层顶部的吸附剂与进口气体平衡，而流出的气体中吸附质已被吸附，当然，要达到这样的要求，其层床应该是无限高，但这里主要是讨论涉及相当于传质区两端平面上的浓度。四、传质区传质单元数的计算传质区传质单元数的计算（a）（b）对于整个床层的吸附质进行物料衡算，有：或：如上附图（b）所示，上式为一条通过原点斜率为Ls/Gs的操作线。

在床层的任一截面上，吸附质在气体中的浓度Y与吸附质在固体吸附剂上的浓度X之间有如下关系：

在床层内取一微元高度为dL作物料平衡，则在单位时间、单位面积的dL的高度内，气相中吸附质的减少应等于固相吸附剂的吸附量：对于传质区则有：传质区内的传质单元数为：传质区内的传质单元高度为：即：传质区内气相总传质单元高度设在任何小于Za的床层高度z内，HOG不随浓度而变化，z所对应的气相浓度为Y，则有可用图解积分法求得，也可按该式绘制穿透过曲线例2在305K及101.3kPa下，湿度为10%的空气通过硅胶固定床进行等温干燥。若固定床出口空气中水分含量达125×10-6（按质量计）时被认为达到破点，出口气体中水分含量达2250×10-6时，则认为床层已失去吸附能力。床层的气相传质系数为kYap=1260G0.55[kg/(h·m3·⊿Y)]，式中G[kg/(h·m2)]为气体质量流率，平衡关系示于图9-23中。求：（1）传质单元数；（2）空气表观速度为1055kg/(h·m2)时，需不含吸附质的吸附剂的数量LS；（3）假定ksap近似等于kYap的15%，求总气相传质单元数；（4）破点时床层饱和度达90%，求此时床层高度；（5）床层堆积密度为720kg/m3，求破点发生时间。图9-23例2计算图解

1）图解计算吸附器的压力损失操作线吸附速率方程移动床计算移动床计算例：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＝0.03×6500＝195kg/h

空气的流量＝6500－195＝6305kg/h