吸附法净化气态污染物.ppt

1、第9章吸附法净化气态污染物,气体吸附及吸附剂 吸附平衡及吸附速率 吸附装置及吸附工艺 固定床吸附过程的分析及计算 吸附剂的再生 吸附法的应用,9.1气体吸附及吸附剂,气体吸附,用多孔固体将气体混合物中的一种或几种组分浓集于固体表面，而与其它组分分离的过程。,吸附剂：多孔固体 吸附质：被吸附到固体表面的物质,吸附法的优点和缺点,优点： 选择性高、分离效果好、净化效率高、设备简单、操作方便、易于实现自动控制等，特别是对于处理低浓度废气非常有效；通过吸附剂的解吸可回收污染物，实现废物资源化。 缺点： 运行和维护成本相对于吸收法较高，压力损失较高。,9.1气体吸附的分类,物理吸附：,范德华力，单层吸附

2、或多层吸附,化学键力，单层吸附,化学吸附：,物理吸附的特征： 气固间不发生化学反应 对气体无选择性，可吸附所有气体 单分子层吸附和多分子层吸附兼有 吸附过程为放热过程（低温有利于物理吸附）,化学吸附的特征： 明显的选择性 单分子层吸附 放热过程，吸附热大 被吸附分子结构发生变化，活性显著升高 吸附速率随温度的升高而增加,物理吸附与化学吸附比较表,气体吸附过程,9.2吸附剂,常用工业吸附剂 活性氧化铝硅胶活性炭沸石分子筛,吸附能力强，吸附容量大； 巨大的内表面积和孔隙率； 对不同的气体具有选择性的吸附作用； 较高的机械强度、化学和热稳定性； 良好的再生性能； 颗粒均匀； 来源广泛，造价低廉 。,

3、吸附剂的条件,活性碳纤维,工业专用活性炭,水处理活性炭,活性炭,净水椰壳活性炭,椰壳载银炭,山楂壳活性炭,酒类专用炭,针剂用活性炭,汽油脱硫活性炭,活性炭过滤棉,活性炭过滤器,小包变色干燥剂,硅胶干燥剂,蓝色硅胶,啤酒硅胶,食品干燥剂,活矿干燥剂,活性氧化铝干燥剂,石灰干燥剂,氧化钙干燥剂,分子筛,鞋脱臭剂,地毯专用除味保养剂,纺织品专用除味保养剂,日用吸附产品,吸附剂,9.2吸附平衡与吸附速率,吸附平衡的概念：吸附速率=脱附速率 平衡吸附量：静态吸附量、静活性 吸附平衡关系：平衡吸附量与吸附质在流体中浓度 及温度之间的关系。 吸附等温式： 朗格缪尔吸附等温式 弗伦得利希吸附等温式 BET方程

4、,吸附剂对吸附质的吸附极限量,吸附的基本概念,吸附容量,静活性,动活性,一定温度压力条件下，单位质量吸附剂上所吸附的吸附质的量（%，kg吸附质/kg吸附剂）,吸附能力的标志,一定温度压力条件下，达到平衡时单位质量吸附剂上所吸附的吸附质的量，即平衡吸附量,取决于温度、吸附质的浓度或分压,一定温度压力条件下，将气体混合物通过吸附床层，吸附质被吸附，当吸附一时间后，当从吸附剂床层流出吸附质时，床层失效，此时单位质量吸附剂上所吸附的吸附质的量,与温度、吸附质的浓度或分压、操作条件有关,朗格缪尔（Langmuir）方程式,A饱和吸附量； K吸附、解吸常数之比； 吸附剂表面覆盖率； P气体压力； V气体压

5、力为PA时气体在标准状态下的体积； Vm吸附剂被覆盖满一层时气体在标准状态下 的体积。,物理吸附， 兼有化学吸附,弗罗德里希（Freundlich ）方程式,XT被吸附质质量与吸附剂质量之比； PA被吸附组分在气相中的平衡分压，Pa； B、n经验常数。,P0在吸附温度下吸附质的饱和蒸气压，Pa；,BET（Brunauer、Emmett、Teller ）方程式,物理吸附， 多层吸附,型：微孔填充特征 型：多相基质上不受限制的多层吸附 型：吸附剂与吸附质之间的作用微弱 型：具有滞后回线 型：具有滞后回线且吸附剂与吸附质之间的作用微弱 型：均匀基质上的惰性气体分子分阶段多层吸附,吸附等温线,型：80

6、K下N2在活性炭上的吸附；型： 78K下N2在硅胶上的吸附； 型： 351K下溴在硅胶上的吸附；型： 323K下苯在FeO上的吸附； 型： 373K下水蒸气在活性炭上的吸附；型：惰性气体分子分阶段多层吸附。,SO2在硅胶上的吸附等温线,NH3在活性炭上的吸附等温线,二氧化碳在活性炭上的吸附等温线,吸附过程,吸附质从气流主体穿过颗粒周围气流扩散至外表面； 吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂微孔表面； 吸附质在内表面被吸附； 吸附质从内表面脱附； 吸附质由吸附剂微孔表面经微孔扩散至外表面； 吸附质从外表面扩散至气流主体穿过颗粒周围气流。,吸附过程 两种浓度曲线,吸附速率,dqAdt时间内吸附质扩散到

7、吸附剂表面的质量， kg/ m3； ky外扩散吸附系数，kg/(m3.s)； ap单位吸附剂的吸附表面积，m2/m3； YA、YAs吸附质在气相中和吸附剂外表面上的浓度质量分数。 kx内扩散吸附系数，kg/(m3.s)； XA、XAs吸附质在气相中和吸附剂外表面上的浓度质量分数。,外扩散速率,内扩散速率,总速率方程,分吸附系数与总吸附系数间的关系：,影响气体吸附的因素,比表面积，m2/g； f单位体积气体铺成单分子层时所占的面 积，m2/mL； N0阿佛加德罗常数； A吸附质分子的横截面积，m2； Vm吸附剂表面单层分子铺满时的气体体 积，mL； W吸附剂的重量，g。,操作条件：温度、压力 吸

8、附质的性质：孔隙率、孔径、粒度、比表面积、吸附质的分 子量、沸点、饱和性 吸附剂的活性：静活性、动活性,9.3吸附装置及吸附工艺,固定床吸附器,移动床吸附器,流化床吸附器,变压吸附设备,变压吸附设备是指采用分子筛为吸附剂，通过压力的变化，利用空气中氧气、氮气在分子筛表面吸附量的差异达到氧、氮分离的目的。由于变压吸附属于常温空气分离，因此具有能耗低、启动速度快（30分钟即可达到要求）、自动化程度高、结构紧凑、占地面积小、一次投资少等特点。变压吸附制氧纯度可达93%，变压吸附制氮纯度可达98%至99.99%，适用于对使用纯度要求不高的冶金、化工等行业。,变压吸附制氮,PSA制氮机,环已烷吸附设备,

9、活性炭纤维有机废气高效吸附装置,本发明巧妙地将一次吸附后的尾气收集起来，处理后用作二次吸附的气源或干燥风。使得活性炭纤维吸附装置的多次吸附成为可能，也就是说达到苛刻的国家排放标准成为可能。,活性炭纤维有机废气吸附装置专用密封装置,二氯甲烷吸附回收装置,吸附工艺,半连续式固定床吸附流程,移动床吸附工艺流程图,连续式流化床吸附工艺流程图,9.4固定床吸附过程的分析及计算,固定床吸附的分析 吸附负荷曲线 穿透曲线 传质区高度,Ye,Y0,固定床吸附的分析,吸附负荷曲线 横坐标：床层离进口端的长度 纵坐标：床层中的吸附负荷量 穿透曲线 横坐标：床层离进口端的长度 纵坐标：床层中的吸附负荷量 传质区高度

10、 穿透时间 所对应的浓度 （流出物吸附质）到干点时间 所对应的浓度 区间内传质前沿或穿透曲线在轴上的长度,影响穿透曲线的因素,吸附质浓度 吸附质分子量 吸附剂颗粒大小 吸附剂使用程度 吸附剂种类及吸附质的差异 穿透曲线形状：陡-吸附过程速率快 平缓-吸附过程速率慢 当曲线为一竖立直线时，则是理想的吸附波,固定床吸附器内的浓度分布,理想穿透曲线,吸附区高度的计算,穿透曲线法 气相中吸附质的浓度低 等温吸附，吸附等温线是线性的 传质区高度远小于吸附器高度 希洛夫近似法 吸附速率无穷大，吸附质进入后立即被吸附 到达破点时，吸附床层即达到饱和,固定床吸附器的设计计算,设计依据 吸附器的确定 吸附剂的选

11、择 横截面积计算 吸附区高度计算 吸附剂用量计算 吸附周期确定 固定床压力损失计算,9.5吸附剂的再生,吸附剂的再生 加热再生 降压或真空解吸再生 置换再生 溶剂萃取再生 通气吹扫再生 化学再生,几种活性炭再生方法的原理和特点,加热再生法 饱和活性炭的干燥阶段 吸附物质的焙烧阶段 炭化有机物的活性化阶段 加热再生新技术 微波辐照再生法 高频脉冲再生法 强制放电再生法,几种活性炭再生方法的原理和特点,湿式氧化再生法 超声波再生法 超临界二氧化碳萃取再生法,9.6吸附法的应用,吸附法净化硫氧化物 吸附法净化氮氧化物 吸附法净化碳氢化合物,吸附法目前的应用前景,（1）硝酸生产尾气、烟道气、石灰窑气等

12、各种工业废气中的NOx 硝酸生产过程中要排放大量的硝酸尾气，其中含有NOx。NOx不仅对人类、生物有剧毒，而且导致光化学烟雾的生成，其危害极大。我国现有硝酸生产工厂50多家，硝酸尾气中NOx的浓度一般为5005000 ppm，每年排入大气的NOx（以NO2计）约为6万吨。如果能回收这些NOx，不仅控制了对环境的污染，同时可以增产硝酸，降低生产成本。 硝酸尾气的吸附法回收治理研究表明，净化气中NOx浓度可控制在低于0.02%，对应尾气中NOx浓度从0.04%到0.8%，回收气中NOx浓度变化范围可从0.8%至5%，可以返回系统生产硝酸。 对石灰窑气等废气中氮氧化物的脱除技术，对烟道气中氮氧化物的

13、脱除，根据烟道气组成采用吸附法与其他化学技术处理法可有效控制氮氧化物的排放量。,（2）黄磷尾气净化和从黄磷尾气中提纯一氧化碳 我国每年生产黄磷40万吨，生产过程中每生产一吨黄磷会产生2500Nm3尾气，每年产生的尾气量达10亿Nm3，其主要成份为一氧化碳（约85%90%），CO是一种易燃易爆有毒的气体，尾气中含有的P、S、As、F等及其化合物的有毒组分未经处理排放到大气中也将严重污染环境；同时CO又是一种重要的碳一化工原料，尾气中含有的P、S、As等易使催化剂中毒，所以有效处理黄磷尾气具有非常重要的意义。近年来，国内外在净化黄磷尾气和开发黄磷尾气领域已开展了较多工作，取得了可循环操作的吸附净化

14、流程，并结合CO提纯专有技术，已生产出采用吸附法从黄磷尾气净化并提纯CO的工业装置。,（3） 二氧化硫的控制 硫氧化物主要是二氧化硫, 目前控制的主要方法有：高烟囱稀释法、采用低硫燃料、排放废气脱硫等，近年在采用干法（吸附剂吸附法）、湿法脱硫技术领域开展了较多研究，工业化应用已很成熟。 吸附法脱除废气中的SO2又分为物理吸附法和化学吸附法，物理吸附时被选择性吸收的SO2可通过升温或降压解吸出来，化学吸附时吸附剂同时起催化作用，被吸附的SO2被废气中的氧氧化成SO3，后者在与水生成硫酸。,（4） 含三氯乙烯、三氯乙烷等卤代烃的排放废气净化 含卤代烃的废气净化目前较为成熟的技术是溶剂吸收或吸附法处

15、理，如： （1）彩色显象管生产线清洗阴罩时挥发的三氯乙烷气体刺激人体粘膜，长期接触能使运动神经系统受损，无论从环境保护还是降低生产成本来看都必须回收利用。活性炭纤维回收三氯乙烷，避免了环境污染，使用效果良好。 （2）在工业上应用很广的三氯乙烯，是对人体和环境都有较大危害的有毒污染物，含三氯乙烯工业废气排放前必须脱除其中超标含量的TCE，应用吸附法可有效控制排放尾气中三氯乙烯含量并回收其中的三氯乙烯。,（5） 含高沸点有机物的尾气净化 采用吸附法净化、回收排放尾气中的有机组份的工业应用是比较成功的，采用的通常流程为吸附或变压吸附流程，既可有效脱除有机污染物又可回收有用组份。根据大量实验研究，采用

16、吸附技术很好地解决含高沸点有机物的尾气净化，如苯、萘等的脱除。,（6） 排放气中一氧化碳的脱除 CO是一种易燃易爆有毒的气体，未经处理排放到大气中将严重污染环境，所以严格控制排放气中CO含量是非常有意义。目前，国内北京大学开发的13X分子筛载体的Cu（I）吸附剂、南京化工大学开发的稀土复合铜（I）吸附剂都是很好的CO吸附剂。实验表明，采用吸附技术脱除CO是一种有效的手段， 排放气中的CO可控制在1ppm以内。,（7） 含氟排放废气的净化 含氟(主要为HF和SiF4)废气数量虽然不如硫氧化物和氮氧化物大，但其毒性较大，对人体的危害比SO2大20倍，因此工业生产排放气必须控制含氟化合物的排放量。目

17、前，HF回收通常生产冰晶石，尽管从理论上可采用吸附法结合其他化学法处理含氟废气，但目前国内应用吸附回收含氟排放废气的工业装置尚未见报道。,（8） 从富含甲烷气源中浓缩、回收甲烷 矿井瓦斯是在采煤过程中产生的，瓦斯气中含有2545的甲烷及其它一些组份，其热值仅2500kcal/m3左右，难以利用，通常排入大气，以致污染环境。我国每年约有30亿m3瓦斯放空。因此有效利用矿井瓦斯已成为一个热门课题。采用吸附技术从矿井瓦斯中浓缩甲烷的实验研究，可以把甲烷浓度从20%提高到5095，浓缩后的富甲烷气热值明显提高，可以作为优质燃料和化工原料。,（9） 工业二氧化碳排放的控制 近年来，由于CO2排放量增加（

18、每年以二氧化碳形式放入大气中的碳约为50亿吨），大气中二氧化碳已从工业污染时代的270ppm上升到近500ppm，大量二氧化碳在大气中的积聚引发全球的温室效应已经引起了人类的重视。从含CO2浓度较高的排放废气中回收CO2既解决了环境问题，又回收了有用组份，减少了资源浪费。 从富含二氧化碳的工业废气中回收二氧化碳这些工业废气主要有：石灰窑气（含二氧化碳28%38%）、制氨和制氢装置副产气（含二氧化碳28%99%）、烟道废气（含二氧化碳10%18%）及脱碳再生气等。通过提纯，产品二氧化碳的纯度可达99.599.99%，指标均可达到或超过二氧化碳食品添加剂国家标准。,第十三章 催化法净化气态污染物,

19、催化作用和催化原理 催化剂 催化燃烧装置 固定床催化反应器的设计 催化法的应用,催化作用和催化原理,催化法定义： 利用催化剂在化学反应中的催化作用，将废气中有害的污染物转化成无害的物质，或转化成更易处理和回收利用的物质。 在大气污染控制工程中，对于有机废气、臭味等 可采用催化燃烧法进行净化。 催化燃烧法适用连续排放的废气，且从节约能源上考虑，排气浓度和温度最好较高；催化燃烧法不适用于含有大量尘粒、雾滴的废气净化，也不适用于在氧化过程中产生固体物质的废气以及污染源间歇产生场合的废气净化。,催化燃烧法的特点 在催化剂的作用下，有机化合物氧化成二氧化碳和水 废气需预热至200-400 操作简便，净化

20、效率稳定，所需外加的能量比直接 燃烧法要少，但当浓度较低时耗能比吸附法多,催化燃烧法的应用 在国内，催化燃烧法被广泛用于下列工业中处理可燃废气： 石油化工、染料、农药、化学试剂、印刷、油漆喷涂、电线加工等部门和汽车尾气处理。 该法对废气组成有较高要求，废气中不能有过多不参加反应的微粒物质和使催化剂性能降低、寿命缩短的物质。,催化作用 催化剂的定义：在化学反应的前后其数量和性质均未发生变化，且能使化学反应速度加快的物质。 催化作用：催化剂在化学反应过程中所起的作用称为催化作用。 当催化剂和反应物同处于一个由溶液或气体混合物组成的均相体系中时，其催化作用称为均相催化作用。 而当催化剂与反应物处于不

21、同的相时(通常催化剂呈固体，反应物为液体或气体)，其催化作用称为多相催化(或非均相催化)作用。,催化作用的特征： 催化剂只能加速化学反应的速度，缩短到达平衡的时间，而不能使平衡移动，也不能使热力学上不可能发生的反应发生。 催化作用有特殊的选择性。一种催化剂在不同的化学反应中表现出明显不同的活性；而对相同的反应物，选择不同的催化剂就可得到不同的产物。,当发生A+BC的反应，若无催化剂参与反应，反应所需的活化能为E0，若有催化剂K参与反应，则原反应会按新路径进行： 第一步：A+KAK 活化能为E1 第二步：AK+BC+K 活化能为E2 化学反应动力学研究表明，反应速度是随活化能的下降而呈指数规律上

22、升的。催化剂加速化学反应速度，正是通过降低活化能而实现的。催化剂使化学反应沿新途径进行。而新的反应历程往往由一系列基元反应组成，而每个基元反应的活化能都明显小于原反应的活化能（E1+E2E0），从而大大加速了化学反应速度。,催化剂,催化剂的特殊性能 催化剂具有特殊的选择性 当反应能按热力学可能的方向同时发生几个不同的反应时，某一种催化剂只能加速某一特定反应，而不能加速所有的反应，这种性质称为催化剂的选择性。 催化剂有它特定的活性温度 催化剂发生显著作用的温度，称为活性温度。低于活性温度范围的下限，反应速度很慢，或不起催化作用；高于活性温度范围的上限，催化剂会很快衰老或丧失活性，甚至被烧毁。 催

23、化剂有中毒和衰老的特性,催化剂的特殊性能 催化剂中毒 由于反应气体中混有某些成分能使催化剂丧失活性的现象。中毒分 暂时性中毒和永久中毒。前者只要将毒物除去，催化剂即可恢复活性；后者因毒物与催化剂发生了化学反应，其活性很难恢复。 催化剂衰老 由于催化剂长期处于高温和气流冲刷等恶劣条件下，引起的催化剂表面物理结构变化而使活性衰减的现象。,催化剂的组成 催化剂形状：球状、圆柱状、片状、网状、蜂窝状等。 主活性物质：单独对反应起催化作用。 载体：通常是惰性物质。 提供大的比表面积，节约主活性物质，提高催化剂的活性；增强催化剂机械强度、热稳定性及导热性，延长催化剂的寿命。 常用的载体有：活性氧化铝、硅胶

24、、活性炭、硅藻土、分子筛、陶瓷、耐热金属等。 助催剂：助催剂本身无催化性能，但它的少量加入可以改善催化剂的性能。,催化剂的种类 贵金属催化剂 其活性高，选择性较小，不易中毒，但资源少，成本高。 非贵金属催化剂 其活性较低，有一定的选择性，资源丰富，成本低，但易中毒，热稳定性较差。 全金属催化剂：以镍、镍铬合金为载体做成带、片、丸、丝等形状，再把铂、钯“化学镀”或“电镀”在载体上制成化床构件。 氧化铝为载体的催化剂：以陶瓷结构作为支架，在其上涂上一层0.13mm的氧化铝薄层，再把铂、钯金属以微晶状态沉积或分散在多孔的氧化铝薄层中。,催化剂的选择 活性高，在较低的温度下达到较高的转化率； 有一定的

25、选择性，尽量不产生副反应； 机械强度高、抗毒性强热稳定性好；成本低。 原则：催化剂要求有很好的活性和选择性、足够的机械强度、良好的热稳定性和化学稳定性，另外在选择催化剂时还要考虑其经济性。,催化燃烧装置,催化床启动加热方式 在催化床下面设有电预热管，利用反应器内部空气的对流和电热管的热辐射将热量传给催化床； 设空气回路，循环空气从预热器获得热量，在穿过床层时把一部分热量传给催化床，再返回预热器重新预热，最后把床温升高至起燃温度之上。,催化燃烧的基本净化流程,催化燃烧的常用净化流程,催化燃烧装置基本类型 带电预热器的单层绝热式反应器 单靠预热器将气体一次加热到起燃温度，因而需要较大的加热功率。

26、由换热器、预热器和单层绝热床组成的整体装置 在启动阶段，预热器使反应床和进入反应床的空气不断升温，直至预热器所供给的热量全部被设备和换热器的出口气流带出，其加热功率是前一种的1/3。其阻力较大，占设备总阻力的一半以上，启动时间长，启动过程累计能耗大。,催化燃烧装置的主要设备 预热器 电热总功率的计算： N=QCP(t2-t1)K/3600,N管状加热器总功率，kW； Q处理风量，m3/h； CP废气比热容，kJ/(m3)； t2预热后废气温度，； t1预热前废气温度，； K安全系数，可取1.2；,催化反应器 催化反应器可分为圆柱形或方形，以方形居多。内壳宜采用耐热性较好的不锈钢板制造，壳外应进

27、行良好保温。 采用阻力较小的催化剂时，催化层可采用抽屉式结构，催化剂装卸较方便。 采用阻力较大的催化剂时，催化层应为筛板、筛网式结构，以避免气流短路。 催化层厚度一般为50100mm，催化层前后应酌情设置导向片，以防止气流偏流。 为提到较高的净化效率，空速可取得小些，一般为10000h-1以下。,换热器 为减少预热用电，燃烧排气余热应优先于废气预热。换热器一般采用列管式换热器。为了减少气体的阻力，目前还进行了许多类型的气-气换热器的开发。此外，现今常用的还有蓄热式热交换器。 风机 风机最好置于换热器前，使风机在较低温度下使用。如果风机使用温度在80以上时，则风机轴承部分应采取冷却措施。,温度控制 催化层前后一般均设有测温热电偶。催化层前温度应控制为300-350，催化层后温度应不高于600 。启动时应先将催化层预热至200 以上，然后再启动风机，以减少废气中油烟粘附催化剂上。 循环风量控制 当燃烧后热风在催化层部分再