4设计与计算

  4.1 基本原理

4.1.1 吸附原理

在用多孔性固体物质处理流体混合物时，流体中的某一些组分或某些组分可被吸引到固体表面并浓集其上，此现象称为吸附。吸附处理废气时，吸附的对象是气态污染物，被吸附的气体组分称为吸附质，多孔性物质称为吸附剂。

固体表面吸附了吸附质后，一部分被吸附的吸附质可从吸附剂表面脱离，此现象称为脱附。而当吸附进行一段时间后，由于表面吸附质的浓集，使其吸附能力明显下降而不能满足吸附净化的要求，此时需要采用一定的措施使吸附剂上已吸附的吸附质脱附，已恢复吸附剂的吸附能力，这个过程称为吸附剂的再生。因此，在实际工作中，正是利用吸附剂的吸附－再生－吸附的循环过程，达到除去废气中污染物质并回收废气中有用组分的目的。

由于多孔性固体吸附剂表面存在着剩余吸引力，固表面具有吸附力。根据吸附剂表面与被吸附物质之间作用力的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附，但同一污染物可在较低温度下发生物理吸附，而在较高温度下发生化学吸附，或者两种吸附同时发生，两者之间没有严格的界限。两者的主要区别见表 4-1 

 

表4-1 物理吸附与化学吸附的区别

性质	物理吸附	化学吸附
吸附力	范德华力	化学键力
吸附层数	单层活多层	单层
吸附热	小（近于液化热）	大（近于反应热）
选择性	无或很差	较强
可逆性	可逆	不可逆
吸附平衡	易达到	不易达到

 

吸附剂与吸附质间的吸附力不强，当气体中吸附质分压降低或温度升高时，容易发生脱附。工业上的吸附操作正是利用这种可逆进行吸附剂的再生及吸附质的回收利用的。

4.1.2 吸附机理

吸附和脱附互为可逆过程。当用新鲜的吸附剂吸附气体中的吸附质时，由于吸附剂表面没有吸附质，因此也就没有吸附质的脱附。但随着吸附的进行，吸附剂表面上的吸附质量逐渐增多，也就出现了吸附质的脱附，且随时间的推移，脱附速度不断增大。但从宏观上看，同一时间内吸附质的吸附量仍大于脱附量，所以过程的总趋势认为吸附。当同一时间内吸附质的吸附量与脱附量相等时，吸附和脱附达到动态平衡，此时称为达到吸附平衡。平衡时，吸附质再在流体中的浓度和在吸附剂表面上的浓度不再变化，从宏观上看，吸附过程停止。平衡时的吸附质在流体中的浓度称为平衡浓度，在吸附剂中的浓度称为平衡吸附量。

当吸附质与吸附剂长时间接触后，终将达到吸附平衡。吸附平衡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，用Xt表示，无量纲。它是设计和生产中十分重要的参数。吸附平衡时，吸附质在气、固两相中的浓度关系，一般用吸附等温线表示。吸附等温线通常根据实验数据绘制，也常用各种经验方程式来表示。

4.1.3 吸附等温线与吸附等温方程式

   平衡吸附量表示的是吸附剂对吸附质吸附数量的极限，其数值对吸附造作，设计和过程控制有着重要的意义。达到吸附平衡时，平衡吸附量与吸附质在流体中的浓度与吸附温度间存在着一定的函数关系，此关系即为吸附平衡关系，其一般都是根据实验测得的，也可以用经验方程式表示。

4.1.3.1 吸附等温线

   在气体吸附中，其平衡关系可表示为：

           A＝         

式中 A——平衡吸附量；

     p——吸附平衡时吸附质在气相中的分压力；

     T——吸附温度

    根据需要。对一定的吸附体系可测得如下关系：

  ① 当保持T不变，可测得A与P的变化关系

② 当保持P不变，可测得A与T的变化关系

③ 当保持A不变，可测得P与T的变化关系

依据上述变化关系，可分别绘出相应的关系曲线，分别为吸附等温线，吸附等压线和吸附等量线。由于吸附过程中，吸附温度一般变化不大，因此吸附等温线最为常用。       

吸附等温线描述的是在吸附温度不变的情况下，平衡时，吸附剂的吸附量随气相中组分压力的不同而变化的情况。根据对大量的不同气体与蒸气的吸附测定，吸附等温线形式可归纳为六种基本类型。

  4.1.3.2 吸附等温方程式

根据大量的吸附等温线整理出描述吸附平衡状态的经验方程式，即为吸附等温方程式，其中有的完全依据实验数据所表现的规律整理而得，一定条件范围内具有应用意义，但不具有理论指导意义，如弗罗因德利希（Freundlich）吸附等温方程式；有些是以一定的理论假设为前提得出的方程式，如朗格谬尔（Langmuir）吸附等温方程式和B·E·T方程，后者应用较多。

（1）朗格谬尔方程式

朗格谬尔吸附理论假定：①吸附仅是单分子层的；②气体分子在吸附剂表面上吸附与脱附呈动态平衡；③吸附剂表面性质是均一的，被吸附的分子之间相互不受影响；④气体的吸附速率与该气体在气相的分压成正比。根据上述假设，可推导出朗格谬尔等温式：

            

式中θ ——吸附剂表面被吸附分子覆盖的百分数；

     a ——吸附系数，是吸附作用的平衡常数；

     p ——气相分压。

朗格谬尔等温式的另一表现形式为：

        =

式中 ——单分子层覆盖满时（）的吸附量；

     —— 在气相分压p下的吸附量。

在压力很低时，或者吸附很若时，ap≤1,上式变成：V=V_map

由朗格谬尔等温式得到的结果与许多实验现象相符合，能够解释很多实验结果，因此，它目前仍是常用的、基本的等温式。在很多体系中，朗格谬尔等温式不能在较大的θ范围内与实验结果相吻合。

（2）弗罗因德利希方程式

                   

式中q ——固体吸附气体的量，㎏/㎏吸附剂；

     P ——平衡时气体分压；

 k ，n ——经验常数。在一定温度下，对一定体系而言是常数，k和n随温度变化而变化；

     m ——吸附质质量，㎏；

      ——被吸附气体的质量。

弗罗因德利希等温方程式只是一个经验式，它所适用的θ范围比朗格谬尔式要大些，可用于未知组成物质的吸附，如有机物或矿物油的脱色，通过实验来确定k与n。有资料认为它在高压范围内不能很好地吻合实验值。

（3） B·E·T方程

由于朗格谬尔的单分子层吸附理论及其等温方程对中压合高压物理吸附不能很好地吻合，在此基础上发展了B·E·T理论。它除了接受朗格谬尔理论地几条假定，即固体表面是均匀的，被吸附分子不受其它分子的影响，吸附与脱附在吸附剂表面达到动态平衡以外，还认为在吸附剂表面吸附了一层分子以后，由于范德华力地作用还可以吸附多层分子，而第一层与以后的各层有所不同。

吸附达平衡后，吸附总数（V）为：

P ——平衡时气体分压；

V—— 压力为p时的吸附总量；

——吸附剂表面为单分子层铺满时的吸附量；

——实际温度下气体的饱和蒸气压；

C——与气体有关的常数。

    很多实验证明，当比压p/在0.05－0.35范围内时，B·E·T公式是比较准确的，在低压下可以与朗格谬尔等温式一致。

4.1.4 吸附量

    吸附量是指在一定条件下单位质量地吸附剂上所吸附的吸附质的量，通常以㎏吸附质/㎏吸附剂或质量百分数表示，它是吸附剂所具有吸附能力的标志。在工业上将吸附量称为吸附剂的活性。

   吸附剂的活性有两种表示方法：

（1）吸附剂的静活性

    在一定条件下，达到平衡时吸附剂的平衡吸附量即为其静活性。对一定的吸附体系，静活性只取决于吸附温度和吸附质的浓度或分压。

（2）吸附剂的动活性

在一定的操作条件下，将气体混合物通过吸附床层，吸附质被吸附，当吸附一段时间后，从吸附剂层流出的的气体中开始发现吸附质（或其浓度达到一规定的允许值）时，认为床层失效，此时吸附剂吸附的吸附质的量称为吸附剂的动活性。动活性除与吸附剂和吸附质的特性有关外，还与温度、浓度及操作条件有关。吸附剂的动活性值是吸附系统设计的主要依据。

4.1.5 吸附速率

吸附过程常需要较长时间才能达到平衡，而在实际生产过程中，两项接触时间是有限的。因此，吸附量取决与吸附速率，而吸附速率与吸附过程有关，吸附过程可分为以下几步：

(1) 外扩散，吸附质从气流主体穿过颗粒物周围气膜扩散至吸附剂的外表面

（2）内扩散，吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂微孔表面

（3）吸附，到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附

（4）脱附的吸附质再经内外扩散至气相主体

物理吸附过程一般为内外扩散控制，化学吸附既有表面动力学控制，又有内外扩散控制。由于吸附过程复杂，影响因素多，从理论上推导速率很难，因此一般是凭经验或根据模式实验来确定。

 

4.2吸附器选择的设计计算

吸附器的设计计算应包括确定吸附器的形式，吸附剂的种类，吸附剂的需要量，吸附床高度，吸附周期等，这些参数的选择应从吸附平衡，吸附传质速率及压降来考虑。

4.2.1 吸附器的确定

对吸附器的基本要求：

（1）具有足够的过气断面和停留时间；

  （2）良好的气流分布；

  （3）预先除去入口气体中污染吸附剂的杂质；

  （4）能够有效地控制和调节吸附操作温度

  （5）易于更换吸附剂。

     吸附工艺根据吸附剂在吸附器上的工作状态，可将吸附器分为固定床、移动床和流化床过程，相应的三种吸附器的主要特点比较见表 4-2 

 

表4-2三种吸附器主要特点比较

类型	主要特点比较
固定床吸附器	1．结构简单、制造容易、价格低廉 2. 适用于小型、分散、间歇性的污染源治理 3．吸附和脱附交替进行、间歇操作 4．应用广泛
移动床吸附器	1．处理气体量大，吸附剂可循环使用，适用于稳定、连续、量大的气体净化 2. 吸附和脱附连续完成 3．动力和热力消耗较大，吸附剂磨损较为严重
流化床 吸附器	1．结构复杂，造价昂贵 2．气体和固体接触相当充分 3. 生产能力大，适合治理连续性、大气量的污染源 4．吸附剂和容器的磨损严重

 

 

结合工艺特点和经济技术可行性分析，本设计吸附器采用卧式圆锥形固定床吸附器，壳体为圆形，封头为椭圆形，其优点是流体阻力小，可以减少气体流经吸附床层的动力消耗，易产生气流分配不均运现象，故吸附质以整砌形式放在抽屉式的净化单元中，抽屉间设有防治气体短路的挡板，在气体入口的吸附剂之间装有气体整流装置，力求气体均匀。抽屉式的装卸吸附剂方式非常方便，利于操作，其具体结构见 附图2，

基本运行参数如下：

处理风量：20000

吸附器外观尺寸：L×B×H＝7000×3300×3000mm

    材料：钢板δ＝4

压降： 1000  Pa  

数量：两台并联，脱附吸附交替运行

4.2.2  吸附剂的选择

   如何选择、使用和评价吸附剂，是吸附操作中必须解决的首要问题。一切固体物质的表面，对于流体的表面都具有物理吸附的作用，但合乎工业要求的吸附剂则应具备以下一些要求：

（1） 具有大的比表面积

（2） 具有良好的选择性吸附作用

（3） 吸附容量大

（4） 具有良好的的机械强度和均匀的颗粒尺寸。

（5） 有足够的热稳定性及化学稳定性

（6） 有良好的再生性能

（7） 吸附剂的来源广泛、造价低廉

实际中，很难找到一种吸附剂能同时满足上述要求，因而在选择吸附剂时要权衡多方面的因素。同时，目前对吸附过程的实质还了解得不十分清楚，因而鉴别吸附剂吸附性能，还只能依靠实验测定和从生产中考察，尚不能从理论上推出。

常用的吸附剂主要有：活性炭、硅胶、分子筛沸石、活性氧化铝与氧化铝。其中活性炭是应用最早、用途较广的一种优良吸附剂。它是一种具有非极性表面，为疏水性和亲有机物的吸附剂，故活性炭常常被用来吸附回收空气中的有机溶剂和恶臭物质，在环境保护方面用来处理工业废水和治理某些气态污染物。

活性炭的研究、生产和应用发展很快,目前应用较多的主要是粉末状、颗粒状的活性炭和活性炭纤维。除此之外,新型的活性炭也在积极开发之中,蜂窝状活性炭便是其中的一种。

蜂窝状活性炭为一种新型环保吸附材料，通过将优质活性炭和辅助材料制成蜂窝状方孔的过滤柱，达到产品体积密度小、比表面积大的目的，目前已经大量应用在低浓度、大风量的各类有机废气净化系统中。被处理废气在通过蜂窝活性炭方孔时能充分与活性碳接触，吸附效率高，风阻系数小，具有优良的吸附、脱附性能和气体动力学性能，可广泛用于净化处理含有甲苯、二甲苯、苯、等苯类、酚类、酯类、醇类、醛类等有机气体、恶臭味气体和含有微量重金属的各类气体。采用蜂窝状活性炭的环保设备废气处理净化效率高，吸附床体积小，设备能耗低，能够降低造价和运行成本，净化后的气体完全满足环保排放要求。

综合衡量各方面因素，如果企业经济允许的话，建议吸附剂选用蜂窝状活性炭纤维能较好的满足技术经济要求，其物理性能参数见表 4-3：

表 4-3　蜂窝状活性炭的物理性能

项目	性能指标
外形尺寸/㎜	50 ×50 ×100
孔数/㎝-2	16
孔壁厚/㎜	0.5
压碎强度/Mpa	正面：7.07 侧面：0.3
体积密度/g.㎝-3	0.4～0.5
几何外表面积/㎡.g-1	0.32
比表面积/㎡.g-1	700
着火点/℃	550
苯吸附率/％	0.2

 

其吸附性能主要取决于它的几个主要材料参数和过程参数 。材料参数包括炭的吸附孔隙率、蜂窝结构的壁厚和炭的含量；过程参数包括流体流速、吸附质的浓度、吸附能(吸附能取决于碳结构和吸附质的特征如分子量) 。穿透曲线是表征材料吸附性能的主要性能之一,是吸附前后吸附质浓度比值随时间变化的一个函数 。此比值达到0.95时,所吸附的吸附质的总量就称为穿透容量。穿透容量取决于流体流速、吸附质浓度和蜂窝炭组分含量等因素 。对蜂窝状活性炭来说,壁厚是一个非常重要的参数,可以通过改变壁厚来提高它的吸附效率。在孔隙率相同的情况下,壁厚增加,则单位体积蜂窝的炭含量也随之增加,从而可以提高吸附容量。这是因为壁厚增加,蜂窝中流体通道的截面积减少,这样真实的表面或体积流速也会增大。同时,吸附质与炭之间的接触效率也会提高,这两者之间存在一个平衡关系。在给定的条件下,这个平衡关系将决定吸附增加还是减少。如果吸附质以较高的扩散速度扩散到蜂窝壁的内部,由此空出来的吸附位又可连续吸附,因此厚壁蜂窝应该具有更好的吸附效率和吸附容量 。