气态污染物控制技术基础

第七章 气态污染物控制技术基础o气体吸附n吸附剂n吸附机理n吸附工艺与设备计算 第三节 气体吸附o吸附n利用多孔性固体物质具有选择性吸附废气中的一种或多种有害组分的特点，实现净化废气的一种方法。n吸附质被吸附物质n吸附剂附着吸附质的物质o优点：效率高、可回收有用组分、设备简单，易实现自动化控制o缺点：吸附容量小、设备体积大，吸附剂容量往往有限，需频繁再生。 o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。o具体应用 废气治理中脱除水分、有机蒸汽、恶臭、HF 、SO2、NOX等。 成功的例子：用变压吸附法来处理合成氨放气，可回收纯度很高（98%）的氢气，实现废物资源化。 吸附机理 物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附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； 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 吸附剂o吸附剂需具备的特性n内表面积大n具有选择性吸附作用n高机械强度、化学和热稳定性n吸附容量大n来源广，造价低n良好的再生性能 2、工业常用吸附剂o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。p活性氧化铝：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）。o硅胶：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。o沸石分子筛：是一种人工合成沸石，为微孔型、具有立方晶体的硅酸盐。 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4A 5A 13x堆积密度 /kgm-3 200600 7501000 800 800 800 800热容/kJ(kgK)-1 0.8361.254 0.8361.045 0.92 0.794 0.794 操作温度上限/K 423 773 673 873 873 873平均孔径/ 1525 1848 22 4 5 13 再生温度 /K 373413 473523 393423 473573 473573 473573比表面积 /g-1 6001600 210360 600 气体吸附的影响因素o操作条件n温度、气相压力、气流速度。l 吸附剂性质比 表 面 积 （ 孔 隙 率 、 孔 径 、 粒 度 等 ） m0 322.4 10fVWN Af 比表面积，比表面积，m2/gf单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积,m2/mLN0阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数A吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积,m2V m吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mLW吸附剂的重量，吸附剂的重量，g 比表面积，比表面积，单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积 吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂的重量，吸附剂的重量， 比表面积，比表面积，单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积 吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂的重量，吸附剂的重量， 气体吸附的影响因素o典型吸附质分子的横截面积 气体吸附的影响因素o吸附质性质、浓度n临界直径吸附质不易渗入的最小直径n吸附质的分子量、沸点、饱和性n例：同种活性炭做吸附剂，对于结构相似的有机物分子量和不饱和性越高，沸点越高，吸附越容易。o吸附剂活性n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。%100 所用吸附剂量已吸附吸附质的质量吸附剂的活性 n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。n动活性：气体通过吸附层时，当流出吸附层的气体中刚刚出现被吸附物质时即认为此吸附层已失效。这时单位吸附剂所吸附的吸附质的量称为动活性。p其它 接触时间、吸附器性能等 气体吸附的影响因素o吸附剂再生 溶 剂 萃 取l活性炭吸附SO2，可用水脱附 置 换 再 生l脱附剂需要再脱附 降 压 或 真 空 解 吸l 吸附作用 ，再生温度 加 热 再 生 吸附平衡o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量分数XT （m吸附质/m吸附量）o极限吸附量受气体压力和温度的影响o吸附等温线 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,n经验常数, 实验确定吸附方程式o弗罗德里希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分）n lgXT对lgP作图为直线nT kPX 1 PnkXT lg)1(lglg 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，当吸附达平衡时： maxXX固体总面积已覆盖的面积 k1P(1-)= k2 pkk pk 12 1 朗格缪尔（Langmuir）方程式 式中：k1, k2分别为吸附，解吸常数。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 X T=A，即此时吸附量与气体压力无关，吸附达到饱和。BPBP1BPABPAXT 1 PBAXT 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； 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)，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。BPBPVVm 1 mm VPBVVP 1 n已知：293K,用活性炭吸附苯蒸汽所得到的平衡数据如下n例题 P/103Pa 0.267 0.400 0.533 1.333 2.660 4.000 5.332 XT 0.176 0.205 0.225 0.265 0.287 0.290 0.300 n试绘制等温吸附线，若该等温吸附线符合朗氏等温吸附方程式，试求A、B值。 解：依数据，绘图如下 图：活性炭吸附苯蒸汽等温吸附线 显然，该等温吸附线符合朗氏等温吸附线，从而可用朗氏方程式描述。结合曲线横、纵坐标参数，将朗氏方程式变换成下列形式：任取曲线上两点q (400，0.205) 和s (4000，0.290) 代入上式，于是有： 解之得： )1()/( BPXXA TT BA BA 14000290.0290.0 1400205.0205.0 310176.5 B 304.010176.5 1400205.025.0 3 A 吸附方程式o BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）m0 00 m m 0( )1 ( 1) / 1 ( 1)( ) V CPV P P C P PP C PV P P V C V CP V被吸附气体在标态下的体积P吸附质在气相中的平衡分压P0吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压V m吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积C与吸附热有关的常数 被吸附气体在标态下的体积吸附质在气相中的平衡分压吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积与吸附热有关的常数 吸附速率o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 ） 吸附速率o外扩散速率o内扩散速率o总吸附速率方程*A P A Ad ( )d yM K Y Yt *A P A Ad ( )d xM K X Xt * *A P A A P A AP P P P P Pd ( ) ( )d1 1 1 1 1;y xy y x x x yM K Y Y K X Xt mK k k K k k m 吸附工艺o固定床 吸附工艺o移动床 吸附工艺o移动床 吸附工艺o流化床 o流化床吸附工艺 固定床吸附计算 固定床吸附计算 固定床吸附计算 固定床吸附计算o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 （ 假 定 吸 附 层 完 全 饱 和 ）b0 Lv （ 假 定 吸 附 层 完 全 饱 和 ）b 00 ( )L K L hv a静活度，静活度，S吸附层截面积吸附层截面积,m2L吸附层厚度吸附层厚度,m吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，kg/m3v气体流速，气体流速，m/s污染物浓度，污染物浓度，kg/m3保护作用时间损失；保护作用时间损失；h死区长度死区长度b0 0 希 洛 夫 方 程静活度，静活度，吸附层截面积吸附层截面积吸附层厚度吸附层厚度吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，气体流速，气体流速，污染物浓度，污染物浓度，保护作用时间损失；保护作用时间损失；死区长度死区长度希 洛 夫 方 程 固定床吸附计算o同样条件下o定义动力特性1 1 2 201 1 02 21 2 . .K v K v constv v constd d 1 02B Kv vB d 固定床吸附计算o吸附床长度n假定条件o等温吸附o低浓度污染物的吸附o吸附等温线为第三种类型o吸附区长度为常数o吸附床的长度大于吸附区长度 固定床吸附计算o吸附床长度0 AE A(1 )L WL W f W 吸附器的压力损失1）图解计算3 p g g2 p150(1 ) 1.75(1 ) Pg dD G d G P压降(lb/ft2)D固定床厚度(ft)孔隙率G气体流量(lb/ft2?hr) g气体粘度(lb/ft?hr)dp颗粒直径(ft) 2）公式计算压降 固定床厚度孔隙率气体流量气体粘度颗粒直径 ）公式计算 移动床计算o操作线o吸附速率方程S S 2 S S 2( / ) ( / ) Y L G X Y L G X S Pd ( *)dyG Y K a Y Y L 12S *P dYy YG YL K a Y Y 传质单元高度传质单元数（图解积分法）传质单元高度传质单元数（图解积分法） 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： H 2S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 kg/h 移动床计算 1 195 0.036305Y 32 9.75 1.55 106305Y 移动床计算实验得到的平衡关系如右图假定X20，从图得（X1）最大0.1147所以实际需要的分子筛 0.37263052345.5kg/h(2) 分 子 筛 吸 收 H2S的 平 衡 数 据S S S S( / ) 1.5( / ) 1.5 0.284 0.372L G L G 最小实际S S 0.03 0.00155( / ) 0.2840.1147 0.0000L G 最小1 195 9.75( ) 0.0792345.5X 实际 移动床计算(3)图解积分法计算NOGN OG3.127 12OG *dYY YN Y Y Y Y *0.00155 0.00 6450.00500 0.00 2000.010 0.0001 1010.015 0.0005 69 0.020 0.0018 550.025 0.0043 48.30.030 0.0078 45.0* 1Y Y