第07章气态污染物控制技术2

1、第七章第七章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础(2)l气体吸附气体吸附吸附剂吸附机理吸附工艺与设备计算第三节第三节 气体吸附气体吸附l吸附吸附用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的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l优点：效率高、可回收、设备简单优点：效率高、可回收、设备简单l缺点：吸附容量小、设备体积大缺点：吸附容量小、设备体积大吸附机理吸附机理物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附1.吸附力范德华力；吸附力范德华力；2.不发生化学反应；不发生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡；过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；放热反应；

2、5.吸附可逆；吸附可逆；1.吸附力化学键力；吸附力化学键力；2.发生化学反应；发生化学反应；3.过程慢；过程慢；4.升高温度有助于提高速率；升高温度有助于提高速率；5.吸附不可逆；吸附不可逆；物理吸附和化学吸附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吸附剂l吸附剂需具备的特性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常用吸附剂特性常用吸附剂特性吸附剂类型吸附剂类

3、型活性炭活性炭活性氧化活性氧化铝铝硅胶硅胶沸石分子筛沸石分子筛4A5A13x堆 积 密 度堆 积 密 度 /kg/kgm m-3-32006007501000800800800800热容热容/kJ(kgK)-1-10.8361.2540.8361.0450.920.7940.794操作温度上操作温度上限限/K423773673873873873平均孔径平均孔径/15251848224513再 生 温 度再 生 温 度 /K373413473523393423473573473573473573比表面积比表面积 / /g-16001600210360600常用吸附剂特性常用吸附剂特性l分子筛特性

4、分子筛特性气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l操作条件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l 吸附剂性质吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）m0322.4 10fVWNAf比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积, ,mm2 2V Vmm吸吸附

5、附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g gm0322.4 10fVWNAf比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面

6、积积, ,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g g比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截

7、面面积积, ,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g g气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l典型吸附质分子的横截面积典型吸附质分子的横截面积气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l吸附质性质、浓度吸附质性质、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l吸附剂活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常见分子的临界直径常见分子的临

8、界直径分子分子临界直径临界直径/ /分子分子临界直径临界直径/ /氦氦氢氢乙炔乙炔氧氧一氧化碳一氧化碳二氧化碳二氧化碳氮氮水水氨氨氩氩甲烷甲烷乙烯乙烯环氧乙烷环氧乙烷乙烷乙烷甲醇甲醇乙醇乙醇环丙烷环丙烷丙烷丙烷正丁烷正丁烷-正二十二烷正二十二烷2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.44.754.894.9 丙烯丙烯1-丁烯丁烯2-反丁烯反丁烯1,3-丁二烯丁二烯二氟二氟- -氯甲烷氯甲烷( (CFC-22)-22)噻吩噻吩异丁烷异丁烷- -异二十二烷异二十二烷二氟二氯甲烷二氟二氯甲烷(CFC-12)-12)环己烷环己烷甲苯甲苯对二甲

9、苯对二甲苯苯苯四氯化碳四氯化碳氯仿氯仿新戊烷新戊烷间二甲苯间二甲苯邻二甲苯邻二甲苯三乙胺三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素l吸附剂再生吸附剂再生 溶剂萃取l活性炭吸附活性炭吸附SO2，可用水脱附，可用水脱附 置换再生l脱附剂需要再脱附脱附剂需要再脱附 降压或真空解吸l 吸附作用吸附作用 ，再生温度，再生温度 加热再生吸附剂再生吸附剂再生(a)吸附吸附(b)解吸解吸吸附平衡吸附平衡l当当吸附速度脱附速度吸附速度脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值

10、到极限值l极限吸附量受气体压力和温度的影响极限吸附量受气体压力和温度的影响l吸附等温线吸附等温线 NH3在活性炭上的吸附等温线在活性炭上的吸附等温线吸附等温线吸附等温线XT单位吸附剂单位吸附剂的吸附量的吸附量P吸附质在气相中的平衡分压吸附质在气相中的平衡分压K,n经验常数经验常数, 实验确定实验确定吸附方程式吸附方程式l弗罗德里希（弗罗德里希（Freundlich）方程（）方程（I型等温线中压部分）型等温线中压部分）XT=kP1/n lgXT=lgk+(1/n)lgPlgXT对lgP作图为直线吸附方程式吸附方程式l朗格缪尔（朗格缪尔（Langmuir）方程（）方程（I型等温线）型等温线）lk1

11、P(1-)=k2 lk1 k2_:分别为吸附分别为吸附, ,解吸常数解吸常数l令令B= k1 / k2Tmm11ABPXBPPPVBVVV被吸附气体在标态下的体积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吸附质在气相中的平衡分压Vm吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积B吸附与解析速率常数之比吸附与解析速率常数之比Tmm11ABPXBPPPVBVVV被吸附气体在标态下的体积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吸附质在气相中的平衡分压Vm吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积B吸附与

12、解析速率常数之比吸附与解析速率常数之比吸附方程式吸附方程式lBET方程（方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）型等温线，多分子层吸附）m000mm0()1(1)/1(1)()V CPVPPCP PPCPV PPV CV CPV被被吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积P吸吸附附质质在在气气相相中中的的平平衡衡分分压压P0吸吸附附温温度度下下吸吸附附质质的的饱饱和和蒸蒸汽汽压压Vm吸吸附附剂剂被被覆覆盖盖满满一一层层时时吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积C与与吸吸附附热热有有关关的的常常数数m000mm0()1(1)/1(1)()V CPVPPCP PPCPV PPV C

13、V CPV被被吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积P吸吸附附质质在在气气相相中中的的平平衡衡分分压压P0吸吸附附温温度度下下吸吸附附质质的的饱饱和和蒸蒸汽汽压压Vm吸吸附附剂剂被被覆覆盖盖满满一一层层时时吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积C与与吸吸附附热热有有关关的的常常数数吸附速率吸附速率l吸附过程吸附过程 吸附 外扩散（气流主体 外表面） 内扩散（外表面 内表面）吸附速率吸附速率l外扩散速率外扩散速率l内扩散速率内扩散速率l总吸附速率方程总吸附速率方程*APAAd()dyMKYYt*APAAd()dxMKXXt*APAAPAAPPPPPPd()()d11111;yxyyx

14、xxyMKYYKXXtmKkkKkkm吸附工艺吸附工艺l固定床固定床 含污染物的气含污染物的气体体 吸附工艺吸附工艺l移动床移动床吸附工艺吸附工艺l移动床移动床吸附工艺吸附工艺l流化床流化床l流化床流化床吸附工艺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l保护作用时间保护作用时间l假定吸附层达到穿透点时全部处于饱和状态假定吸附层达到穿透点时全部处于饱和状态l x=a S L bl同时同时x= S 0 固定床吸附计算固定床吸附计算l保护作用时间保护作用时间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

15、和）b0Lv （假定吸附层完全饱和）b0Lv b00()LKLhva a静活度，静活度，静活度，静活度，S S吸附层截面积吸附层截面积吸附层截面积吸附层截面积, ,mm2 2L L吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度, ,mm吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，kg/mkg/m3 3v v气体流速，气体流速，气体流速，气体流速，m/sm/s污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，kg/mkg/m3 3保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；h h死区长度死区长度死区长度死区长度b00希洛夫方程b00()LKLhva a静活

16、度，静活度，静活度，静活度，S S吸附层截面积吸附层截面积吸附层截面积吸附层截面积, ,mm2 2L L吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度, ,mm吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，kg/mkg/m3 3v v气体流速，气体流速，气体流速，气体流速，m/sm/s污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，kg/mkg/m3 3保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；h h死区长度死区长度死区长度死区长度b00希洛夫方程固定床吸附计算固定床吸附计算l同样条件下同样条件下l定义动力特性定义动力特性1 12201102212.K

17、 vK vconstvvconstdd102BKvvBd固定床吸附计算固定床吸附计算l吸附床长度吸附床长度假定条件l等温吸附等温吸附l低浓度污染物的吸附低浓度污染物的吸附l吸附等温线为第三种类型吸附等温线为第三种类型l吸附区长度为常数吸附区长度为常数l吸附床的长度大于吸附区长度吸附床的长度大于吸附区长度固定床吸附计算固定床吸附计算l吸附床长度吸附床长度0AEA(1)LWLWf W吸附器的压力损失吸附器的压力损失1）图解计算）图解计算3pgg2p150(1)1.75(1)PgdDGd G P压降压降 (lb/ft2)D固定床厚度固定床厚度 (ft) 孔隙率孔隙率G气体流量气体流量 (lb/ft2

18、?hr) g 气体粘度气体粘度 (lb/ft?hr)dp颗粒直径颗粒直径 (ft)2）公式计算）公式计算3pgg2p150(1)1.75(1)PgdDGd G P压降压降 (lb/ft2)D固定床厚度固定床厚度 (ft) 孔隙率孔隙率G气体流量气体流量 (lb/ft2?hr) g 气体粘度气体粘度 (lb/ft?hr)dp颗粒直径颗粒直径 (ft)2）公式计算）公式计算移动床计算移动床计算l操作线操作线l吸附速率方程吸附速率方程SS2SS2(/)(/)YLGXYLGXSPd(*)dyG YK a YYL12S*PdYyYGYLK aYY传传质质单单元元高高度度传传质质单单元元数数（图图解解积积

19、分分法法）12S*PdYyYGYLK aYY传传质质单单元元高高度度传传质质单单元元数数（图图解解积积分分法法）例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含H2S的空气。吸附剂为分的空气。吸附剂为分子筛。空气中子筛。空气中H2S的浓度为的浓度为3（重量），气相流速为（重量），气相流速为6500kg/h，假，假定操作在定操作在293K和和1atm下进行，下进行，H2S的净化率要求为的净化率要求为95，试确定：，试确定： (1) 分子筛的需要量（按最小需要量的分子筛的需要量（按最小需要量的1.5倍计）；倍计）； (2) 需要再生时，分子筛中需要再生时，分子筛中H2S的含量；的含量； (3) 需要的传质单元数。需要的传质单元数。解：解：(1) 吸附器进口气相组成：吸附器进口气相组成： H2S的流量的流量0.036500195kg/h 空气的流量空气的流量65001956305k