污染物控制基础2

污染物控制基础22024/3/30污染物控制基础2▲吸附剂a、对工业吸附剂的要求：*、具有巨大的内表面积和大的孔隙率如：硅胶500m2/g活性炭1000m2/g*、对不同气体具有选择性的吸附作用*、吸附容量大*、具有足够的机械强度和热稳定性*、颗粒适中均匀，便于分离*、来源广泛，价格低廉第七章气态污染物控制技术基础2污染物控制基础2b、常用工业吸附剂*、活性炭*、活性氧化铝*、硅胶*、沸石分子筛*、漂白土、活性白土、焦炭、白云石粉、吸附树胶第七章气态污染物控制技术基础3污染物控制基础2▲影响气体吸附的因素：a、吸附剂性质吸附剂的表面积：表面积增大，吸附容量增加孔隙率：与表面积有关，孔隙率大，表面积大孔径：孔径大小对吸附大分子影响大，孔径太小，不能吸附较大分子颗粒度：太大，分子不易渗透，太小，容易被气流带走极性：具有极性的吸附剂容易吸附有极性的分子没有极性的吸附剂容易吸附无极性的分子第七章气态污染物控制技术基础4污染物控制基础2b、吸附质性质和浓度分子量：分子大，吸附容量大沸点：沸点高，吸附容量大饱和性：不饱和，容易被吸附浓度：浓度大，有利于被吸附第七章气态污染物控制技术基础5污染物控制基础2c、吸附操作条件*、温度：物理吸附，低温有利化学吸附，提高温度加速化学反应，增大吸附*、操作压力：增大压力，提高了吸附质的分压，有利吸附，增大压力，增加投资，增大能耗*、气流速度：速度低，增加吸附时间，有利吸附，但增大设备速度高，接触时间短，不利吸附，阻力大第七章气态污染物控制技术基础6污染物控制基础27.3.2吸附理论▲吸附平衡吸附速度与解吸速度相等，达到平衡吸附平衡为动态平衡吸附平衡时，被吸附组分在固相中的浓度和与固相接触的气相中的浓度之间具有一定的函数关系第七章气态污染物控制技术基础7污染物控制基础2a、弗罗德里希方程

x：被吸附组分的质量，kg；m：吸附剂质量，kg；

：吸附剂的吸附容量，kg吸附质/kg吸附剂；p：平衡时被吸附组分在气相中的分压；a、n：经验常数这个方程只适用于吸附等温线的中压部分第七章气态污染物控制技术基础8污染物控制基础2对原方程进行转化，取对数，得：

通过实验，得到不同分压条件下的吸附量，然后以lg对lgp作图，得一直线，斜率为，截距为lga第七章气态污染物控制技术基础9污染物控制基础2b、朗格缪尔等温方程式假设：*、吸附质分子之间不存在相互作用力；*、所在吸附剂表面具有均匀的吸附能力；*、在一定条件下吸附和解吸建立动态平衡

A：吸附质的吸附平衡常数，由吸附剂和吸附质的性质、温度而定；Vm:全部固体表面盖满一个单分子层时所吸附的气体体积；第七章气态污染物控制技术基础10污染物控制基础2当分压低时，AP<<1，得：

当分压很大时，AP>>1，得：

吸附量趋于极限值此方程适用于分压从0到饱和分压的分部压力范围第七章气态污染物控制技术基础11污染物控制基础2c、BET方程布鲁诺（Brunaner）、埃麦特（Emmett）、泰勒（Teller）多分子层吸附理论

V：在P、T条件下被吸附气体的体积；P0：在吸附温度下的饱和蒸气压；C：常数，与吸附质的汽化热有关；以对作图，斜率，截距第七章气态污染物控制技术基础12污染物控制基础2第七章气态污染物控制技术基础13污染物控制基础2第七章气态污染物控制技术基础14污染物控制基础2▲吸附速率吸附平衡表明吸附过程的极限实际操作时，接触时间有限，吸附量取决于吸附速率第七章气态污染物控制技术基础15污染物控制基础2a、吸附过程吸附过程的物质传递分为四个阶段：第一：吸附质分子通过气膜扩散到吸附剂外表面；第二：吸附质分子在微孔中扩散到内表面；第三：吸附质分子被吸附于内表面活性点上；第四：吸附质分子由吸附剂内表面向晶格内扩散。第七章气态污染物控制技术基础16污染物控制基础2吸附过程示意图：第七章气态污染物控制技术基础17污染物控制基础2b、吸附速率方程*、班厄姆公式Bangham

x：吸附量；t：时间；积分得：k、m：常数第七章气态污染物控制技术基础18污染物控制基础2*、鲛岛公式把吸附速率公式分成两个过程对于大孔径，很短时间就吸附满了，小孔径还在慢慢吸附：开始阶段：

吸附后期：x=algt+kA:吸附初始阶段结束时的吸附量，k、a、K：常数第七章气态污染物控制技术基础19污染物控制基础2鲛岛公式适用于用活性炭吸附NH3、硅胶吸附NH3、已烷、丙酮、苯、CCl4等第七章气态污染物控制技术基础20污染物控制基础2c、近似吸附速率公式相对宏观的方法研究推导出的公式y：吸附质在气相中的kg/m3；y*：与单位体积吸附剂所吸附的组分成平衡时，组分在气相中的浓度kg/m3；Kv：体积传质系数，kg/(m3·s·kg/m3）或1/s；第七章气态污染物控制技术基础21污染物控制基础2体积传质系数：式中：D：扩散系数，m2/s；u：气体混合物的流速，m/s；v：气体混合物的运动粘度，m2/s；dp：吸附剂颗粒的直径，m。第七章气态污染物控制技术基础22污染物控制基础2▲吸附剂的解吸*、升温解吸；*、变压解吸；*、置换解吸；*、吹扫解吸。第七章气态污染物控制技术基础23污染物控制基础27.3.3吸附设计及选择中的问题▲吸附剂的选择a、初选原则：*根据吸附质的性质：极性、分子大小*根据气体的浓度和净化要求*根据吸附剂的来源第七章气态污染物控制技术基础24污染物控制基础2b、活性实验利用小型装置，对初选的几种吸附剂进行活性实验通过实验再筛选几种活性较好的吸附剂c、寿命实验在中型装置上，对几种吸附剂进行寿命和脱吸性能实验；经过多次反复循环，确定吸附剂的寿命d、全面评估对几种吸附剂，综合活性、寿命、吸附容量等，结合价格、运费等指标，全面评估，确定吸附剂第七章气态污染物控制技术基础25污染物控制基础2▲吸附装置的选择a、吸附装置的基本要求*吸附装置出口排气浓度必须达到排放标准*设备选型要面向生产实际：考虑生产规模、排污方式污染物的物化性质、回收价值*尽可能采用先进技术，改进设备结构，使吸附装置处理能力大，效率高，收益大

*认真考虑经济因素第七章气态污染物控制技术基础26污染物控制基础2b、吸附装置的类型*固定床吸附器吸附剂固定在床层中，在静止不动的情况下吸附操作在一个吸附塔内吸附和再生，再生和吸附间歇运行*移动床吸附器气体和吸附剂处于移动状态下进行吸附操作在吸附塔的不同部位进行吸附和再生再生和吸附同时进行*流化床吸附器气体速度较大，使吸附剂固体颗粒处于流化状态专门设置吸附段和再生段；再生和吸附同时进行第七章气态污染物控制技术基础27污染物控制基础2c、固定床吸附系统*优点结构简单，操作方便，对吸附剂的磨损小，*缺点只能间歇操作，控制复杂需要备用设备吸附剂导热性能差热量利用率低*、固定床吸附器类型立式固定床吸附器卧式固定床吸附器环式固定床吸附器第七章气态污染物控制技术基础28污染物控制基础2双吸附床吸附系统图第七章气态污染物控制技术基础29污染物控制基础2第三章人口与环境保护三吸附床图30污染物控制基础2立式吸附器31污染物控制基础2卧式吸附器第七章气态污染物控制技术基础32污染物控制基础2第三章人口与环境保护环式33污染物控制基础2d、移动床吸附器*优点连续稳定运行气固相接触良好，有利于吸附克服了床层过热的现象处理量大于固定床吸附器*缺点吸附剂磨损消耗大移动床结构复杂，设备庞大投资及运行费用高第七章气态污染物控制技术基础34污染物控制基础2超吸附塔图35污染物控制基础2e、流动床吸附器*特点流体与固体强烈扰动，大大强化了气固传质采用小颗粒吸附剂，提高了吸附剂表面积提高生产能力温度分布均匀，可实现大规模连续生产*缺点能耗高机械强度要求高第七章气态污染物控制技术基础36污染物控制基础2多层流化床吸附器37污染物控制基础2气流分布结构第七章气态污染物控制技术基础38污染物控制基础2f、吸附器净化效率的计算与选择*净化效率

*效率选择以满足污染物排放浓度为前提

第七章气态污染物控制技术基础39污染物控制基础27.3.4固定床吸附过程的计算▲固定床吸附器的吸附过程一般，混合气体从吸附床一端进入，干净气体从另一端排出，当出口端排出气体中污染物浓度超标时，吸附应该停止，完成一个吸附过程。第七章气态污染物控制技术基础40污染物控制基础2a、吸附负荷曲线与透过曲线*吸附负荷曲线实际操作中，气体以等速进入床层，气体中污染物被吸附，吸附一段时间后，吸附质在吸附剂上有一定的浓度，这个浓度称为该时刻的吸附负荷。在某一时刻不同床层截面上的吸附负荷对床层长度作曲线，称吸附负荷曲线。第七章气态污染物控制技术基础41污染物控制基础2理想状态下吸附负荷曲线：床层没有阻力，吸附速度为无穷大，吸附在瞬间达到平衡，则在断面上的吸附负荷为一个相同的值，吸附负荷曲线为一个直角的折线。见理想吸附负荷曲线图。实际上这种情况不可能。第七章气态污染物控制技术基础42污染物控制基础2第七章气态污染物控制技术基础43污染物控制基础2实际吸附负荷曲线：实际上床层存在阻力，某一瞬间床层各个截面上的吸附负荷有差异，绘成一条曲线。见图3-13。吸附负荷曲线分为三个区：饱和区：所有吸附剂已经达到饱和，不能再吸附传质区：有一部分吸附剂还正在吸附未用区：所有吸附剂均未有吸附质第七章气态污染物控制技术基础44污染物控制基础2第七章气态污染物控制技术基础45污染物控制基础2

吸附负荷曲线随时间是变化的，向前推进，但基本形状不变，因此曲线又称吸附波。当吸附负荷曲线向前推进到床层末端时，说明已有吸附质（污染物）流出，这时床层被穿透，当床层被穿透时，称为破点(或穿透点)。此时流出气体中污染物的浓度称破点浓度。

第七章气态污染物控制技术基础46污染物控制基础2*透过曲线实际中吸附负荷曲线不易测量，但出口浓度容易测量，以出口浓度与时间的关系作图。称透过曲线。第七章气态污染物控制技术基础47污染物控制基础2第七章气态污染物控制技术基础48污染物控制基础2b、保护作用时间保护作用时间就是固定吸附器的有效作用时间。定义为从吸附操作开始到床层被穿透所经历的时间。即从开始到出口污染物浓度达到排放标准所经历的时间。此时床层内吸附剂还未完全饱和。

当出口污染物质浓度达到时，吸附曲线整个移出吸附床层，吸附剂完全饱和，此时吸附剂失去吸附能力，这一点称耗竭点。一般实际操作中，一旦达到破点就停止操作，转为再生。第七章气态污染物控制技术基础49污染物控制基础2c、传质区高度把一个吸附波所占据的床层高度称为传质区高度。用Za表示。理论上传质区高度是流出气体中污染物浓度从0到y0这个区间内吸附波内在Z轴上占据的长度。实际中再生后吸附剂中还残留一定量的吸附质，一般为初始浓度的5～10%，而吸附剂完全达到饱和的时间太长，因此一般把由破点时间（对应的气体浓度yB）到干点时间（对应的气体浓度yE）这段时间内吸附波在Z轴上的长度称为传质高度。第七章气态污染物控制技术基础50污染物控制基础2

一般吸附床层必须有足够的长度，起码要有一个稳定的传质区。如果吸附床层的长度比传质区长度还短，就不能形成一个稳定的传质区，出现破点的时间会比计算的来得快。第七章气态污染物控制技术基础51污染物控制基础2

d、传质区吸附饱和率及剩余饱和能力分数

吸附饱和率越大，剩余饱和吸附能力分数越小，说明吸附床的操作性能越好。第七章气态污染物控制技术基础52污染物控制基础2▲希洛夫近似计算法a、希洛夫公式在理想状态下，在理想保护作用时间内通过吸附床的吸附质将全部被吸附，即通过床层遥吸附质的量一定等于床层内所吸附的量。

v——气体通过床层的速率，kg/m2sS——吸附床层截面积，m2；a——吸附剂的静活性（平衡吸附容量），kg/kg；——理想保护作用时间，min；C0——气体中污染物初始浓度，kg/m3；——吸附剂堆积密度，kg/m3；Z——床层长度，m第七章气态污染物控制技术基础53污染物控制基础2由前面式子可得：

对于一定的吸附系统和操作条件，参数已确定，令则得：第七章气态污染物控制技术基础54污染物控制基础2

实际操作中，由于床层存在阻力，实际保护作用时间比理想保护作用时间短。实际保护作用时间：所以得：K：吸附层保护作用时间系数。第七章气态污染物控制技术基础55污染物控制基础2b、利用希洛夫公式的简化设计计算以实验为基础，利用希洛夫公式求出K和，再根据生产要求的操作周期求出吸附床层长度，并根据气速气量，计算所需床层面积。第七章气态污染物控制技术基础56污染物控制基础2具体设计步骤：*选择吸附剂，确定操作条件，包括温度、压力和流速，一般固定吸附床气体流速在0.2～0.6m/s；*规定出合适的破点浓度（根据污染物排放标准）*在一定气速v下，通过试验不同床层长度L的保护作用时间，作出直线，求出K和；

*定出操作周期，即实际操作时的保护作用时间；*将参数代入希洛夫公式，计算出Z，如果Z过长，则应分层。第七章气态污染物控制技术基础57污染物控制基础2

*计算床层直径：

*设计吸附剂用量W第七章气态污染物控制技术基础58污染物控制基础2例、用活性炭固定床吸附器净化废气，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20m/min，活性碳平均粒径3mm，堆积密度450kg/m3，操作周期为40h，在上述条件下进行动态吸附试验，数据如下：床层高度Z/m：0.10.150.20.250.30.35透过时间/min：109231310462550650设计固定床的直径、高度和吸附剂用量。解：*确定希洛夫公式参数。利用试验数据作图。第七章气态污染物控制技术基础59污染物控制基础2第七章气态污染物控制技术基础60污染物控制基础2从图上查出直线的斜率为K，截距为-。得：K=2143min/m；=95min*设计吸附床高度和直径：将数据代入希洛夫公式，得：取L=1.20m，设计为立式圆柱床，则吸附床直径：设计取D=1m.第七章气态污染物控制技术基础61污染物控制基础2*所需吸附剂量：考虑装填损失，所需吸附剂量为：423.9×1.1=466kg第七章气态污染物控制技术基础62污染物控制基础2▲透过曲线计算法假设吸附系统是一个简单的恒温体系，混合气体中只有一种可被吸附的吸附质，该体系得到的仅有一个吸附波或传质区。此时固定床吸附器计算的主要内容为传质区高度，保护作用时间和全床饱和度。第七章气态污染物控制技术基础63污染物控制基础2第七章气态污染物控制技术基础64污染物控制基础2a、传质区高度的确定*根据透过曲线，气体初始浓度y0，气体流过床层的质量流速Gs（kg/m2h），经过一段时间后流出物总量为W（kg无吸附质气体/m3)，*透过曲线是比较徒的，流出物中吸附质的浓度从基本上为0迅速上升到进口浓度。

*以yB作为破点的浓度，并认为流出物浓度上升到接近y0的某一浓度值yE时，吸附剂基本已耗竭。*在破点流出物的量为WB，而到耗竭时，流出物的量为WE。*在透过曲线出现期间所积累的流出物的量Wa=WE-WB。*把浓度由yB变化到yE这部分的床层高度称一个传质区高度。第七章气态污染物控制技术基础65污染物控制基础2

*当吸附波形成后，随着混合气体的不断进入，传质区沿床层不断移动，吸附波移动一个传质区高度所需时间：*而由通气开始到床层耗竭所需的时间，即传质区形成和移出床层所需的时间之和，为：第七章气态污染物控制技术基础66污染物控制基础2

*设传质区形成时间为，则应是自吸附波形成开始到移出床层的时间。*当吸附波形成后，其前进的距离和所需的时间之比（吸附波前进的速度）应是一个常数。设吸附床高度L，传质区高度La，则：得出传质区高度：

第七章气态污染物控制技术基础67污染物控制基础2

气体在传质区中，从破点到床层完全耗竭所吸附的吸附质的量为U（kg/m2床层截面面积），即图3-15中阴影部分的面积。若传质区中所有制的吸附剂均为吸附质所饱和，则其吸附容量应为y0Wakg/m2。但实际上，当达到破点时，传质区仍有一部分吸附容量，其值为U。以E代表到达破点时传质区内仍具有的吸附能力与该区内吸附剂总的吸附能力之比，即剩余吸附能力分数：第七章气态污染物控制技术基础68污染物控制基础2

E是剩余吸附能力分数，而1-E是吸附区的饱和程度。E越大，说明吸附区的饱和程度越低，形成传质区所需时间越短；当E=0时，说明吸附波形成后，吸附区内的吸附剂已全部饱和。吸附区形成的时间与移动一个吸附波长度的距离所需时间相等：当E=1时，传质区基本不含吸附质，则传质区形成的时间等于0。根据这两种极端情况，则：第七章气态污染物控制技术基础69污染物控制基础2将上式代入，则得传质区高度：因为，代入上式，得：

要设计传质区高度Za，必须通过实验得出透过曲线的形状，从而确定Wa、WE和E的值。

一般，E取0.4—0.6。第七章气态污染物控制技术基础70污染物控制基础2b、吸附床饱和度设吸附床截面积为S，高度为Z，其中吸附剂的堆积密度为，则吸附剂的总量为。若床层全部被饱和，吸附剂与吸附质进口浓度y0成平衡的静活性为xT，则此时吸附剂所吸附的吸附质的量：

实际操作中，达到破点时，总有一部分吸附剂未饱和，此时吸附床中实际吸附的量应为饱和区的吸附量与传质区的吸附量之和。第七章气态污染物控制技术基础71污染物控制基础2整个吸附床的饱和度F为：第七章气态污染物控制技术基础72污染物控制基础2c、传质区中传质单元数和传质单元高度的计算吸附操作中，随着吸附的进行，床层内的传质区沿气流方向移动，移动的速度会远比气流通过的速度慢。为了分析问题的方便，假设传质区移动方向与气流方向相反，则可把传质区认为是固定在某一高度。假设床层高度Z趋于无穷大，则床层顶面气固相达到平衡，可对整个床层进行物料衡算：Gs(y0-0)=S(xT-0)S为假想的吸附剂流量。即第七章气态污染物控制技术基础73污染物控制基础274污染物控制基础2前面的式子可以看作是操作方程。S/Gs为操作线斜率。对床层任一截面，则有：

设床层截面积为1，则对床层中微元高度dL作物料衡算，得：Gs——气体流量，kg无吸附质气体/m2h；Kyap——气相体积传质总系数，kg吸附质/m3h；y*——与x成平衡的气相浓度，kg吸附质/kg无吸附质气体第七章气态污染物控制技术基础75污染物控制基础2经过整理并在传质区内积分，得传质区高度：上式中HOG、NOG可以称为传质区内传质单元高度和传质单元数。与处理吸收计算相类似，传质单元数可用图解积分求解。当平衡线接近直线时，可近似计算：第七章气态污染物控制技术基础76污染物控制基础2

——对数平均推动力。y1*、y2*分别是吸附平衡时的气相中吸附质浓度对于低浓度气体，有时也用算术平均推动力。第七章气态污染物控制技术基础77污染物控制基础2例：用活性炭固定床吸附含苯废气，废气初始浓度为y0=0.025kg苯/kg空气，操作温度298K，p=202.7kPa，混合气体密度2.38kg/m3，动力粘度1.8×10-5kg/ms，气体流速1m/s，吸附周期90min，破点浓度yB=0.0025Kg苯/kg空气，排放浓度yE=0.020kg苯/kg空气。活性炭堆积密度50kg/m3，平均粒径6mm，比表面积600m2/m3，给定条件下的平衡关系为y*=0.167x1.5，传质单元高度：设计计算床层高度。解：设床层截面积1m2，以简化计算。*废气流量：

第七章气态污染物控制技术基础78污染物控制基础2*传质单元高度：*根据平衡关系式绘出吸附等温线图。由平衡关系可得，当y0=0.025时，xT=0.282，过平衡线上该点B作操作线。*根据图计算表中各项。第七章气态污染物控制技术基础79污染物控制基础2第七章气态污染物控制技术基础80污染物控制基础2yy*y-y*1234567yB=0.00250.00090.0016625000.10.00500.00220.00283581.13750.1920.20.0750.00420.00333041.90000.3210.30.01000.00630.00372702.61250.4410.40.01250.00890.00362783.30000.5560.50.01500.01160.00342944.01250.6760.60.01750.01480.00273704.83750.8150.7yE=0.020.01800.00205005.92501.0000.881污染物控制基础2表中第一栏y为在yB和yE中选取的数。第2栏为是自操作线上各点的y对应的平衡线上y*的值。第5栏是在yB和yE之间进行图解积分后得到的值，实际上是NOG。从表中结果看，对应于yE的NOG=5.925，*传质区高度：La=HOG·NOG=0.071×5.925=0.42m第七章气态污染物控制技术基础82污染物控制基础2*计算吸附床层高度L根据剩余吸附能力分数E来计算：*图解积分，求E：以y/y0为纵坐标，以（W-WB）/Wa为横坐标，绘出曲线，曲线与y/y0=1的水平线、（W-WB）/Wa=1的垂直线之间的面积即为E。得到E=0.55第七章气态污染物控制技术基础83污染物控制基础2根据物料平衡关系，得：将饱和度F代入式中，得：最后计算得：L=2.0m第七章气态污染物控制技术基础84污染物控制基础2计算得全床层饱和度饱和度接近90%，表明设计基本合理。第七章气态污染物控制技术基础85污染物控制基础2▲经验估算法实际生产中，有时会缺少理论计算所需的数据，可根据生产或实验中测得的吸附剂的吸附容量，估算吸附剂的用量。然后根据操作周期