有机废气吸附设计与计算

2016年07月28日

一、****基本原理

1****、吸附原理

当两相组成一个体系时，其组成在相界面与相内部是不同的，处在；两相界面处的成分产生了积蓄（浓缩），这种现象称为吸附。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，吸附气体组分的物质称为吸附剂。

使已被吸附的组分从达到饱和的吸附剂析出，吸附剂得以再生的操作称为脱附。即被吸附于界面的物质在一定条件下，离开界面重新进入体相的过程，也成解吸。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是吸附剂上已吸附的吸附质脱附，恢复吸附剂的吸附能力，这个过程成为吸附剂的再生。因此，在实际工作中，正式利用吸附剂的吸附—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。

脱附过程是在吸附剂结构不变化或者变化极小的情况下，将吸附质从吸附剂孔隙中除去，恢复它的吸附能力。通过再生使用，可以降低处理成本，减少废渣排放量，同时回收吸附质。被吸附的组分重新释放，释放的气体浓度高于原混合气的浓度。促进解吸的条件有：（1）提高温度（热再生；（2）抽真空以降低压力（变压解吸附）；（3）降低吸附剂周围组分的浓度（空气吹扫）。

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逐渐增多，也就出现了吸附质的脱附，且随着时间的推移，脱附速度不断增大。但从宏观上看，同一时间吸附质的吸附量仍大于脱附量，所以过程的总趋势认为是吸附。当同一时间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经活性分数，用表示，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。

3****、吸附量

吸附量是指在一定条件下单位质量的吸附剂上所吸附的吸附质的量，通常以kg吸附质/kg吸附剂或质量分数表示，它是吸附剂所具有吸附能力的标志。在工业上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，从吸附剂层流出的汽提开始发现吸附质（或其浓度达到依规定的允许值）时，认为床层失败，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。

二、吸附器选择的设计计算

1****、吸附器的确定

对吸附器的基本要求：

（1）具有足够的过气段面和停留时间

（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

吸附工艺选用固定床吸附器。基本运行参数如下：

处理风量：40000m³/h

有机废气组分：

甲苯800 mg/ m ³，丙酮134 mg/ m ³，乙酸乙酯395 mg/ m ³

材料：钢板δ=4

压降：常压

数量：两台并联，脱附吸附交替运行

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

本设计采用活性炭纤维做吸附剂，活性炭纤维是常用吸附剂的一种。活性炭纤维对吸附质的吸附主要取决于表面的物理结构和化学结构，活性炭纤维以其表面大量的不饱和碳构筑成了独特的吸附结构，它是一种典型的微孔碳，其含有的许多不规则结构（杂环结构）或含有表面官能团的结构，具有极大的表面积，也就造成了微孔相对孔壁分子共同作用形成强大的分子场，提供一个吸附总分子物理和化学变化的高压体系。活性炭纤维不含有大孔，其微孔占大多数，当微孔与分子尺寸大小相当时，在范德华力作用下相距很近的吸附场发生叠加，引起微孔内吸附势的增加，而活性炭纤维表面的孔口多，容易吸附和脱附，而且吸脱行程短。因此，活性炭纤维是一种优良的吸附剂。（计算过程以活性炭颗粒为例）

3****、空塔气速和横截面积的确定

空塔气速为气体通过吸附器整个横截面积的速度，空塔气速的选择，不仅直接决定了吸附器的尺寸和压降的大小，而且还会影响吸附效率。气速很小，则吸附器尺寸很大，不经济；气速过大，则压降会增大，使吸附效率受到影响。通过实验确定最佳气速，吸附设计中不能追求过高的吸附效率，把空塔气速取值降小，那样会使吸附床体积、吸附剂用量和设备造价大为增高；反之也不宜取过大的空塔气速，那样设备费用虽低，但吸附效率下降很多，且体系压降会随空塔气速的增大上升很快，造成动力消耗过大，因此应选取合适的空塔气速，最适宜的空塔气速为0.8~1.2m/s，依此经验结论，本设计确定

空塔气速：U=1.0m/s

原始条件：

处理风量：Q=40000 m³/h，设计温度为常温，压力为常压

由于废气中，空气所占的比例远远大于污染物所占比例，因此，废气性质可以近似看作为干空气的热物理性质，查《化工原理》附录得以下数据：

空气混合物性质：

流体密度=1.185kg/m ³，黏度=1.835×Pa·s，

比热容=1.005kJ/(kg·℃)，吸附的粒状活性炭颗粒性质：

平均直径=0.003m，表观密度=670 kg/m ³，堆积密度=470 kg/m ³，

固定床孔隙率=0.5

横截面积: m²

4****、固定床吸附层高度的计算

采用透过曲线计算方法，通过实验将含有一定浓度污染物的气流连续通过固定床吸附器，在不同的时间内，确定吸附床不同截面处气流中污染物的浓度分布，当吸附床使用一段时间后，出口气体污染物浓度达到某一允许最大浓度时，认为吸附床失效。从气流开始通入至吸附床失效这段时间称为穿透时间，或保护作用时间。表示吸附床处理气体量与出气口污染物浓度之间的关系的曲线称为穿透曲线。穿透曲线的形状和穿透时间取决于固定床的操作方法。操作过程的实际速率和机理、吸附平衡性质、气流速度、污染物入口浓度，以及床层厚度等影响穿透曲线的形状，此过程比较复杂，目前仍是只是近似过程的计算。

假定吸附床到达穿透时间全部处于饱和状态，即达到它的平衡吸附量a，也称a为静活度，同时根据朗格缪尔等温线，假定静活度不再与气相浓度有关。在吸附作用时间ζ内，所吸附污染物的量为

X=aSL