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1、大气污染控制技术-吸附,05,01,02,03,04,吸附基本理论,吸附设备的类型及特点,吸附剂选择与再生,吸附设备的设计与计算,影响吸附性能的主要因素,气体的吸附净化-概念,吸附：在固体表面进行物质浓缩的现象。 利用多孔固体对气体中不同组分吸附能力的差异，使一种或数种气体组分富集于固体表面而从气相分离的过程。,气（液）体中的污 染物（吸附质）,多孔固体 （吸 附剂）,放热过程,优点：可有效去除其他方法难以分离的低浓度有害物质，净化效 率高、可回收有用组分、设备简单、易实现自动化控制。 缺点：吸附容量较小、设备体积大。,吸附分类： 物理吸附：吸附剂与吸附质之间的作用力是分子间力（范德华力）。
2、特点：1）不发生化学反应； 2）吸附过程极快； 3）吸附热较小（20KJ/mol）； 4）吸附过程可逆，无选择性。 化学吸附：吸附剂与吸附质之间的作用力是化学键力。 特点： 1）发生化学反应； 2）吸附热比物理吸附大得多（84-417KJ/mol） ； 3）吸附过程具有选择性，通常不可逆。 实际吸附过程中，低温时主要是物理吸附，高温时主要是化学吸附，物理吸附一般在前。,气体的吸附净化-分类,气体的吸附净化-分类,化学吸附需要达到一 定的活化能，所以此阶 段提高温度可以加快吸附速率。 大部分吸附过程为放热反应， 温度升高不利于吸附。,石英砂负载氧化铁（IOCS）吸附锑的过程是自发的、吸热的化学吸
3、附反应,下列关于物理吸附和化学吸附描述错误的是？（ ） （A）物理吸附依靠范德华力进行 （B）物理吸附过程可逆，无选择性 （C）化学吸附需要吸附剂具有一定的活性才能发生 （D）所有吸附过程均为放热反应,习题,解释：ABC选项均正确，大多吸附过程均为放热反应，极个别情况除外，可知D选项错误。,气体的吸附净化-理论,气体中的污染物 （吸附质）,多孔固体物质 （吸附剂）,吸附,脱附,吸附基本理论： 吸附净化效果取决于吸附平衡和吸附速率。吸附的实质：吸附质以分子扩散的方式到达吸附剂表面而被富集。,V吸附=V脱附，吸附平衡（动态平衡）,气体的吸附净化-理论,吸附（动态）平衡：单位时间内被固体表面吸附的分
4、子数量与逸出的分子数量相等时，吸附达到平衡。 平衡浓度：平衡时，吸附质在气相中的浓度。 平衡吸附量（静吸附量或静活性）：动态平衡时，单位体积（质量）吸附剂上所吸附的吸附质的量,kg/kg,kg/m3。 在实际吸附操作中，当吸附床层被穿透时，单位体积（质量）的吸附剂所吸附的吸附质的量，称为动吸附量或动活性。 动活性静活性,气体的吸附净化-理论,微孔填充特征：吸附势增强，微孔中存在明显的吸附增强，对低相对压力下的吸附质分子就 具有相当强的捕捉能力,. 型无孔或中孔的粉末表面进行吸附 吸附剂与吸附质作用力强为型， 作用力弱时为型,吸附等温方程式： 1）弗洛德里希方程式 2）朗格缪尔方程式 3）BET
5、方程式,6种类型吸附等温线： 在一定温度下物质分子在两相界面上进行的吸附过程达到平衡时它们在两相中浓度之间的关系.,、微孔吸附剂，发生毛细凝聚现象。吸附剂与吸附质作用力强为型， 作用力弱时为型, 吸附剂表面惰性气体分子分阶段多层吸附,吸附等温线方程：,气体的吸附净化-理论,平衡吸附量,温度低，有利于吸附,吸附质在气相中的分压 y f(P ),【多选】下列关于气体吸附净化机理描述正确的有？（ ） （A）气体吸附净化操作时吸附和脱附过程同时存在 （B）增加吸附质分压有利于推动吸附过程的进行 （C）吸附剂的静活性小于动活性 （D）实际吸附工艺过程中，在吸附达到平衡时进行吸附剂的再 生,自编习题,解释
6、：AB选项正确，吸附剂的静活性 大于动活性，实际吸附工艺过程中，当吸附床层穿透时就需进 行吸附剂的再生。,吸附过程：,气体的吸附净化-速率,1）外扩散：吸附质分子由气相主体到吸附剂外表面； 2）内扩散：吸附质分子深入到吸附剂内表面； 3）被吸附：深入到吸附剂内表面的吸附质被固体表面吸附。 决定：吸附速率 吸附保护作用时间（固定床吸附器的有效工作时间）：从吸附 操作开始到吸附床层被穿透所经历的时间吸附剂再生。,对于化学吸附：第三步后还有 化学反应。,气体的吸附净化-速率,物理吸附速率表达： 1）外扩散速率 2）内扩散速率 3）总吸附速率 物理吸附一般由内外扩散控制；化学吸附既可能受表面动力学 控
7、制，也可能由内、外扩散过程控制。,（1）外扩散速率,气体的吸附净化-速率,式中，,单位时间内吸附质从气相扩散至单位体积吸附剂表面的质量，kg/m3s；,ky外扩散吸附分系数， kg/m2s； ap单位体积吸附剂的吸附表面积，m2/m3； yA、yAiA在气相主体和吸附剂外表面的浓度，质量分数。,Ai,dt,dM A,ky p(y A y),dt,dM A,（2）内扩散速率,气体的吸附净化-速率,式中，,单位时间内吸附质从固相外表面扩散至内表面的质量，kg/m3s；,kx内扩散吸附分系数， kg/m2s； ap单位体积吸附剂的吸附表面积，m2/m3； xA、xAiA在固相外表面及内表面的浓度，质
8、量分数。,dt,dM A,（3）总吸附速率,气体的吸附净化-速率,Ky=mKx, m为y-x相图中平衡曲线的平均斜率,吸附设备：固定床、移动床、流化床。 固定床：吸附剂固定在某一部位上静止不动，应用最为广 泛。有立式、卧式、环式三种类型。 立式固定床吸附器： 优点：空间利用率高、不 易产生沟流和短路，装填 和更换吸附剂简单。 缺点：压降较大，气流通 过面积较小。 适用于：小气量、高浓度 气体的处理。,吸附设备的分类和特点,卧式固定床吸附器： 优点：处理气量大、压降小 缺点：床层截面积大，容易造 成气流分布不均 适用于：气量大、浓度低的气 体。,吸附设备的分类和特点,环式（径向）固定床吸附器：
9、优点：结构紧凑、吸附截面积 大，阻力小，处理能力大 缺点：床层截面积大，容易造 成气流分布不均 适用于：净化、回收有机蒸汽。,固定床吸附器主要缺点： 1）连续操作时需不断地周期性切换； 2） 需设置备用设备，增加总吸附剂用量； 3）吸附剂导热性差，操作时易出 现局部床层过热； 4）再生时不易加热升温和冷却降温； 5）热量利用率 低，压力损失较大。,吸附设备的分类和特点,固定床吸附器主要优点： 结构简单、造价低、吸附剂磨损小,吸附剂,吸附质,（塔顶）（上中部）,吸附段,移动床：吸附过程中，吸附剂颗粒在顺序移动 中与气体逆流接触，进行气固传质。 干净气体,（塔顶）,汽提段,再生,提升器,热蒸汽,塔
10、底 优缺点：1）吸附和再生按顺序循环进行，可实现 连续操作,能耗高；2）处理气量大，特别适合连续、量大气体 的净化处理；3）动力和再生介质消耗较大，吸附剂磨损严重；4）运动部件多，操作难度和维护工作量大。,吸附设备的分类和特点,流化床：气体速度较大，使固 体颗粒处于流化状态。也包括：吸 附段和脱附段。 缺点：能耗高，吸附剂颗粒由于机械 磨损造成损耗。,横截面增大，气速 减小，吸附剂颗粒回到 吸附段。,吸附设备的分类和特点,下列关于吸附设备的分类和结构特点说法错误的是？（ ） （A）吸附设备可分为固定床、移动床和流化床三类 （B）固定床吸附器存在再生时不易加热升温和冷却降温问题 （C）移动床吸附
11、器系统同时设有吸附段和脱附段 （D）流化床吸附器的一个优点在于吸附剂颗粒处于流化状态损耗 少,习题,解析：ABC选项正确，流化床吸 附器的最大缺点是吸附剂颗粒经机械磨损造成损耗。,气体吸附的影响因素,（1）吸附剂性质的影响 a、比表面积（与空隙率、孔径、颗粒度有关）越大，吸附总量越大； b、吸附剂极性的影响（相似相容原则）。 （2）吸附质性质和浓度的影响 注：吸附法不适用于净化污染物浓度高的气体，较为适宜处理污染物浓度低、排放标准要求很严的废气。 （3）吸附操作条件的影响 温度、压力、气流速度(0.2-0.6m/s)等,气体吸附的影响因素,吸附器设计时考虑的因素 1）要有足够的气体流通面积和停
12、留时间； 2）要保证气流分布均匀； 3）对影响吸附过程的其他物质如粉尘、水蒸气等要设预处理 装置，以除去入口气体中能污染吸附剂的杂质； 4）能有效控制和调节吸附操作温度； 5）易于更换吸附剂。 （5）其他因素的影响：吸附剂浸渍的影响、脱附的影响。,吸附流程分类： 1）间歇式吸附流程:间歇进行吸附操作，只适用于废气间歇排放的场合。 2）半连续式吸附流程:废气连续处理，设备间歇操作，一般采用多台固定床吸附器并联。 3）连续式吸附流程:对应于废气连续排出而且吸附器连续运行的 情况，当排气量小时优先采用回转式吸附床，当排气量大时优先采，用移动床或流化床。,吸附设备的设计与计算,半连续式吸附流程 在气体
13、净化中最 常用的是将两个以上固定床组成一个半连续式吸附流程。,1）搞清楚各阀门开关的顺序？ 2）为什么要冷却？,吸附设备的设计与计算,某氯乙烯厂生产过程中产生的氯乙烯分馏尾气，采用 下图工艺进行处理。对该工艺的描述，下述哪项是错误的？（ ） （A）该工艺是双塔交替吸附 （B）吸附剂A可采用活性炭纤维 （C）设备B是液体泵 （D）再生过程是间接再生过程,习题,选型基本要求： 1）设备出口排气必须达到排放标准； 2）设备选型要具有针对性； 3）采用先进技术、工艺、设备和材料； 4）经济合理。,吸附设备的设计与计算,吸附负荷曲线,吸附设备的设计与计算,穿透和穿透时间：,穿透：流出吸附剂层的气流中吸附
14、质浓度达到某一规定的浓 度时，吸附剂层被穿透或失效。此时的吸附量为动吸附量（动活 性）。 穿透时间：从含有污染物的气流开始进入吸附床层到吸附床层被穿透这段时间。 床层穿透时应停止使用，进行脱附。 动活性：穿透时，还有部分吸附剂没有饱和，此时整个吸附剂层的平均吸附量。,吸附设备的设计与计算,饱和时间：当达到穿透点后，继续向吸附剂床中通入含污染物的气流，直至吸附床层完全失去吸附污染物的能力，此时的吸附量为静吸附量（静活性），对应的时间为饱和时间。 静活性动活性饱和时间穿透时间 饱和度=动活性/静活性,吸附设备的设计与计算,传质区越薄，吸附剂层越厚，则穿透时，吸附剂层的饱和度越大,穿透曲线：在穿透时
15、间和饱和时间之间出口中吸附质浓度的 变化曲线。,吸附设备的设计与计算,传质区高度：完整的传质前沿曲线形成后，其在Z轴上所占据的长度,1)保护时间的确定,吸附设备的设计与计算,吸附速率无穷大时，t-L为一条通过原点的直线,吸附设备的设计与计算,希洛夫公式,吸附层中未被利用部 分的长度（死层）, KL K(L h),a吸附剂的静活性，kg吸附质/ kg吸附剂； v气体通过床层的速率，m/s； c0气体中污染物初始质量浓度，kg/m3。,0 保护作用时间，s； L床层长度，m； 0 保护作用时间损失，s； K保护作用系数，由下列公式计算； b吸附剂堆积密度，kg/m3；,吸附设备的设计与计算,时间损
16、失,4Q u,D ,m SL b,希洛夫公式设计与计算固定床吸附器,1.选定吸附剂和操作条件 2.确定穿透点浓度，选取不同吸附层厚度做实验，测相应的穿透时间 3.根据实验数据，绘制希洛夫直线， 得到斜率k和截距t0 4.确定操作周期，穿透时间tb 5.计算床层高度 6.计算床层直径 7.计算吸附剂装填量 8.计算压降 9.设计附件, KL 0K(L h),b吸附剂堆积密度，kg/m3； 为了避免装填损失，可多取5%-20%装填量,拟用活性炭吸附器回收废气中所含的三氯乙烯， 已知废气中三氯乙烯浓度为11.5g/m3，流量为12700m3/h。已知活 性炭对三氯乙烯的静活性为26.29%，其堆积密度为230kg/m3，假 设气体通过床层的速度为20m/min，并假设死床层的厚度为0.15m。若要求吸附保护时间为223min，求该吸附器的吸附剂用量（裕量取10%）？（ ）,练习,解,床层直径为,吸附剂用量,G
