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1、有机废气吸附设计与计算一、 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，
2、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
3、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
4、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
5、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：40000m/h 有机废气组分：甲苯800 mg/ m ，丙酮134 mg/ m ，乙酸乙酯395 mg/ m 材料：钢板=4 压降
6、：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
7、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
8、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0.81.2m/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 m/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，
9、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 ，黏度=1.835Pas，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 ，堆积密度=470 kg/m ，固定床孔隙率=0.5横截面积: m4、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
10、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。在吸附作用时间内，所吸附污染物的量为 X=aSL式中：X在时间内的吸附量； a静活度，重量，%； S吸附层的截面积，m； L吸附层高度，m; 吸附剂的堆积密度，设计为470 kg/m 固定床虽然结构简单，但由于污染物在
11、床层内浓度分布是随时间变化，计算比较复杂，因此目前工程上都是采用近似计算，通过计算活性炭的作用时间进行后处理的计算。活性炭的作用时间由下式算出： 式中，V活性炭的装填量，m C进口气体污染物的浓度，mg/ m Q气流量，m /h t活性炭的使用时间，h W活性炭原粒度的重量穿透炭容，% d活性炭的堆密度0.8t/ m m /h 算出废弃的排放量：=（800+134+395）40000=53.16kg/h假设吸附器的吸附效率为85%，则达标排放是需要吸附总的污染物的量为： 53.1685%=45.19 kg/h则在吸附作用时间内的吸附量：X=4.76286=1361.6kg根据X=aSL得：根据
12、活性炭的吸附能力，设静活度为16kg甲苯/100kg活性炭所以，5、吸附剂（活性炭）用量的计算吸附剂的用量M： M=LS=1.6311.1470=8530.7kg吸附剂本身占体积 V=LS=1.6311.1=18.09 m吸附床层体积： m 6、活性炭再生的计算 本设计采用升温脱附，即在等压下升高吸附床层温度，进行脱附，然后降温冷却，重新吸附。吸附床的操作温度为，原料中吸附质的分压为,当吸附床达饱和后，吸附剂吸附容量为，假定吸附阶段终了时，允许吸附后气体中的吸附容量低于。升温脱附可将吸附剂从升温到，这时吸附剂容量可低于。 （1）干燥吸附剂时空气消耗量 式中：L干燥吸附剂是空气的消耗量，kg l空气的单位消耗量，即干空气/H2O，无量纲 、分别为离开、进入吸附剂层时空气的含湿量即H2O/干空气 W干燥时驱走的水分，kg由化工原理查表的，常温时饱和水蒸汽密度为0.02304kg/ m ,则 kg(2)加热空气所消耗的空气热焓量式中：由加热器进入吸附器的空气热焓量，J/kg 进入加热器的空气热焓量，J/kg 设利用120的热风进行脱附，查得常温时干空气的热焓量为1.005 kJ/(kg)，120时为1.009 kJ/(kg)，则：
