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1、9.3 固定床吸附过程计算 9.3.1吸附负荷曲线与透过曲线,图 9-11 吸附过程分析图 (a),(a)b (f),(f)e,破点,吸附波,床层完全失去吸附能力,动画演示,9.3.2影响透过曲线斜率的因素,（1）进料中吸附质浓度越高，透过曲线向上凸度越大，传质区越短，如图9-12所示。 （2）对球形吸附剂，其他条件相同时，粒度越小，透过曲线越陡，斜率越大，如图9-13所示。,图9-12溶质含量对透过曲线的影响,图9-13 床径L/粒径R对透过曲线的影响1-L/R=0.5 2-L/R=1.0 3-L/R=2.0 4-L/R=5.0 5- L/R=10,（3）相同吸附质采用不同的吸附剂时，透过曲
2、线不同，吸附能力强的陡些，如图9-14所示，用13X分子筛吸附CO2比5A分子筛好。 （4）吸附剂使用周期增加后，其透过曲线斜率逐渐变小，吸附性能变坏，如图9-15所示。图中虚线是使用周期过长，而需要更换的吸附剂的透过曲线。,4,总之，床层的性能、操作条件对透过曲线都有影响。反过来，透过曲线又可反映出床层的性能及操作情况好坏。通过对透过曲线的研究，可以评价吸附剂的性能，测取传质系数和了解床层的操作状况。,吸附区内仍具有的吸附能力，与传质区总吸附容量之比值称为传质区f值； f的数值在01之间，一般在0.40.5左右。f的大小，反映了床层在到达破点时的饱和程度。,图9-16 吸附负荷与透过曲线 (
3、a)吸附负荷曲线 (b)透过曲线,9.3.3透过曲线的计算,图9-17中，设在一横断面为A、空隙率为的吸附床层中，一流体以平均线速度u流过，在到达Z截面时浓度为C，取dZ微元床层进行物料衡算。 在时间d内，吸附质的变化量为：,这部分吸附质应分别存在于该微元床层的流动相与固定相中，所以 上式中，CS为固定相中吸附质浓度。上式经过简化整理得 因为CS=f（C）表示吸附等温线，而流动相浓度C又是吸附时间与床层位置Z的函数，故有,（9-17）,（9-16）,将（9-17）式代入（9-16）式，可得 设d时间内，吸附波从Z截面移到Z+dZ截面，流动相浓度C为某一数值，而且吸附床层流动相浓度C是时间和床层
4、位置Z的函数，故有C=f（,Z）=常数，对C求全微分得：,（9-18）,（9-19）,将(9-19)式代入(9-18)式，整理得：,（9-20）,流动相浓度为C时吸附波移动的速度,吸附等温线的斜率。 对于u、为定值的床层而言，吸附波的移动速度取决于吸附等温线的斜率 。,吸附波高浓度一端的移动速度比低浓度一端快，吸附波形状逐渐变化，传质区变得越来越短，发生了吸附波的“缩短”。 等温线：优惠型,吸附波的“延长” ； 等温线：非优惠型,吸附波不变 ； 等温线：线性,9.3.4等温固定床吸附器的计算,传质区高度Za的计算,图9-19 理想透过曲线,E,a,令F为传质区形成所需的时间，则传质区移动等于床
5、层总高度Z之距离所需时间为E-F， 因此，传质区高度Za为 气体在传质区里，从破点到吸附剂基本上失去吸附能力，被吸附的吸附质量如图9-17中阴影部分所示，其量U为,在传质区内全部为吸附质所饱和时，吸附量为Y0Wa。因此，破点时，传质区内仍具有吸附能力的面积比率f为 由于吸附波形成后尚有f这一部分面积未吸附，因此传质区形成时间F要小于传质区移动Za距离的时间a。当f=0时，则表示吸附波形成后，传质区已达到饱和，这样，传质区形成时间F应基本上与传质区移动距离Za所需时间a相同。而当f=1时，表示传质区中吸附剂基本上不含吸附质，传质区形成的时间应很短，基本等于0，所以可得下式,所以有,2.破点时全床
6、层饱和度S的计算,（9-28）,3.传质区传质单元数的计算,传质区内传质单元数为： 设在任何小于Za的床层高度z内，HOG不随浓度而变化，z所对应的气相浓度为Y，则有,（9-31）,传质区内气相总传质单元高度,可用图解积分法求得，也可按该式绘制透过曲线,4.间歇固定床持续时间的计算希洛夫方程式,保护作用时间损失,床层气速,吸附剂的平衡静活性,令,则 =KZ-m （9-34） 或 =K（Z-Zm） （9-34a）,例9-2 用活件炭固定床吸附器吸附净化含四氯化碳废气。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，选定空床气速为20m/min。活性炭平均粒径为3
7、mm，堆积密度c为450kg/m3，操作周期为40h。在上述条件下，进行动态吸附实验取得如下数据： 请计算 （1）固定床吸附器的直径、高度和吸附剂用量；（2）在此操作条件下，活性炭对CCl4的吸附容量；（3）吸附波在床层中的移动速度。,例9-3 图9-22为一有机蒸气（分子量M=58）吸附于活性炭上的透过曲线。试确定传质区高度Za与传质区中吸附质平均浓度Xa。 有关数据如下：总压P=0.344105Pa，温度T=320K，气体体积流量V=0.22310-3m3/min（在34.4kPa下）， 初始浓度C0=65L/L（在34.4kPa下），吸附剂总量为0.6g，床层高为Z=2.5cm，床层面积
8、A=0.5cm2。,图9- 22例9-3的透过曲线,解：依据透过曲线可以用加和的办法计算传质区内被吸附的有机蒸气量。加和C=0.01C0到C=C0的有机蒸气量就相当于传质区内被吸附的有机蒸气量（参照图9-16（b）中（1-f ）部分）。在增量为50min的时间间隔下，根据透过曲线加和如下： 将转换成透过的有机蒸气质量，需乘以因子（P/1.013105）（273/T）V/(22.410-3)M10-6 =(0.344/1.013)(273/320)(0.223/22.4)5810-6 =1.67510-7（g/min） 所以 (1.67510-7)=144001.67510-7=0.0024（g
9、吸附质）,24,0.00413,0.00196,0.0024,例9-4在305K及101.3kPa下，湿度为10%的空气通过硅胶固定床进行等温干燥。若固定床出口空气中水分含量达12510-6（按质量计）时被认为达到破点，出口气体中水分含量达225010-6时，则认为床层已失去吸附能力。床层的气相传质系数为kYap=1260G0.55kg/(hm3Y)，式中G kg/(hm2)为气体质量流率，平衡关系示于图9-23中。求： （1）传质单元数； （2）空气表观速度为1055 kg/(hm2)时，需不含吸附质的吸附剂的数量LS； （3）假定ksap近似等于kYap的15%，求总气相传质单元数 ； （
10、4）破点时床层饱和度达90%，求此时床层高度； （5）床层堆积密度为720 kg/m3，求破点发生时间。,26,图9-23 例9-4计算图解,（2）,31,9.4移动床吸附过程计算,1.移动床吸附器直径的计算 D设备直径，m； u 空塔气速,m/s; V混合气体流量，m3/h。 在吸附设计中，一般来说混合气体流量是已知的，计算塔径的关键是确定空塔气速u。移动床中的空塔气速一般都低于临界流化气速。球形颗粒的移动吸附床临界流化气速可由下式求得：,式中umf临界流化速度，m/s； v气体粘度，Pas； v气体密度，kg/m3； Remf临界流化速度时的雷诺准数，由下式求得： 式中AT阿基米德准数，由
11、下式求取,式中s吸附剂颗粒密度，kg/m3。 若吸附剂是由大小不同的颗粒组成，则其平均直径可按下式计算 式中xi颗粒各筛分的质量分数； dpi颗粒各筛分的平均直径，m； 式中d1、d2上下筛目尺寸，m。 计算出临界流化气速后，再乘以0.60.8，即为空塔气速u。,34,2.移动床吸附器吸附剂用量的计算,1）物料衡算与操作线方程 或,图9-24逆流连续吸附操作示意图,35,2）吸附剂用量的计算,根据实际经验，操作条件下的固气比应为最小固气比的1.22.0倍 。,36,3.移动床吸附器吸附层高度计算,移动床吸附器传质单元高度NOG与吸附床层有效高度Z的计算方法与固定床类似 Z=NOGHOG,例9-
12、5 以分子筛为吸附剂，在移动床吸附器中净化含SO2 3（质量分数）的废气，废气流量为6500kg/h，操作条件为293K、1.013105Pa，等温吸附。要求气体净化效率为95%。该体系相平衡常数m=0.022，又根据固定床吸附器操作时得到气、固传质分系数分别为 kYap=1260GS0.55（kg SO2/hm2Y） kXap=3458（kg SO2/hm2X） 试计算： (1)吸附剂用量； (2)操作条件下，吸附剂中SO2的含量； (3)移动吸附床的有效高度。,41,9.5吸附浸渍与吸附剂的再生 9.5.1吸附浸渍,吸附浸渍是将吸附剂先吸附某种物质，然后用这种处理过的吸附剂去净化含污染物的
13、废气，利用浸渍物与被吸附物发生反应，或由于浸渍物的催化作用，使吸附剂表面上的污染物发生催化转化，以达到净化废气的目的，该过程称为吸附浸渍。,42,9.5.2吸附剂的再生,1.加热再生 吸附一般是放热过程，因而吸附容量随温度升高而降低，在低温或常温下吸附，然后在加热下解吸再生，这样的循环方法又称为变温吸附。 2.减压解吸 一般吸附过程与气相的压力有关。若吸附是在较高的压力下进行，然后把压力降低，被吸附的物质就会脱离吸附剂回到气相中。如果吸附是在常压下进行的，便可抽真空进行解吸。这种循环方法称为“变压吸附”，它应用较多，如吸附分离高纯氢与富氧就是在1410542105Pa压力下进行吸附，然后在常压
14、下脱附，使吸附剂得到再生,3.置换解吸 对于吸附质为热敏性物质不便加热再生的情况，可利用吸附剂对不同物质吸附能力不同的特点，向吸附后床层通入另一种可被吸附的流体（称为脱附剂），置换出原来被吸附物质，达到再生目的。如某些不饱和烃类物质，较高温度下易聚合，可以采用亲和力更强的溶剂进行置换再生，置换出原吸附质后再加热再生吸附剂，此法又称“变浓吸附”，多用于液体吸附中，气体吸附中也较常用，例如活性炭吸附SO2后，用水将其洗涤下来，活性炭进行适当的干燥便达到再生的目的。 4.通气吹扫 使吸附质从吸附剂上脱附下来的另一方法是通入另一种气体进行吹扫，其作用是降低吸附质的分压。 如吸附了大量水分的硅胶即可通入
15、干燥的氮气进行吹扫使硅胶脱出水分而得到再生。 5.吸附剂再生还有一些其他方法，如化学转化法、湿式氧化法、微生物再生法、电解氧化法及微波再生，等等。,44,9.5.3 吸附剂的劣化现象与残余吸附量,吸附剂反复使用和再生后，会发生劣化现象，吸附容量将下降。发生劣化现象的原因主要有： 吸附剂表面被炭沉积，或被聚合物或其他一些化合物以及颗粒等覆盖。 由于加热，使吸附剂表面成为半熔融状态，致使部分微孔堵塞或消失。 由于化学反应，使吸附剂微孔结晶受到破坏。 其中，吸附剂表面被炭或其他物质粘附的情况是较普遍的，几乎所有的劣化现象都是这个原因造成的，而高温熔融堵塞，则主要发生在微孔中。,由于劣化现象的产生，使吸附剂的吸附容量下降，所以考虑吸附剂劣化和残留吸附量后的吸附剂的有效平衡吸附量qd（kg/kg）为 式中 qm在吸附等温线上与初始浓度C0对应的平衡吸附量； B 劣化度，B=1030%； qR吸附剂再生后的残留吸附量，25%。,46,9.6室内气态污染物的吸附净化,9.6.1室内空气污染物的来源 1.悬浮颗粒物 2.气态污染物 9.6.2 室内污染空气的净化,
