大氣污染控制--吸附

1、大氣污染控制技術(shù)--吸附,05,01,02,03,04,吸附基本理論,吸附設(shè)備的類型及特點,吸附劑選擇與再生,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,影響吸附性能的主要因素,氣體的吸附凈化-概念,吸附：在固體表面進行物質(zhì)濃縮的現(xiàn)象。 利用多孔固體對氣體中不同組分吸附能力的差異，使一種或數(shù)種氣體組分富集于固體表面而從氣相分離的過程。,,,氣（液）體中的污 染物（吸附質(zhì)）,多孔固體（吸 附劑）,放熱過程,優(yōu)點：可有效去除其他方法難以分離的

2、低濃度有害物質(zhì)，凈化效 率高、可回收有用組分、設(shè)備簡單、易實現(xiàn)自動化控制。缺點：吸附容量較小、設(shè)備體積大。,吸附分類：物理吸附：吸附劑與吸附質(zhì)之間的作用力是分子間力（范德華力）。特點：1）不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 2）吸附過程極快； 3）吸附熱較?。?0KJ/mol）； 4）吸附過程可逆，無選擇性?；瘜W(xué)吸附：吸附劑與吸附質(zhì)之間的作用力是化學(xué)鍵力。特點： 1）發(fā)生化學(xué)

3、反應(yīng)； 2）吸附熱比物理吸附大得多（84-417KJ/mol） ； 3）吸附過程具有選擇性，通常不可逆。實際吸附過程中，低溫時主要是物理吸附，高溫時主要是化學(xué)吸附，物理吸附一般在前。,氣體的吸附凈化-分類,氣體的吸附凈化-分類,,,,,化學(xué)吸附需要達到一 定的活化能，所以此階 段提高溫度可以加快吸附速率。大部分吸附過程為放熱反應(yīng)， 溫度升高不利于吸附。,石英砂負載氧化鐵（IO

4、CS）吸附銻的過程是自發(fā)的、吸熱的化學(xué)吸附反應(yīng),下列關(guān)于物理吸附和化學(xué)吸附描述錯誤的是？（ ）（A）物理吸附依靠范德華力進行（B）物理吸附過程可逆，無選擇性（C）化學(xué)吸附需要吸附劑具有一定的活性才能發(fā)生（D）所有吸附過程均為放熱反應(yīng),習(xí)題,解釋：ABC選項均正確，大多吸附過程均為放熱反應(yīng)，極個別情況除外，可知D選項錯誤。,氣體的吸附凈化-理論,氣體中的污染物（吸附質(zhì)）,,,多孔固體物質(zhì)（吸附劑）,吸附,,,脫附,吸附基本理

5、論：吸附凈化效果取決于吸附平衡和吸附速率。吸附的實質(zhì)：吸附質(zhì)以分子擴散的方式到達吸附劑表面而被富集。,V吸附=V脫附，吸附平衡（動態(tài)平衡）,氣體的吸附凈化-理論,吸附（動態(tài)）平衡：單位時間內(nèi)被固體表面吸附的分子數(shù)量與逸出的分子數(shù)量相等時，吸附達到平衡。平衡濃度：平衡時，吸附質(zhì)在氣相中的濃度。平衡吸附量（靜吸附量或靜活性）：動態(tài)平衡時，單位體積（質(zhì)量）吸附劑上所吸附的吸附質(zhì)的量,kg/kg,kg/m3。在實際吸附操作中，當(dāng)吸附

6、床層被穿透時，單位體積（質(zhì)量）的吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量，稱為動吸附量或動活性。動活性<靜活性,氣體的吸附凈化-理論,Ⅰ微孔填充特征：吸附勢增強，微孔中存在明顯的吸附增強，對低相對壓力下的吸附質(zhì)分子就 具有相當(dāng)強的捕捉能力,Ⅱ. Ⅲ型無孔或中孔的粉末表面進行吸附吸附劑與吸附質(zhì)作用力強為Ⅱ型，作用力弱時為Ⅲ型,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,吸附等溫方程式：1）弗洛德里希方程式2）朗格繆爾方程式3）BET方程式,6種類型吸附等溫線：在一定

7、溫度下物質(zhì)分子在兩相界面上進行的吸附過程達到平衡時它們在兩相中濃度之間的關(guān)系.,Ⅳ、Ⅴ微孔吸附劑，發(fā)生毛細凝聚現(xiàn)象。吸附劑與吸附質(zhì)作用力強為Ⅳ型，作用力弱時為Ⅴ型,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ 吸附劑表面惰性氣體分子分階段多層吸附,Ⅵ,吸附等溫線方程：,氣體的吸附凈化-理論,,,,平衡吸附量,,,,溫度低，有利于吸附,吸附質(zhì)在氣相中的分壓y ?f(P ),【多選】下列關(guān)于氣體吸附凈化機理描述正確的有？（ ）（A）氣體吸附凈化操作時吸附和脫附過

8、程同時存在（B）增加吸附質(zhì)分壓有利于推動吸附過程的進行（C）吸附劑的靜活性小于動活性（D）實際吸附工藝過程中，在吸附達到平衡時進行吸附劑的再 生,自編習(xí)題,解釋：AB選項正確，吸附劑的靜活性 大于動活性，實際吸附工藝過程中，當(dāng)吸附床層穿透時就需進 行吸附劑的再生。,吸附過程：,,,,氣體的吸附凈化-速率,1）外擴散：吸附質(zhì)分子由氣相主體到吸附劑外表面；2）內(nèi)擴散：吸附質(zhì)分子深入到吸附劑內(nèi)表面；3）被吸附：深入到吸附劑內(nèi)表面的吸

9、附質(zhì)被固體表面吸附。決定：吸附速率吸附保護作用時間（固定床吸附器的有效工作時間）：從吸附操作開始到吸附床層被穿透所經(jīng)歷的時間——吸附劑再生。,,對于化學(xué)吸附：第三步后還有 化學(xué)反應(yīng)。,氣體的吸附凈化-速率,物理吸附速率表達： 1）外擴散速率2）內(nèi)擴散速率3）總吸附速率物理吸附一般由內(nèi)外擴散控制；化學(xué)吸附既可能受表面動力學(xué) 控制，也可能由內(nèi)、外擴散過程控制。,,（1）外擴散速率,氣體的吸附凈化-速率,式中，,——單

10、位時間內(nèi)吸附質(zhì)從氣相擴散至單位體積吸附劑表面的質(zhì)量，kg/m3﹒s；,ky——外擴散吸附分系數(shù)， kg/m2﹒s；ap——單位體積吸附劑的吸附表面積，m2/m3；yA、yAi——A在氣相主體和吸附劑外表面的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)。,,Ai,dt,dM A,?ky ? p(y A? y),,dt,dM A,,（2）內(nèi)擴散速率,氣體的吸附凈化-速率,式中，,——單位時間內(nèi)吸附質(zhì)從固相外表面擴散至內(nèi)表面的質(zhì)量，kg/m3﹒s；,kx——內(nèi)擴

11、散吸附分系數(shù)， kg/m2﹒s；ap——單位體積吸附劑的吸附表面積，m2/m3；xA、xAi——A在固相外表面及內(nèi)表面的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)。,,dt,dM A,𝑑 𝑀 𝐴 𝑑𝑡 = 𝑘 𝑥 𝛼 𝑝 ( 𝑥 𝐴𝑖 - 𝑥 

12、9860; ),,（3）總吸附速率,氣體的吸附凈化-速率,式中： Kx、Ky——氣相及吸附相吸附總系數(shù)， kg/m2﹒s； 𝑦 𝐴 * 、𝑥 𝐴 ? ——吸附平衡時，氣相及吸附相中A的濃度、質(zhì)量分?jǐn)?shù) 。,𝑑 𝑀 𝐴 𝑑𝑡 = 𝐾 𝑦 x

13、572; 𝑝 ( 𝑦 𝐴 ? 𝑦 𝐴 ? )= 𝐾 𝑥 𝛼 𝑝 ( 𝑥 𝐴 ? ? 𝑥 𝐴 ),Ky=mKx, m為y-x相圖中平衡曲線的平均斜率,吸附設(shè)備：固定床、移動床、流化床。固定床：吸附劑固定在某一

14、部位上靜止不動，應(yīng)用最為廣泛。有立式、臥式、環(huán)式三種類型。立式固定床吸附器：優(yōu)點：空間利用率高、不 易產(chǎn)生溝流和短路，裝填 和更換吸附劑簡單。缺點：壓降較大，氣流通 過面積較小。適用于：小氣量、高濃度氣體的處理。,,吸附設(shè)備的分類和特點,臥式固定床吸附器：優(yōu)點：處理氣量大、壓降小 缺點：床層截面積大，容易造 成氣流分布不均適用于：氣量大、濃度低的氣 體。,,吸附設(shè)備的分類和特點,,環(huán)式（徑向）固定床吸附器： 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)

15、緊湊、吸附截面積 大，阻力小，處理能力大缺點：床層截面積大，容易造 成氣流分布不均適用于：凈化、回收有機蒸汽。,固定床吸附器主要缺點：1）連續(xù)操作時需不斷地周期性切換；2） 需設(shè)置備用設(shè)備，增加總吸附劑用量；3）吸附劑導(dǎo)熱性差，操作時易出 現(xiàn)局部床層過熱；4）再生時不易加熱升溫和冷卻降溫；5）熱量利用率 低，壓力損失較大。,吸附設(shè)備的分類和特點,固定床吸附器主要優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低、吸附劑磨損小,,吸附劑,,,吸附質(zhì)

16、,（塔頂）（上中部）,吸附段,,,,,移動床：吸附過程中，吸附劑顆粒在順序移動 中與氣體逆流接觸，進行氣固傳質(zhì)。干凈氣體,（塔頂）,汽提段,,,再生,,,,,提升器,,熱蒸汽,塔底優(yōu)缺點：1）吸附和再生按順序循環(huán)進行，可實現(xiàn) 連續(xù)操作,能耗高；2）處理氣量大，特別適合連續(xù)、量大氣體 的凈化處理；3）動力和再生介質(zhì)消耗較大，吸附劑磨損嚴(yán)重；4）運動部件多，操作難度和維護工作量大。,吸附設(shè)備的分類和特點,,流化床：氣體速度較大，使固 體

17、顆粒處于流化狀態(tài)。也包括：吸 附段和脫附段。缺點：能耗高，吸附劑顆粒由于機械 磨損造成損耗。,,橫截面增大，氣速 減小，吸附劑顆?；氐?吸附段。,吸附設(shè)備的分類和特點,下列關(guān)于吸附設(shè)備的分類和結(jié)構(gòu)特點說法錯誤的是？（ ）（A）吸附設(shè)備可分為固定床、移動床和流化床三類（B）固定床吸附器存在再生時不易加熱升溫和冷卻降溫問題（C）移動床吸附器系統(tǒng)同時設(shè)有吸附段和脫附段（D）流化床吸附器的一個優(yōu)點在于吸附劑顆粒處于流化狀態(tài)損耗 少,習(xí)

18、題,解析：ABC選項正確，流化床吸 附器的最大缺點是吸附劑顆粒經(jīng)機械磨損造成損耗。,氣體吸附的影響因素,（1）吸附劑性質(zhì)的影響a、比表面積（與空隙率、孔徑、顆粒度有關(guān)）越大，吸附總量越大；b、吸附劑極性的影響（相似相容原則）。（2）吸附質(zhì)性質(zhì)和濃度的影響注：吸附法不適用于凈化污染物濃度高的氣體，較為適宜處理污染物濃度低、排放標(biāo)準(zhǔn)要求很嚴(yán)的廢氣。（3）吸附操作條件的影響 溫度、壓力、氣流速度(0.2-0.6m/s)等,氣體吸

19、附的影響因素,吸附器設(shè)計時考慮的因素1）要有足夠的氣體流通面積和停留時間；2）要保證氣流分布均勻；3）對影響吸附過程的其他物質(zhì)如粉塵、水蒸氣等要設(shè)預(yù)處理裝置，以除去入口氣體中能污染吸附劑的雜質(zhì)；4）能有效控制和調(diào)節(jié)吸附操作溫度；5）易于更換吸附劑。（5）其他因素的影響：吸附劑浸漬的影響、脫附的影響。,吸附流程分類：1）間歇式吸附流程:間歇進行吸附操作，只適用于廢氣間歇排放的場合。 2）半連續(xù)式吸附流程:

20、廢氣連續(xù)處理，設(shè)備間歇操作，一般采用多臺固定床吸附器并聯(lián)。 3）連續(xù)式吸附流程:對應(yīng)于廢氣連續(xù)排出而且吸附器連續(xù)運行的 情況，當(dāng)排氣量小時優(yōu)先采用回轉(zhuǎn)式吸附床，當(dāng)排氣量大時優(yōu)先采，用移動床或流化床。,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,半連續(xù)式吸附流程在氣體凈化中最 常用的是將兩個以上固定床組成一個半連續(xù)式吸附流程。,,,1）搞清楚各閥門開關(guān)的順序？2）為什么要冷卻？,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,某氯乙烯廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氯乙烯分餾尾氣

21、，采用 下圖工藝進行處理。對該工藝的描述，下述哪項是錯誤的？（ ）（A）該工藝是雙塔交替吸附（B）吸附劑A可采用活性炭纖維（C）設(shè)備B是液體泵（D）再生過程是間接再生過程,,習(xí)題,選型基本要求：1）設(shè)備出口排氣必須達到排放標(biāo)準(zhǔn)；2）設(shè)備選型要具有針對性；3）采用先進技術(shù)、工藝、設(shè)備和材料；4）經(jīng)濟合理。,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,吸附負荷曲線,,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,,穿透和穿透時間：,,穿透：流出吸附劑層的氣流中吸

22、附質(zhì)濃度達到某一規(guī)定的濃 度時，吸附劑層被穿透或失效。此時的吸附量為動吸附量（動活 性）。穿透時間：從含有污染物的氣流開始進入吸附床層到吸附床層被穿透這段時間。床層穿透時應(yīng)停止使用，進行脫附。動活性：穿透時，還有部分吸附劑沒有飽和，此時整個吸附劑層的平均吸附量。,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,飽和時間：當(dāng)達到穿透點后，繼續(xù)向吸附劑床中通入含污染物的氣流，直至吸附床層完全失去吸附污染物的能力，此時的吸附量為靜吸附量（靜活性），對應(yīng)的時間為飽

23、和時間。靜活性>動活性飽和時間>穿透時間飽和度=動活性/靜活性,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,傳質(zhì)區(qū)越薄，吸附劑層越厚，則穿透時，吸附劑層的飽和度越大,,,穿透曲線：在穿透時間和飽和時間之間出口中吸附質(zhì)濃度的 變化曲線。,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,傳質(zhì)區(qū)高度：完整的傳質(zhì)前沿曲線形成后，其在Z軸上所占據(jù)的長度,1)保護時間的確定,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,吸附速率無窮大時，t-L為一條通過原點的直線,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,希洛夫公式

24、,,吸附層中未被利用部 分的長度（死層）,? ?KL ? ??K(L ? h),a——吸附劑的靜活性，kg吸附質(zhì)/ kg吸附劑；v——氣體通過床層的速率，m/s；c0——氣體中污染物初始質(zhì)量濃度，kg/m3。,0?——保護作用時間，s；L——床層長度，m；? 0 ——保護作用時間損失，s；K——保護作用系數(shù)，由下列公式計算；?b——吸附劑堆積密度，kg/m3；,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,𝐾= ҵ

25、72; 𝜌 𝑏 𝑣 𝐶 0,時間損失,,,,,,4Q?u,D ?,m ?SLρ b,希洛夫公式設(shè)計與計算固定床吸附器,1.選定吸附劑和操作條件2.確定穿透點濃度，選取不同吸附層厚度做實驗，測相應(yīng)的穿透時間3.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制希洛夫直線，得到斜率k和截距t04.確定操作周期，穿透時間tb5.計算床層高度6.計算床層直徑7.計算吸附劑裝填量8.計算壓降

26、9.設(shè)計附件,? ?KL ? ?0?K(L ? h),?b——吸附劑堆積密度，kg/m3；為了避免裝填損失，可多取5%-20%裝填量,擬用活性炭吸附器回收廢氣中所含的三氯乙烯， 已知廢氣中三氯乙烯濃度為11.5g/m3，流量為12700m3/h。已知活 性炭對三氯乙烯的靜活性為26.29%，其堆積密度為230kg/m3，假 設(shè)氣體通過床層的速度為20m/min，并假設(shè)死床層的厚度為0.15m。若要求吸附保護時間為223min，

27、求該吸附器的吸附劑用量（裕量取10%）？（ ）,練習(xí),解,床層直徑為,吸附劑用量,,G c,BT,s0,? 262.9 min/ m,230 ? 0.2629,?,K ?,20 ? 11.5 ? 10?3,? x,? 262.9 ? 0.15 ? 39.4 min,?0? KZ 0,?? K(Z ? Z 0 ) ? 262.9 ? (Z ? 0.15) ? 223 min得床層高度為Z=1m,,,,,,,,,,,? 3.7m

28、,3.14 ? 20,4 ? 12700 / 60,?,D ?,4Q?u,,4,? 1 ? 230 ? 852kg,3.14 ? 3.72,? 1.1 ?,W ? 1.1 ? AZ?B,練習(xí),3）吸附器本體的設(shè)計—略4）吸附器壓降的計算—略5）吸附器附屬系統(tǒng)的設(shè)計—略6）吸附系統(tǒng)的工藝設(shè)計三部分：廢氣的收集、預(yù)處理和吸附、脫附。預(yù)處理：除塵、除濕、溫度和濃度調(diào)節(jié)、除去對吸附有影響的成P715。,吸附設(shè)備的設(shè)計與計算,工業(yè)用吸

29、附劑的基本要求：1）巨大的內(nèi)表面積和孔隙率；2）選擇性強；3）吸附容量大；4）足夠的機械強度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性；5）顆粒度適中且均勻；6）易于再生和活化；7）來源廣泛，價廉易得。,吸附劑的選擇和再生,吸附劑的選擇和再生,1）活性炭非極性吸附劑，具有疏水性和親有機物的性質(zhì)。故：常用于溶劑蒸汽的回收、烴類氣體的提取分離、動植物油的精制、 空氣或其他氣體的脫臭、水和其他溶劑的脫色。孔徑范圍大故：對一些極性吸附質(zhì)和一

30、些特大分子的有機物質(zhì)，仍然有優(yōu)良的吸 附能力，如：SO2、NOx、Cl2、H2S、CO2等?；钚蕴坷w維：對各種無機和有機氣體、水溶液中的有機物、重金屬離子等具有較 大的吸附容量和較快的吸附速率，其吸附能力比一般的活性炭高1-10倍，特別是對于惡臭物質(zhì)的吸附容量要高40倍。,習(xí)題,與活性炭相比，關(guān)于活性炭纖維特點的描述哪項是錯誤的？（A）比表面積更大 （B）吸附速率高 （C）容易脫附

31、 （D）操作溫度更高,2）活性氧化鋁對水分有很強的吸附能力，常用于：氣體和液體的干燥、石油氣的濃縮和脫硫。浸入水或液體中不會溶脹或破碎。3）硅膠吸水容量很大，常用于：氣體的干燥和從廢氣中回收極為有用 的烴類氣體。4）沸石分子篩具有強的吸水性，吸附水分子能力較強，不適用于水分含量較高的廢氣凈化。,吸附劑的選擇和再生,下列有關(guān)吸附劑的論述，正確的是哪項？【】（A）工業(yè)廢氣的凈化回收只考慮選擇吸附能力最強的吸附劑

32、（B）顆粒小的吸附劑比顆粒大的吸附劑更適用于流化床吸附裝置（C）活性炭可用于有機溶劑蒸汽的回收，也可用于SO2的分離凈化（D）吸附劑的吸附容量只與吸附劑的表面積有關(guān),習(xí)題,吸附劑的再生,1）升溫再生；2）降壓脫附；3）吹掃脫附；4）置換脫附；5）化學(xué)轉(zhuǎn)化脫附6）溶劑萃取,一般來說，吸附能力越強，再生則越困難。,,,,影響因素主要是溫度、壓力,,,,影響因素主要是吸附質(zhì)（劑）的性質(zhì)、化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)等,,通入不被吸附劑吸附的

33、氣體，降低吸 附質(zhì)在氣相中的分壓而脫附。,廢氣的預(yù)處理系統(tǒng),預(yù)處理一般包括：除去顆粒物、水分、油滴、催化劑毒物、降溫（或升溫），調(diào)整濃度等。 吸附法預(yù)處理目的包括：除去顆粒物、油滴、水分以及可能堵塞吸附劑微孔的氣態(tài)污染物，降溫（升溫）和調(diào)整濃度等。 顆粒物、油滴——堵塞吸附劑微孔水分——占據(jù)吸附表面，降低吸附容量有些氣態(tài)污染物被吸附后不能被脫附，也需要去除進入吸附系統(tǒng)的有機廢氣濃度應(yīng)控制在其爆炸極限下限的