第三章第五移动床吸附过程的计算

第五节 移动床吸附过程的计算

在移动床吸附器的吸附操作中，吸附剂固体和气体混合物均以恒定速度连续流动，它们在床层任一截面上的浓度都在不断地变化，和气液在吸收塔内的吸收相类似。移动床吸附过程的计算主要是吸附器直径、吸附段高度和吸附剂用量的计算。我们可以仿照吸收塔的计算来处理问题，同时由于我们所进行的是低浓度气态污染物的吸附处理，可以按照等温过程对待。为了简化计算，只讨论一个组分的吸附过程。

一、移动床吸附器直径的计算

移动床吸附器主体一般为园柱形设备，和吸收塔计算塔径的公式相同： (3-53) 式中 D ——设备直径，m ；

V ——混合气体流量，m 3/h ；

u ——空塔气速，m/s 。

与吸收计算一样，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 。一般移动床中的空塔气速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： (3-54) 式中 u mf ——临界流化气速，m/s ；

μV ——气体粘度，Pa ·s ；

ρV ——气体密度，kg/m 3；

d p ——固体颗粒平均直径，m ；

R emf ——临界流化速度时的雷诺准数，由下式求得：

式中 A T ——阿基米德准数，由下式求取：

式中 ρs ——吸附剂颗粒密度，kg/m 3。

若吸附剂是由不同大小的颗粒组成，则其平均直径应按下式计算：

式中 x i ——颗粒各筛分的质量分率，%；

d pi ——颗粒各筛分的平均直径，m ； u V D π4=v p V emf mf d R u ρμ=5.022.51400T T emf A A R +=)(23v s v v p T g d A ρρμρ-=∑

==n i pi i p d x d 11

d 1、d 2——上下筛目尺寸，m 。

计算出临界流化气速后，再乘以0.6～0.8，即为空塔气速u ，再代入（3-35）式，求出塔径D 。

二、移动床吸附器吸附剂用量的计算

（一）物料衡算与操作线方程

与吸收操作相类似，只是以固体吸附剂代替液体吸收剂。仿照处理气液吸收塔内的情况，也是取塔的任一截面分别对塔顶和塔底作物料衡算，见图3-17a 。可得操作线方程： (3-58) 或 (3-59)

式中 Gs ——通过吸附剂床层的惰性气体量，kg/(m 2·s);

Ls ——通过吸附剂床层纯吸附剂流量，kg/(m 2·s);

y 1、y 2——进、出口气体中污染物浓度；

x 1、x 2——出、进口吸附剂中污染物浓度。

(3-58)、(3-59)式即为吸附操作线方程。

在稳定操作条件下，G s 、L S 是定值，而二个操作线方程是表示的通过D 点（x 2、y 2）和E 点（x 1、y 1）的直线，如图3-17（b ），DE 线称为移动床吸附器逆流连续吸附的操作线。操作线上的任何一点，都代表着吸附床内任一截面上的气固中污染物的状况。

（二）吸附剂用量的计算

与吸收操作一样，操作线DE 的斜率Ls/Gs 称作“固气比”，它反映了处理单位气体量所需要的吸附剂的量。对于一定的吸附任务，Gs 都是一定的，这时希望用最少的吸附剂来完成吸附任务。若吸附剂量Ls 减小，则操作线的斜率Ls/Gs 就会变小，当达到E 点与平衡线上E *点重合，则Ls/Gs 达到最小，称最小固气比（Ls/Gs ）min ，最小固气比可用图解法求出。若吸附平衡线符合图3-17（b ）的情况，则需找到进气端（浓端）气体中污染物浓度y 1与平衡线的交点E *，从E *点读出对应的x *1的值，然后计算出最小固气比：

(3-60) 得出最小吸附剂用量：

(3-61)

根据实际经验，操作条件下的固气比应为最小固气比的1.1～2.0倍，因此，实际操作条件下的吸附剂用量应是：

21d d d pi ⋅=)(11x G L y x G L y S S S S -+=)(22x G L y x G L y S S S S -+=2121

min )(x x y y G L S S -

-=*2121min x x y y G L s S --=*

L S =（1.1～2.0）Ls min (3-62)

三、移动床吸附器吸附层高度的计算

在吸附器截面上取一微分高度dz 作物料衡算，得到：

L S dx=G S dy (3-63)

又根据吸附率方程式：

G S dy=K y a p (y-y *)dz (3-64)

上式整理后积分得传质单元数N OG ：

(3-65)

得吸附床层有效高度Z 为：

Z=N OG ·H OG (3-66)

H OG 称传质单元高度。

传质单元数可仿照吸收或固定吸附过程的处理方法，采用图解积分的方法求出。但要正确求出传质单元高度就显得困难一些。主要原因是还没有找出正确的方法准确地求出移动床的传质总系数K y a p ，目前移动床的传质总系数都是采用固定吸附床的数据进行估算的。但是由于在移动床中固体颗粒处于运动状态。因此其传质阻力与固定床有差别，这样处理只是一种近似估算。

[例3-4] 以分子筛吸附剂，在移动床吸附器中净化含SO 2为3%（质量分数）的废气，废气流速为6500kg/h ，操作条件为293K 、1.013×105Pa ，等温吸附。要求气体净化效率为95%。又根据固定床吸附器操作时得到气、固传质分系数分别为：

k y a p =1260Gs 0.55 (kgSO 2／h ·m 2·△y)

k x a p =3458 (kgSO 2／h ·m 2·△x)

试计算∶⑴ 吸附剂用量；

⑵ 操作条件下，吸附剂中SO 2的含量；

⑶ 移动吸附床的有效高度。

解∶⑴ 吸附剂用量∶

吸附器进、出口气体组成为∶

由实验得到用分子筛从空气中吸附SO 2的平衡曲线图〔例3-4附图（a ）〕，由图中可查出与气相组成y 1呈平衡的x 1*=0.1147，假定吸附器进口的固相组成x 2=0，则根据﹙3-60）式得： ⎰⎰==-=*120y y z

OG S p y OG H Z dz G a K y y dy N ]/,/[03.003.06500650003.0650021空气SO kg kg y =⨯-⨯=)/,/([1055.1)03.01(650000503.06500232空气SO kg kg y -⨯=-⨯⨯⨯=248.001147.000155.003.0)(m in =--=S s G L