固定床吸附计算
9第三章第四节固定床吸附过程地计算
第四节固定床吸附过程的计算固定床吸附器结构简单，但由于气体吸附过程是气—固传质，对任一时间或任一颗粒来说都是不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及到物料衡算方程、吸附等温线方程和传热速率方程及热量衡算。
而在气态污染物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理，可不考虑传热速率方程和热量方程（升温脱附除外）。
这样在设计过程中可采用简化了的方法进行近似计算，计算时往往提出如下假设：（1）气相中吸附质浓度低；（2）吸附操作在等温下进行；（3）传质区通过整个床层时长度保持不变；（4）床层长度比传质区长度大得多。
这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。
设计中较常采用的是希洛夫近似计算法和透过曲线计算法。
计算过程一般是在吸附剂的选择、吸附设备的选择和吸附效率确定之后进行的。
设计计算的任务是求出吸附器的床层直径和高度，吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间，床层压降等。
下面首先介绍固定床吸附器的吸附过程。
一、固定床吸附器的吸附过程在固定床吸附器的吸附操作中，一般是混合气体从床层的一端进入，净化了的气体从床层的另一端排出。
因此，首先吸附饱和的应是靠近进气口一端的吸附剂床层。
随着吸附的进行，整个床层会逐渐被吸附质饱和，床层末端流出污染物，此时吸附应该停止，完成了一个吸附过程。
为了描述吸附过程，提出了以下概念。
（一）吸附负荷曲线与透过曲线1. 吸附负荷曲线在实际操作中，对于一个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。
吸附一定时间后，吸附质在吸附剂上就会有一定的浓度，我们把这一定的浓度称为该时刻的吸附负荷。
如果把这一瞬间床层内不同截面上的吸附负荷对床层的长度（高度）作一条曲线，即得吸附负荷曲线。
也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附质浓度x随床层长度z变化的曲线。
床类的吸附分离
一 固定床的吸附分离及计算
当吸附波继续移动出现出口处吸附剂达到饱和的情况时(f)， 此时表明床层中全部吸附剂均已饱和，与进料中吸附质的 浓度达到平衡状态，整个床层已完全失去吸附能力，所用 时间为тe。 床层内吸附负荷曲线表示了床层中吸附质浓度的分布情况， 可以直观地了解床层内的操作情况，这是重要的优点。可 是它虽然可通过实验测得，但毕竟非常麻烦，若是吸附剂 一小薄层一小薄层取出来分析吸附剂的吸附量，或者在实 验过程中从床层不同位置取样分析流体的浓度，不仅采样 困难，而且均会破坏床层的稳定或破坏流体的流速和浓度 分布。因此在评价固定床吸附剂的性能时，常采用吸附器 出口流出物中吸附质的浓度随时间变化的透过曲线。
床类的吸附分离
一，固定床吸附分离及计算 二，移动床吸附分离及计算
一 固定床的吸附分离及计算
1.固定床吸附器
它多为圆柱形立式设备，在内部支撑的格板和多孔板，放置 吸附剂成为固定吸附床层。当预处理的流体通过床层时， 吸附质被吸附在吸附剂上，其余流体由出口流出。
2.固定床吸附器的 优点：结构简单，造价低，吸附剂磨损少。 缺点：间歇操作，吸附和再生两过程必须周期性更换这样不 但需有备用设备，而且要较多的进出口阀门，操作十分麻 烦，为大型化，自动化带来困难。即使实现自动化，控制 的程序也是比较复杂的。 在吸附器内为了保证产品质量，床层要有一定的富余，需 要放置多余实际需要的吸附剂，使吸附剂耗用量增加。
理想吸附波形：吸附过程的吸附速率为无限大，也就是吸附 剂完全没有传质阻力时，则透过曲线将是一条树立的直线。
一 固定床的吸附分离及计算
实际情况下吸附阻力时存在的，吸附速率也就不可能无限大。 就形成了S形波曲线。 S曲线分析： 吸附传质阻力越大，吸附速率越低，传质区越大，S形波幅 越大，反之亦然。除了吸附过程的快慢外，流体通过床层 的流速，进料中溶质的浓度，吸附剂床层的高度都会对波 形产生影响；一般随床层高度的减少，吸附剂颗粒的增大， 流体通过床层流速的增大以及进料中吸附质初始浓度的征 稿，都会使破点出现的时间提前。
吸附设备的计算
吸附设备的计算（一）进气总的风量为：Q=32000m3/h有机甲苯日峰值为：C=5t×0.84=4.2t每小时甲苯的量为：c=4.2t÷24h=0.175t/h每小时甲苯的浓度为：c’=0.175t/h÷32000 m3/h=830mg/ m3要求废气的排放满足《大气污染物综合排放标准》（GB16297—1996）二级标准，而《大气污染物综合排放标准》（GB16297—1996）二级最高允许排放速率为 3.6kg/h;则允许的尾气排放浓度为c’’=3600g÷32000 m3/h=112.5mg/ m3>60 mg/ m3(二级最高允许排放浓度)，所以尾气排放控制在《大气污染物综合排放标准》（GB16297—1996）二级最高允许排放浓度60 mg/ m3；C尾气=60 mg/ m3每小时排放的甲苯的量为：C排放=32000m3/h×60 mg/ m3=1.92kg/h需要处理掉的甲苯的量为：C处理=175－1.92=173.08kg/h吸附按四个小时算，则吸附的甲苯的总量为：C’=173.08kg/h×4h=692.32kg每个吸附器吸附的甲苯的量为C’’=692.32kg÷2=346.16kg吸附质采用zj-30活性炭，由工程实践经验，吸附质的量按吸附剂量的20%算，则吸附剂的量为：C吸附剂=692.32kg÷20%=3461.6kg做三个吸附器，运行的时候两个吸附器吸附，一个吸附器脱附，则每个吸附器吸附质的量为：C吸附剂’=3461.6÷2=1730.8kg（二）吸附器的尺寸设计zj-30活性炭的堆积密度为460kg/ m3,则堆积的体积为：V=1730.8kg÷460kg/ m3≈3.76 m3为保护活性炭层不被破坏，气速采用0.4m/s，则活性炭堆积的截面积为：S=32000 m3/h÷0.4m/s÷3600s≈22.2 m3 由于运行的时候只有两个吸附器在工作，因此每个吸附器活性炭堆积的截面积为：S’=22.2 m3÷2=11.1 m3每个吸附器活性炭堆积厚度为：ζ=3.76 m3÷11.1 m3≈0.34 m ，取0.4m采用立式固定床吸附塔，则塔径为：D={（4×11.1 m3）÷3.14}^0.5=3.76m，塔径过大，不宜采用因此采用卧式固定床吸附器，则假设塔高为2m,则吸附器的长：L=11.1 m3÷2m=5.55m≈5.6m所以吸附器采用卧式固定床吸附器，高跟宽都为2m,长为5.6m。
现代分离技术：第三节 固定床吸附分离
样会因取样点的存在而破坏流动状态）
若取固相中溶质的浓度，可在某一时间i 时停止进
料，然后沿轴向分层取出吸附剂，测定每一小薄层吸 附剂的吸附量。两种方法可得到同样形状的吸附负荷 曲线。
3. 透过曲线
吸附负荷曲线可以反映出固定床层内的 吸附情况，但床层内吸附质的浓度比较难测 定，工程上一般采用固定床层出口处流出物 中吸附质的浓度来表示吸附过程的进行情况。 所 绘 得 的 曲 线 称 为 透 过 曲 线 (breakthrough curve)。
1. 吸附剂的活性
吸附剂的活性
被吸附物质的重量 吸附剂的重量
100 %
或：
吸附剂的活性
被吸附物质的体积 吸附剂的体积
100 %
• 活性可细分为静活性和动活性。
• 静活性——在操作T、P下，与流体相中吸 附质初始浓度C0成平衡时的最大吸附量与吸附 剂量之比（或者说是在该操作条件下，吸附剂 达饱和时的活性)。
(3) 线性型
Za不变。
PVL mol sieve unit
第四节 其他吸附设备
一、移动床
1. 移动床吸附器的工作原理
整个吸附塔按不同物料的进出口位置, 分成四个作 用不同的区域
(1) ab段 (2) bc段 (3) cd段 (4) da段
A吸附区 B脱附区 A脱附区 D部分脱附区
2. 移动床吸附器
出每个时间i下的曲线，称为吸附负荷曲线。即在
不同时间、不同床层段吸附质的浓度变化曲线。
(2) 理想的吸附负荷曲线
流体以柱塞流进入床层，初始浓度C0，床层的吸附速 率=∞，或阻力=0，则吸附负荷曲线为一垂直于横轴的 直线。
C0
最大吸附量公式
最大吸附量公式
吸附量计算公式为：
q＝V（C0-C）/m，吸附量是指单位面积的表层中所含溶质的物质的量，与同量容积在溶液本体中所含溶质物质的量的差值，常用的吸附单位有：g/g、g/m2、mol/g。
最大吸附量：
吸附容量是指单位吸附剂所吸附的吸附质的量，单位是mg/g或其他。
指的是滤料或离子交换剂吸附某种物质或离子的能力。
即吸附量，在固定床吸附时，达到透过点时的透过容量为吸附容量。
吸附装置的吸附容量指在一定的运转条件下（包括再生切换在内）的吸附量，由于吸附剂经多次使用后会发生劣化的现象，故设计吸附装置时，常采用运转条件下的吸附容量为设计吸附容量。
活性炭固定床吸附器的设计计算及选型
活性炭固定床吸附器的设计计算及选型一、活性炭固定床吸附器的设计计算及选型1.废气吸附净化设计中的假设条件固定床吸附器结构虽然简单，但由于气体吸附过程是气-固传质过程，对任一时间或任一颗粒来说，这个传质过程都是一个不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及物料衡算方程、吸附等温线方程、传热速率方程及热量衡算。
为了避开一些没有必要的烦琐计算，可根据废气净化系统的特点，提出一些合理的假设：①气相中吸附质浓度低。
②吸附操作在等温下进行。
③传质区通过整个床层时长度保持不变。
④床层长度比传质区长度大得多。
这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。
固定床吸附过程的设计计算一般包括：吸附剂及吸附设备的选择；吸附效率确定。
当以上任务完成后，才能进行以下参数的设计计算：吸附器的床层直径和高度；吸附剂的用量；吸附器的一次循环工作时间；床层压降等。
2.活性炭固定床吸附剂的选择活性炭吸附剂的选择应根据吸附剂的比表面积（或碘吸附值、四氯化碳值、丁烷工作容量）、废气的组分及处理要求，依据吸附剂的选择性、再生性、化学稳定性、机械强度、价格等因素，进行综合考虑。
2.1选择原则——工业上对常用吸附剂的要求①要有巨大的内表面积（有效表面）和孔隙率。
②选择性要强，对需要去除的气体组分有选择地吸附。
③吸附容量要大，与比表面积和孔隙率大小以及孔径分布的合理性、分子的极性以及吸附剂分子上官能团的性质有关。
④要有足够的机被强度、热稳定性和化学稳定性。
⑤颗粒度要适中而且均匀。
⑥易于再生和活化。
⑦原料来源广泛，制造简便，价廉易得。
2.2吸附剂的选择步骤吸附剂的性质直接影响吸附效率，因此，在吸附设计中必须根据吸附质的性质以及处理要求选择合适的吸附剂。
下面所介绍的是标准的选择程序，按照这个程序操作，可以比较精准地选择出所希望的吸附剂，但是过程比较烦琐。
因此，一般是根据实际经验选择。
在吸附设计中，选择吸附剂的标准程序如下：（1）初选根据吸附质的性质、浓度和净化要求以及吸附剂的来源等因素，初步选出几种吸附剂。
10第三章第五节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 11d 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。
《大气污染控制工程》第6章 吸附法净化气态污染物
下降。真实吸附 固体表面是不均匀的，各 化学中心的能量不相等； 吸附热随θ的增加而线性
下降。真实吸附
物理吸附。同朗格谬尔， 多层吸附
方程式型式
A
V Vm
KpA 1 KpA
A Bp1A/ n
A
1 f
ln(KpA )
p (c 1)p V (p0 p) Vmcp0
5
6
区，即吸附区、再生区、冷却
区。吸附、再生和冷却过程都
是连续进行的。
回转床吸附器
1-废气 2-净化气 3-解吸废气 4-再生热空气 5-冷却气6- 冷却废气
一、吸附装置
流动床吸附器
1-净化气 2-废气 3-过热蒸气 4-预热段 5-解吸蒸气 6-输送用空气 7-回收的有机物质 8-冷凝水
3.流动床吸附器 流动床吸附器的特点是
适用范围 物理吸附 与化学吸
附
同上
化学吸附
物理吸附
二、吸附速率
吸附过程： ➢ 外扩散（气体主体 外表面） ➢ 内扩散（外表面 内表面） ➢ 吸附
➢ 脱附 ➢ 内扩散(内表面 外表面) ➢ 外扩散(外表面 气体主体)
控制步骤：扩散阻力
吸附过程示意图
二、吸附速率
外扩散传质速率：
dqA
d
kYap (YA
[(z-za)ρsXT+zaρs(1-ƒ)XT ]
二、固定床吸附器计算
全床层饱和度：
S
达到破点时床层吸附的 吸附质的量 达到吸附平衡时床层吸 附的吸附质的总量
(z za )sXT za s (1 f )XT zsXT
z fza z
9第三章第四节固定床吸附过程的计算
第四节固定床吸附过程的计算固定床吸附器结构简单，但由于气体吸附过程是气—固传质，对任一时间或任一颗粒来说都是不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及到物料衡算方程、吸附等温线方程和传热速率方程及热量衡算。
而在气态污染物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理，可不考虑传热速率方程和热量方程（升温脱附除外）。
这样在设计过程中可采用简化了的方法进行近似计算，计算时往往提出如下假设：（1）气相中吸附质浓度低；（2）吸附操作在等温下进行；（3）传质区通过整个床层时长度保持不变；（4）床层长度比传质区长度大得多。
这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。
设计中较常采用的是希洛夫近似计算法和透过曲线计算法。
计算过程一般是在吸附剂的选择、吸附设备的选择和吸附效率确定之后进行的。
设计计算的任务是求出吸附器的床层直径和高度，吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间，床层压降等。
下面首先介绍固定床吸附器的吸附过程。
一、固定床吸附器的吸附过程在固定床吸附器的吸附操作中，一般是混合气体从床层的一端进入，净化了的气体从床层的另一端排出。
因此，首先吸附饱和的应是靠近进气口一端的吸附剂床层。
随着吸附的进行，整个床层会逐渐被吸附质饱和，床层末端流出污染物，此时吸附应该停止，完成了一个吸附过程。
为了描述吸附过程，提出了以下概念。
（一）吸附负荷曲线与透过曲线1. 吸附负荷曲线在实际操作中，对于一个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。
吸附一定时间后，吸附质在吸附剂上就会有一定的浓度，我们把这一定的浓度称为该时刻的吸附负荷。
如果把这一瞬间床层内不同截面上的吸附负荷对床层的长度（高度）作一条曲线，即得吸附负荷曲线。
也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附质浓度x随床层长度z变化的曲线。
吸附设备的计算
吸附设备的计算(一)进气总的风量为：Q=32000m3/h有机甲苯日峰值为：C=5t X 0.84=4.2t每小时甲苯的量为：c=4.2t+ 24h=0.175t/h每小时甲苯的浓度为：c'0.175t/h—32000 m3/h=830mg/ m3要求废气的排放满足《大气污染物综合排放标准》 (GB 1 6297— 1 996) 二级标准，而《大气污染物综合排放标准》 (GB16297—1996)二级最高允许排放速率为 3.6kg/h;则允许的尾气排放浓度为c' =3600g + 32000 m3/h=112.5mg/ m3>60 mg/ m3(二级最高允许排放浓度)，所以尾气排放控制在《大气污染物综合排放标准》 (GB16297—1996)二级最高允许排放浓度60 mg/ m3；3C 尾气=60 mg/ m3每小时排放的甲苯的量为：C排放=32000m3/h X 60 mg/ m3=1.92kg/h需要处理掉的甲苯的量为：C处理=175- 1.92=173.08kg/h 吸附按四个小时算，则吸附的甲苯的总量为：C'=173.08kg/h X 4h=692.32kg每个吸附器吸附的甲苯的量为C'=692.32kg宁2=346.16kg吸附质采用zj-30 活性炭，由工程实践经验，吸附质的量按吸附剂量的20%算，则吸附剂的量为：C吸附剂=692.32kg- 20%=3461.6kg做三个吸附器，运行的时候两个吸附器吸附，一个吸附器脱附，则每个吸附器吸附质的量为：C吸附剂'3461.6宁2=1730.8kg（二）吸附器的尺寸设计zj-30 活性炭的堆积密度为460kg/ m3,则堆积的体积为：V=1730.8kg + 460kg/ m3〜3.76 m3为保护活性炭层不被破坏，气速采用0.4m/s，则活性炭堆积的截面积为：S=32000 mi7h+ 0.4m/s+ 3600* 22.2 m3由于运行的时候只有两个吸附器在工作，因此每个吸附器活性炭堆积的截面积为：S'22.2 m3宁2=11.1 m3每个吸附器活性炭堆积厚度为：Z =3.76 m3+ 11.1 m3〜0.34 m，取0.4m采用立式固定床吸附塔，则塔径为：D={ （4X 11.1 m3）- 3.14}八0.5=3.76m,塔径过大，不宜采用因此采用卧式固定床吸附器，则假设塔高为2m,则吸附器的长：L=11.1 m3—2m=5.55m~ 5.6m所以吸附器采用卧式固定床吸附器，高跟宽都为2m,长为5.6m。
固定床吸附计算
GS K yaP
Y1 Y2
Y
dY Y
*
传质单元数 （图解积分法）
传质单元高度
移动床计算
例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含H2S的空气。吸附剂为分 子筛。空气中H2S的浓度为3％（重量），气相流速为6500kg/h，假 定操作在293K和1atm下进行，H2S的净化率要求为95％，试确定：
固定床吸附计算
同样条件下
K1v1 K2v2 const.
01 v1 02 v2 const.
d1
d2
定义－动力特性
B1 Kv
B2
0
d
v
固定床吸附计算
吸附床长度
➢ 假定条件 等温吸附 低浓度污染物的吸附 吸附等温线为第三种类型 吸附区长度为常数 吸附床的长度大于吸附区长度
空气＝6305 kg/h
Y2
9.75 6305
Y2
1.55
9.75
1630053
1.55
103
移动床计算
实验得到的平衡关系如右图
假定X2＝0，从图得（X1）最大＝0.1147
( LS
/
GS
)最小
0.03 0.1147
0.00155 0.0000
0.284
(LS / GS )实际 1.5(LS / GS )最小 1.5 0.284 0.372
固定床吸附计算
吸附床长度
L0
WA
L WE (1 f )WA
L0－吸附区长度 WA－穿透至耗竭的惰性气体通过量 WE－耗竭时的通过量 1-f－吸附区内的饱和度
吸附器的压力损失
1）图解计算
2）公式计算
Pg 3d p g D(1 )G '2
Chap08 固定床吸附过程分析
对于可逆吸附过程，就吸附带中传质过程作物料衡算，
可得下式，用来求得吸附带的长度La，其中CB为穿透点的 浓度（等于吸附带前段的浓度），CE为吸附终止时的浓度 （等于吸附带后段的浓度）
∫ La
=
u KFa
CE CB
固定床内任意一点
C
dC −C
*
qq0E
的吸附量q和浓度C的关
q (g/g)
系（操作线）为
= 0.044
(2)对应于穿透点的饱和吸附区长度
Lsat
= vsat (t − tsat ) =
uC0t
q0 (1− ε )
−u ka
= 0.809m
可见，穿透时，80%的填充床饱和。
(3) L=3m时穿透时间
在同样的穿透浓度CB/C0=0.044下,下式成立
0.044 = exp{−1+ 0.36× 3[ 0.022× t −1]} 0.022 223(1− 0.32) × 3
tB
=
L − La va
/2
=
q0 (1 − ε ) (L −
uC0
La 2
)
假设固定床内吸附速率无限大，不考虑传质阻力 ，则穿透时间为
tB
=
L va
=
q0 (1 − ε ) L
uC0
q
q=C
q0 C0
根据吸附体系的吸附平衡曲线和操 CB C* C
作线，即可积分求解，得到吸附带
高度La。
C (g/L)
CE C0
∫ La
=
u KFa
CE dC CB C − C*
吸附传质系数KFa越大，或进料速度u越小，则吸 附带会越窄。传质速度无限大时，La → 0。
第三章第四节固定床吸附过程的计算
第四节固定床吸附过程的计算固定床吸附器结构简单，但由于气体吸附过程是气—固传质，对任一时间或任一颗粒来说都是不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及到物料衡算方程、吸附等温线方程和传热速率方程及热量衡算。
而在气态污染物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理，可不考虑传热速率方程和热量方程（升温脱附除外）。
这样在设计过程中可采用简化了的方法进行近似计算，计算时往往提出如下假设：（1）气相中吸附质浓度低；（2）吸附操作在等温下进行；（3）传质区通过整个床层时长度保持不变；（4）床层长度比传质区长度大得多。
这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。
设计中较常采用的是希洛夫近似计算法和透过曲线计算法。
计算过程一般是在吸附剂的选择、吸附设备的选择和吸附效率确定之后进行的。
设计计算的任务是求出吸附器的床层直径和高度，吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间，床层压降等。
下面首先介绍固定床吸附器的吸附过程。
一、固定床吸附器的吸附过程在固定床吸附器的吸附操作中，一般是混合气体从床层的一端进入，净化了的气体从床层的另一端排出。
因此，首先吸附饱和的应是靠近进气口一端的吸附剂床层。
随着吸附的进行，整个床层会逐渐被吸附质饱和，床层末端流出污染物，此时吸附应该停止，完成了一个吸附过程。
为了描述吸附过程，提出了以下概念。
（一）吸附负荷曲线与透过曲线1. 吸附负荷曲线在实际操作中，对于一个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。
吸附一定时间后，吸附质在吸附剂上就会有一定的浓度，我们把这一定的浓度称为该时刻的吸附负荷。
如果把这一瞬间床层内不同截面上的吸附负荷对床层的长度（高度）作一条曲线，即得吸附负荷曲线。
也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附质浓度x随床层长度z变化的曲线。
固定床吸附计算
0.00 ~0.00 0.0001 0.0005 0.0018 0.0043 0.0078
1 Y Y*
645 200 101 69 55 48.3 45.0
NOG＝3.127
所以实际需要的分子筛
＝0.372×6305＝2345.5kg/h
(2)
( X1)实际
195 9.75 2345.5
0.079
移动床计算
(3)
Y1 dY
NOG Y2 Y Y *
图解积分法计算NOG
Y
Y*
0.00155 0.00500 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030
固定床吸附计算
同样条件下
K1v1 K2v2 const.
01 v1 02 v2 const.
d1
d2
定义－动力特性
B1 Kv
B2
0
d
v
固定床吸附计算
吸附床长度
➢ 假定条件 等温吸附 低浓度污染物的吸附 吸附等温线为第三种类型 吸附区长度为常数 吸附床的长度大于吸附区长度
固定床吸附计算
固定床吸附计算
固定床吸附计算
固定床吸附计算
保护作用时间
➢
b v0
L（假定吸附层完全饱和）
➢ 希洛夫方程
b v0
L 0
K (L h)
a－静活度，％
S－吸附层截面积,m2
L－吸附层厚度,m
b－吸附剂堆积密度，kg/m3
v－气体流速，m/s
0 －污染物浓度，kg/m3
0 －保护作用时间损失；h－死区长度
GS K yaP
Y1 Y2
Y
dY Y
*
传质单元数 （图解积分法）
固定床吸附实验
折光率 nd25
含量 C (wt%)
备注 乙醇混合液：
比重1：
折光指数：
浓度 C1：
流出混合液： 质量： 体积： 折光指数：
浓度 C2：
C2 2
乙醇摩尔分率
0.000 0.031 0.059 0.112 0.158 0.240 0.278 0.306
表 2 乙醇—水溶液组成与折光率的关系
25℃的折光率
六、数据处理
（1）接触时间的测定()
所谓的接触时间即液体混合物与吸附剂在吸附柱内的接触时间。亦即液体混
合物与炭层开始接触到离开所经过的时间。
（2）活性炭吸附能力的计算(W)
W
V(1C1 2C2 ) G
g 溶质/g 活性炭
V：流出液总体积
1、2：吸附前后液体混合物的密度 C1、C2：吸附前后液体混合物的浓度(wt%) G：吸附剂的量(g)
三、实验装置
1．混合液高位槽 2．进料阀 3．玻璃吸附柱 4．活性炭 5．取样阀
图 1 固定床吸附实验装置
四、实验药品
乙醇、蒸馏水、活性炭
五、实验步骤
（1）配制乙醇水溶液（乙醇：水=4：6 体积比），用比重计测比重，用阿 贝折光仪测折光指数，查图，得到混合液浓度。
（2）量取 300ml 乙醇水溶液倒入高位槽中。 （3）用天平称取活性炭 100 克，装入吸附柱中，把吸附柱固定在铁架上， 调垂直。 （4）开启进料阀 2，控制一定的流量(1 滴/秒左右)，同时开始计时。 （5）当吸附柱出口有流出液时，以上时间即为液体混合物与活性炭的接触 时间，同时开始取流出液分析组成。 （6）每隔 2 分钟取样分析一次，直至流出液的组成基本接近为止（即吸附 饱和），关闭阀门 2。 （7）收集所有流出液，测折光指数（组成）、质量和体积，做好记录，实 验老师签字后，方可离开。
床类的吸附分离
一 固定床的吸附分离及计算
从上图看出随着吸附剂使用周期的增加，其透过曲线斜率逐渐变小，吸 附剂性能逐渐变坏。斜率小到一定程度要考虑换新的催化剂了。
一 固定床的吸附分离及计算
由上面讲的可以看出：透过曲线能清楚地反映出吸附床层的 变化，我们可以用它来鉴别吸附剂的性能及床层操作的优 劣。
一 固定床的吸附分离及计算
B透过曲线及其影响因素
定义：以操作时间为横坐标，以吸附器出口流出物中吸附质 浓度为纵坐标，所绘制的流出物中吸附质浓度随时间变化 的曲线称为透过曲线（上图中的g~l）。设物料中吸附质 的浓度为Ye，与床层吸附剂原有浓度X0成平衡的浓度为 Y0。从开始时间т0直到到达破点时间тb之间出口流出物 中吸附质的浓度始终是Y0， Тb以后浓度开始上升直到浓 度突然开始上升到Ye，也就是说，床中所有吸附剂已达 到饱和，流出物浓度将一直保持在Ye，在（l）图中也可 以看到一个S形曲线。
理想吸附波形：吸附过程的吸附速率为无限大，也就是吸附 剂完全没有传质阻力时，则透过曲线将是一条树立的直线。
一 固定床的吸附分离及计算
实际情况下吸附阻力时存在的，吸附速率也就不可能无限大。 就形成了S形波曲线。
S曲线分析：
吸附传质阻力越大，吸附速率越低，传质区越大，S形波幅 越大，反之亦然。除了吸附过程的快慢外，流体通过床层 的流速，进料中溶质的浓度，吸附剂床层的高度都会对波 形产生影响；一般随床层高度的减少，吸附剂颗粒的增大， 流体通过床层流速的增大以及进料中吸附质初始浓度的征 稿，都会使破点出现的时间提前。
4.吸附等温线对吸附波的影响
吸附波的宽度即传质区的大小。传质区越短表示床层操作状 况越好，吸附剂的性能越好。传质区（吸附区）的大小， 波形式固定床操作好坏的重要标志。
吸附计算
一、 尾气中苯蒸气的浓度为0.025kg/kg 干空气(Y 0)，欲在298K 、2atm 的条件下用硅胶吸附净化，固定床保护作用时间至少要90min ，设穿透点时苯的浓度为0.025kg/kg 干空气(Y B )，当固定床出口尾气中苯浓度达0.020kg/kg 干空气(Y E )时，即认为床层已耗竭，尾气通过床层的速度为1m/s(基于床的整个横截面积)，试决定所需的床高/已知硅胶的堆积密度为625kg/m 3，平均粒径D p =0.60cm 平均表面积a=600m 2/m 3，在上述操作条件下，吸附等温方程式为：Y *=0.167X 1.5式中Y *：kg 苯/kg 干空气，X ：kg 苯/kg 硅胶，假定气相传质单元高度H OG =51.0)DpG (a 42.1μG ：kg/m 2·S 解：据题意：Y o =0.025kg 苯/kg 干空气，Y B =0.0025kg 苯/kg 干空气，Y E =0.02kg 苯/kg 干空气由于G S (Y o -0)=L S (X T -0) ∴TOS S X Y G L = 又∵Y *=0.167X T 1.5 (等温线方程) ∴Y O =0.167 X T 1.5 求得X T =0.282kg 苯/kg 硅胶求操作线方程：O S Y L ==025.0=0.08865 ∴Y=0.08865X 计算下列表中X 和Y *第一栏：由Y 0到Y E 分成若干段，平均分配。
第二栏：由操作线方程计算出。
第三栏：由吸附等温线计算出。
第四栏：由第一栏和第三栏计算出。
第五栏：由第一栏和第四栏计算出，用数值积分，梯形(上底加下底乘高除二)，再加上上面栏的数据。
最后一个数据就是N OG (传质单元高度)，N OG ×H OG =W a ，H OG 可以由题意计算出来。
第六栏：由于8866.5Y Y dY Y Y dY Y Y dY W W W YY *Y Y *YY *aB B E B B ⎰⎰⎰-=--=-8866.5Y Y dYN EB Y Y *OG =-=⎰因此将第五栏的数据都除以5.8866得第六栏的数据 第七栏：Y 0=0.025 计算H OG ：∵Y 0=0.025kg 苯/kg 干空气，是质量比 计算其摩尔比，∴苯与干空气的摩尔比=03448.010205.329178025.04-⨯=空塔流速为1m/s ，将其化为标准态可得摩尔流速。
Chap08 固定床吸附过程分析
q
q=C
q0 C0
根据吸附体系的吸附平衡曲线和操 CB C* C
作线，即可积分求解，得到吸附带
高度La。
C (g/L)
CE C0
∫ La
=
u KFa
CE dC CB C − C*
吸附传质系数KFa越大，或进料速度u越小，则吸 附带会越窄。传质速度无限大时，La → 0。
设吸附带内浓度对称分布，CE=C0-CB，则穿透时 间为
= 0.044
(2)对应于穿透点的饱和吸附区长度
Lsat
= vsat (t − tsat ) =
uC0t
q0 (1− ε )
−u ka
= 0.809m
可见，穿透时，80%的填充床饱和。
(3) L=3m时穿透时间
在同样的穿透浓度CB/C0=0.044下,下式成立
0.044 = exp{−1+ 0.36× 3[ 0.022× t −1]} 0.022 223(1− 0.32) × 3
对于可逆吸附过程，就吸附带中传质过程作物料衡算，
可得下式，用来求得吸附带的长度La，其中CB为穿透点的 浓度（等于吸附带前段的浓度），CE为吸附终止时的浓度 （等于吸附带后段的浓度）
∫ La
=
u KFa
CE CB
固定床内任意一点
C
dC −C
*
qq0E
的吸附量q和浓度C的关
q (g/g)
系（操作线）为
vsat
=u
C0
q0 (1− ε )
(B)
吸附床饱和区长度Lsat为
Lsat
= vsat (t − tsat ) =
uC0t −
q0 (1 − ε )
固定床吸附实验
（3）绘制穿透曲线
由表 1 数据，以流出液浓度为纵坐标，时间为横坐标，即可绘制穿透曲线，
并指出破点及穿透点。
七、要求
（1）实验记录要和实验报告一并交上来。
（2）绘制一律用坐标纸。
八、思考题
（1）什么是物理吸附和化学吸附？二者有何区别？ （2）什么是穿透曲线？影响穿透曲线的因素有那些？
序号
取样时间
表 1 实验记录和结果
六、数据处理
（1）接触时间的测定()
所谓的接触时间即液体混合物与吸附剂在吸附柱内的接触时间。亦即液体混
合物与炭层开始接触到离开所经过的时间。
（2）活性炭吸附能力的计算(W)
W
V(1C1 2C2 ) G
g 溶质/g 活性炭
V：流出液总体积
1、2：吸附前后液体混合物的密度 C1、C2：吸附前后液体混合物的浓度(wt%) G：吸附剂的量(g)
固定床吸附实验
一、实验目的
(1)通过本实验，使学生充分了解在固定床中液—固吸附的基本原理和实验 方法；
(2)掌握穿透曲线的绘制； (3)提高学生的实验操作技能，培养独立工作的能力。
二、基本原理
吸附是化工分离过程的单元操作之一，也是研究实验中分离气体混合物和液 体混合物的主要方法。吸附在工程上分为气—固吸附和液—固吸附两大类。本实 验是在装有活性炭的固定床吸附柱中吸附液体混合物中某一组分（乙醇），通过 测定不同时间下馏出物的浓度，从而可求出活性炭的吸附能力，并可绘出穿透曲 线。
折光率 nd25
含量 C (wt%)
备注 乙醇混合液：
比重1：
折光指数：
浓度 C1：
流出混合液： 质量： 体积： 折光指数：
浓度 C2：
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0 －保护作用时间损失；h－死区长度
固定床吸附计算
同样条件下
K 1v1 K 2 v2 const .
01 v1
d1
02 v2
d2
const .
定义－动力特性
B1 Kv B2
0 v
d
固定床吸附计算
吸附床长度
假定条件
等温吸附
低浓度污染物的吸附 吸附等温线为第三种类型
( LS / GS )实际 1.5( LS / GS ) 最小 1.5 0.284 0.372
所以实际需要的分子筛
＝0.372×6305＝2345.5kg/h
(2)
( X 1 )实际 195 9.75 0.079 2345.5
移动床计算
(3)
N OG dY Y Y* Y2
吸附速率方程
GS dY K y a P (Y Y *)dL
GS L K a y P
Y1 dY Y Y* Y2
传质单元数 （图解积分法）
传质单元高度
移动床计算
例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含H2S的空气。吸附剂为分 子筛。空气中H2S的浓度为3％（重量），气相流速为6500kg/h，假 定操作在293K和1atm下进行，H2S的净化率要求为95％，试确定：
固定床吸附计算
固定床吸附计算
固定床吸附计算
固定床吸附计算
保护作用时间
b L v 0 （假定吸附层完全饱和）
希洛夫方程
b L 0 K ( L h) v 0
a－静活度，％ S－吸附层截面积,m2 L－吸附层厚度,m b －吸附剂堆积密度，kg/m3 v－气体流速，m/s 0 －污染物浓度，kg/m3
Y1 195 0.03 6305
空气＝6305 kg/h
Y2
9.75 1.55 10 6305
Y2
9.75 1.55 10 3 63053
移动床计算
实验得到的平Biblioteka 关系如右图假定X2＝0，从图得（X1）最大＝0.1147
( LS / GS ) 最小 0.03 0.00155 0.284 0.1147 0.0000
2
150(1 ) g d pG '
1.75
P: 压降 (lb/ft2)
D: 固定床厚度 (ft) : 孔隙率 G’: 气体流量 (lb/ft2-hr) g: 气体粘度 (lb/ft-hr) dp: 颗粒直径 (ft)
移动床计算
操作线
Y ( LS / GS ) X [Y2 ( LS / GS ) X 2 ]
1 Y Y*
Y1
图解积分法计算NOG
Y
0.00155 0.00500 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030
Y*
0.00 ~0.00 0.0001 0.0005 0.0018 0.0043 0.0078
645 200 101 69 55 48.3 45.0
NOG＝3.127
(1) 分子筛的需要量（按最小需要量的1.5倍计）；
(2) 需要再生时，分子筛中H2S的含量；
(3) 需要的传质单元数。 解：(1) 吸附器进口气相组成： H2S的流量＝0.03×6500＝195kg/h 空气的流量＝6500－195＝6305kg/h 吸附器出口气相组成： H2S＝0.05×(195)＝9.75 kg/h
吸附区长度为常数
吸附床的长度大于吸附区长度
固定床吸附计算
吸附床长度
L0 L WA WE (1 f )W A
L0－吸附区长度 WA－穿透至耗竭的惰性气体通过量
WE－耗竭时的通过量
1-f－吸附区内的饱和度
吸附器的压力损失
1）图解计算 2）公式计算
Pg 3 d p g D (1 )G '