第11章 吸附 法净化气体污染物

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环境治理方面:废气治理中,脱除水分、有机蒸汽、 恶臭、HF 、SO2、NOX等。
成功的例子:用变压吸附法来处理合成氨放气,可回 收纯度很高(>98%)的氢气,实现废物资源化。
第十一章 吸附法净化气态污染物 第一节 吸附过程与吸附剂
吸附过程:是用多孔固体(吸附剂)将流体(气体或液 体)混合物中一种或多种组分积聚或凝缩在 表面达到分离目的操作。 一、物理吸附和化学吸附
第三节 吸附反应设备的计算
4、吸附区高度的计算
常用两种:穿透曲线法;希洛夫近似法。 (1)穿透曲线(透过曲线)法 (A)吸附负荷曲线 在流动状态下,气相中的吸附质沿床层不同高度的浓度 变化曲线,或在一定温度下吸附剂中吸附的吸附质沿床 层不同高度的浓度变化曲线称为吸附负荷曲线。 说明:横轴Z—吸附剂床层高度;横轴X—吸附剂的吸 附负荷;X0—吸附剂原始浓度(或反复再生过的吸附剂 中残留的吸附质浓度);Xe—吸附剂达到饱和时的负荷 ;τ0—床层开始吸附的时间;τb—达到破点的时间;τe— 全床达到吸附平衡(饱和)的时间。
C 1P P 1 V P0 P V m C V m C P0
式中: P0—在同温度下该气体的液相饱和蒸汽压,Pa; C—与吸附热有关的常数; Xe—饱和吸附量分数,无量纲;
第二节 吸附理论
吸附速率
• 吸附过程

外扩散(气流主体
外表面)


内扩散(外表面
吸附
第十一章 吸附法净化气态污染物 引 言
1、吸附净化的概念:
(1)多孔性固体物质具有选择性吸附废气中的一种或多种 有害组分的特点。
(2)吸附净化是利用多孔性固体物质的这一特点,实现净 化废气的一种方法。 2、吸附净化法的特点 (1)适用范围 ①常用于浓度低,毒性大的有害气体的净化,但处理的气 体量不宜过大;
第三节 吸附反应设备的计算
Y0
饱和区(平衡区)
传质区(传质带)
未用区
Y
吸附剂床层中各区分布示意图
第三节 吸附反应设备的计算
(d)图:τ=τb:吸附波前沿刚刚到达吸附层下端口, 若继续进行吸附,则从流出床层气体中,将发现有吸 附,此即所谓“穿透现象”或称“透过现象”。出现 穿透的点称为“穿透点”(或称“破点”),到达破 点所需的时间为“透过时间” τb(或“穿透时间”) 。
②吸附质分压上升,吸附量增加。
③气流速度:对固定床为0.2~0.6m/s
2)吸附剂的性质: 如孔隙率、孔径、粒度
比表面积
吸附效果
第十一章 吸附法净化气态污染物
(3)吸附质的性质与浓度:
如临界直径、分子量、沸点、饱和性。
例:同种活性炭做吸附剂,对于结构相似的有机物分子 量和不饱和性越高,沸点越高,吸附越容易。 (4)吸附剂的活性 定义:以被吸附物质的重量对吸附剂的重量或体积分数 表示,是吸附剂吸附能力的标志。
内表面)
第二节 吸附理论
吸附速率
• 外扩散速率
• 内扩散速率
dM A K y P (YA YA* ) dt
dM A K x P ( X A* X A ) dt
• 总吸附速率方程
dM A K y P (YA YA* ) K x P ( X A* X A ) dt 1 1 m 1 1 1 ; K y P k y P k x P K x P k x P k y Pm
已吸附吸附质的质量 吸附剂的活性 100% 所用吸附剂量
第十一章 吸附法净化气态污染物
吸附剂的活性:
静活性:是指在一定温度下,与气相中被吸附物质的初 始浓度平衡时的最大吸附量,即在该条件下,吸附达到 饱和时的吸附量。 动活性:气体通过吸附层时,当流出吸附层的气体中刚 刚出现被吸附物质时即认为此吸附层已失效。这时单位 吸附剂所吸附的吸附质的量称为~。
设:吸附质对吸附表面的覆盖率为θ,则为覆盖率为 (1-θ), 。 已覆盖的面积 X

固体总面积 X max
若气相分压为P,则吸附速率为k1P(1-θ)。 解吸速率为k2θ,当吸附达平衡时: k1P(1-θ)= k2θ

k1 p k 2 k1 p
第二节 吸附理论
(三)BET方程式(是朗氏理论基础上的发展) BET方程(I、II、III型等温线,多分子层吸附)
②活性氧化铝:用于气体干燥,石油气脱硫,含氟 废气净化(对水有强吸附能力)。 ③硅胶:亲水性,从水中吸附水份量可达硅胶自身 质量的50%,而难于吸附非极性物质。常用于处 理含湿量较高的气体干燥,烃类物质回收等。 ④沸石分子筛:是一种人工合成沸石,为微孔型、 具有立方晶体的硅酸盐。 通式为:[Mex/n(Al2O3)x(SiO2)y]· 2O mH 特点:孔径整齐均一,因而具有筛分性能,一种 离子型吸附剂,对极性分子,不饱和有机物具有 选择吸附能力。
取对数后:
第二节 吸附理论
lg q lg a (1 n) lg P
①lgq—lgP关系,得直线;②1/n ,
1/n >2时, 吸附难进行。
----------- 11.2
lga求出n,a;
③1/n介于0.1~0.5之间时,吸附容易进行;
第二节 吸附理论
(二)朗格缪尔(Langmuir)方程(I型等温线) 假设:a.固体表面的吸附能力只能进行单分子层吸附—与I型吸附线 相吻合;b.固体表面各处的不饱和力相等,表面均匀,即各处的 吸附热相等。
(物):极快,常常瞬间即达平衡; (化):较慢,达平衡需较长时间。
(物):与气体的液化热相近,较小(几百焦耳/mol左 右); (化):与化学反应热相近,很大(>42kJ/mol)。 (物):没有多大的选择性(可逆); (化):具有较高的选择性(不可逆)。 (物):吸附与脱附速率一般不受温度的影响,但吸附 量随温度上升而上升; (化):可看成一个表面化学过程,需一定的活化能, 吸附与脱附速率随温度升高而明显加快。 (物):单分子层或双分子层,解析容易,低压多为单 分子层随吸附压力增加变为多分子层; (化):总是单分子层或单原子层,且不易解吸。
根据吸附剂表面与被吸附物质之间作用力不同。 物理吸附和化学吸附的区别(见补表11-1)。
注意一点:
物理吸附和化学吸附可同时发生但常以某一类吸附为主 。 同一污染物的吸附量随温度的变化曲线
(见图11-1 :吸附过程曲线)
第十一章 吸附法净化气态污染物
物理吸附和化学吸附的区别
吸附作用力 吸附速率 吸附热 (区别二者的 重要标志) 选择性 (物):一种物理作用,分子间力(范德华力); (化):一种表面化学反应(化学键力)。
(5) 接触时间 (6) 吸附器性能
第十一章 吸附法净化气态污染物
(二)吸附剂的再生
再生方法:
(1)加热解吸再生;(2)降压或真空解吸再生;
(3)溶剂萃取再生;(4)置换再生;(5)化学转化再生
第二节 吸附理论
设计吸附装置或强化吸附过程的关键:
对于一台运转的吸附设备预达到最大的吸附分离效果取 决于两方面因素:
等温吸附线:吸附达平衡时,吸附质在气、固两相中的 浓度间有一定的函数关系,一般用等温吸附线表示。 目前已观测到5种类型的等温吸附线(见图10-2)。
化学吸附只有I型,物理吸附I~V型都有。
第二节 吸附理论
吸附等温线
第二节 吸附理论
吸附方程式
(一)弗伦德里希(Freundlick)方程式 对I型提出如下经验式:
第十一章 吸附法净化气态污染物
二、吸附剂及再生 (一)吸附剂
2、工业常用吸附剂
①活性炭:疏水性,常用于空气中有机溶剂,催化脱
除尾气中SO2、NOX等恶臭物质的净化;
优点:性能稳定、抗腐蚀。 缺点:可燃性,因此使用温度不能超过200℃,在惰性 气流掩护下,操作温度可达500℃。
第十一章 吸附法净化气态污染物
第三节 吸附反应设备的计算
(一)常见的吸附器 (详见P186) (二)固定床吸附器的设计计算 设计计算应包括确定: (1)吸附器的型式;(2)吸附剂的种类;(3)吸 附剂的需要量;(4)吸附床高度;(5)吸附周期; 等。 以上参数的选择应从吸附平衡、吸附传质速率及压降 来考虑。 1、设计依据 废气的流量、性质及污染物浓度,国家排放标准。
温度的影响
吸附层厚度
第十一章 吸附法净化气态污染物
温度的影响:
第十一章 吸附法净化气态污染物
二、吸附剂及再生 (一)吸附剂 1、工业用吸附剂应具备的条件:
①巨大的内表面,大的比表面积即大的吸附容量;
②良好的选择性; ③较ຫໍສະໝຸດ Baidu的机械强度、化学与热稳定性; ④来源广泛,造价低廉; ⑤良好的再生性能(从经济角度考虑)。
q aP
1 n
q—吸附质质量与吸附剂质量之比值,无量纲,单位吸附剂在吸附 平衡时的饱和吸附量(m3/kg)或(kg/kg) P—吸附质在气相中的分压, pa; a,n—经验常数,与吸附剂、吸附质种类及吸附温度有关,对于一 定的吸附物质,仅与平衡时的分压和温度有关,其值需由 实验确定,而n≥1。
适应范围:在广泛的中压部分,与实际数据符合较好;常用于低 浓度气体的吸附。
第三节 吸附反应设备的计算
2、吸附器的确定 对吸附器的基本要求: ①具有足够的过气断面和停留时间; 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能够有效的控制和调节吸附操作温度; ⑤易于更换吸附剂。
第三节 吸附反应设备的计算
3、吸附剂的选择(同:工业吸附剂应具备的条件) 依据:等温吸附线(得到或测出) 须满足条件: ①对所处理污染物选择性强; ②比表面积大; ③吸附容量大; ④具有较好机械强度、热稳定性及化学稳定性。
800
0.92 673 22 393~ 423 600
800
0.794 873 4 473~573 ——
800
0.794 873 5 473~573 ——
800
—— 873 13 473~573 ——
第十一章 吸附法净化气态污染物
3、影响气体吸附的因素
(1)操作条件: ①低温(有利) 高温(有利) 物理吸附; 化学吸附。
第三节 吸附反应设备的计算
τ0 τ τ+Δτ
吸附剂中吸附质浓度的变化
第三节 吸附反应设备的计算
τb >τb ≥τe
吸附剂中吸附质浓度的变化(续)
第三节 吸附反应设备的计算
(a)图:τ<τ0:未通过含吸附质气体时 (b)图:τ=τ:已通入含吸附质气体,在吸附剂进口处 吸附剂刚刚出现饱和时。 (c)图:τ=τ+Δτ:在床层的进气端吸附质负荷为Xe, 此区称为“平衡区”或称“饱和区”;而靠近气体出 口侧,床层中的吸附负荷仍为X0,此区内的吸附剂仍 具有高度活性,此区称为“未用区”;介于平衡区和 未用区之间的那一部分床层其吸附负荷由饱和Xe 的变 化到起始的X0,形成一个S形曲线,这段床层进行吸附 过程,故称“传质区”或“传质带”,而S曲线称为“ 吸附波”或“传质波”,又称“传质前沿”。
②对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率;
③当处理的气体量较小时,用吸附法灵活方便。
第十一章 吸附法净化气态污染物
(2)优点:净化效率高,可回收有用组分,设备简单, 易实现自动化控制。
(3)缺点:吸附容量小,设备体积大;吸附剂容量往往 有限,需频繁再生,间歇吸附过程的再生操作麻烦且设 备利用率低。
(4)应用:广泛应用于有机化工、石油化工等部门。
(1)由吸附剂与吸附质本身的物化性质所决定的吸附平 衡(进行的可能性); (2)由物质传递所决定的吸附动力学(吸附速率)(进
行的快慢)。
第二节 吸附理论
一、吸附平衡
吸附平衡:吸附质与吸附剂长期接触后,气相中吸附质 的浓度与吸附剂(相)中吸附质的浓度终将达到动态平 衡。 平衡吸附量:吸附剂对吸附质的极限吸附量,亦称静吸 附量分数或静活性分数,用XT或m吸附质/m吸附量表示,是 设计和生产中一个十分重要的参数,用吸附等温线或吸 附等温方程来描述。
堆 积 密 度 /kg·m-3
热 容 /kJ(kg· -1 K) 操作温度上 限/K 平均孔径/Å 再 生 温 度 /K 比表面积 / ㎡·g-1
200~600
0.836~ 1.254 423 15~25 373~413 600~ 1600
750~ 1000
0.836~ 1.045 773 18~48 473~523 210~360
第十一章 吸附法净化气态污染物
⑤吸附树脂:最初为酚、醛类缩合高聚物,以 后出现一系列的交联共聚物,如聚苯乙烯等。 大孔吸附树脂除了价格较贵外,比起活性炭, 物理化学性能稳定,品种较多,能用于废水处 理,维生素的分离及H2O2的精制等。
第十一章 吸附法净化气态污染物
常用吸附剂特性
吸附剂类型 活性炭 活性氧化 铝 沸石分子筛 硅胶 4A 5A 13x
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