吸附法凈化氣態(tài)污染物

吸附法凈化氣態(tài)污染物第一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二11吸附法凈化氣態(tài)污染物教學(xué)內(nèi)容§11.1概述§11.2吸附理論§11.3吸附反應(yīng)設(shè)備及計(jì)算§11.4應(yīng)用

第二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述§11.1概述§11.1.1吸附法基本原理（1）吸附的概念

吸附(Adsorption):由于固體表面上存在著分子引力或化學(xué)鍵力，能吸附分子并使其濃集在固體表面上的現(xiàn)象。

吸附劑(Adsorbent)：具有吸附作用的固體物質(zhì)。

吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)。

第三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述物理吸附：吸附劑和吸附質(zhì)之間的作用力是范德華力（或靜電引力）。特點(diǎn)：①吸附劑和吸附質(zhì)之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；②吸附過程進(jìn)行較快，參與吸附的各相之間迅速達(dá)到平衡；③物理吸附是一種放熱過程，其吸附熱較小，相當(dāng)于被吸附氣體的升華熱，一般為20kJ/mol左右；④吸附過程可逆，無選擇性。

第四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述化學(xué)吸附：吸附劑和吸附質(zhì)之間的作用力是化學(xué)鍵。特點(diǎn)：①吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在吸附劑表面生成一種化合物；②化學(xué)吸附過程一般進(jìn)行緩慢，需要很長時(shí)間才能達(dá)到平衡；③化學(xué)吸附也是放熱過程，但吸附熱比物理吸附熱大得多，相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)熱，一般在84～417kJ/mol；④具有選擇性，常常是不可逆的。第五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述（2）吸附過程外擴(kuò)散：吸附劑外圍空間的氣體吸附質(zhì)分子穿過氣膜，擴(kuò)散到吸附劑表面的過程內(nèi)擴(kuò)散：吸附質(zhì)分子進(jìn)入吸附劑微孔中并擴(kuò)散到內(nèi)表面的過程。吸附：經(jīng)過外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散到達(dá)吸附劑內(nèi)表面的吸附質(zhì)分子被吸附在內(nèi)表面的過程。脫附：部分被吸附的分子離開吸附劑的內(nèi)表面和外表面，進(jìn)入氣膜層，并反擴(kuò)散到氣相主體中的過程。第六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述第七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述（3）影響氣體吸附的因素①操作條件的影響溫度、壓力、氣體流速對物理吸附而言，在低溫下對吸附有利；而對于化學(xué)吸附過程，提高溫度對吸附有利。從理論上講，增加壓力對吸附有利，但壓力過高不僅增加能耗，而且在操作方面需要更高的要求，在實(shí)際工作中一般不提倡。當(dāng)氣體流速過大時(shí)，氣體分子與吸附劑接觸時(shí)間短，對吸附不利。若氣體流速過小，處理氣體的量相應(yīng)變小，又會使設(shè)備增大。因此氣體流速要控制在一定的范圍之內(nèi)，固定床吸附器的氣體流速一般控制在0.2～0.6m3/s范圍內(nèi)。

第八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述②吸附劑性質(zhì)的影響被吸附氣體的總量隨吸附劑表面積的增加而增加。吸附劑的孔隙率、孔徑、顆粒度等均影響比表面積的大小。

③吸附質(zhì)性質(zhì)的影響除吸附質(zhì)分子的臨界直徑外，吸附質(zhì)的分子量、沸點(diǎn)和飽和性等也對吸附量有影響。如用同一種活性炭吸附結(jié)構(gòu)類似的有機(jī)物時(shí)，其分子量愈大、沸點(diǎn)愈高，吸附量就愈大。而對于結(jié)構(gòu)和分子量都相近的有機(jī)物，其不飽和性愈高，則越易被吸附。④吸附質(zhì)濃度的影響第九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述（4）吸附法的特點(diǎn)吸附法凈化氣態(tài)污染物的優(yōu)點(diǎn)：①凈化效率高；②能回收有用組分；③設(shè)備簡單，流程短，易于實(shí)現(xiàn)自動控制；④無腐蝕性，不會造成二次污染。可以使用吸附法凈化的氣態(tài)污染物有：低濃度的SO2煙氣、NOx、H2S、含氟廢氣、酸霧、含鉛及含汞廢氣、惡臭、瀝青煙及碳?xì)浠衔锏取５谑?，共四十三頁，編輯?023年，星期二§11.1概述§11.1.2吸附劑

（1）吸附劑的種類和性質(zhì)①活性炭活性炭是一種具有非極性表面、疏水性和親有機(jī)物的吸附劑，常常被用來吸附回收空氣中的有機(jī)溶劑（如苯、甲苯、丙酮、乙醇、乙醚、甲醛等），還可以用來分離某些烴類氣體，以及用來脫臭等?；钚蕴康闹饕秉c(diǎn)是具有可燃性，使用溫度一般不超過200℃。

第十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二第十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述炭分子篩是最新發(fā)展的一種孔徑均一的新品種，具有良好的選擇性?；钚蕴坷w維是一種新型的高效吸附劑，它是用超細(xì)的活性炭微粒與各種纖維素、人造絲、紙漿等混合制成各種不同類型的纖維狀活性炭。微孔范圍在0.5～1.4nm，比表面積大，有較大的吸附量和較快的吸附速率。主要用于吸附各種無機(jī)和有機(jī)氣體、水溶性的有機(jī)物、重金屬離子等，特別對一些惡臭物質(zhì)的吸附量比顆?；钚蕴恳叱?0倍。第十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述②活性氧化鋁活性氧化鋁是由氧化鋁的水合物加熱脫水而形成的多孔物質(zhì)，其晶格構(gòu)型分為α型、γ型和中間型，其中起吸附作用的主要是γ型?；钚匝趸X吸附極性分子，無毒，機(jī)械強(qiáng)度大，不易膨脹，比表面積大，宜在200～250℃下再生，常用于石油氣的脫硫及含氟廢氣的凈化。

第十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述③硅膠硅膠是用硅酸鈉與酸反應(yīng)生成硅酸凝膠（SiO2·nH2O），然后在115～130℃下烘干、破碎、篩分而制成各種粒度的產(chǎn)品。硅膠具有很好的親水性，當(dāng)用硅膠吸附氣體中的水分時(shí)，能放出大量的熱，使硅膠容易破碎，但吸附量很大，可達(dá)自身重量的50﹪。在工業(yè)上主要用于氣體的干燥和從廢氣中回收烴類氣體，也可用作催化劑的載體。

第十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述④沸石分子篩(MolecularSieve)

應(yīng)用最廣的沸石分子篩是具有多孔骨架結(jié)構(gòu)的硅酸鹽結(jié)晶體。按SiO2和Al2O3的單元比不同，將分子篩分為A型、X型和Y型。A型的比值等于2，X型的比值為2.3～3.3，Y型的比值為3.3～6。按孔徑從小到大的順序，A型石分子篩又分為3A、4A和5A型。分子篩具有許多孔徑均勻的微孔，比孔徑小的分子能進(jìn)入孔穴而被吸附，比孔徑大的分子被拒之孔外，因此具有強(qiáng)的選擇性。沸石分子篩特點(diǎn)：①具有很高的吸附選擇性；②具有很強(qiáng)的吸附能力；③是強(qiáng)極性吸附劑，對極性分子特別是對水分子具有強(qiáng)的親和力；④熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高。分子篩可以從廢氣中選擇性地除去NOx、H2O、CO2、CO、CS2、SO2、H2S、NH3、CCl4和烴類等氣態(tài)污染物。第十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二沸石分子篩第十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述（2）吸附劑的選擇對吸附劑的基本要求：①大的比表面積和孔隙率；②良好的選擇性；③易于再生④機(jī)械強(qiáng)度大，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好；⑤原料來源廣泛，價(jià)格低廉。第十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述活性炭上易于再生的物質(zhì)苯、甲苯、混合二甲苯、氯苯；甲醇、乙醇、丁純、異丙醇；酮類、脂肪烴、芳香烴；乙酸乙脂、乙酸丁脂、乙酸戊脂；二硫化碳、四氯化碳、四氫呋喃、汽油等活性炭上難以再生的物質(zhì)丙烯酸、丙烯酸乙脂、丙烯酸丁脂、丙烯酸異丁脂、丁酸、二丁胺、二乙撐三胺、甲基乙基吡啶第十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述（3）吸附劑的再生①升溫再生②降壓再生③吹掃再生④置換再生⑤化學(xué)再生第二十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.1概述(a)吸附(b)解吸第二十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.2吸附理論§11.2吸附理論§11.2.1吸附平衡吸附過程是一種可逆過程，在吸附質(zhì)被吸附的同時(shí)，部分已被吸附的物質(zhì)由于分子的熱運(yùn)動而脫離固體表面回到氣相中去。當(dāng)吸附速度與脫附速度相等時(shí)，就達(dá)到了吸附平衡。（1）吸附量

指在一定條件下單位質(zhì)量吸附劑上所吸附的吸附質(zhì)的量，用kg吸附質(zhì)/kg吸附劑來表示，也可以用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示。它是衡量吸附劑吸附能力的重要物理量，因此在工業(yè)上被稱為吸附劑的活性。

第二十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.2吸附理論靜活性(靜態(tài)吸附量)在一定溫度下，與氣相中吸附質(zhì)的初始濃度達(dá)平衡的最大吸附量。動活性氣體通過吸附層時(shí)，隨著床層吸附劑的逐漸接近飽和，吸附質(zhì)最終不能全部被吸附，當(dāng)流出氣體中出現(xiàn)吸附質(zhì)時(shí)，即認(rèn)為此時(shí)吸附劑已實(shí)效，這樣計(jì)算出來的單位吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量稱為動活性。動活性永遠(yuǎn)小于靜活性。在多數(shù)情況下不允許吸附質(zhì)逸出吸附床層，因此在計(jì)算吸附劑用量時(shí)，要按動活性來計(jì)算。第二十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.2吸附理論§11.2.1吸附等溫線（1）郎格繆爾（Langmuir）吸附等溫式四個(gè)基本假設(shè)：①吸附是單分子層的；②固體表面是均勻的，固體表面上各個(gè)晶體位置的吸附能力是相同的，每個(gè)位置上只能吸附一個(gè)分子；③被吸附在固體表面上的分子相互之間沒有作用力；④吸附平衡是動態(tài)平衡。第二十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.2吸附理論假設(shè)θA為任一瞬間固體表面被分子覆蓋的表面，稱為覆蓋率；未被覆蓋部分的分率為（1-θA）。在一定條件下，吸附速率ra與固體表面未覆蓋部分的分率（1-θA）和吸附物的分壓PA成正比，以ka和kd分別代表吸附與解吸的速率常數(shù)。吸附速率方程為：解吸速率為：第二十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.2吸附理論達(dá)到吸附平衡時(shí)，兩個(gè)速率應(yīng)相等，ra=rd

朗格繆爾吸附等溫方程式：它是溫度的函數(shù)，表征了固體表面對氣體組分A吸附能力的強(qiáng)弱程度，因而它是一個(gè)吸附的特征值。第二十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.2吸附理論（2）Freundlich吸附等溫式q——單位吸附劑在吸附平衡時(shí)的飽和吸附量，kg/kg或m3/kg；x——被吸附組分的量，m3或kg；m——吸附劑的量，kg；p——被吸附組分的濃度或分壓；a,n——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。常用于低濃度氣體的吸附。第二十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.2吸附理論（3）B.E.T多分子層吸附V——壓力為p，溫度為T時(shí)吸附的氣體體積；p0——溫度為T時(shí)吸附質(zhì)的飽和蒸氣壓；Vm——假定表面添滿一層分子時(shí)所吸附的氣體體積；C——給定溫度下的常數(shù)。第二十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.3吸附設(shè)備及計(jì)算§11.3.1常用的吸附設(shè)備（1）固定床吸附器

方形立式吸附器常用圓形臥式吸附器第二十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二（2）移動床吸附器

§11.3吸附設(shè)備及計(jì)算固體吸附劑在吸附床中不斷移動，固體吸附劑由上向下移動，而氣體則由下向上流動，形成逆流操作。Ⅰ-吸附段；Ⅱ-精餾段；Ⅲ-脫附段1-冷卻器；2-脫附塔；3-分配板；4-提升管；5-再生器；6-吸附劑控制裝置；7-固粒料控制器；8-密封裝置；9-出料閥門第三十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.3吸附設(shè)備及計(jì)算（3）流化床吸附器流化狀態(tài)示意圖第三十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二廢氣從進(jìn)口管以一定的速度進(jìn)入錐體，氣體通過篩板向上流動，將吸附劑吹起，在吸附段完成吸附過程。吸附后的氣體進(jìn)入擴(kuò)大段，由于氣流速度降低，固體吸附劑又回到吸附段，而凈化后的氣體從出口管排出。第三十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.3吸附設(shè)備及計(jì)算§11.3.2吸附工藝流程及計(jì)算

（1）吸附工藝流程

間歇式流程適用于廢氣排放量較小、污染物濃度較低、間歇式排放廢氣的凈化。第三十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.3吸附設(shè)備及計(jì)算半連續(xù)式流程

在用兩臺吸附器并聯(lián)時(shí)，其中一臺進(jìn)行吸附操作，另一臺則進(jìn)行再生操作，適應(yīng)于再生周期小于吸附周期的情形。當(dāng)再生周期大于吸附周期時(shí)，則需要三臺吸附器并聯(lián)使用，其中一臺進(jìn)行吸附，一臺進(jìn)行再生，而第三臺則進(jìn)行冷卻或其他操作，以備使用。第三十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.3吸附設(shè)備及計(jì)算該流程一般由連續(xù)性操作的流化床吸附器和移動床吸附器等組成，其特點(diǎn)是吸附與吸附劑的再生同時(shí)進(jìn)行。連續(xù)式流化床吸附流程

第三十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.3吸附設(shè)備及計(jì)算（2）吸附過程計(jì)算①吸附傳質(zhì)方程單位體積吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量可用下列方程表示：

α——吸附量，kg吸附質(zhì)/kg吸附劑；△C——濃度差，kg/m3；

t——吸附時(shí)間，s；

K——質(zhì)量傳遞系數(shù)，即當(dāng)濃度差為1kg/m3時(shí)，在1秒鐘內(nèi)傳遞給1m3吸附劑的吸附質(zhì)的量，單位是s-1。第三十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.3吸附設(shè)備及計(jì)算②保護(hù)作用時(shí)間與希洛夫（Schieloeff）方程τ——保護(hù)作用時(shí)間，s；

L——吸附層厚度，m；τ0——保護(hù)作用時(shí)間損失，s；K——吸附層保護(hù)作用系數(shù)，s/m。

L0——吸附層的長度損失，也稱為死層。

第三十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二K值可由下式求得：式中α——平均靜活性值，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

ρ——吸附劑的堆積密度，kg/m3；

u——?dú)怏w流速，m/s；

c0——吸附質(zhì)的初始濃度，kg/m3

第三十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.3吸附設(shè)備及計(jì)算③固定床吸附劑用量的計(jì)算吸附劑的用量可用下式計(jì)算：

m——吸附劑用量，kg；A——吸附器的橫截面積，m2；D——吸附器的直徑m；L——吸附器床層高度為m；ρ——吸附劑的堆積密度kg/m3。第三十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二§11.3吸附設(shè)備及計(jì)算【例5-1】設(shè)一固定床活性炭吸附器的活性