活性炭吸附脱附及设备选型详细计算.docx
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1、活性炭吸附脱附及设备选型详细计算名目1 .绪论11.1 概述1有机废气的来源1有机物对大气的破坏和对人类的危害11.2 有机废气治理技术现状及进展21.2.1 各种净化方法的分析比拟32设计任务说明42.1 设计任务42.2 设计进气指标42.3 设计出气指标42.4 设计目标43工艺流程说明63.1 工艺选择63.2 工艺流程64设计与计算84. 1基本原理8吸附原理84.1.2 吸附机理94.1.3 吸附等温线与吸附等温方程式94.1.4 吸附量124.1.5 吸附速率124.2吸附器选择的设计计算134.2.1 吸附器确实定134.2.2 吸附剂的选择144.2.3 空塔气速和横截面积确
2、实定164设计与计算4. 1基本原理吸附原理在用多孔性固体物质处理流体混合物时,流体中的某一些组分或某些组分可被吸引 到固体外表并浓集其上,此现象称为吸附。吸附处理废气时,吸附的对象是气态污染 物,被吸附的气体组分称为吸附质,多孔性物质称为吸附剂。固体外表吸附了吸附质后,一局部被吸附的吸附质可从吸附剂外表脱离,此现象称 为脱附。而当吸附进行一段时间后,由于外表吸附质的浓集,使其吸附力量明显下降而 不能满意吸附净化的要求,此时需要采纳肯定的措施使吸附剂上已吸附的吸附质脱附, 已恢复吸附剂的吸附力量,这个过程称为吸附剂的再生。因此,在实际工作中,正是采 用吸附剂的吸附一再生一吸附的循环过程,到达除
3、去废气中污染物质并回收废气中有用 组分的目的。由于多孔性固体吸附剂外表存在着剩余吸引力,固外表具有吸附力。依据吸附剂表 面与被吸附物质之间作用力的不同,吸附可分为物理吸附和化学吸附,但同一污染物可 在较低温度下发生物理吸附,而在较高温度下发生化学吸附,或者两种吸附同时发生, 两者之间没有严格的界限。两者的主要区分见表4-1表4T物理吸附与化学吸附的区分性质物理吸附化学吸附吸附力范德华力化学键力吸附层数单层活多层单层吸附热小(近于液化热)大(近于反响热)选择性无或很差较强可逆性可逆不行逆吸附平衡易到达不易到达吸附剂与吸附质间的吸附力不强,当气体中吸附质分压降低或温度提升时,简洁发生脱附。工业上的
4、吸附操作正是采用这种可逆进行吸附剂的再生及吸附质的回收采用 的。吸附机理吸附和脱附互为可逆过程。当用新奇的吸附剂吸附气体中的吸附质时,由于吸附剂 外表没有吸附质,因此也就没有吸附质的脱附。但随着吸附的进行,吸附剂外表上的吸 附质量渐渐增多,也就消失了吸附质的脱附,且随时间的推移,脱附速度不断增大。但 从宏观上看,同一时间内吸附质的吸附量仍大于脱附量,所以过程的总趋势认为吸附。 当同一时间内吸附质的吸附量与脱附量相等时,吸附和脱附到达动态平衡,此时称为达 到吸附平衡。平衡时,吸附质再在流体中的浓度和在吸附剂外表上的浓度不再变化,从 宏观上看,吸附过程停止。平衡时的吸附质在流体中的浓度称为平衡浓度
5、,在吸附剂中 的浓度称为平衡吸附量。当吸附质与吸附剂长时间接触后,终将到达吸附平衡。吸附平衡量是吸附剂对吸附 质的极限吸附量,亦称静吸附量分数或静活性分数,用xt表示,无量纲。它是设计和生 产中特别重要的参数。吸附平衡时,吸附质在气、固两相中的浓度关系,一般用吸附等 温线表示。吸附等温线通常依据试验数据绘制,也常用各种阅历方程式来表示。吸附等温线与吸附等温方程式平衡吸附量表示的是吸附剂对吸附质吸附数量的极限,其数值对吸附造作,设计和 过程掌握有着重要的意义。到达吸附平衡时,平衡吸附量与吸附质在流体中的浓度与吸 附温度间存在着肯定的函数关系,此关系即为吸附平衡关系,其一般都是依据试验测得 的,也
6、可以用阅历方程式表示。.1吸附等温线在气体吸附中,其平衡关系可表示为:A= f(p,T)式中A平衡吸附量;p吸附平衡时吸附质在气相中的分压力;T吸附温度依据需要。对肯定的吸附体系可测得如下关系: 当保持T不变,可测得A与P的变化关系当保持P不变,可测得A与T的变化关系当保持A不变,可测得P与T的变化关系依据上述变化关系,可分别绘出相应的关系曲线,分别为吸附等温线,吸附等压线 和吸附等量线。由于吸附过程中,吸附温度一般变化不大,因此吸附等温线最为常用。吸附等温线描述的是在吸附温度不变的状况下,平衡时,吸附剂的吸附量随气相中 组分压力的不同而变化的状况。依据对大量的不同气体与蒸气的吸附测定,吸附等
7、温线 形式可归纳为六种基本类型。.2吸附等温方程式依据大量的吸附等温线整理出描述吸附平衡状态的阅历方程式,即为吸附等温方程 式,其中有的完全依据试验数据所表现的规律整理而得,肯定条件范围内具有应用意义, 但不具有理论指导意义,如弗罗因德利希(Freundlich)吸附等温方程式;有些是以肯 定的理论假设为前提得出的方程式,如朗格谬尔(Langmuir)吸附等温方程式和BET 方程,后者应用较多。(1)朗格谬尔方程式朗格谬尔吸附理论假定:吸附仅是单分子层的;气体分子在吸附剂外表上吸附 与脱附呈动态平衡;吸附剂外表性质是均一的,被吸附的分子之间相互不受影响; 气体的吸附速率与该气体在气相的分压成正
8、比。依据上述假设,可推导出朗格谬尔等温 式: + ap式中9吸附剂外表被吸附分子掩盖的百分数;a吸附系数,是吸附作用的平衡常数;p气相分压。朗格谬尔等温式的另一表现形式为:V apV =1 + ap式中V 单分子层掩盖满时(夕=1)的吸附量; V mV 在气相分压p下的吸附量。在压力很低时,或者吸附很假设时,apgl,上式变成:V=Vmap由朗格谬尔等温式得到的结果与很多试验现象相符合,能够解释很多试验结果,因此,它目前仍是常用的、基本的等温式。在很多体系中,朗格谬尔等温式不能在较大的 0范围内与试验结果相吻合。(2)弗罗因德利希方程式q = = kPnm式中q固体吸附气体的量,kg/kg吸附
9、剂;P平衡时气体分压;k , n阅历常数。在肯定温度下,对肯定体系而言是常数,k和n随温度变化 而变化;m吸附质质量,kg;%被吸附气体的质量。弗罗因德利希等温方程式只是一个阅历式,它所适用的。范围比朗格谬尔式要大些, 可用于未知组成物质的吸附,如有机物或矿物油的脱色,通过试验来确定k与n。有资 料认为它在高压范围内不能很好地吻合试验值。(3) B-E-T方程由于朗格谬尔的单分子层吸附理论及其等温方程对中压合高压物理吸附不能很好 地吻合,在此基础上进展了 BET理论。它除了接受朗格谬尔理论地几条假定,即固体 外表是匀称的,被吸附分子不受其它分子的影响,吸附与脱附在吸附剂外表到达动态平 衡以外,
10、还认为在吸附剂外表吸附了一层分子以后,由于范德华力地作用还可以吸附多 层分子,而第一层与以后的各层有所不同。吸附达平衡后,吸附总数(V)为:(Po P)1 +(C-1)L 0p平衡时气体分压;V 压力为p时的吸附总量;匕,一吸附剂外表为单分子层铺满时的吸附量;Po实际温度下气体的饱和蒸气压;C与气体有关的常数。很多试验证明,当比压p/p0在0.05 - 0.35范围内时,BET公式是比拟精确的,在低压下可以与朗格谬尔等温式全都。吸附量吸附量是指在肯定条件下单位质量地吸附剂上所吸附的吸附质的量,通常以kg吸 附质/kg吸附剂或质量百分数表示,它是吸附剂所具有吸附力量的标志。在工业上将吸附 量称为
11、吸附剂的活性。吸附剂的活性有两种表示方法:(1)吸附剂的静活性在肯定条件下,到达平衡时吸附剂的平衡吸附量即为其静活性。对肯定的吸附体 系,静活性只取决于吸附温度和吸附质的浓度或分压。(2)吸附剂的动活性在肯定的操作条件下,将气体混合物通过吸附床层,吸附质被吸附,当吸附一段 时间后,从吸附剂层流出的的气体中开头觉察吸附质(或其浓度到达一规定的允许值) 时,认为床层失效,此时吸附剂吸附的吸附质的量称为吸附剂的动活性。动活性除与 吸附剂和吸附质的特性有关外,还与温度、浓度及操作条件有关。吸附剂的动活性值 是吸附系统设计的主要依据。吸附速率吸附过程常需要较长时间才能到达平衡,而在实际生产过程中,两项接
12、触时间是有 限的。因此,吸附量取决与吸附速率,而吸附速率与吸附过程有关,吸附过程可分为以 下几步:(1)外集中,吸附质从气流主体穿过颗粒物四周气膜集中至吸附剂的外外表(2)内集中,吸附质由外外表经微孔集中至吸附剂微孔外表(3)吸附,到达吸附剂微孔外表的吸附质被吸附(4)脱附的吸附质再经内外集中至气相主体物理吸附过程一般为内外集中掌握,化学吸附既有外表动力学掌握,又有内外集中 掌握。由于吸附过程简单,影响因素多,从理论上推导速率很难,因此一般是凭阅历或 依据模式试验来确定。4.2吸附器选择的设计计算吸附器的设计计算应包括确定吸附器的形式,吸附剂的种类,吸附剂的需要量,吸 附床高度,吸附周期等,这
13、些参数的选择应从吸附平衡,吸附传质速率及压降来考虑。4.2.1 吸附器确实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)能够有效地掌握和调整吸附操作温度(5)易于更换吸附剂。吸附工艺依据吸附剂在吸附器上的工作状态,可将吸附器分为固定床、移动床和 流化床过程,相应的三种吸附器的主要特点比拟见表4-2类型类型表4-2三种吸附器主要特点比拟主要特点比拟固 定床吸 附器1 .结构简洁、制造简洁、价格低廉2 .适用于小型、分散、间歇性的污染源治理3 .吸附和脱附交替进行、间歇操作4 .应用广泛移动床吸 附器1 .处理气体量
14、大,吸附剂可循环使用,适用于稳定、连续、量大的气体净化2 .吸附和脱附连续完成3 .动力和热力消耗较大,吸附剂磨损较为严峻流化床1 .结构简单,造价昂贵2 .气体和固体接触相当充分3 .生产力量大,适合治理连续性、大气量的污染源吸4 .吸附剂和容器的磨损严峻附器结合工艺特点和经济技术可行性分析,本设计吸附器采纳卧式圆锥形固定床吸附 器,壳体为圆形,封头为椭圆形,其优点是流体阻力小,可以削减气体流经吸附床层的 动力消耗,易产生气流安排不均运现象,故吸附质以整砌形式放在抽屉式的净化单元中, 抽屉间设有防治气体短路的挡板,在气体入口的吸附剂之间装有气体整流装置,力求气 体匀称。抽屉式的装卸吸附剂方式
15、特别便利,利于操作,其详细结构见附图2,基本运行参数如下:处理风量:20000 m3/h吸附器外观尺寸:LxBxH=7000x3300x3000mm材料:钢板8 4压降: 1000 Pa数量:两台并联,脱附吸附交替运行吸附剂的选择如何选择、使用和评价吸附剂,是吸附操作中必需解决的首要问题。一切固体物质 的外表,对于流体的外表都具有物理吸附的作用,但合乎工业要求的吸附剂那么应具备以 下一些要求:(1)具有大的比外表积(2)具有良好的选择性吸附作用(3)吸附容量大(4)具有良好的的机械强度和匀称的颗粒尺寸。(5)有足够的热稳定性及化学稳定性(6)有良好的再生性能(7)吸附剂的来源广泛、造价低廉实际
16、中,很难找到一种吸附剂能同时满意上述要求,因而在选择吸附剂时要权衡多 方面的因素。同时,目前对吸附过程的实质还了解得不特别清晰,因而鉴别吸附剂吸附性能,还只能依靠试验测定和从生产中考察,尚不能从理论上推出。常用的吸附剂主要有:活性炭、硅胶、分子筛沸石、活性氧化铝与氧化铝。其中活 性炭是应用最早、用途较广的一种优良吸附剂。它是一种具有非极性外表,为疏水性和 亲有机物的吸附剂,故活性炭经常被用来吸附回收空气中的有机溶剂和恶臭物质,在环 境保护方面用来处理工业废水和治理某些气态污染物。活性炭的讨论、生产和应用进展很快,目前应用较多的主要是粉末状、颗粒状的活性 炭和活性炭纤维。除此之外,新型的活性炭也
17、在乐观开发之中,蜂窝状活性炭便是其中的 一种。蜂窝状活性炭为一种新型环保吸附材料,通过将优质活性炭和帮助材料制成蜂窝状 方孔的过滤柱,到达产品体积密度小、比外表积大的目的,目前已经大量应用在低浓度、 大风量的各类有机废气净化系统中。被处理废气在通过蜂窝活性炭方孔时能充分与活性 碳接触,吸附效率高,风阻系数小,具有优良的吸附、脱附性能和气体动力学性能,可 广泛用于净化处理含有甲苯、二甲苯、苯、等苯类、酚类、酯类、醇类、醛类等有机气 体、恶臭味气体和含有微量重金属的各类气体。采纳蜂窝状活性炭的环保设施废气处理 净化效率高,吸附床体积小,设施能耗低,能够降低造价和运行本钱,净化后的气体完 全满意环保
18、排放要求。综合衡量各方面因素,假如企业经济允许的话,建议吸附剂选用蜂窝状活性炭纤维 能较好的满意技术经济要求,其物理性能参数见表4-3:工程外形尺寸/mm孔数/cm。孔壁厚/mm压碎强度/Mpa表4-3蜂窝状活性炭的物理性能性能指标50 x50xl00160.5正面:7.07侧面:。.30.40.50.327005500.2体积密度/g -3几何外外表积/nf.g-i比外表积/itfgi着火点/苯吸附率/%其吸附性能主要取决于它的几个主要材料参数和过程参数网。材料参数包括炭的 吸附孔隙率、蜂窝结构的壁厚和炭的含量;过程参数包括流体流速、吸附质的浓度、吸 附能(吸附能取决于碳结构和吸附质的特征如
19、分子量)。穿透曲线是表征材料吸附性能的 主要性能之一,是吸附前后吸附质浓度比值随时间变化的一个函数。此比值到达0.95 时,所吸附的吸附质的总量就称为穿透容量。穿透容量取决于流体流速、吸附质浓度和蜂 窝炭组分含量等因素的。对蜂窝状活性炭来说,壁厚是一个特别重要的参数,可以通过转 变壁厚来提高它的吸附效率。在孔隙率相同的状况下,壁厚增加,那么单位体积蜂窝的炭含 量也随之增加,从而可以提高吸附容量。这是由于壁厚增加,蜂窝中流体通道的截面积削 减,这样真实的外表或体积流速也会增大。同时,吸附质与炭之间的接触效率也会提高,这 两者之间存在一个平衡关系。在给定的条件下,这个平衡关系将打算吸附增加还是削减
20、。 假如吸附质以较高的集中速度集中到蜂窝壁的内部,由此空出来的吸附位又可连续吸附, 因此厚壁蜂窝应当具有更好的吸附效率和吸附容量口”。4.2.2 空塔气速和横截面积确实定空塔气速为气体通过吸附器整个横截面的速度。空塔气速的选择,不仅直接打算了 吸附器的尺寸和压降的大小,而且还会影响吸附效率。气速很小,那么吸附器尺寸很大,不 经济;气速过大,那么压降会增大,使吸附效率受到影响。通过试验确定最正确气速。吸附设 计中不能追求过高的吸附效率,把空塔速度取值降小,那样会使吸附床体积、吸附剂用 量和设施造价大为增高;反之也不宜取过大的空塔气速那样设施费用虽低,但吸附效率 下降很多,且体系压降会随空塔速率的
21、增大提升很快,造成动力消耗过大,因此因选取 合适的空塔气速,最相宜空塔气速为0.81.2m/s,依此阅历结论,本设计确定空塔气速:U = 1.0 m/s.原始条件:处理风量:Q=20000m3/h , 设计温度为35C,压力为L01325X l()5pa由于废气中,空气所占的比例远远大于污染物所占比例,因此,废气性质可以近似 看作为干空气的热物理性质,查化学原理附录9得以下数据:空气混和物性质:流体密度Pf=1.147kg/机3,黏度为 Rf =1.94X10-5 Pa.S,比热容为Cp=L005kJ/(kg.C)吸附得粒状活性炭颗粒性质:平均直径dp=0.003m,表观密度ps =670kg
22、/m3,积累密度pB =470 kg/m3固定床空隙率f =0.5快.HE o Q 2000002横截面积:S =5.56 m2U 3600x1.04V I4 x 20000“D= J二 J2.66 m” U固定床吸附层高度的计算采纳透过曲线计算法,通过试验将含有肯定浓度污染物的气流连续通过固定床吸附 器,在不同时间内,确定确定吸附床不同截面处气流中污染物的浓度分布,当吸附床使 用一段时间后,出口气体污染物浓度到达某一允许最大浓度时,认为吸附床失效。从气 流开头通入至吸附床失效这段时间称为穿透时间,或保护作用时间。表示吸附床处理气 体量与出气口污染物浓度之间的关系的曲线称为穿透曲线。穿透曲线的
23、外形和穿透时间 取决与固定床的操作方法。操作过程的实际速率和机理、吸附平衡性质、气流速度、污 染物入口浓度,以及床层厚度等都影响穿透曲线的外形,此过程比拟简单,目前仍是只 是近似过程的计算。假定吸附床到达穿透时间时全部处于饱和状态,即到达它的平衡吸附量a,也称a为 静活度,同时依据朗格谬尔等温线假定静活度不在与气象浓度有关。在吸附作用时间; 内,所吸附污染物的量为回X= aSL pb式中:X在时间,内的吸附量;a静活度,重量,%;S吸附层的截面积,n?;L吸附层高度,m;Pb吸附剂的积累密度,设计为470kg/m3固定床虽然结构简洁,但由于污染物在床层内浓度分布是随时间变化,计算比拟简单, 因
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