有機(jī)廢氣吸附設(shè)計(jì)與計(jì)算

1、有機(jī)廢氣吸附設(shè)計(jì)與計(jì)算一、 基本原理1、吸附原理當(dāng)兩相組成一個(gè)體系時(shí)，其組成在相界面與相內(nèi)部是不同的，處在； 兩相界面處的成分產(chǎn)生了積蓄（濃縮），這種現(xiàn)象稱為吸附。吸附處理廢氣時(shí)，吸附的對(duì)象是氣態(tài)污染物，被吸附的氣體組分稱為吸附質(zhì)，吸附氣體組分的物質(zhì)稱為吸附劑。使已被吸附的組分從達(dá)到飽和的吸附劑析出，吸附劑得以再生的操作稱為脫附。 即被吸附于界面的物質(zhì)在一定條件下，離開(kāi)界面重新進(jìn)入體相的過(guò)程，也成解吸。 而當(dāng)吸附進(jìn)行一段時(shí)間后，由于表面吸附質(zhì)的濃集，使其吸附能力明顯下降而不能滿足吸附凈化的要求，此時(shí)需要采用一定的措施是吸附劑上已吸附的吸附質(zhì)脫附，恢復(fù)吸附劑的吸附能力，這個(gè)過(guò)程成為吸附劑的再生。

2、因此，在實(shí)際工作中， 正式利用吸附劑的吸附再生吸附的循環(huán)過(guò)程， 達(dá)到除去廢氣中污染物質(zhì)并回收廢氣中有用組分的目的。脫附過(guò)程是在吸附劑結(jié)構(gòu)不變化或者變化極小的情況下，將吸附質(zhì)從吸附劑孔隙中除去，恢復(fù)它的吸附能力。通過(guò)再生使用，可以降低處理成本，減少?gòu)U渣排放量， 同時(shí)回收吸附質(zhì)。被吸附的組分重新釋放，釋放的氣體濃度高于原混合氣的濃度。促進(jìn)解吸的條件有：（ 1）提高溫度（熱再生；（ 2）抽真空以降低壓力（變壓解吸附）； （ 3）降低吸附劑周圍組分的濃度（空氣吹掃）。2、吸附機(jī)理吸附和脫附互為可逆過(guò)程。當(dāng)用新鮮的吸附劑吸附氣體中的吸附質(zhì)時(shí)，由于吸附劑表面沒(méi)有吸附質(zhì)，因此也就沒(méi)有吸附質(zhì)的脫附。但隨著吸附

3、的進(jìn)行，吸附劑表面上的吸附質(zhì)逐漸增多，也就出現(xiàn)了吸附質(zhì)的脫附，且隨著時(shí)間的推移，脫附速度不斷增大。但從宏觀上看，同一時(shí)間吸附質(zhì)的吸附量仍大于脫附量，所以過(guò)程的總趨勢(shì)認(rèn)為是吸附。當(dāng)同一時(shí)間吸附質(zhì)的吸附量與脫附量相等時(shí)，吸附和脫附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)稱為達(dá)到吸附平衡。平衡時(shí)， 吸附質(zhì)在流體中的濃度和在吸附劑表面上的濃度不再變化，從宏觀上看，吸附過(guò)程停止。平衡時(shí)的吸附質(zhì)在流體中的濃度稱為平衡濃度，在吸附劑中的濃度稱為平衡吸附量。當(dāng)吸附質(zhì)與吸附劑長(zhǎng)時(shí)間接觸后，終將達(dá)到吸附平衡。吸附平衡量是吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的極限吸附量，亦稱靜吸附量分?jǐn)?shù)或經(jīng)活性分?jǐn)?shù)，用Xt表示，無(wú)量綱。它是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中十分重要的參數(shù)。吸附平

4、衡時(shí)，吸附質(zhì)在氣、固兩相中的濃度關(guān)系， 一般用吸附等溫線表示。吸附等溫線通常根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制，也常用各種經(jīng)驗(yàn)方程式來(lái)表示。3、吸附量吸附量是指在一定條件下單位質(zhì)量的吸附劑上所吸附的吸附質(zhì)的量，通常以kg 吸附質(zhì) /kg 吸附劑或質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，它是吸附劑所具有吸附能力的標(biāo)志。在工業(yè)上吸附量稱為吸附劑的活性。吸附劑的活性有兩種表示方法：（ 1）吸附劑的靜活性在一定條件下，達(dá)到平衡時(shí)吸附劑的平衡吸附量即為其靜活性。對(duì)一定的吸附體系，靜活性只取決于吸附溫度和吸附質(zhì)的濃度或分壓。（ 2）吸附劑的動(dòng)活性在一定的操作條件下，將氣體混合物通過(guò)吸附床層，吸附質(zhì)被吸附，當(dāng)吸附一段時(shí)間后，從吸附劑層流出的汽提開(kāi)始發(fā)

5、現(xiàn)吸附質(zhì)（或其濃度達(dá)到依規(guī)定的允許值） 時(shí)， 認(rèn)為床層失敗，此時(shí)吸附劑吸附的吸附質(zhì)的量稱為吸附劑的動(dòng)活性。動(dòng)活性除與吸附劑和吸附質(zhì)的特性有關(guān)外，還與溫度、濃度及操作條件有關(guān)。吸附劑的動(dòng)活性值是吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。二、吸附器選擇的設(shè)計(jì)計(jì)算1、吸附器的確定對(duì)吸附器的基本要求：（ 1）具有足夠的過(guò)氣段面和停留時(shí)間（ 2）良好的氣流分布（ 3）預(yù)先除去入口氣體中污染吸附劑的雜質(zhì)（ 4）能夠有效地控制和調(diào)節(jié)吸附操作溫度（ 5）易于更換吸附劑吸附工藝選用固定床吸附器?；具\(yùn)行參數(shù)如下：處理風(fēng)量：40000m3/h有機(jī)廢氣組分：甲苯 800 mg/ m 3，丙酮134 mg/ m 3，乙酸乙酯395 m

6、g/ m 3材料：鋼板6 =4壓降：常壓數(shù)量：兩臺(tái)并聯(lián)，脫附吸附交替運(yùn)行2、吸附劑的選擇如何選擇、使用和評(píng)價(jià)吸附劑，是吸附操作中必須解決的首要問(wèn)題。一切固體物質(zhì)的表面，對(duì)于流體的表面都具有物理吸附的作用，但合乎工業(yè)要求的吸附劑則應(yīng)具備以下一些要求：（ 1）具有大的比表面積（ 2）具有良好的選擇性吸附作用（ 3）吸附容量大（ 4）具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和均勻的顆粒尺寸（ 5）有足夠的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性（ 6）有良好的再生性能（ 7）吸附劑的來(lái)源廣泛、造價(jià)低廉本設(shè)計(jì)采用活性炭纖維做吸附劑，活性炭纖維是常用吸附劑的一種。活性炭纖維對(duì)吸附質(zhì)的吸附主要取決于表面的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，活性炭纖維以其表面大量

7、的不飽和碳構(gòu)筑成了獨(dú)特的吸附結(jié)構(gòu)，它是一種典型的微孔碳，其含有的許多不規(guī)則結(jié)構(gòu)（雜環(huán)結(jié)構(gòu)）或含有表面官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)，具有極大的表面積，也就造成了微孔相對(duì)孔壁分子共同作用形成強(qiáng)大的分子場(chǎng)，提供一個(gè)吸附總分子物理和化學(xué)變化的高壓體系。活性炭纖維不含有大孔，其微孔占大多數(shù)，當(dāng)微孔與分子尺寸大小相當(dāng)時(shí)，在范德華力作用下相距很近的吸附場(chǎng)發(fā)生疊加，引起微孔內(nèi)吸附勢(shì)的增加，而活性炭纖維表面的孔口多，容易吸附和脫附，而且吸脫行程短。因此，活性炭纖維是一種優(yōu)良的吸附劑。（計(jì)算過(guò)程以活性炭顆粒為例）3、空塔氣速和橫截面積的確定空塔氣速為氣體通過(guò)吸附器整個(gè)橫截面積的速度，空塔氣速的選擇，不僅直接決定了吸附器的尺寸和壓

8、降的大小，而且還會(huì)影響吸附效率。氣速很小，則吸附器尺寸很大，不經(jīng)濟(jì)；氣速過(guò)大，則壓降會(huì)增大，使吸附效率受到影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳氣速，吸附設(shè)計(jì)中不能追求過(guò)高的吸附效率，把空塔氣速取值降小，那樣會(huì)使吸附床體積、吸附劑用量和設(shè)備造價(jià)大為增高；反之也不宜取過(guò)大的空 塔氣速，那樣設(shè)備費(fèi)用雖低，但吸附效率下降很多，且體系壓降會(huì)隨空塔氣速的 增大上升很快，造成動(dòng)力消耗過(guò)大，因此應(yīng)選取合適的空塔氣速，最適宜的空塔 氣速為0.81.2m/s,依此經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，本設(shè)計(jì)確定空塔氣速：U=1.0m/s原始條件：處理風(fēng)量：Q=40000 m3/h,設(shè)計(jì)溫度為常溫，壓力為常壓由于廢氣中，空氣所占的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于污染物所占比例

9、， 因此，廢氣性質(zhì)可 以近似看作為干空氣的熱物理性質(zhì)，查化工原理附錄得以下數(shù)據(jù)：空氣混合物性質(zhì)：流體密度 jf=1.185kg/m 3,黏度 也=1.835X 10 5 Pa s,比熱容Cp=1.005kJ/(kgC),吸附的粒狀活性炭顆粒性質(zhì)：平均直徑dp=0.003m,表觀密度 °=670 kg/m 3,堆積密度=470 kg/m 3,固定床孔隙率f =0.5 f橫截面積：S Q威普011.1m24V 4 40000 3.76mU . 3.14 1.0 36004、固定床吸附層高度的計(jì)算采用透過(guò)曲線計(jì)算方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)將含有一定濃度污染物的氣流連續(xù)通過(guò)固 定床吸附器，在不同的時(shí)間內(nèi)

10、，確定吸附床不同截面處氣流中污染物的濃度分布， 當(dāng)吸附床使用一段時(shí)間后，出口氣體污染物濃度達(dá)到某一允許最大濃度時(shí)， 認(rèn)為 吸附床失效。從氣流開(kāi)始通入至吸附床失效這段時(shí)間稱為穿透時(shí)間，或保護(hù)作用 時(shí)間。表示吸附床處理氣體量與出氣口污染物濃度之間的關(guān)系的曲線稱為穿透曲 線。穿透曲線的形狀和穿透時(shí)間取決于固定床的操作方法。 操作過(guò)程的實(shí)際速率 和機(jī)理、吸附平衡性質(zhì)、氣流速度、污染物入口濃度，以及床層厚度等影響穿透 曲線的形狀，此過(guò)程比較復(fù)雜，目前仍是只是近似過(guò)程的計(jì)算。假定吸附床到達(dá)穿透時(shí)間全部處于飽和狀態(tài)，即達(dá)到它的平衡吸附量a,也稱a為靜活度，同時(shí)根據(jù)朗格繆爾等溫線，假定靜活度不再與氣相濃度有關(guān)

11、。在吸附作用時(shí)間（內(nèi)，所吸附污染物的量為X=aSLft式中：X在時(shí)間（內(nèi)的吸附量；a靜活度，重量，;S吸附層白截面積，m2；L吸附層高度，m;吸附劑的堆積密度，設(shè)計(jì)為 470 kg/m 3固定床雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于污染物在床層內(nèi)濃度分布是隨時(shí)間變化， 計(jì)算比較復(fù)雜，因此目前工程上都是采用近似計(jì)算,通過(guò)計(jì)算活性炭的作用時(shí)間進(jìn)行后處理的計(jì)算?；钚蕴康淖饔脮r(shí)間由下式算出:CQtWd910式中，V活性炭的裝填量,C進(jìn)口氣體污染物的濃度,mg/ m 3Q氣流量，m 3/ht活性炭的使用時(shí)間，hW活性炭原粒度白重量穿透炭容，%d活性炭的堆密度0.8t/ m 3V_Q_ 400000vSP 100040 m

12、 3/h算出廢棄的排放量：島=（800+134+395 X40000X10 6=53.16kg/h假設(shè)吸附器的吸附效率為85%,則達(dá)標(biāo)排放是需要吸附總的污染物的量為:53.16 X85%=45.19 kg/ht VWdCQ91040 10% 0.89280 4000010286h則在吸附作用時(shí)間內(nèi)的吸附量:X=4.76X 286=1361.6kg根據(jù)X=aSL得:L上 aS b根據(jù)活性炭的吸附能力，設(shè)靜活度為 16kg甲苯/100kg活性炭X1361.6所以,L 1.63maS 0.16 11.1 470 b5、吸附劑(活性炭)用量的計(jì)算吸附劑的用量M:M=LS R =1.63X 11.1 X

13、 470=8530.7kg吸附劑本身占體積V=LS=1.63< 11.1=18.09 m2吸附床層體積:' V s 18.09 670cVs 25.79 m 3V470 6、活性炭再生的計(jì)算本設(shè)計(jì)采用升溫脫附，即在等壓下升高吸附床層溫度，進(jìn)行脫附，然后降溫 冷卻，重新吸附。吸附床的操作溫度為 丁原料中吸附質(zhì)的分壓為 P1,當(dāng)吸附床達(dá)飽和后，吸附劑吸附容量為 M，假定吸附階段終了時(shí)，允許吸附后氣體中X1的吸附容量低于X2。升溫脫附可將吸附劑從 T1升溫到12,這時(shí)吸附劑容量可低于x2 °(1)干燥吸附劑時(shí)空氣消耗量L Wl(X2 X1)式中：L干燥吸附劑是空氣的消耗量，kgl空氣的單位消耗量，即干空氣/H2O,無(wú)量綱X、x2 分別為離開(kāi)、進(jìn)入吸附劑層時(shí)空氣的含濕量即H2O/干空氣W干燥時(shí)驅(qū)走的水分，kg 由化工原理查表的，常溫時(shí)飽和水蒸汽密度為0.02304kg/ m 3,則I .L(0.02304 40000)