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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(chēng)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(chēng)為吸附質(zhì)，吸附氣體組分的物質(zhì)稱(chēng)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(chēng)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。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?chē)M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(chēng)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(chēng)為平衡濃度，在吸附劑中的濃度稱(chēng)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(chēng)靜吸附量分?jǐn)?shù)或經(jīng)活性分?jǐn)?shù)，用表示，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(chēng)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)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(chēng)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)。

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。基本運(yùn)行參數(shù)如下：

處理風(fēng)量： 40000m 3 /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 mg/ m 3

材料：鋼板δ =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?；钚蕴坷w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?；钚蕴坷w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 0.8~1.2m/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 m 3 /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，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) ：

4 、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)，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(chēng)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(chēng)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(chēng) 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)。在吸附作用時(shí)間 ζ 內(nèi)，所吸附污染物的量為

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。活性炭的作用時(shí)間由下式算出：