第07章氣態(tài)污染物控制技術(shù)2

27十二月2023第07章氣態(tài)污染物控制技術(shù)2第三節(jié)氣體吸附3.1

吸附過(guò)程吸附過(guò)程用多孔性固體物質(zhì)處理流體混合物，使流體混合物中所含的一種或幾種組分濃集在固體物質(zhì)表面，從而使它與其它組分分開(kāi)的過(guò)程稱為吸附。吸附質(zhì)在吸附過(guò)程中，被吸附到固體表面的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)吸附劑吸附質(zhì)附著于其上的固體物質(zhì)稱為吸附劑。優(yōu)點(diǎn)：效率高、可回收、設(shè)備簡(jiǎn)單由于吸附劑往往具有高的選擇性和高的分離效果，所以吸附法凈化氣態(tài)污染物的最大特點(diǎn)是凈化效率高。缺點(diǎn)：吸附容量小、設(shè)備體積大2吸附過(guò)程微觀示意圖33.2物理吸附與化學(xué)吸附吸附作用只發(fā)生在物質(zhì)的表面上，這是由于固體表面存在著剩余的吸引力而引起的。根據(jù)吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生吸附作用的力的性質(zhì)，通常將吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附物理吸附亦稱范德華吸附，它是由于吸附劑與吸附質(zhì)分子之間的靜電力或范德華引力而引起的。例如：P262…物理吸附具有如下四大特點(diǎn)：物理吸附通常是放熱過(guò)程，但放熱不大(大約為20KJ／mol左右)，且是可逆過(guò)程，因此，吸附速率受溫度的影響很大，隨溫度的升高而顯著變慢；只取決于氣體的物理性質(zhì)和吸附劑的特點(diǎn)，選擇性不強(qiáng)；物理吸附的吸附速率很快，有時(shí)即使在低溫度條件，吸附速率也相當(dāng)快；低壓下物理吸附的吸附層一般是單分子層，隨著吸附質(zhì)的氣壓增大，吸附層可變?yōu)槎喾肿訉印?物理吸附與化學(xué)吸附（續(xù)）化學(xué)吸附化學(xué)吸附又稱活性吸附，它是由于吸附劑表面與吸附質(zhì)的分子之間的化學(xué)反應(yīng)力而引起的?；瘜W(xué)吸附涉及到吸附劑分子與吸附質(zhì)分子的化學(xué)鍵的破壞和重新結(jié)合，因此化學(xué)吸附過(guò)程的吸附熱比物理吸附過(guò)程大，其數(shù)量相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)熱?；瘜W(xué)吸附具有如下特點(diǎn)：化學(xué)吸附有很強(qiáng)的選擇性，僅能吸附參與化學(xué)反應(yīng)的某些氣體；化學(xué)吸附速率受溫度的影響很大，隨溫度的升高而顯著變快；化學(xué)吸附的吸附熱比物理吸附大，與化學(xué)反應(yīng)熱接近；化學(xué)吸附是單分子層或單原子層吸附；化學(xué)吸附一般是不可逆的，比較穩(wěn)定，被吸附的氣體不易脫附。5物理吸附和化學(xué)吸附（續(xù)）物理吸附化學(xué)吸附1.吸附力－范德華力；2.不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；3.過(guò)程快，瞬間達(dá)到平衡；4.放熱反應(yīng)；5.吸附可逆；1.吸附力－化學(xué)鍵力；2.發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；3.過(guò)程慢；4.升高溫度有助于提高速率；5.吸附不可逆；6物理吸附和化學(xué)吸附（續(xù)）同一污染物可能在較低溫度下發(fā)生物理吸附若溫度升高到吸附劑具備足夠高的活化能時(shí)，發(fā)生化學(xué)吸附73.3吸附劑工業(yè)吸附劑需具備的特性內(nèi)表面積大具有選擇性吸附作用高機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性吸附容量大來(lái)源廣泛，造價(jià)低廉良好的再生性能8常用吸附劑特性吸附劑類型活性炭活性氧化鋁硅膠沸石分子篩4A5A13x堆積密度/kg?m-3200～600750～1000800800800800熱容/kJ(kg·K)-10.836～1.2540.836～1.0450.920.7940.794——操作溫度上限/K423773673873873873平均孔徑/?15～2518～48224513再生溫度

/K373～413473～523393～423473～573473～573473～573比表面積/㎡?g-1600～1600210～360600——————9常用吸附劑特性分子篩特性103.4吸附催化和吸附浸漬吸附催化在吸附過(guò)程中，吸附劑可同時(shí)將污染氣體中的兩種以上的物質(zhì)濃集在表面上，使吸附質(zhì)分子的化學(xué)鍵松馳，更易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。例如，活性炭吸附劑能將煙氣中的二氧化硫和氧同時(shí)吸附，使之發(fā)生氧化反應(yīng)生成三氧化硫，在有水蒸氣存在的情況下生成硫酸。用水從活性炭表面上洗去三氧化硫和硫酸，便可達(dá)到去除煙氣中二氧化硫的目的。同樣，活性炭也可用來(lái)將廢氣中的CO變?yōu)镃O2，NO變?yōu)镹O2而再設(shè)法除去。在這種情況下，吸附劑起到了催化劑的作用，這種過(guò)程稱為吸附催化。11吸附催化和吸附浸漬（續(xù)）吸附浸漬如果吸附劑預(yù)先吸附了一種物質(zhì)，然后再去吸附某種有害氣體，兩者在吸附劑表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種處理過(guò)程稱為吸附浸漬。例如，用吸附了氯的活性炭去凈化含汞廢氣，使汞和氯在吸附劑表面上生成氯化汞，從而使廢氣得到凈化。又如，用吸附了溴的活性炭可吸附空氣中的乙烯，使乙烯與溴生成1.2雙溴乙烷，從而使空氣得到凈化。再如，以Zn、Fe和Cu的氧化物載于活性炭上，可凈化一般用吸附法難于脫凈的含硫有機(jī)物廢氣。吸附浸漬的優(yōu)點(diǎn)在于吸附劑表面發(fā)生物理吸附的同時(shí)，還發(fā)生了污染物參加的化學(xué)反應(yīng)或催化反應(yīng)，過(guò)程的凈化效果與速率得以提高，且吸附容量增大了。因此吸附浸漬廣泛用于廢氣處理。123.5氣體吸附的影響因素操作條件低溫有利于物理吸附；高溫利于化學(xué)吸附增大氣相壓力利于吸附吸附劑性質(zhì)比表面積（孔隙率、孔徑、粒度等）13氣體吸附的影響因素（續(xù)）典型吸附質(zhì)分子的橫截面積14氣體吸附的影響因素（續(xù)）吸附質(zhì)性質(zhì)、濃度臨界直徑－吸附質(zhì)不易滲入的最大直徑吸附質(zhì)的分子量、沸點(diǎn)、飽和性吸附劑活性單位吸附劑吸附的吸附質(zhì)的量靜活性－吸附達(dá)到飽和時(shí)的吸附量動(dòng)活性－未達(dá)到平衡時(shí)的吸附量15常見(jiàn)分子的臨界直徑分子臨界直徑/?分子臨界直徑/?氦氫乙炔氧一氧化碳二氧化碳氮水氨氬甲烷乙烯環(huán)氧乙烷乙烷甲醇乙醇環(huán)丙烷丙烷 正丁烷-正二十二烷2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.44.754.894.9

丙烯1-丁烯2-反丁烯1,3-丁二烯二氟-氯甲烷(CFC-22)噻吩異丁烷-異二十二烷二氟二氯甲烷(CFC-12)環(huán)己烷甲苯對(duì)二甲苯苯四氯化碳氯仿新戊烷間二甲苯鄰二甲苯三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4163.6吸附劑的再生吸附劑再生的方式溶劑萃取活性炭吸附SO2，可用水脫附置換再生脫附劑需要再脫附降壓或真空解吸吸附作用，再生溫度加熱再生17吸附劑的再生（續(xù)）對(duì)于純物理吸附過(guò)程而言，吸附劑的再生較為簡(jiǎn)單，由于物理吸附是可逆的，只需將吸附熱重新轉(zhuǎn)給吸附劑，就能去除吸附質(zhì)，這個(gè)過(guò)程稱為解吸。在很多情況下，吸附質(zhì)分子與吸附劑表面之間不僅有物理力，而且還有化學(xué)力，在這種情況下，提供給吸附質(zhì)的解吸能必須包括吸附質(zhì)的活化能，于是解吸可通過(guò)降低吸附質(zhì)的分壓力或升高溫度來(lái)進(jìn)行。如果吸附質(zhì)之間或者吸附質(zhì)與吸附劑之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，這時(shí)除了提供向吸附質(zhì)解吸能之外，還必須對(duì)吸附劑提供反應(yīng)熱，以清除有較強(qiáng)化學(xué)力結(jié)合的吸附質(zhì)分子，這個(gè)過(guò)程叫做吸附的再活化。再活化能包括解吸能和反應(yīng)熱，再生可用高溫、置換等方法進(jìn)行。18吸附劑再生（續(xù)）(a)吸附(b)解吸193.7吸附平衡當(dāng)吸附速度＝脫附速度時(shí)，吸附平衡，此時(shí)吸附量達(dá)到極限值極限吸附量受氣體壓力和溫度的影響吸附等溫線

NH3在活性炭上的吸附等溫線20吸附平衡關(guān)系在達(dá)到吸附平衡時(shí)，被吸附組分在固相中的平衡吸附量和它在與固相接觸的氣相中的濃度（分壓）、吸附溫度之間具有一定的函數(shù)關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系就是所謂吸附平衡關(guān)系。對(duì)于氣體吸附，其平衡關(guān)系可表示為：XT＝f（P,t）式中，P代表達(dá)到吸附平衡時(shí)吸附質(zhì)在氣相中的分壓（濃度），t為吸附溫度。21吸附平衡關(guān)系一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定為了實(shí)驗(yàn)方便，對(duì)于一定的吸附系統(tǒng)，常常固定三個(gè)變量中的一個(gè)，再測(cè)定其它兩個(gè)變量之間的關(guān)系。固定吸附溫度不變，即t=常數(shù)，XT＝f（P），此為等溫吸附方程式；固定吸附壓力（濃度）不變，P＝常數(shù)，XT＝f（t）,稱為等壓吸附方程式；固定吸附量不變，XT＝常數(shù)，P＝（t），稱為等量吸附方程式。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果而繪制的曲線分別稱為等溫線、等壓線和等量線。其中以等溫吸附的實(shí)驗(yàn)比較好作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際吸附過(guò)程相似，所以吸附平衡關(guān)系式通常都是等溫方程式或者等溫線。22吸附等溫線23m－單位吸附劑的吸附量P－吸附質(zhì)在氣相中的平衡分壓K,n－經(jīng)驗(yàn)常數(shù),實(shí)驗(yàn)確定吸附方程式弗羅德里希（Freundlich）方程（I型等溫線中壓部分）lgm對(duì)lgP作圖為直線24吸附方程式（續(xù)）朗格繆爾（Langmuir）方程（I型等溫線）P270例題7－325吸附方程式（續(xù)）BET方程（I、II、III型等溫線，多分子層吸附）263.8吸附速率吸附過(guò)程的幾個(gè)步驟吸附外擴(kuò)散（氣流主體外表面）內(nèi)擴(kuò)散（外表面內(nèi)表面）物理吸附過(guò)程的三個(gè)步驟化學(xué)吸附過(guò)程的四個(gè)步驟

上述三個(gè)步驟

化學(xué)反應(yīng)27吸附速率的控制步驟所有的吸附速率公式，只是把吸附速率用公式概括地表示出來(lái)而已，而在實(shí)際設(shè)計(jì)吸附裝置時(shí)，仍必須對(duì)吸附速率進(jìn)一步作出嚴(yán)密分析，研究吸附速率的控制步驟。對(duì)于物理吸附過(guò)程，通?？煽醋魇怯赏鈹U(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散、吸附三個(gè)步驟組成的。對(duì)于在吸附劑表面上有化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)吸附來(lái)說(shuō)，在上述三個(gè)步驟之后，還有化學(xué)反應(yīng)一步。吸附速率將取決于上述三個(gè)或者四個(gè)步驟中最慢的一個(gè)步驟的速率。速率最慢的那個(gè)步驟就是控制步驟。28吸附速率的控制步驟（續(xù)）對(duì)于物理吸附過(guò)程，吸附本身的速度是很快的，吸附速率主要由擴(kuò)散速率決定。試驗(yàn)表明，在吸附劑內(nèi)部的擴(kuò)散阻力，一般可以不計(jì)，因此，外擴(kuò)散是吸附過(guò)程的控制步驟。對(duì)于化學(xué)吸附過(guò)程，其速率控制步驟可以是表面動(dòng)力學(xué)控制，也可以是外擴(kuò)散控制或內(nèi)擴(kuò)散控制，通常是內(nèi)擴(kuò)散控制。29吸附速率（續(xù)）外擴(kuò)散速率內(nèi)擴(kuò)散速率總吸附速率方程303.9吸附工藝固定床固定床吸附器是使吸附劑固定不動(dòng)，氣體流經(jīng)吸附層。這種裝置是在瞬變狀態(tài)下操作，不斷趨向于平衡，一直到不能再進(jìn)行吸附為止。然后停止工作，進(jìn)行再生。固定床吸附器應(yīng)用廣泛，是吸附法凈化氣態(tài)污染物的最主要的設(shè)備。31固定床吸附器設(shè)計(jì)的基本要求具有足夠的過(guò)氣斷面和停留時(shí)間，它們都是吸附器尺寸的函數(shù)；產(chǎn)生良好的氣流分布，以便所有的過(guò)氣斷面都能得到充分的利用；預(yù)先除去入口氣體中能污染吸附劑的雜質(zhì)；采用其他較為經(jīng)濟(jì)有效的工藝，預(yù)先去除入口氣體中的部分組分，以減輕吸附系統(tǒng)的負(fù)荷；能夠有效地控制和調(diào)節(jié)吸附操作溫度；易于更換吸附劑。32吸附工藝（續(xù)）移動(dòng)床33吸附工藝（續(xù)）移動(dòng)床34吸附工藝流化床35流化床吸附工藝（續(xù)）36吸附工藝流程按照操作時(shí)吸附劑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可將吸附器分為固定床、沸騰床和流動(dòng)床。含有少量污染物的氣流通過(guò)吸附層床時(shí)，其中污染物被吸附劑截留在床層內(nèi)，凈化后的氣體排入大氣。根據(jù)設(shè)備類型和操作方式的不同，吸附流程可分為：間歇式、半連續(xù)式、和連續(xù)式流程。間歇式吸附流程用于間斷排出廢氣的場(chǎng)合。其特點(diǎn)是吸附劑達(dá)到飽和后，便從吸附裝置中移走，不設(shè)再生裝置，流程簡(jiǎn)單，設(shè)置方便。半連續(xù)式吸附流程在空氣污染控制中，最常用的流程。即用兩個(gè)以上的固定床吸附器，氣體連續(xù)通過(guò)床層，當(dāng)一個(gè)達(dá)到飽和時(shí)，氣體就切換到另一個(gè)吸附器間歇吸附，而達(dá)到飽和的吸附床則間歇再生。在這種流程中，氣體是連續(xù)的，而每一個(gè)吸附器是間斷運(yùn)行的。連續(xù)式吸附流程在連續(xù)式吸附流程中，氣流和吸附劑都處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。可用回轉(zhuǎn)式吸附床或者流化床來(lái)實(shí)現(xiàn)。373.10吸附負(fù)荷曲線與穿透曲線38吸附負(fù)荷曲線定義含有一定濃度的污染氣流，連續(xù)通過(guò)固定床吸附器，沿吸附床層不同長(zhǎng)度處氣流中污染物的濃度變化曲線，或者吸附劑中所吸附的吸附質(zhì)，沿吸附床層不同長(zhǎng)度處在吸附劑中的濃度變化曲線叫做吸附負(fù)荷曲線。如圖7－23坐標(biāo)軸與其它名詞解釋橫坐標(biāo)為吸附劑床層長(zhǎng)度縱坐標(biāo)為吸附質(zhì)氣相濃度或者吸附劑的固相濃度。39穿透曲線定義吸附床層中流出氣體中的污染物氣相濃度隨時(shí)間的變化曲線稱為穿透曲線。與負(fù)荷曲線的區(qū)別和聯(lián)系負(fù)荷曲線可以直觀地看出床層內(nèi)吸附的操作情況，但測(cè)定困難。穿透曲線反映床層內(nèi)部的吸附情況，且測(cè)定容易。坐標(biāo)軸橫坐標(biāo)為時(shí)間，或者排出氣體的總量縱坐標(biāo)為吸附床層中流出氣體中的污染物氣相濃度。40穿透曲線（續(xù)）穿透曲線的作用穿透曲線能反映吸附器床層內(nèi)部的吸附情況，可以比較準(zhǔn)確地求出穿透點(diǎn)，從而可以更好地發(fā)揮吸附器的吸附能力。穿透曲線斜率的物理意義穿透曲線斜率的大小可以反映吸附過(guò)程速度的快慢，曲線越陡，斜率越大，吸附過(guò)程速度較快。41穿透曲線的影響因素影響穿透曲線的因素主要有如下幾個(gè)方面：被吸附的氣體中吸附質(zhì)的濃度進(jìn)入吸附器的氣體中，吸附質(zhì)濃度越高，穿透曲線越凸，斜率越大。吸附劑顆粒的大小如果吸附劑均為球形顆粒，而其它條件都相同時(shí)，顆粒越小，穿透曲線的斜率越大。吸附劑的種類同一吸附質(zhì)，采用不同的吸附劑，穿透曲線的形狀和斜率不一樣。13X分子篩比5A分子篩的效果要好。吸附劑使用的時(shí)間對(duì)于用一定的吸附劑吸附一定的吸附質(zhì)來(lái)說(shuō)，穿透曲線的斜率，隨著吸附劑的使用周期增長(zhǎng)而逐漸減小，而且吸附劑的吸附性能變壞。氣體通過(guò)吸附器床層的流速、吸附劑床層的厚度、溫度等對(duì)穿透曲線的形狀均有影響。保護(hù)作用時(shí)間開(kāi)始進(jìn)氣到出現(xiàn)穿透點(diǎn)的這段時(shí)間又稱穿透時(shí)間。423.11固定床吸附計(jì)算保護(hù)作用時(shí)間P279~280τ－L實(shí)際曲線與理論曲線的比較1－理論線 2實(shí)際曲線43固定床吸附計(jì)算（續(xù)）同樣條件下定義－動(dòng)力特性44固定床吸附計(jì)算（續(xù)）吸附床長(zhǎng)度假定條件等溫吸附低濃度污染物的吸附吸附等溫線為第三種類型吸附區(qū)長(zhǎng)度為常數(shù)吸附床的長(zhǎng)度大于吸附區(qū)長(zhǎng)度P281例題7－445固定床吸附計(jì)算（續(xù)）吸附床長(zhǎng)度L0－吸附區(qū)長(zhǎng)度WA－穿透至耗竭的惰性氣體通過(guò)量WE－耗竭時(shí)的通過(guò)量1-f－吸附區(qū)內(nèi)的飽和度463.12吸附器的壓力損失1）圖解計(jì)算473.13固定床吸附器設(shè)計(jì)計(jì)算程序確定空塔氣速和停留時(shí)間空塔氣速：0.2～1m/s；停留時(shí)間:0.2～0.5s確定床層厚度、通流斷面面積床層厚度：0.5～1.0m；通流斷面面積：由空塔氣速和氣體處理量確定固定床吸附器本體設(shè)計(jì)選擇吸附器的結(jié)構(gòu)類型：場(chǎng)地因素固定床吸附器的結(jié)構(gòu)類型立式吸附器主要優(yōu)點(diǎn)是不易引起溝流和氣流短路現(xiàn)象，此外占地面積較小。但由于吸附劑床層厚度較大，所以氣流阻力較大、能量消耗較大。臥式吸附器主要優(yōu)點(diǎn)是較大幅度地縮短了吸附劑床層的厚度，可減少氣流阻力，從而可降低吸附器的動(dòng)力消耗。主要缺點(diǎn)是操作過(guò)程中在吸附床表面容易產(chǎn)生氣流分布不均，引起溝流和短路，從而使吸附效率下降。48固定床吸附器設(shè)計(jì)計(jì)算程序（續(xù)）確定吸附床層厚度由空塔氣速、接觸時(shí)間確定活性炭充填數(shù)量計(jì)算主要依據(jù)是吸附周期、活性炭的吸附容量、氣體處理流量、氣相中有機(jī)蒸氣的濃度、工廠勞動(dòng)組織制度等。確定吸附器的外形尺寸直徑、長(zhǎng)度或高度等主要依據(jù)是氣體處理流量、活性炭充填數(shù)量、活性炭的堆積密度、廢氣進(jìn)出口直徑等。吸附器附屬設(shè)施設(shè)計(jì)

人孔：大于或等于450mm；限壓閥：1kg/cm2，超過(guò)1kg/cm2勞動(dòng)部門則視為高壓設(shè)備；排液口吸附劑再生之后排放冷凝