有機廢氣吸附設計與計算及活性炭再生計算

有機廢氣吸附設計與計算

1、吸附原理

當兩相組成一個體系時，其組成在相界面與相內部是不同的，處在；兩相界面處的成分產生了積蓄（濃縮），這種現象稱為吸附。吸附處理廢氣時，吸附的對象是氣態汙染物，被吸附的氣體組分稱為吸附質，吸附氣體組分的物質稱為吸附劑。

使已被吸附的組分從達到飽和的吸附劑析出，吸附劑得以再生的操作稱為脫附。即被吸附於界面的物質在一定條件下，離開界面重新進入體相的過程，也成解吸。而當吸附進行一段時間後，由於表面吸附質的濃集，使其吸附能力明顯下降而不能滿足吸附淨化的要求，此時需要採用一定的措施是吸附劑上已吸附的吸附質脫附，恢復吸附劑的吸附能力，這個過程成為吸附劑的再生。因此，在實際工作中，正式利用吸附劑的吸附—再生—吸附的循環過程，達到除去廢氣中汙染物質並回收廢氣中有用組分的目的。

脫附過程是在吸附劑結構不變化或者變化極小的情況下，將吸附質從吸附劑孔隙中除去，恢復它的吸附能力。通過再生使用，可以降低處理成本，減少廢渣排放量，同時回收吸附質。被吸附的組分重新釋放，釋放的氣體濃度高於原混合氣的濃度。促進解吸的條件有：（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、吸附機理

   吸附和脫附互為可逆過程。當用新鮮的吸附劑吸附氣體中的吸附質時，由於吸附劑表面沒有吸附質，因此也就沒有吸附質的脫附。但隨著吸附的進行，吸附劑表面上的吸附質逐漸增多，也就出現了吸附質的脫附，且隨著時間的推移，脫附速度不斷增大。但從宏觀上看，同一時間吸附質的吸附量仍大於脫附量，所以過程的總趨勢認為是吸附。當同一時間吸附質的吸附量與脫附量相等時，吸附和脫附達到動態平衡，此時稱為達到吸附平衡。平衡時，吸附質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，吸附過程停止。平衡時的吸附質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。

當吸附質與吸附劑長時間接觸後，終將達到吸附平衡。吸附平衡量是吸附劑對吸附質的極限吸附量，亦稱靜吸附量分數或經活性分數，用表示，無量綱。它是設計和生產中十分重要的參數。吸附平衡時，吸附質在氣、固兩相中的濃度關係，一般用吸附等溫線表示。吸附等溫線通常根據實驗數據繪製，也常用各種經驗方程式來表示。

3、吸附量

   吸附量是指在一定條件下單位質量的吸附劑上所吸附的吸附質的量，通常以kg吸附質/kg吸附劑或質量分數表示，它是吸附劑所具有吸附能力的標誌。在工業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，達到平衡時吸附劑的平衡吸附量即為其靜活性。對一定的吸附體系，靜活性只取決於吸附溫度和吸附質的濃度或分壓。

（2）吸附劑的動活性

在一定的操作條件下，將氣體混合物通過吸附床層，吸附質被吸附，當吸附一段時間後，從吸附劑層流出的汽提開始發現吸附質（或其濃度達到依規定的允許值）時，認為床層失敗，此時吸附劑吸附的吸附質的量稱為吸附劑的動活性。動活性除與吸附劑和吸附質的特性有關外，還與溫度、濃度及操作條件有關。吸附劑的動活性值是吸附系統設計的主要依據。

二、吸附器選擇的設計計算

 1、吸附器的確定

   對吸附器的基本要求：

 （1）具有足夠的過氣段面和停留時間

 （2）良好的氣流分布

 （3）預先除去入口氣體中汙染吸附劑的雜質

 （4）能夠有效地控制和調節吸附操作溫度

 （5）易於更換吸附劑

   吸附工藝選用固定床吸附器。基本運行參數如下：

   處理風量：40000m³/h

   有機廢氣組分：

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

   數量：兩臺並聯，脫附吸附交替運行

2、吸附劑的選擇

如何選擇、使用和評價吸附劑，是吸附操作中必須解決的首要問題。一切固體物質的表面，對於流體的表面都具有物理吸附的作用，但合乎工業要求的吸附劑則應具備以下一些要求：

（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）具有良好的機械強度和均勻的顆粒尺寸

（5）有足夠的熱穩定性及化學穩定性

（6）有良好的再生性能

（7）吸附劑的來源廣泛、造價低廉

本設計採用活性炭纖維做吸附劑，活性炭纖維是常用吸附劑的一種。活性炭纖維對吸附質的吸附主要取決於表面的物理結構和化學結構，活性炭纖維以其表面大量的不飽和碳構築成了獨特的吸附結構，它是一種典型的微孔碳，其含有的許多不規則結構（雜環結構）或含有表面官能團的結構，具有極大的表面積，也就造成了微孔相對孔壁分子共同作用形成強大的分子場，提供一個吸附總分子物理和化學變化的高壓體系。活性炭纖維不含有大孔，其微孔佔大多數，當微孔與分子尺寸大小相當時，在範德華力作用下相距很近的吸附場發生疊加，引起微孔內吸附勢的增加，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良的吸附劑。（計算過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吸附器整個橫截面積的速度，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，而且還會影響吸附效率。氣速很小，則吸附器尺寸很大，不經濟；氣速過大，則壓降會增大，使吸附效率受到影響。通過實驗確定最佳氣速，吸附設計中不能追求過高的吸附效率，把空塔氣速取值降小，那樣會使吸附床體積、吸附劑用量和設備造價大為增高；反之也不宜取過大的空塔氣速，那樣設備費用雖低，但吸附效率下降很多，且體系壓降會隨空塔氣速的增大上升很快，造成動力消耗過大，因此應選取合適的空塔氣速，最適宜的空塔氣速為0.8~1.2m/s，依此經驗結論，本設計確定

空塔氣速：U=1.0m/s

原始條件：

    處理風量：Q=40000 m³/h，設計溫度為常溫，壓力為常壓

由於廢氣中，空氣所佔的比例遠遠大於汙染物所佔比例，因此，廢氣性質可以近似看作為幹空氣的熱物理性質，查《化工原理》附錄得以下數據：

空氣混合物性質：

4、固定床吸附層高度的計算

   採用透過曲線計算方法，通過實驗將含有一定濃度汙染物的氣流連續通過固定床吸附器，在不同的時間內，確定吸附床不同截面處氣流中汙染物的濃度分布，當吸附床使用一段時間後，出口氣體汙染物濃度達到某一允許最大濃度時，認為吸附床失效。從氣流開始通入至吸附床失效這段時間稱為穿透時間，或保護作用時間。表示吸附床處理氣體量與出氣口汙染物濃度之間的關係的曲線稱為穿透曲線。穿透曲線的形狀和穿透時間取決於固定床的操作方法。操作過程的實際速率和機理、吸附平衡性質、氣流速度、汙染物入口濃度，以及床層厚度等影響穿透曲線的形狀，此過程比較複雜，目前仍是只是近似過程的計算。

假定吸附床到達穿透時間全部處於飽和狀態，即達到它的平衡吸附量a，也稱a為靜活度，同時根據朗格繆爾等溫線，假定靜活度不再與氣相濃度有關。在吸附作用時間ζ內，所吸附汙染物的量為

   X=aSL

式中：X——在時間ζ內的吸附量；

      a——靜活度，重量，%；

      S——吸附層的截面積，m²；

      L——吸附層高度，m;

     ——吸附劑的堆積密度，設計為470 kg/m ³

固定床雖然結構簡單，但由於汙染物在床層內濃度分布是隨時間變化，計算比較複雜，因此目前工程上都是採用近似計算，通過計算活性炭的作用時間進行後處理的計算。活性炭的作用時間由下式算出：

 

式中，V——活性炭的裝填量，m ³

      C——進口氣體汙染物的濃度，mg/ m ³

      Q——氣流量，m ³/h

      t——活性炭的使用時間，h

      W——活性炭原粒度的重量穿透炭容，%

      d——活性炭的堆密度0.8t/ m ³

     算出廢棄的排放量：

根據活性炭的吸附能力，設靜活度為16kg甲苯/100kg活性炭

所以，

5、吸附劑（活性炭）用量的計算

吸附劑的用量M：

6、活性炭再生的計算

   本設計採用升溫脫附，即在等壓下升高吸附床層溫度，進行脫附，然後降溫冷卻，重新吸附。吸附床的操作溫度為，原料中吸附質的分壓為,當吸附床達飽和後，吸附劑吸附容量為，假定吸附階段終了時，允許吸附後氣體中的吸附容量低於。升溫脫附可將吸附劑從升溫到，這時吸附劑容量可低於。

  （1）乾燥吸附劑時空氣消耗量